太原理工大学淡猛教授Angew: 高熵催化剂在环境条件下活化分子氧用于氧化偶联反应

文章摘要

分子氧活化以产生活性氧物种（ROS）是催化氧化偶联过程的核心，然而传统方法依赖外部能量输入，不利于可持续发展。本文首次证实，具有丰富自发生晶格畸变的多元素协同非贵金属高熵硫化物纳米晶（HESNCs），可在环境条件下自发活化氧气生成超氧自由基，以高催化活性与优异稳定性（>300天）驱动多种氧化偶联反应（S-N、C-S、C-N）。同时，该无外场驱动的HESNCs催化体系可高效合成药物分子（收率>90%），并可放大至摩尔级制备，展现出巨大的工业应用潜力。实验与计算分析表明，HESNCs中严重的本征晶格畸变可调控d带中心、增强泡利排斥作用，促使电子从有机给体（如胺类）转移至O₂，生成给体自由基（Don·）。随后O₂^•−氧化底物形成偶联活性中间体（Sub·），与Don·结合得到氧化偶联产物，同时O₂^•−被还原为水。本工作建立了一种全新的“电子给体辅助-高熵催化剂（HECs）介导”的环境条件下O₂活化范式，可在无外部能量输入下实现氧化偶联反应。

背景介绍

氧化偶联反应是有机合成中制备关键工业产品与药物的基础方法，通过外部氧化剂介导的电子转移实现亲核中心的连接。空气中的分子氧是氧化偶联反应的理想氧化剂，具有来源丰富、成本低廉、环境友好等无可比拟的优势。然而，环境条件下O₂的实际应用受限于自旋禁阻反应路径。将O₂活化产生活性氧物种（ROS，如单线态氧、超氧阴离子、羟基自由基）是克服O₂固有缺陷、启动氧化偶联的有效策略。其中，O₂^•−因适宜的氧化还原电位（2.4 V vs. RHE）展现出优异选择性，显著降低过度氧化风险；且其半衰期长（51-422 s）、pH耐受范围广（pH=2-10），可在多样反应环境中保证稳定催化性能，成为可控氧化偶联反应的最优ROS。

结果与讨论

图1：构建策略。

直接将氧气活化生成超氧阴离子自由基，对于开发环境友好、成本低廉的工艺以实现常温常压氧化偶联反应极具研究价值。然而，氧气活化能垒较高，即便在催化剂存在条件下，超氧阴离子自由基的生成仍高度依赖外界能量输入（如光能、热能、电能），这导致反应操作复杂、效率低下且能耗偏高，极大制约了该工艺的工业化应用（图1）。从理论层面来看，通过催化方式直接将氧气活化为超氧阴离子自由基几乎难以实现：该过程需要发生大量电子转移，而电子转移通常会造成催化剂氧化，进而引发不可逆失活。因此，无需外界能量输入、直接活化氧气生成超氧阴离子自由基，以驱动常温常压氧化偶联反应，仍是一项巨大挑战。

芬顿反应可在常温常压下产生活性氧物种，该反应能够利用电子供体构建完整的循环路径，避免催化位点发生失活。在氧化偶联反应中，大量底物均具备作为高效电子供体的潜力。受此启发，本文报道了一项可持续催化领域的突破性研究：多元素协同非贵金属基高熵硫化物纳米晶体（HESNCs：FeCoCuZnCdS），其具有丰富的本征晶格畸变结构，可在无外界能量输入条件下实现氧气自发活化与底物氧化偶联。该高熵硫化物纳米晶体在常温常压下，对各类底物构建S-N、S-C、C-N键表现出优异的催化活性与稳定性（稳定性超300天），适配底物实例达85种以上；同时可实现摩尔级规模化合成，具备极佳的放大制备潜力，凸显其工业化转化应用的巨大前景（图1）。实验与理论计算分析表明，具有独特多元素协同效应的高熵硫化物纳米晶体，可介导电子从电子供体（反应底物）向分子氧转移，进而生成超氧阴离子自由基，并在常温常压下驱动后续氧化偶联反应进行。

图2：铁钴铜锌镉硫高熵硫化物纳米晶体的结构特征与密度泛函理论计算。

粉末X射线衍射证实HESNCs为纯体心立方（BCC）结构。衍射峰明显偏移，与 Fe/Co/Cu/Zn选择性取代Cd导致的离子尺寸变化一致，证实形成具有显著压缩晶格畸变的单相固溶体。高晶格位错密度δ=2.40*10¹⁸ line m^-2进一步验证了这一点。透射电子显微镜（TEM）图像显示，HESNCs为形貌规整的纳米晶，平均粒径6.5 nm（图2a）。高分辨TEM（HRTEM）测得HESNCs的晶面间距为0.32 nm，相较于纯CdS（0.34 nm）显著减小，证实存在严重晶格畸变。由HRTEM图像得到的逆快速傅里叶变换（IFFT）图谱（图2b、2c）为严重的本征晶格畸变提供了补充证据。

精准调控氧吸附能对高效生成O₂^•−至关重要：吸附过强会抑制超氧脱附，吸附过弱则无法活化O₂。过渡金属催化剂与吸附质的相互作用强度取决于d带中心位置。因此，本文首先通过元素分态密度（PDOS）分析HESNCs的d带中心偏移，结果显示各元素d带中心发生显著偏移，表明相较于金属硫化物（MSs），HESNCs中发生了广泛的电子重分布。随后进一步研究d带中心变化与O₂吸附行为的关联（图2d）。值得注意的是，HESNCs中Fe（吸附能=-0.84 eV）与Co（吸附能=-0.88 eV）具有接近理想的氧吸附能，这与其最优的d带中心位置直接相关。这种结构优化与HESNCs的富硫表面特征一致，该特征源于较小3d过渡金属掺入引发的晶格收缩（图2e）。这一发现与XRD衍射峰偏移及XPS中不饱和S（S_n^2-）的存在相符。S_n^2-丰富的孤对电子与O=O成键轨道Π产生显著泡利排斥作用，该排斥作用将O₂吸附能从-1.30 eV 调控至-0.88 eV，进而促进活性氧脱附、避免催化剂失活。

图3：高熵硫化物纳米晶体催化S-N氧化偶联反应的底物适用范围。

上述系统表征与理论计算证实，HESNCs具有严重的本征晶格畸变、最优的电子重分布与巧妙的富硫表面结构，具备在无外部能量输入下实现O₂活化并驱动后续氧化偶联反应的巨大潜力。在众多氧化偶联反应中，胺与硫酮偶联制备次磺酰胺是合成高价值工业橡胶硫化促进剂（如N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺（CBS）、N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺（TBBS））最具价值的反应之一。前期研究证实O₂^•−可高效驱动S-N氧化偶联反应。因此，本文选取该反应为模型反应，评估HESNCs在无外部能量输入下的氧化偶联性能。以2-巯基苯并噻唑（1a）与环己胺（1b）为底物验证假设。反应条件研究证实，HESNCs可作为高效多相催化剂，在环境条件下生成O₂^•−并驱动氧化偶联反应。最优条件为：0.1 mmol（1.0当量）硫酮、0.5 mmol（5.0当量）胺、5 mg HESNCs催化剂，于2 mL乙腈中室温反应7 h。

在最优条件下，首先考察了不同伯/仲胺及位阻胺的底物适用范围（图3）。伯胺（链状、环状、苄胺取代，1c-12c）均以中高收率转化为目标次磺酰胺。而二苯甲胺（12c）收率仅19%，可能源于其较大空间位阻。以大位阻的2,2,6,6-四甲基哌啶（18b）为另一反应底物，进一步证实上述推测。其他低位阻仲烷基胺以良好至优异收率得到次磺酰胺13c-17c。此外，硫酮芳环上不同电子效应的取代基均具有良好耐受性（19c-28c），以良好至高收率得到对应S-N偶联产物。HESNCs催化S-N偶联的可放大性通过克级制备CBS（1c）得到验证，分离收率73%。HESNCs驱动的S-N偶联反应具有宽温度耐受范围，赋予其优异的气候与区域适应性。这些结果表明，HESNCs是首个可在无外部能量输入下实现可持续S-N偶联反应合成次磺酰胺的催化剂。

图4：反应机理研究。

为深入理解HESNCs驱动的S-N偶联反应机理，首先开展一系列对照实验（图4a）。结果表明，标准条件下排除O₂或催化剂任一组分时，产物1c的生成量可忽略不计，确定二者在反应中的主导作用。随后进行自由基抑制实验：加入足量自由基猝灭剂2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚（BHT）可完全抑制1c生成（图4a），证实反应的自由基本质。高分辨质谱（HRMS）观察到BHT与自由基的加合物，确认硫醇自由基与胺自由基为核心中间体（图4b）。此外，O₂^•−清除剂对苯醌（PBQ）可猝灭反应（图4a），表明O₂^•−是S-N偶联过程中的主要活性物种。为进一步探究O₂^•−生成过程，开展原位电子顺磁共振（EPR）实验（图4c）。首先，仅将HESNCs催化剂加入乙腈反应介质中，未检测到O₂^•−信号。随后分别向含HESNCs的介质中加入硫酮与胺。结果显示，硫酮存在时无法有效生成O₂^•−；而加入胺后，O₂^•−明显生成，且信号强度随胺浓度增加而增强，表明胺可在环境条件下诱导O₂^•−生成。这源于胺的给电子能力，其将电子转移至HESNCs，进而活化O₂形成O₂^•−。更重要的是，标准条件下（5 mg HESNCs、0.1 mmol 硫酮、0.5 mmol 胺）检测到O₂^•−信号显著增强，表明硫酮可通过消耗胺自由基进一步加速O₂^•−生成。这些结果证实，本文建立了全新的“胺辅助-HESNCs介导”环境条件O₂活化氧化偶联反应机理。

进一步通过原位/非原位傅里叶变换红外（FT-IR）光谱监测S-N氧化偶联反应过程。光谱显示，反应过程中CBS与O₂^•−逐渐累积（图4d），验证了“胺辅助-HESNCs介导”环境条件O₂活化氧化偶联反应机理。此外，活性位点鉴定结果证实，HESNCs中的Co位点是主要活性位点，对促进O₂活化与驱动氧化偶联过程至关重要。此外，中/高熵结构在环境条件下表现出高效的S-N氧化偶联性能（图4e）。值得注意的是，FeCoCuS的收率仅21%，表明催化性能与熵值直接相关。这一规律适用于不同晶相的Co基催化剂。结合上述实验与计算分析，本文提出无外场条件下电子给体辅助-HESNCs介导S-N偶联反应的完整机理：首先，胺（电子给体）向HESNCs表面发生单电子转移生成胺自由基，同时通过Co介导的电子转移将侧向吸附的O₂活化为O₂^•−；随后，硫酮（底物）被O₂^•−氧化为硫醇自由基，自由基偶联生成目标产物，同时O₂^•−被还原为H₂O（图4f）。

图5：高熵硫化物纳米晶体催化构建 S-N、C-S 及 C-N 键的产物收率。

为拓展“电子给体辅助-HESNCs介导”环境条件O₂活化新机理的适用范围，将氧化偶联反应拓展至其他类型（图5）。苯并异噻唑酮是含S-N键的生物活性化合物，具有高效抗真菌、抗菌与抗精神病活性。本文结果表明，该体系可通过分子内S-N键形成，高效合成N-取代烷基或芳基1,2-苯并噻唑-3(2H)-酮化合物（1e-16e），收率60%–99%。鉴于C-S键在化学科学中的重要作用，硫醇官能化长期以来是药物化学与化学生物学的关键工具，在现代材料科学中也占据重要地位。因此，利用HESNCs通过2-巯基苯甲酰胺-苯乙炔偶联，实现了稳健的C-S键构建，底物取代基适用性广（1h-10h）。此外，C-N键是部分天然产物（如肽、蛋白质、壳聚糖）的基本骨架，其中酰胺与咪唑是有机化合物（如催化剂、药物、农用化学品、材料）中最重要的官能团。本文中，HESNCs催化剂成功介导醛与邻苯二胺之间的C-N键形成以合成苯并咪唑，对多种芳香醛（1f-7f）、脂肪醛（8f、9f）与邻苯二胺底物（10f-14f）具有广泛耐受性，生产高效、收率优异。此外，还实现了硫代乙酸与多种胺之间的酰胺合成，对芳基伯胺（1g-6g、8g）、芳基仲胺（7g）、烷基伯胺（9g-11g）、烷基仲胺（12g、13g）均具有优异底物通用性，且酰胺收率始终较高。HESNCs催化剂在分子内S-N、S-C、C-N偶联反应中表现出多功能性，同时保持广泛的官能团兼容性与底物适用范围。这些结果证实，“电子给体辅助-HESNCs介导”环境条件O₂活化策略对氧化偶联反应具有普适性。

图6：药物分子直接合成及摩尔级放大实验。

随后，将该HESNCs催化体系拓展至药用功能生物分子合成，验证其应用潜力（图6）。多种生物分子，包括匹莫苯丹、噻苯达唑、吗氯贝胺、褪黑素与对乙酰氨基酚，均可通过环境条件下氧化偶联便捷制备，分离收率优异（>90%）。更重要的是，该催化体系通过两次连续0.1 mol 级循环，实现了对乙酰氨基酚的0.2 mol 级合成（24.1 g，收率79%）。这些结果表明，“电子给体辅助-HECs介导”环境条件O₂活化新范式在工业级重要化学品合成中具有巨大应用潜力。

文章总结

本文开发了具有自发生晶格畸变与优化d带中心位置的非贵金属HESNCs，可在环境条件下自发活化O₂并驱动一系列氧化偶联反应，无需外部能量输入。HESNCs在构建S-N、C-S、C-N键的反应中表现出优异催化活性（收率最高99%）、宽温度适应性（0℃以上收率无明显下降）、出色循环稳定性（多次循环后收率从88% 降至83%），并可放大合成药物（24.1 g，收率79%）。综上，本文提出一种通用的电子给体辅助-HECs介导O₂活化新范式，可在环境条件下实现多样氧化偶联反应（S-N、C-S、C-N等）。该无外场催化体系展现出应用潜力。未来研究应重点关注：(1)反应放大与底物范围拓展；(2)开发可选择性生成其他ROS的HECs，以在环境条件下实现更多类型的氧化偶联反应。

文章信息

R.-L. Qi, Z. Guo, Y. Li, Y.-F. Ba, X. Xiong, T. Wei, M. Dan, Thiophene-based photocatalyst for exciplex-mediated singlet oxygen generation and H₂O₂ production.Angew. Chem. Int. Ed., 2026, e1664539.

文案：孙刚强