含氮化合物在医药、农业、材料等领域有重要的作用，利用C–N键的形成构建含氮化合物是非常重要的手段之一。在芳基碘和烷基胺反应的C–N构建中，通常使用的铜催化剂为Cu粉、CuI、CuBr、Cu2O等，其中均相催化过程效率高，但是面临催化剂流失、分离、重复使用的难题，而非均相催化会大大降低原子利用率。单原子催化作为连接均相催化与非均相催化的桥梁，在催化过程中，既能保证催化剂100%原子利用率和高活性，又具有稳定性好、易循环利用等优势，已经引起了科学家的广泛关注。
近日，深圳大学化学与环境工程学院张俊民副教授课题组与张黔玲教授课题组合作在《ACS Nano》（影响因子15.881，中科院JCR 1区，TOP期刊）上发表了题为《N-Doped Graphene Supported Cu Single Atoms: Highly Efficient Recyclable Catalyst for Enhanced C–N Coupling Reaction》的研究论文。论文第一作者为深圳大学与韩山师范学院联合培养博士后张玉军博士，深圳大学张俊民副教授和张黔玲教授为共同通讯作者，深圳大学为第一单位和唯一通讯单位。
图 [Cu]催化的芳基碘和烷基胺的C-N偶联反应
本研究通过有机配体辅助的方式一步形成Cu–N–C键，同时成功制备N掺杂石墨烯负载的Cu单原子催化剂（Cu SACs/NG），其配位结构为Cu–N4。在C–N键偶联反应中，催化剂用量降低到0.25 mol%（通常为10 mol%），收率依然达到99%。催化剂循环使用10次，收率始终保持91%以上，催化转化数（TON）达到了3800，提高了190倍。通过DFT对反应过程进行模拟计算，证明了单分散Cu–N4结构能有效降低氧化加成和还原消除过程的活化能，从而实现高效的C–N构建。此研究为单原子催化剂在C–N键构建反应中的首次应用，拓展了单原子催化剂的应用领域，同时为设计更为高效的M–N–C和单原子催化剂提供了新思路。
该工作得到了国家自然科学基金、广东省教育厅、广东省基础和应用基础研究基金和深圳市科技创新委员会等项目支持。
论文信息：Zhang, Y.; Ye, S.; Gao, M.; Li, Y.; Huang, X.; Song, J.; Cai, H.; Zhang, Q.*; Zhang, J.*, N-Doped Graphene Supported Cu Single Atoms: Highly Efficient Recyclable Catalyst for Enhanced C–N Coupling Reactions. ACS Nano 2022, DOI: 10.1021/acsnano.1c08898.
全文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c08898
