太原理工大学淡猛/广东第二师范学院郭臻,最新Angew!高熵催化剂活化分子氧助力环境条件下氧化偶联反应!齐润龙一作

分子氧（O₂）活化生成活性氧物种（ROS）是催化氧化偶联过程的基础，然而传统方法依赖外部能量输入，这阻碍了可持续发展。

2026年05月11日，太原理工大学淡猛团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“High-Entropy Catalyst Activated Molecular Oxygen for Oxidative Coupling Under Ambient Conditions”的研究论文，团队成员齐润龙为论文第一作者，淡猛、广东第二师范学院郭臻为论文共同通讯作者。

第一作者：齐润龙

通讯作者：淡猛、郭臻

通讯单位：太原理工大学、广东第二师范学院

论文DOI：10.1002/anie.1664539

该研究首次证明，具有丰富自生晶格畸变的多元素协同非贵金属高熵硫化物纳米晶（HESNCs）能够在环境条件下自发活化分子氧（O₂）生成超氧自由基（·O₂⁻），并驱动多种氧化偶联反应（S-N、C-S、C-N），具有高催化活性和卓越稳定性（>300天）。同时，HESNCs驱动的无外场催化方案可实现优异产率（>90%）的药物合成，并可放大至摩尔级生产，展现出巨大的工业应用潜力。实验和计算分析揭示，HESNCs中严重的本征晶格畸变调控了d带中心并增强了泡利排斥，使得电子从有机供体（如胺）转移到O₂，生成·O₂⁻和供体自由基（Don·）。随后，·O₂⁻诱导底物氧化形成偶联活性中间体（Sub·），这些中间体与Don·结合生成氧化偶联产物，同时将·O₂⁻还原为水。该研究建立了一种新型“电子供体辅助高熵催化剂（HECs）介导”的环境条件O₂活化范式，无需外部能量输入即可实现氧化偶联反应。

氧化偶联反应作为有机合成中的基本方法学，通过外部氧化剂介导的电子转移连接亲核中心，用于生产重要的工业产品和药物。空气中的分子氧（O₂）作为氧化偶联反应的理想氧化剂，具有天然丰富、成本低廉和环境兼容等无与伦比的优势。然而，在环境条件下实际应用O₂主要受到自旋禁阻反应路径的限制。活化O₂生成活性氧物种（ROS，例如单线态氧（¹O₂）、超氧阴离子（·O₂⁻）、羟基自由基（·OH））为克服O₂的固有弱点并引发氧化偶联提供了一种有效策略。在这些ROS中，·O₂⁻由于具有合适的氧化还原电位（2.4V vs. RHE）而表现出 卓越选择性，显著降低了不希望的过氧化风险。此外，其延长的半衰期（51-422秒）和宽pH耐受范围（pH=2-10）确保了在不同反应环境中的可靠催化性能，巩固了其作为受控氧化偶联反应最佳ROS的地位。

直接将O₂活化为·O₂⁻对于实现环境友好且廉价的环境条件氧化偶联反应过程极具吸引力。然而，O₂的高活化能垒导致其产生¹O₂高度依赖于外部能量输入（例如光、热或电能），即使存在催化剂也是如此，导致操作复杂、效率低且能耗高，很大程度上阻碍了工业放大。理论上，直接将O₂催化活化为·O₂⁻几乎是不可能的，因为所需的显著电子转移通常会导致催化剂氧化，引起不可逆失活。因此，在不需外部能量输入的情况下直接将O₂活化为·O₂⁻以引发环境条件氧化偶联反应仍然是一项艰巨的挑战。

芬顿反应能够在环境条件下产生ROS，通过利用电子供体有效构建完整的循环路径，防止催化位点失活。在氧化偶联反应中，众多底物都显示出作为有效电子供体的潜力。受此启发，该研究报道了可持续催化领域的一项突破：具有丰富本征晶格畸变的多元素协同非贵金属基高熵硫化物纳米晶（HESNCs: FeCoCuZnCdS），能够在无需外部能量输入的情况下实现自发的O₂活化和底物氧化偶联。HESNCs在环境条件下，对于多种底物（超过85个实例）形成S-N、C-S和C-N键展现出卓越的催化活性和稳定性（>300天），同时保持了优异的可放大性至摩尔级合成，突显了其巨大的工业转化潜力。实验和计算分析揭示，具有独特多元素协同作用的HESNCs介导电子从电子供体（底物）转移到分子氧（O₂），从而在环境条件下生成·O₂⁻并驱动后续的氧化偶联反应。

图1 策略发展。已开发的用于O₂活化的策略以及本研究中描述的方法，在该方法中O₂在环境条件下被活化为∙O₂⁻用于各种氧化偶联反应。

图2 FeCoCuZnCdS高熵硫化物纳米晶（HESNCs）的结构特征及DFT计算。(a)HESNCs的TEM图像。(b)高分辨TEM结果及(c)对应区域的IFFT图。DFT计算：(d)O₂在MSs（球）和HESNCs（五角星）上的吸附能。Cu:蓝色; Co:红色; Fe:橙色。(e)HESNCs中的晶格畸变和泡利排斥削弱了O₂吸附。4d金属:黄色; S:橙色; 3d金属:蓝色、紫色、浅红色和绿色; O:红色。

图3 HESNCs催化的S─N氧化偶联的底物范围。反应条件：硫酮(0.1mmol)、胺(0.5mmol)、HESNCs(5mg)、2mL乙腈、室温、空气氛围、7h。b 1mmol胺。所有产率均为分离产率。

图4 反应机理研究。(a)对照实验。(b)用BHT进行的捕获实验。(c)不同条件下的原位EPR谱图。(d)操作条件下HESNCs上S─N氧化偶联的原位FT-IR谱图(0.1mmol硫酮、0.5mmol胺、5mg HESNCs、2mL乙腈、室温)。(e)各种金属硫化物的S─N氧化偶联性能。(f)无需外部能量输入的“胺辅助HESNCs介导”环境条件O₂活化用于S─N氧化偶联反应的机理。产率通过HPLC以联苯为内标测定。

图5 HESNCs催化的S─N、C─S和C─N键形成中获得的产物产率。(a)分子内S─N形成的范围。(b)C─S形成的范围。(c)苯并咪唑（C─N形成）的范围。(d)酰胺（C─N形成）的范围。(a)的反应条件：标准条件为HESNCs(5mg)、2-巯基苯甲酰胺底物(0.1mmol)、Et₃N(0.2mmol)、2mL EtOH、室温、空气氛围、4h。b 2mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。(b)的反应条件：HESNCs(5mg)、2-巯基苯甲酰胺(0.1mmol)、苯乙炔(0.1mmol)、tBuOK(0.25mmol)、2mL EtOH、室温、空气氛围、6h。(c)的反应条件：5mg HESNCs、醛(0.1mmol)、邻苯二胺(0.1mmol)、2mL EtOH、室温、空气氛围、8h。(d)的反应条件：标准条件为硫代酸底物(0.2mmol)、胺(0.1mmol)、2mL乙腈、室温、空气氛围、12h。b 20h。c 硫代酸底物(0.1mmol)、胺(0.4mmol)。所有产率均为分离产率。

图6 药物分子的直接合成及摩尔级实验。反应条件1（苯并咪唑的合成）：HESNCs(5mg)、苯甲醛(0.1mmol)、邻苯二胺(0.1mmol)、2mL EtOH、室温、空气氛围、8h。反应条件2（酰胺的合成）：5mg HESNCs、硫代酸底物(0.2mmol)、胺(0.1mmol)、2mL乙腈、室温、空气氛围、12h。对于摩尔级实验：1g HESNCs、硫代酸底物(0.2mol)、胺(0.1mol)、200mL乙腈，在室温和空气氛围下反应60h。所有产率均为分离产率。

该研究开发了非贵金属HESNCs，其具有自生晶格畸变和优化的d带中心位置，能够自发活化O₂并在无需外部能量输入的环境条件下驱动一系列氧化偶联反应。HESNCs对S-N键、C-S键和C-N键的形成显示出卓越的催化活性（产率高达99%）、宽温度适应性（0°C以上产率无明显下降）、出色的可回收性（多次循环后产率从88%降至83%），并在药物合成中展示了可放大性（24.1g，79%产率）。