近日，新加坡国立大学重庆研究院（以下简称“新国大重庆研究院”）郭娜研究员以论文共同第一作者身份，在国际顶尖学术期刊《Nature》发表题为“Geminal-atom catalysis for cross-coupling”的研究论文。该研究基于实验测试结果，通过大量的理论模拟与计算，报道了一类新颖的非均相双原子催化剂结构（geminal-atom catalyst, GAC），充分显示了理论模拟与计算在催化研究领域的作用。




有别于以往报道的铜原子掺杂的类石墨烯氮化碳结构（Cu doped g-C3N4），该结构通过铜原子双位点配位键连聚合氮化碳主体（Geminal-Cu PCN），如图1所示，形成一种一价铜原子（Cu（I））掺杂的二维网络结构，其中的铜原子对的间隔距离为4 Å。这类相对柔性且低配位的GAC网络结构提供多个反应位点，同时也具有可调节的反应空间，因此可实现不同C–X（X=C,N,O,S）交叉耦合（图2）。原位表征和量子理论研究表明：这种交叉耦合的动力学过程是经由两种不同反应物在双金属位点的吸附促发，通过双位点铜原子的协同作用，基于动态桥耦合机制有效激活底物。


图一


图二

更进一步研究显示，GAC的这些内在优势使得具有多个配位点的杂环、空间支架和具有高度特异性和稳定活性的药物的杂环的组装成为可能。更加重要的一点是，放大实验和连续流动的转化表明，精细化学品的制备具有广泛的适用性。
 
作者简介：
郭娜（Guo Na）, 新国大重庆研究院研究员；2010年博士毕业于美国特拉华大学 ，后于新加坡国立大学物理系张淳老师组从事博士后研究。主要研究领域是通过理论建模和计算机模拟研究低维材料（一维，二维，纳米团簇，sub纳米团簇）在催化（包括电催化）和分子量子器件中的应用。研究领域主要包括纳米催化，单原子催化，二维功能材料的设计和应用，分子电子学，电子自旋学以及与实验组在以上各方面的深度合作。