樹枝狀大分子在鈀納米粒子催化領(lǐng)域的應(yīng)用

李　光， 楊垚瑤, ， 加藤愼治

(1. 東華大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院； b. 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620；2. 川村理化學(xué)研究所, 千枼 285-0078)

樹枝狀大分子在鈀納米粒子催化領(lǐng)域的應(yīng)用

李光1a, 1b， 楊垚瑤1a, 1b, 2， 加藤愼治2

(1. 東華大學(xué) a. 材料科學(xué)與工程學(xué)院； b. 纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620；2. 川村理化學(xué)研究所, 千枼 285-0078)

歸納了樹枝狀大分子在鈀納米粒子催化劑制備及應(yīng)用領(lǐng)域的研究成果，主要包括樹枝狀大分子可以有效控制鈀納米粒子的尺寸，從而可以增強(qiáng)催化劑的循環(huán)利用能力，并在負(fù)載鈀納米粒子體系中有效抑制金屬瀝出，同時也對樹枝狀大分子在鈀納米粒子催化領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.

鈀納米粒子； 催化劑； 樹枝狀大分子； 穩(wěn)定劑

隨著納米技術(shù)向催化領(lǐng)域的發(fā)展，鈀納米粒子(PdNPs)作為催化劑越來越廣泛地應(yīng)用于有機(jī)合成等行業(yè)[1]，例如，PdNPs可以催化C—C鍵的形成(Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)、Heck偶聯(lián)反應(yīng)等)、C—N鍵的形成、雙鍵氫化等多種反應(yīng)[2-3].然而由于PdNPs比表面能高，在催化反應(yīng)過程中極易發(fā)生團(tuán)聚(如圖1所示)，導(dǎo)致其尺寸增大、活性降低[4].尺寸較小、粒徑分布均勻的PdNPs在催化反應(yīng)時往往更具有優(yōu)勢，因此通常需要使用穩(wěn)定劑對PdNPs進(jìn)行穩(wěn)定.近年來，樹枝狀大分子被廣泛應(yīng)用于PdNPs的穩(wěn)定.

1　樹枝狀大分子穩(wěn)定劑

聚酰胺-胺型(PAMAM)樹枝狀大分子是這類穩(wěn)定劑的早期代表，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式[5]如圖2所示.

文獻(xiàn)[6]的研究首次合成了PAMAM，目前主要的合成方法包括擴(kuò)散法和收斂法[7].內(nèi)部結(jié)構(gòu)與PAMAM相同但是端基為羥基的樹枝狀大分子PAMAM-OH，由于其具有較好的溶解性能也常用于PdNPs的穩(wěn)定.聚丙烯亞胺(PPI)樹枝狀大分子也是常見的金屬納米粒子穩(wěn)定劑.然而，制備這些樹枝狀大分子的成本往往較高.這一問題除了依靠提高合成技術(shù)、優(yōu)化合成路線來解決外，也對開發(fā)新型具有功能基團(tuán)的樹枝狀大分子提出了要求.

圖1　分散在離子液體中的PdNPs催化Heck反應(yīng)后粒徑變大[4]Fig.1　The size of PdNPs dispersed in ionic liquid increased after Heck reaction[4]

圖2　第一代PAMAM樹枝狀大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)式[5]Fig.2　Chemical structure of PAMAM dendrimer generation 1 (G1)[5]

近年來，通過 “點(diǎn)擊化學(xué)”合成樹枝狀大分子的研究逐漸增多.文獻(xiàn)[8-11]研究合成的含有Si和三唑基的不同世代樹枝狀大分子(如圖3所示)可以有效地作為穩(wěn)定劑使用.當(dāng)合成時使用的反應(yīng)物不同，得到的樹枝狀大分子可以具有不同的末端基團(tuán)，從而使樹枝狀大分子具有不同的溶解性能，因而能夠調(diào)控被穩(wěn)定的PdNPs的溶解性能.這類合成方法同時也促進(jìn)了樹枝狀大分子種類的多樣性發(fā)展.

圖3　通過點(diǎn)擊化學(xué)合成的具有不同端基的第0代樹枝狀大分子[8-11]Fig.3　The 0 generation dendrimers with different terminal groups synthesized by ‘Click’ chemistry[8-11]

此外，文獻(xiàn)[12]將具有生物相容性的超支化聚縮水甘油(HBP)(如圖4所示)用作制備高水溶性單、雙金屬納米粒子的還原劑和穩(wěn)定劑，研究表明，高相對分子質(zhì)量的HBP更有利于形成粒度均勻的PdNPs以及提高其在反應(yīng)中的穩(wěn)定性，并且在實(shí)際生產(chǎn)中HBP相較于PAMAM的制備更易實(shí)現(xiàn)，具有環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn).

圖4　用作穩(wěn)定劑的聚縮水甘油的分子結(jié)構(gòu)[12]Fig.4　Structure of hyperbranched polyglycidol[12]

2　樹枝狀大分子對PdNPs的穩(wěn)定作用

在對金屬納米粒子進(jìn)行穩(wěn)定時，樹枝狀大分子是常用且高效的一類穩(wěn)定劑.利用樹枝狀大分子穩(wěn)定金屬納米粒子的早期研究[13-15]始于20世紀(jì)90年代.

2.1對PdNPs尺寸的控制

文獻(xiàn)[16-17]研究證實(shí)了樹枝狀大分子能夠有效調(diào)控金屬納米粒子的尺寸和結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[18-19]報道了樹枝狀大分子封裝鈀納米粒子的合成，PAMAM-OH樹枝狀大分子不僅是生成納米顆粒的穩(wěn)定劑，同時也是制備過程中控制納米粒子尺寸的模板，即將金屬離子萃取到樹枝狀大分子的內(nèi)部，隨后對其進(jìn)行化學(xué)還原，得到具有納米尺寸單分散性的顆粒.文獻(xiàn)[20-21]在PPI樹枝狀大分子的作用下合成了超納米尺度的鈀團(tuán)簇，通過調(diào)控還原前存在于PPI樹枝狀大分子中的鈀離子數(shù)，對生成的納米團(tuán)簇中含有的鈀原子數(shù)(Pd4， Pd8， Pd16)進(jìn)行精確控制.

樹枝狀大分子的代數(shù)(Gn)對PdNPs尺寸同樣存在影響.文獻(xiàn)[8]的研究指出，使用較小代數(shù)(G0)的樹枝狀大分子時，PdNPs由多個樹枝狀大分子共同進(jìn)行穩(wěn)定，隨著樹枝狀大分子代數(shù)增加到一定程度，PdNPs可以由單個樹枝狀大分子進(jìn)行穩(wěn)定.文獻(xiàn)[22]探討了醋酸鈀和樹枝狀大分子共同完成的自組裝現(xiàn)象，深入研究了Gn對PdNPs尺寸的影響.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)樹枝狀大分子濃度低于臨界值時，充足的醋酸鈀可以在樹枝狀大分子之間充當(dāng)黏合劑，使樹枝狀大分子發(fā)生自組裝，形成用于穩(wěn)定生成PdNPs的模板.該研究結(jié)果還表明，當(dāng)溶液中樹枝狀大分子外圍氨基含量和醋酸鈀含量均固定時([Pd(OAc)2]/[-NH2] = 3.3)，隨著樹枝狀大分子代數(shù)的增加，醋酸鈀在多個樹枝狀大分子之間的連接作用力逐漸小于樹枝狀大分子間的無規(guī)熱力，這就使得樹枝狀大分子間的自組裝現(xiàn)象減弱，也即得到的模板尺寸減小，同時單個模板內(nèi)的醋酸鈀密度增加使得到的PdNPs尺寸增大，如圖5所示.

(a) 樹枝狀大分子的體積增大，數(shù)目減少.相對數(shù)目之比：G1∶G2∶G3=4∶2∶1

(b) 模板的尺寸減小，數(shù)目增加.相對數(shù)目之比：G1∶ G2∶G3=1∶4.1∶21.4

(c) 生成的鈀納米粒子尺寸增加圖5　固定醋酸鈀與氨基比例r = [Pd(OAc)2]/[-NH2]為3.3且醋酸鈀濃度[Pd(OAc)2]為3.6 mmol/L時，樹枝狀大分子代數(shù)的變化對其自身參數(shù)、模板、PdNPs的影響[22]Fig.5　Schematic illustrations of effects of changing Gnupon the dendrimers, the templates, and the Pd nanoparticles under a fixed value of r = [Pd(OAc)2]/[-NH2] = 3.3 and [Pd(OAc)2]= 3.6 mmol/L[22]

2.2對PdNPs活性的影響

樹枝狀大分子對PdNPs的穩(wěn)定還表現(xiàn)在對其在循環(huán)使用中催化活性的保護(hù).文獻(xiàn)[23]將分別由第4代樹枝狀大分子和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)穩(wěn)定的PdNPs進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)在使用前者作為催化劑時，隨著催化反應(yīng)次數(shù)增加至第3次，PdNPs的粒徑略微增大，但不影響反應(yīng)產(chǎn)率，而PVP穩(wěn)定的PdNPs則在第2次反應(yīng)中已經(jīng)開始發(fā)生聚集，降低了其循環(huán)使用能力，由此表明樹枝狀大分子具有更好的穩(wěn)定效果.

此外，也有關(guān)于樹枝狀聚合物的代數(shù)能夠影響生成的PdNPs催化性能的報道.文獻(xiàn)[5]使用不同代數(shù)的PAMAM作為配體穩(wěn)定PdNPs，并將其用于催化碳碳偶聯(lián)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)以碳酸鉀為堿并在乙醇中進(jìn)行的Sonogashira反應(yīng)比Suzuki-Miyaura 反應(yīng)具有更高的產(chǎn)率，同時，第2代PAMAM穩(wěn)定的PdNPs催化的反應(yīng)產(chǎn)率最高.

3　樹枝狀大分子在負(fù)載PdNPs體系中的應(yīng)用

由于實(shí)際生產(chǎn)中存在循環(huán)使用催化劑以降低成本的需要，近年來固相催化體系逐漸發(fā)展壯大，在固相載體體系中應(yīng)用樹枝狀大分子穩(wěn)定金屬納米粒子的研究也逐漸增加[24-25].

文獻(xiàn)[26]使用聚合誘導(dǎo)相分離(PIPS)技術(shù)，以乙二醇二甲基丙烯酸酯為主要單體制備了以具有微/ 納米孔結(jié)構(gòu)的聚合物為載體的PdNPs復(fù)合材料，如圖6所示.聚合物載體的形成和PdNPs的形成隨著聚合反應(yīng)同時進(jìn)行，不需要使用其他還原劑.聚合結(jié)束后，得到的PdNPs鑲嵌在聚合物骨架中，該聚合物骨架上通過共價鍵連有經(jīng)改性后的配體分子(含有可聚合基團(tuán)作為末端基的PAMAM樹枝狀高分子衍生物)用于穩(wěn)定PdNPs，使PdNPs的粒徑和結(jié)晶度可以得到很好的控制.復(fù)合物可用于催化水相Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)，具有高效、可回收、無金屬瀝出等優(yōu)點(diǎn).后期的工作發(fā)現(xiàn)：通過改變單體的結(jié)構(gòu)可以調(diào)控聚合物骨架的比表面積，從而調(diào)控復(fù)合物的金屬瀝出效應(yīng)[27]；盡管制備過程中配體用量很少，配體的結(jié)構(gòu)對PdNPs尺寸的控制以及復(fù)合物金屬瀝出性能的影響更為直接[28].

圖6　多孔結(jié)構(gòu)聚合物為載體的PdNPs復(fù)合材料[26]Fig.6　Composite of the microporous network polymers supported PdNPs[26]

同樣可以以SiO2微球?yàn)檩d體在其表面固定由PAMAM穩(wěn)定的PdNPs，如圖7所示，得到的復(fù)合物具有SiO2@Pd-PAMAM核-殼結(jié)構(gòu)[29]，TEM圖像顯示PdNPs的直徑約為(1.56±0.67)nm.該復(fù)合物作為多相催化劑可用于烯烴、炔烴、酮基和硝基的催化氫化，反應(yīng)后容易回收，而且反應(yīng)中幾乎沒有鈀瀝出現(xiàn)象.

此外，文獻(xiàn)[30]制備了帶有羧基的多壁碳納米管(MWCNT)作為載體，隨后將其與聚丙烯亞胺樹枝狀大分子(APPI)結(jié)合，通過還原醋酸鈀在載體表面生成了由不同代數(shù)APPI穩(wěn)定的PdNPs，如圖8所示.使用該負(fù)載型催化劑(MWCNT-APPI(G3)-PdNPs)催化還原對硝基苯酚時，其催化效率高于由第3代PPI穩(wěn)定的PdNPs均相催化劑，在多次重復(fù)使用過程中未見明顯催化活性損失.

(a) SiO2@Pd-PAMAM核-殼結(jié)構(gòu)納米微球的制備

(b) 納米微球的TEM圖像

(c) PdNPs的粒徑分布

圖8　多層碳納米管為載體的PdNPs復(fù)合物的制備[30]Fig.8　The preparation of the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) based PdNPs composite[30]

4　結(jié)　語

樹枝狀大分子因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)定劑在控制PdNPs尺寸和在催化反應(yīng)中穩(wěn)定PdNPs等方面具有顯著功效.此外，隨著近年來具有高循環(huán)利用率的固相催化體系的迅速發(fā)展，在固相體系中利用樹枝狀大分子作為穩(wěn)定劑的研究也發(fā)現(xiàn)了樹枝狀大分子的另一優(yōu)勢，即在控制固相鈀催化劑的金屬瀝出這一實(shí)際問題方面具有優(yōu)異的性能.雖然目前仍有待研發(fā)出更多種類易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的樹枝狀大分子，以保障其作為穩(wěn)定劑在實(shí)際應(yīng)用中的來源，但是樹枝狀大分子在金屬粒子催化劑制備領(lǐng)域的研究前景無疑是廣闊的，一方面可以將樹枝狀大分子應(yīng)用于更多金屬粒子催化劑新產(chǎn)品的開發(fā)，另一方面，對各類催化體系的作用機(jī)理也有望進(jìn)一步加深探討.

[1] ASTEUC D. Palladium nanoparticles as efficient green homogeneous and heterogeneous carbon-carbon coupling precatalysts: A unifying view [J]. Inorg Chem, 2007, 46(6): 1884-1894.

[2] BALANTA A, GODARD C, CLAVER C. Pd nanoparticles for C—C coupling reaction [J]. Chem Soc Rev, 2011, 40(10): 4973-4985.

[3] HEMANTHA H P, SURESHBABU V V. Poly(vinyl)chloride supported palladium nanoparticles: Catalyst for rapid hydrogenation reactions [J]. Org Biomol Chem, 2011, 9(8): 2597-2601.

[4] CASSOL C C, UMPIERRE A P, MACHADO G, et al. The role of Pd nanoparticles in ionic liquid in the Heck reaction [J]. J Am Chem Soc, 2005, 127(10): 3298-3299.

[5] BORKOWSKI T, SUBIK P, TRZECIAK A M, et al. Palladium(0) deposited on PAMAM dendrimers as a catalyst for C—C cross coupling reactions [J]. Molecules, 2011, 16(1): 427-441.

[6] TOMALIA D A, BAKER H, DEWALD J, et al. A new class of polymers: Starburst-dendritic macromolecules [J]. Polymer J, 1985, 17(1), 117-132.

[7] BRONSTEIN L M, SHIFRINA Z B. Dendrimers as encapsulating, stabilizing, or directing agents for inorganic nanoparticles [J]. Chem Rev, 2011, 111(9): 5301-5344.

[8] ORNELAS C, ARANZAES J R, SALMON L, et al. “Click” dendrimers: Synthesis, redox sensing of Pd(OAc)2, and remarkable catalytic hydrogenation activity of precise Pd nanoparticles stabilized by 1,2,3-triazole-containing dendrimers [J]. Chem Eur J, 2008, 14(1): 50-64.

[9] WANG D, DENUX D, RUIZ J, et al. The clicked pyridyl-triazole ligand: From homogeneous to robust, recyclable heterogeneous mono- and polymetallic palladium catalysts for efficient Suzuki-Miyaura, Sonogashira, and Heck reactions [J]. Adv Synth Catal, 2013, 355(1): 129-142.

[10] GATARD S, LIANG L, SALMON L, et al. Water-soluble glycodendrimers: Synthesis and stabilization of catalytically active Pd and Pt nanoparticles [J]. Tetrahedron Letters, 2011, 52(16): 1842-1846.

[11] DERAEDT C, SALMON L, ETIENNE L, et al. “Click” dendrimers as efficient nanoreactors in aqueous solvent: Pd nanoparticle stabilization for sub-ppm Pd catalysis of Suzuki-Miyaura reactions of aryl bromides [J]. Chem Commun, 2013, 49(74): 8169-8171.

[12] LI H, KYU JO J, ZHANG L D, et al. Hyperbranched polyglycidol assisted green synthetic protocols for the preparation of multifunctional metal nanoparticles [J]. Langmuir, 2010, 26(23): 18442-18453.

[13] ZHAO M, SUN L, CROOKS R M. Preparation of Cu nanoclusters within dendrimer templates [J]. J Am Chem Soc, 1998, 120(19)： 4877-4878.

[14] BALOGH L, TOMALIA D A. Poly(Amidoamine) dendrimer-templated nanocomposites. 1. Synthesis of zerovalent copper nanoclusters [J]. J Am Chem Soc, 1998, 120(29)： 7355-7356.

[15] ESUMI K, SUZUKI A, AIHARA N, et al. Preparation of gold colloids with UV irradiation using dendrimers as stabilizer [J]. Langmuir, 1998, 14(12)： 3157-3159.

[16] WILSON O M, KNECHT M R, GARCIA-MARTINEZ J C, et al. Effect of Pd nanoparticle size on the catalytic hydrogenation of allyl alcohol [J]. J Am Chem Soc, 2006, 128(14): 4510-4511.

[17] YAMAMOTO K, IMAOKA T, CHUN W J, et al. Size-specific catalytic activity of platinum clusters enhances oxygen reduction reactions [J]. Nat Chem, 2009, 1(5): 397-402.

[18] SCOTT R W J, WILSON O M, CROOKS R M. Synthesis, characterization, and applications of dendrimer-encapsulated nanoparticles [J]. J Phys Chem B, 2005, 109(2): 692-704.

[19] MYERS V S, WEIR M G, CARINO E V, et al. Dendrimer-encapsulated nanoparticles: New synthetic and characterization methods and catalytic applications [J]. Chem Sci, 2011, 2(9): 1632-1646.

[20] KIBATA T, MITSUDOME T, MIZUGAKI T, et al. Investigation of size-dependent properties of sub-nanometer palladium clusters encapsulated within a polyamine dendrimer [J]. Chem Commun, 2013, 49(2): 167-169.

[21] MAENO Z, KIBATA T, MITSUDOME T, et al. Sub-nanoscale size effect of dendrimer-encapsulated Pd clusters on catalytic hydrogenation of olefin [J]. Chem Lett, 2011, 40(2): 180-181.

[22] TANAKA H, HASHIMOTO T, KOIZUMI S, et al. Control of self-assembling processes of polyamidoamine dendrimers and Pd nanoparticles [J]. Macromolecules, 2008, 41(5): 1815-1824.

[23] NARAYANAN R, EL-SAYED M A. Effect of colloidal catalysis on the nanoparticle size distribution: Dendrimer-Pd vs PVP-Pd nanoparticles catalyzing the Suzuki coupling reaction [J]. J Phys Chem B, 2004, 108(25): 8572-8580.

[24] HUANG W, KUHN J N, TSUNG C K, et al. Dendrimer templated synthesis of one nanometer Rh and Pt particles supported on mesoporous silica: Catalytic activity for ethylene and pyrrole hydrogenation [J]. Nano Lett, 2008, 8(7): 2027-2034.

[25] GROSS E, LIU J H C, TOSTE F D, et al. Control of selectivity in heterogeneous catalysis by tuning nanoparticle properties and reactor residence time [J]. Nat Chem, 2012, 4(11): 947-952.

[26] OGASAWARA S, KATO S. Palladium nanoparticles captured in microporous polymers: A tailor-made catalyst for heterogeneous carbon cross-coupling reactions [J]. J Am Chem Soc, 2010, 132(13): 4608-4613.

[27] YANG Y, OGASAWARA S, LI G, et al. Water compatible Pd nanoparticle catalysts supported on microporous polymers: Their controllable microstructure and extremely low Pd-leaching behaviour [J]. J Mater Chem A, 2013, 1(11): 3700-3705.

[28] YANG Y, OGASAWARA S, LI G, et al. Critical effects of ligand integration in creating palladium-incorporated porous polymer composites [J]. J Phys Chem C, 2014, 118(11): 5872-5880.

[29] BIRADAR AV, BIRADAR A A, ASEFA T. Silica dendrimer coreshell microspheres with encapsulated ultrasmall palladium nanoparticles: Efficient and easily recyclable heterogeneous nanocatalysts [J]. Langmuir, 2011, 27(23): 14408-14418.

[30] MURUGAN E, VIMALA G. Synthesis, characterization, and catalytic activity for hybrids of multi-walled carbon nanotube and amphiphilic poly(propyleneimine) dendrimer immobilized with silver and palladium nanoparticle [J]. J Colloid Interface Sci, 2013, 396: 101-111.

Applications of Dendrimer in the Field of Palladium Nanoparticle Catalysis

LIGuang1a, 1b,YANGYao-yao1a, 1b, 2,KATOShinji2

(a. College of Materials Science and Engineering, b. State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, 1. Donghua University， Shanghai 201620, China； 2. Kawamura Institute of Chemical Research, Chiba 285-0078, Japan)

The achievements of using dendrimer in the field of palladium nanoparticles catalyst are reviewed, such as dendrimer could provide well-controlled palladium nanoparticles size and enhanced recyclability of catalyst, also, the applications of dendrimer in the supported palladium nanoparticles catalyst systems could depress the Pd-leaching. Views on the future development of dendrimer used palladium nanoparticle catalysts are also offered.

palladium nanoparticle; catalyst; dendrimer; stabilizer

1671-0444(2015)06-0781-06

2014-10-20

李光(1962—)，女，安徽蚌埠人，研究員，博士，研究方向?yàn)楣δ芗案咝阅芨叻肿硬牧? E-mail: lig@dhu.edu.cn

TQ 314

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