A heterogeneous single-atom palladium catalyst surpassing homogeneous systems for Suzuki coupling

催化作用 化学选择性 铃木反应 均相催化 热稳定性 石墨氮化碳 纳米技术 材料科学 化学工程 多相催化 同种类的 化学 物理 有机化学 光催化 工程类 热力学
作者
Zupeng Chen,Evgeniya Vorobyeva,Sharon Mitchell,Edvin Fako,Manuel Á. Ortuño,Núria López,Sean M. Collins,Paul A. Midgley,Sylvia Richard,Gianvito Vilé,Javier Pérez‐Ramírez
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:13 (8): 702-707 被引量:570
标识
DOI:10.1038/s41565-018-0167-2
摘要

Palladium-catalysed cross-coupling reactions, central tools in fine-chemical synthesis, predominantly employ soluble metal complexes despite recognized challenges with product purification and catalyst reusability1–3. Attempts to tether these homogeneous catalysts on insoluble carriers have been thwarted by suboptimal stability, which leads to a progressively worsening performance due to metal leaching or clustering4. The alternative application of supported Pd nanoparticles has faced limitations because of insufficient activity under the mild conditions required to avoid thermal degradation of the substrates or products. Single-atom heterogeneous catalysts lie at the frontier5–18. Here, we show that the Pd atoms anchored on exfoliated graphitic carbon nitride (Pd-ECN) capture the advantages of both worlds, as they comprise a solid catalyst that matches the high chemoselectivity and broad functional group tolerance of state-of-the-art homogeneous catalysts for Suzuki couplings, and also demonstrate a robust stability in flow. The adaptive coordination environment within the macroheterocycles of ECN facilitates each catalytic step. The findings illustrate the exciting opportunities presented by nanostructuring single atoms in solid hosts for catalytic processes that remain difficult to heterogenize. Palladium atoms hosted in exfoliated graphitic carbon nitride display improved activity, selectivity and stability compared to state-of-the-art homogeneous and heterogeneous catalysts for Suzuki coupling reactions.
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