酰胺键是众多生物活性天然产物和药物分子中的关键结构单元，过渡金属催化的CO羰基化反应是构建酰胺键的一种有效手段，其中卤代烃和胺的羰基化反应是合成酰胺和α-酮酰胺的重要方法。然而，如何在一个催化体系中精准调控卤代烃以及胺的单羰基化和双羰基化路径，使其分别生成酰胺和α-酮酰胺是长期存在的挑战。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所低碳催化与二氧化碳利用全国重点实验室崔新江研究员团队与德国莱布尼兹催化研究所Matthias Beller教授合作，以单原子Pd掺杂In₂O₃为催化剂，通过在Pd的第二配位层以外引入氧空位（O_v）来精细调控Pd的电子结构和配位环境，即可在单羰基化和双羰基化之间实现精准、可逆的化学选择性切换（图1）。没有O_v的Pd₁-In₂O₃高效生成酰胺（选择性达93%），而有O_v的Pd₁-In₂O₃/O_v则可以高选择性的生成α-酮酰胺（选择性达92%）。

图1. Pd₁-In₂O₃和Pd₁-In₂O₃/O_v催化卤代烃和胺的羰基化反应示意图

为进一步研究O_v浓度对双羰基化催化性能的影响，研究人员将In₂O₃载体在300、350和400 °C下分别进行H₂预处理，以此来调控O_v浓度。随后，通过O₂脉冲和EPR表征探究了O_v浓度与催化性能之间的定量关系。研究发现，α-酮酰胺的产率随O_v浓度的增加呈线性增加（图2）。XPS显示Pd₁-In₂O₃/O_v中Pd_3d结合能降低，表明O_v的存在使Pd得到了电子；EXAFS拟合显示Pd₁-In₂O₃/Ov中Pd-O配位数低于Pd₁-In₂O₃，且新增Pd-In配位。上述结果共同证明O_v调控了Pd的电子结构和配位环境，进而影响了催化剂的单羰基化和双羰基化催化性能。

图2. O_v浓度对双羰基化催化性能的影响

DFT计算表明，第二配位层以外O_v的存在驱动长程电子向Pd转移，改变了Pd的电子局域化状态和配位环境，导致Pd-O键长增加、键能减弱，从而有利于第二个CO分子的吸附和插入，进而实现双羰基化路径（图3）。

图3. DFT计算揭示单羰基化和双羰基化反应路径

该催化体系具有广泛的底物适用范围，包括环状和非环状胺、杂芳基卤化物、富电子和缺电子底物，以及手性胺和药物分子，突显了该方法的多功能性和实际应用价值。此外，研究人员还首次合成了此前未知的α‑酮酰胺。

相关研究成果以“Chemodivergent aminocarbonylation enabled by oxygen vacancy-engineered Pd-doped In₂O₃ nanocatalysts”为题发表于Science Advances（DOI: 10.1126/sciadv.aef906）。

上述研究得到了国家自然科学基金、甘肃省重大专项及青年创新促进会等项目的支持。