第一作者：陈仲欣、宋静婷、张蓉蓉
通讯作者：罗健平
通讯单位：新加坡国立大学
研究背景
作为连接均相、异相催化反应的纽带，单原子催化反应自发现以来便受到广泛关注，有望通过复杂液相有机反应实现高价值精细化学品的普适性、异相化制备。然而，单原子催化剂在液相有机反应中面临的一个主要挑战来自于实验室间歇式生产带来的低产能与复杂的工艺优化过程。因此，发展基于单原子催化的流动反应对其在化工、医药行业中的规模化应用具有非常重要的意义。
图1. 单原子流动催化合成高价值精细化学品
成果简介
近日，新加坡国立大学化学系罗健平（Loh Kian Ping）教授课题组在Nature Communications杂志上报道了一种借鉴液流电池的单原子催化流动反应装置，首次突破了现有单原子催化有机反应的转化率瓶颈，为单原子在工业制药的广泛应用跨出重要一步（图1）。通过在二硫化钼表面负载具有特定Pt-3S配位环境的铂单原子（图2），该反应器可在仅耗用3.2毫克铂金属的前提下，实现苯胺类衍生物的超高选择性连续生产，其实验室产能达到5.8克/小时（TOF = 8000 h-1），远高于传统间歇式反应产能（0.02-0.07克/小时），并能够用于制备含有烯烃、酮等敏感官能团的28种多取代苯胺（其中6-氨基-4H-苯并吡喃-4-酮的单价约为2000元/克，图3）。
在催化剂层面，二硫化钼作为一种电子结构高度可调的催化剂材料，可与表面铂单原子通过[d3s]杂化轨道形成极为稳定的金字塔构型Pt-3S配位环境，从而获得在液相流动环境下极为优异的抗金属流失能力，在高、中、低三种转化率和大流速（20 mL/min）、高浓度（0.2 M）下连续生产中均不存在显著的活性流失。其反应的专一选择性来源于Pt-3S配位环境与硝基分子的单齿配位，由此避免与其他干扰基团的键合（如烯烃的双齿、三齿配位），相关反应机理通过DRIFT和DFT得到了证实。此外，该催化流动装置亦可应用于钴单原子催化的选择性硫醚氧化反应，可在30秒内实现传统间歇式反应20分钟所获得的定量转化收率，从而大幅提升单原子催化反应的产能。
值得一提的是，该工作率先在反应器层面揭示反应物传质、传热对单原子催化液相有机反应带来的影响，为后续开发抗流失单原子催化剂及设计宏量合成反应器提供了新思路。作者揭示了在定量转化区间内，反应器的性能主要受反应物的传质过程影响。进一步的流体动力学计算和热成像分析表明，反应器内部湍流环境对单原子催化反应活性具有促进作用（图4）。在不改变催化剂的前提下，通过压缩催化剂的物理体积，引入更多湍流行为使反应器在定量转化区间的产能提升50%以上。
图2. Pt-3S构型的单原子催化剂原子相电镜照片
图3. 通过单原子流动反应器制备的多取代苯胺
图4. 反应器层面的流体动力学及热成像分析（原文附件）
参考文献:
Chen, Z., Song, J., Zhang, R. et al. Addressing the quantitative conversion bottleneck in single-atom catalysis. Nat Commun 13, 2807 (2022).
DOI：10.1038/s41467-022-30551-w
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30551-w
这一成果近期发表在《Nature Communications》上，新加坡国立大学化学系博士后陈仲欣、博士生宋静婷、博士后张蓉蓉为本文的共同第一作者，新加坡国立大学罗健平教授为本文唯一通讯作者。研究工作得到新加坡国家研究基金的财政支持。
该论文作者为：Zhongxin Chen†, Jingting Song†, Rongrong Zhang†, Runlai Li, Qikun Hu, Pingping Wei, Shibo Xi, Xin Zhou, Phuc T. T. Nguyen, Hai M. Duong, Poh Seng Lee, Xiaoxu Zhao, Ming Joo Koh, Ning Yan & Kian Ping Loh*
罗健平教授是新加坡国立大学化学系首席教授暨石墨烯研究中心领衔人，2018（化学）、2019（材料、化学、物理）、2020（材料、物理）、2021（交叉领域）高被引科学家，在Nature、Science正刊及其系列子刊就以通讯作者发表论文40余篇，仅今年即已发表Nat Photonics，Nat Synthesis，Nat Commun （5篇，含已接受稿件1篇）、Sci Adv共计8篇， 在JACS, Advanced Materials等其他顶级杂志发表的论文亦多达400余篇。
课题组主页：https://carbonlab.science.nus.edu.sg/
