Chem. Sci. | 南昌大學(xué)鐵電化學(xué)團(tuán)隊在分子鐵電催化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

導(dǎo)讀

近日，南昌大學(xué)國際有序物質(zhì)科學(xué)研究院廖偉強(qiáng)研究員等在分子鐵電催化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用《鐵電化學(xué)》理論框架中的H/F取代策略設(shè)計合成了新型二維雜化鈣鈦礦鐵電體[DFPD]2-CuCl4，并首次將其應(yīng)用于催化炔烴選擇性偶聯(lián)反應(yīng)。該催化體系在溫和條件下展現(xiàn)出超高活性與穩(wěn)定性，相關(guān)研究成果以“Organic-Inorganic Perovskite Ferroelectric Catalytic Selective Alkyne Coupling Under Ultrasound Sonication”為題發(fā)表于Chemical Science上。國際有序物質(zhì)科學(xué)研究院齊俊超博士為論文第一作者，南昌大學(xué)為唯一完成單位。

炔烴偶聯(lián)反應(yīng)是有機(jī)合成中構(gòu)建碳-碳鍵的核心反應(yīng)之一，其產(chǎn)物1,3-二炔廣泛應(yīng)用于材料化學(xué)、天然產(chǎn)物合成及藥物研發(fā)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)合成方法依賴貴金屬催化劑或苛刻反應(yīng)條件（如高溫、過量堿）（圖1左上），存在成本高、穩(wěn)定性差、環(huán)境不友好等局限。鐵電體作為一類具有自發(fā)極化特性的多功能材料，其極化誘導(dǎo)的內(nèi)建電場以及外場下的極化變化可促進(jìn)電荷分離，為催化反應(yīng)提供新路徑。相較于常用的無機(jī)鐵電體，分子鐵電體聲阻抗與溶劑匹配度高，更利于能量傳遞；同時，分子鐵電體能夠溶于常規(guī)溶劑，可再生、循環(huán)使用，在鐵電催化方面極具優(yōu)勢。團(tuán)隊前期已在分子鐵電體催化合成喹啉衍生物（Nat. Commun. 2024, 15, 6738）、裂解水產(chǎn)氫（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 12635-12643）及烯烴雙官能團(tuán)化（Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2502822）取得階段性突破。然而，分子鐵電催化尚處于起步階段，在炔烴偶聯(lián)中的催化潛力未被探索。

圖1.（左上）1,3-二炔的傳統(tǒng)合成途徑。（左下）分子鐵電催化炔烴偶聯(lián)策略。（右）鐵電催化機(jī)理示意圖，以及分子鐵電體[DFPD]2-CuCl4、傳統(tǒng)無機(jī)鐵電體BaTiO3和無機(jī)壓電ZnO的催化活性比較。

團(tuán)隊先是利用氫/氟取代策略設(shè)計合成了新型二維雜化鈣鈦礦鐵電體[4,4-difluoropiperidinium]2-CuCl4 ([DFPD]2-CuCl4），其兼具高居里溫度（398 K）和室溫鐵電性。隨后，將其應(yīng)用于催化炔烴偶聯(lián)反應(yīng)。該體系在40 kHz超聲、室溫常壓條件下，無需額外堿試劑（圖1左下），即可實現(xiàn)多種末端炔烴的高選擇性偶聯(lián)，目標(biāo)產(chǎn)物1,3-二炔的選擇性最高達(dá)99%，產(chǎn)率最高至88%。相較于傳統(tǒng)無機(jī)鐵電體（如鈦酸鋇BaTiO3）和壓電材料（如氧化鋅ZnO），[DFPD]2-CuCl4的催化活性顯著提升，分別是BaTiO3的4.5倍、ZnO的64倍（圖1右）。其核心優(yōu)勢在于分子鐵電體與溶劑的聲阻抗匹配性好，能量傳遞效率高，且具備優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過10次催化循環(huán)使用后，晶體結(jié)構(gòu)、鐵電性能及催化活性均保持不變。此外，反應(yīng)產(chǎn)物因產(chǎn)率高可直接結(jié)晶純化，部分產(chǎn)物還表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)相變特性，為功能材料開發(fā)提供了新思路。這項工作首次將分子鐵電體應(yīng)用于炔烴偶聯(lián)催化，實現(xiàn)了高效、可持續(xù)的催化新體系，對推動分子鐵電體的催化應(yīng)用具有重要意義。

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/SC/D5SC07784B

來源：南昌大學(xué)