JACS：破解C-H活化难题！

电化学活化C(sp3)-H键是一种极具吸引力且可持续的含氧化合物合成策略，但现有方法常面临过电位高以及依赖外部氢原子转移（HAT）试剂的问题。基于此，清华大学王定胜教授、东北大学李文豪教授和广西师范大学唐海涛教授（共同通讯作者）等人报道了一种铜单原子催化剂（Cu1/NC），其兼具电催化功能和内嵌式HAT介体作用，从而建立了一种无需外加HAT试剂的催化剂集成HAT新范式。在施加电位下，Cu-N4位点可原位动态生成活性Cu-O物种，选择性地从烃类分子中夺取氢原子，显著降低反应活化能并提升反应选择性。

该体系在广泛的底物范围内表现出优异的催化性能，法拉第效率（FE）高达57.2%。结合同位素标记、自由基捕获、电子顺磁共振、原位ATR-SEIRAS光谱、原位拉曼光谱及密度泛函理论（DFT）计算的机理研究表明，Cu-OH物种是关键的HAT活性中间体，且水辅助去质子化过程控制着反应的速率决定步骤。值得注意的是，该催化剂表现出优异的稳定性和广泛的应用性。它能够在液流反应器中以50 mA cm-2的电流密度实现连续电氧化，达到高达713 h-1的周转频率（TOF）。本工作建立了一种嵌入催化剂的氢原子转移（HAT）范式，用于电化学C-H活化，并为烃类化合物的可持续和选择性氧化提供了通用框架。

图1.研究背景和研究概述

图文解读

在本文中，作者开发了一种原子分散的氮掺杂碳负载的铜单原子催化剂（Cu-SAC，简称Cu1/NC），并将其制备为电化学合成反应的工作电极。具体而言，首先将铜离子在有机溶剂中与刚性配体1, 10-邻二氮杂菲（Phen）配位。随后，将形成的配合物负载于经盐酸预处理的商用炭黑载体（ECP-600JD）上。接着，在流动Ar氛围下进行高温处理，使碳载体表面发生改性，并实现金属物种的原子级分散，获得具有Cu-N4配位结构的单原子催化剂。最后，采用滴涂法制备了Cu-SAC电极。

图2.单原子电极的制备及反应条件的优化

图3.结构表征

无论是在转化率还是对目标产物的选择性方面，Cu1/NC均在12个循环过程中保持在较高水平。当香茅醇用量增加至2 mmol时，仅需适度延长电解时间即可实现完全转化，且产物选择性保持在99%，证实了Cu-SAC电极具有典型的非均相催化剂特性，在多次反应循环中保持优异的催化稳定性。将香茅醇电氧化反应规模扩大至10 mmol，相比实验室试验中所用基质量增加了20倍。该电催化氧化系统能够成功制备乙酰苯酮，转化率达到97%，选择性达到99%。

图4.催化性能评价和机理分析

在恒定电流30 mA下，其可连续稳定运行110 h，在反应过程中电池电压和产物选择性均无显著波动或衰减,证明了Cu-SAC具有优异的结构稳定性。此外，作者以甲苯、乙基苯和愈创木酚为模型底物，开展了系统的动力学研究。反应进程曲线显示，甲苯在整个氧化过程中保持了高选择性，仅生成苯甲醛，且其转化率在5 h反应期间持续上升。相比之下，乙基苯和愈创木酚的氧化过程表现出明显的阶段性特征。

图5.底物拓展

通过基于第一性原理的计算，作者研究了参与催化反应的Cu-O（H）活性物种，重点分析了香茅醇氧化过程中氢转移（HAT）步骤，并系统比较了三种不同Cu-O（H）中间体介导的四种HAT路径。这四种路径均经历相同的初始步骤，均为吸热过程：Cu-N4催化剂与水发生相互作用，失去一个质子形成Cu-OH中间体。

在路径1中，此步骤是速率决定步骤，生成的Cu-OH物种依次经历三个放热过程：首先香茅醇分子吸附（Cu-OH+CM），其次从香茅醇的三级碳原子转移氢原子（Cu-OH-H-CM），接着脱水（Cu-OH-H2O），最后通过香茅醇自由基（Cu-OH-CM*）的脱附以及初始催化剂结构的再生，完成HAT循环。

在路径2中，在形成Cu-OH后进一步脱质子，生成高价Cu=O中间体，此步骤是速率决定步骤，随后Cu=O中的氧原子吸附一个甲基苯分子（Cu=O+CM），接着发生氢原子转移，最终脱附出甲基苯自由基（Cu=O-CM*），催化剂恢复为Cu-OH结构。

在路径3中，基于路径2生成的Cu=O物种进一步与水反应并失去一个质子，形成Cu-OOH物种，随后吸附一个甲基苯分子（Cu-OOH+CM），再经过一系列脱水（Cu-OOH-H2O）和脱附步骤，生成甲基苯自由基（Cu-OOH-CM*），催化剂再生为Cu=O结构。

路径4的整体过程与路径3一致，主要区别：在吸附甲基苯分子后，反应通过直接消除H2O2而非脱水（Cu-OOH-H2O2），最终催化剂返回初始的Cu-N4结构。需注意，所有反应路径中的速率决定步骤均与涉及水的脱氢过程相关，而路径2、3和4在速率决定步骤上具有相同的基本反应步骤和能量垒。在这四个路径中，路径1是首选路径。

图6.机理分析

文献信息

A Cu Single-Atom Catalyst as an Intrinsic Hydrogen Atom Transfer Mediator for Electrooxidation of C(sp3)-H Bonds. J. Am. Chem. Soc., 2026, https://doi.org/10.1021/jacs.6c12973.

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