應用于Suzuki偶聯反應的金屬催化劑研究進展

胡玲君，聶晶晶

(1. 浙江大學 化學系， 浙江 杭州 310027； 2. 中節(jié)能大地(杭州)環(huán)境修復有限公司， 浙江 杭州 310020)

0 引 言

金屬鈀催化碳碳偶聯反應是合成轉變中最有效、使用最多的一種技術，主要由5種反應組成： Negishi反應、Sonogashira反應、Heck反應、Stille反應以及Suzuki-Miyaura反應，反應方程式如圖1所示.

其中鈀催化有機硼化合物與親電有機物進行的偶聯反應，稱為Suzuki-Miyaura偶聯反應(也稱為Suzuki偶聯反應)，近幾十年來，一直頗受關注，是合成雙芳烴化合物的重要手段之一.雙芳烴化合物是制備藥物、天然產物、OLED發(fā)光材料的重要中間體. 研究Suzuki偶聯反應比較有名的課題組有： MICHAEL G. ORGAN、MATTHIAS BELLER、STEPHEN L. BUCHWALD、JOHN F. HARTWIG等.

圖1 碳碳偶聯反應Fig.1 Reactions of C-C coupling

Suzuki偶聯反應常用的催化劑有均相催化劑和非均相催化劑. 均相催化劑是指催化劑與反應底物處于同一相中，有氣相和液相2種，處于液相的均相催化劑居多，絕大多數均相催化劑為金屬有機化合物；非均相催化劑正好相反，催化劑與反應底物處于不同體相中. 均相催化劑與反應底物處于同一相，使得反應底物更易與活性中心接觸，反應速度較快，較非均相催化劑的反應速度與選擇性更優(yōu). 其不足是難回收，且當產物中含有微量均相催化劑時，清除困難，在一定程度上增加了其使用成本，制約其大規(guī)模使用. 而非均相催化劑則不存在此缺陷，且具有易分離、耐高溫、壽命長等優(yōu)點. 隨著研究的不斷深入，新型的非均相催化劑載體不斷被發(fā)現，比如石墨烯[1]、金屬有機框架[2]等，新型載體制備的非均相催化劑在特定的催化反應中其催化性能部分達到甚至優(yōu)于均相催化劑[3-4]. 金屬鈀為Suzuki反應常用的活性金屬. 過去幾十年，有大量文獻闡述了Suzuki偶聯反應的研究成果，如使用PdCl2[5]、Pd(OAc)2[6]等鈀前驅體在配體作用下催化偶聯反應，但其產物收率較低. 隨著研究的不斷深入，開發(fā)了不少較高效的均相與非均相催化劑，其優(yōu)良的催化性能、獨特的物理特性，引得研究者的廣泛關注. 相較碘代芳烴和溴代芳烴，用非活性的氯代芳烴進行Suzuki反應難度較大，但由于氯代芳烴易得、價格低廉，一直是人們研究的熱點. Suzuki偶聯反應的機理如圖2所示.

圖2 Suzuki偶聯反應機理Fig. 2 The mechanism of Suzuki cross-coupling reaction

下文將對均相催化劑中常用的配體以及非均相催化劑中使用的載體分別進行闡述.

1 均相催化劑

配體對金屬類均相催化劑具有極其重要的影響，在不同的配體作用下，相同的底物可以生成不同的目標產物. 配體通?？商峁┮粚聦﹄娮?，從而與金屬之間形成配位鍵，提供電子對的配體可以看作Lewis堿，而接收孤對電子的金屬可看作Lewis酸，常見的提供孤對電子的元素有N(如四氨基二氯化鈀)、C(如卡賓)、P(如四三苯基膦鈀)，除了元素可以提供孤對電子外，官能團同樣能提供雙鍵(如Karster催化劑)、大π鍵(如二茂鐵)等，兩者均可提供孤對電子. 而Suzuki偶聯反應中使用的有機配體主要有膦配體、卡賓配體等，雖然氮與磷有類似的電子結構，但其配位能力較弱，氮配體的催化性能稍遜膦配體.膦配體與卡賓配體是20世紀80、90年代發(fā)現的新型高效配體，對其研究已取得了很大進展.

1.1 膦配體

1.1.1 鈀/膦配體催化Suzuki偶聯反應

在Suzuki偶聯反應研究早期，通常使用均相催化劑實施該反應，20世紀末，三芳基膦類配體開始廣泛應用于Suzuki偶聯反應. 此后膦配體家族不斷發(fā)展，比如三苯基膦、二金剛烷膦、三異丙基膦、三叔丁基膦等高效配體.

四(三苯基膦)鈀是一種常用的偶聯催化劑，YU等[7]用四(三苯基)膦鈀為催化劑，通過偶聯反應制備了二噻吩環(huán)戊二烯光學分子開關，其在光電設備中具有非常重要的地位. Suzuki反應主要是C-R鍵的斷裂以及C-C鍵的形成，SI等[8]利用該原理用Pd完成了C-O單鍵的斷裂與C-C單鍵的形成，通過有機酸與二(4-甲氧基)硼酸的C-C偶聯生成更復雜的酮衍生物，使用Pd(OAc)2/PPh3催化體系，在室溫下進行偶聯反應，測試了氫化肉桂酸、溴戊酸以及苯甲酸衍生物與二(4-甲氧基)硼酸的偶聯反應，當苯甲酸衍生物含有缺電子基團時收率較低，其產物收率達90%左右，當苯甲酸含有富電子基團時，產物收率降低至50%～60%，即便如此，此研究提供了一種合成復雜酮類化合物的方法.

ARANYOS等[9]在合成二芳基醚中發(fā)現，當使用1-二金剛烷膦-聯苯作為配體時，能催化富電子的氯代芳烴的脫氯反應，且效果遠好于三苯基膦配體，研究認為，金剛烷較苯基擁有更大的空間位阻，更有利于脫氯反應的進行. ZAPF等[10]首次使用二金剛烷膦配體催化對氯甲苯與苯硼酸的Suzuki反應，并將其與三苯基膦配體做比較. 三苯基膦作為配體時，金屬鈀使用量0.1 mol%，收率僅為5%，但當配體改為丁基二金剛烷膦時，0.01 mol%的Pd使用量就可將反應收率提高至94%. 在拓展反應的研究中發(fā)現，即使氯苯含有非活潑的富電子基團，產物收率仍能達到80%以上，當含有活性的缺電子基團時，產物收率可達99%，金剛烷膦配體較其他膦配體有較大優(yōu)勢(見圖3).

圖3 Pd(OAc)2/BuPAd2催化氯苯衍生物與苯硼酸的Suzuki偶聯反應[10]Fig. 3 Pd(OAc)2/BuPAd2 catalyzed chlorobenzene derivatives and phenyl boronic acid[10]

吡啶類衍生物是一種具有生物活性的天然產物，可用于合成抗菌、抗癌類藥物， PARK等[11]使用更大空間位阻的芐基取代正丁基，制備了Pd(OAc)2/BnPAd2催化劑，用其合成了三取代吡啶衍生物，BnPAd2配體的催化活性均高于BrettPhos、Sphos、Xphos等配體. 二金剛烷膦衍生物配體雖具有很高的催化活性，但其大多對空氣敏感，易被氧化，失去活性，從而影響使用.CHEN等[12]制備了具有抗氧化的Ad3P-Pd催化劑，使用條件得到了極大改善，檢測了各類大分子雜環(huán)與氟苯硼酸進行的偶聯反應，得到的產物收率均高達90%以上(見圖4).

圖4 Pd/Ad3P催化芳基氯與芳基硼酸的Suzuki偶聯反應[11]Fig. 4 Pd/Ad3P catalyzed aryl chloride and aromatic boric acid[11]

環(huán)低聚糖次苯基近年來逐漸成為OLED中的雙極電荷載流子傳輸材料[13]，在聚合物合成中，環(huán)低聚糖次苯基通常是合成線性高分子量聚次苯基的副產物[14]，SUGITA等[15]首次選擇性地合成了環(huán)次苯基聚合物，且線性聚合物無副產物生成(見圖5).

圖5 選擇性合成環(huán)次苯基聚合物[15]Fig. 5 Selectively synthesis cyclic polyphenylene[15]

多孔材料具有高比表面、較好的熱穩(wěn)定性，還可作為氣體吸附劑、儲氣材料以及催化劑(或催化劑載體)，為了使合成的多孔材料具有一定的功能，研究者開始熱衷于使用具有功能性官能團的單體，聚合生成多孔材料，同時試圖使多孔材料內部空腔盡可能大(大于600 m2·g-1). 傳統(tǒng)的多孔共價有機聚合物雖然具有高吸附能力，但其物理化學穩(wěn)定性較差，在實際應用中難以重復利用.BEN等[16]于2009年首次制備了聚四苯基多孔材料；受此啟發(fā)，GUO等[17]制備了具有高比表面(891 m2·g-1)、高熱穩(wěn)定性(升溫至1 000 °C時，僅失重40%)、特殊化學特性(不溶于有機溶劑)的聚六苯基二金剛烷多孔材料，并以六-(4-溴苯基)-1,1’-二金剛烷與二硼酸芳烴化合物為底物，在四(三苯基)膦鈀、碳酸銫的條件下催化合成(如圖6所示)，可以吸附H2、CO2、CH4、苯蒸氣、正己烷蒸氣等有機蒸氣. 因此，可用于工業(yè)化儲氣和作為去除有害蒸氣的吸附劑.

圖6 Suzuki反應合成聚六苯基二金剛烷多孔材料[17]Fig. 6 Synthesis polyhexaphenylbiadamantane through Suzuki reaction[17]

1.1.2 其他金屬/膦配體催化Suzuki偶聯反應

2003年大阪大學KAKIUCHI等[18]使用Ru催化劑(RuH2(CO)(PPh3)3)將2’-甲基苯乙酮鄰位的C-H斷裂，與頻哪硼烷偶聯生成聯苯衍生物. 次年，該課題組使用該催化體系將2’-甲基-6’-甲氧基苯乙酮的甲氧基去除與頻哪硼烷反應生成聯苯化合物[19]，此法是當時實現C-O鍵斷裂生成C-C鍵的有效手段. UENO等[20]發(fā)現RuH2(CO)(PPh3)3有斷裂C-H和C-O的能力，將2種催化功能綜合并應用于同一反應中，同樣使用RuH2(CO)(PPh3)3為催化劑，將鄰甲氧基苯乙酮苯環(huán)上鄰位C-H的斷裂用于與乙烯基三甲基硅烷的加成反應，苯基與甲氧基的C-O鍵斷裂后與芳基硼偶聯生成偶聯反應，最終生成聯苯三甲基硅烷衍生物(其反應機理見圖7). TOBISU等[21]隨后使用[Ni(COD)2]/PCy3催化體系，在堿CsF的作用下，將苯甲氧基衍生物拓展至2-甲氧基萘及其衍生物與芳基硼的碳碳偶聯.

圖7 RuH2(CO)(PPh3)3催化芳基酮脫羰基形成C-C鍵的反應機理[21]Fig. 7 The formation of C-C catalyzed by RuH2(CO)(PPh3)3[21]

現有理論認為，有機配體的給電子能力與催化活性有非常重要的聯系，KUMAR等[22]的研究證實了該理論，發(fā)現當增加吡啶鄰位的氮原子數目時，配體的給電子能力得以增強，增加了Co的催化活性，其反應機理如圖8所示.

圖8 Co(COOCH3)2/N,N-二(二苯基膦)-1,5-二氨基苯催化Suzuki反應機理[22]Fig. 8 Mechanism of Co(COOCH3)2/N,N-di(PPh2)-1,5- diaminobenzene in Suzuki reaction[22]

1.2 氮雜環(huán)卡賓(N-Heterocyclic Carbene)配體

自從ARDUENGO等[23]首次制備出穩(wěn)定的NHC以來，NHC與金屬配位后的催化性能研究廣受關注，相繼發(fā)表了大量研究成果，如Pd-NHC[24]、Ru-NHC[25]、Rh-NHC[26]、Ni-NHC[27]等.

2002年，GST?TTMAYR等[28]使用鈀/二金剛烷膦咪唑卡賓在室溫下催化氯苯衍生物的偶聯反應，其對非活潑的富電子氯苯產物的收率高達99%. 由于金剛烷與環(huán)己烷具有類似的分子結構，ALTENHOFF等[29]將金剛烷基更改為環(huán)己基，制備了雙環(huán)己烷咪唑卡賓配體，同樣可在室溫下催化非活潑氯苯與苯硼酸的偶聯反應，產物收率為66%～95%，稍遜色于文獻[28]的結果.

BEN等[30]開發(fā)了一種新型Pd-Carbene催化劑用于芳基酯的偶聯反應(見圖9)，當硼酸取代基為電中性或富電子基團時，產物收率大于80%，但4-羥基苯硼酸的產物收率只有58%，含有缺電子基團時，產物收率稍低(>70%). 當用芳基酯取代基時，無論在電中性、富電子、缺電子時，其產物收率都較好. 結果表明，該反應收率主要與有機硼取代基的極性有關.

圖9 Pd(IPr)(cinnamyl)Cl催化芳基酯與有機硼酸的偶聯反應[30]Fig.9 Pd(IPr)(cinnamyl)Cl catalyzed cross-coupling aryl esters with organoboron acids[30]

BEGUM等[31]將咪唑類卡賓固載于SiO2后與金屬鈀配位，在鹵代芳烴的偶聯反應中，即便溴代芳烴含有富電子基團，其產物收率也可高于90%，但氯代芳烴即使在缺電子基團時其活性也較差(產物收率低于80%)，但相較于均相的卡賓催化劑，氯代芳烴具有可重復使用的優(yōu)勢，2016年，PAHLEVANNESHAN等[32]也發(fā)表了類似的研究成果.

OHTSUKI等[33]將Ni-Carbene(imidazol-2-ylidene bearing 2-adamantyl)應用于催化芳基酯/芳基甲酸鹽與苯硼酸的偶聯反應， 發(fā)現其適用的非活潑產物較之前報道的三環(huán)己基膦更廣. 無論取代基為富電子還是缺電子基團，反應產物收率均高達60%以上，即使是非活性的雜環(huán)硼酸酯，產物收率也可達67%～76%.當磺酸酯取代基為富電子基團或苯基鄰位有取代基時，會產生75%的硼酸酯的自偶聯產物，但當鄰位為甲基時，產物收率可達75%，這可能是由于苯基的大π鍵的供電子能力較強且空間位阻大，阻止了偶聯副產物的生成(見圖10).

圖10 Ni(COD)2/carbene 催化芳基甲酸鹽與芳基硼的偶聯反應[33]Fig.10 Ni(COD)2/carbene catalyzed cross-coupling of aryl carbamate with aryl boron reagents[33]

1.3 其他配體

ZAWARTKA等[34]開發(fā)了獨特的具有手性結構的咪唑類鈀催化劑，其結構如圖11所示. 此均相催化劑在空氣中穩(wěn)定，無須在惰性氣體下保存. 將其應用于催化苯硼酸與溴苯衍生物的偶聯反應中，即使是低活性的對溴苯酚、大位阻的1-溴萘醇，其產物收率均高達95%，甚至100%，但2-溴苯乙酮反應產物收率只有50%，在羰基化Suzuki-Miyaura反應中，使用對碘苯甲醚、苯硼酸、CO(1atm)作為反應底物，其反應物能夠完全轉化，且二酮的選擇性可達90%(見圖11).

圖11 Pd-手性咪唑配體催化溴(碘)代芳烴的Suzuki反應[34]Fig. 11 Pd-chiral imidazole ligands catalyzed the Suzuki reaction of aryl chloride(iodide)[34]

2 非均相催化劑

在非均相催化劑的反應中，由于催化反應發(fā)生在表面(界面). 為使催化劑具有更多的活性位，要求非均相催化劑具有盡可能大的比表面積，其主要的途徑就是增加催化劑載體的內比表面積，即增加非均相催化劑的多孔性，使其更有利于金屬顆粒的分散，提升反應底物與活性位接觸的概率，增加反應活性.同時，不同的載體孔道對反應產物的擇型有一定的影響，載體的表面官能團、電子特性等均對非均相催化劑的穩(wěn)定性、催化活性、催化選擇性影響很大. 在非均相催化劑中，雖然金屬顆粒的大小對反應有一定的影響，但在某些催化體系中，在相同的金屬顆粒尺寸范圍內，載體對催化劑的催化性能起到類決定性作用. 金屬鈀作為Suzuki反應常用的活性金屬，已開發(fā)了各種鈀負載類非均相催化劑，如Pd/C[35]、Pd/分子篩[36]、Pd/水滑石[37]Pd/SiO2[38]、Pd/Al2O3[39]以及其他無機氧化物[40]. 近年來，新型載體如氧化石墨烯(GO)、離子液體(ionic liquids)、金屬有機框架(MOFs)廣受關注，并將這類新型載體應用于各種有機反應中. 除鈀之外，其余金屬如Ni[41]、Cu[42]、Fe[43]等均可作為Suzuki反應的活性中心.

2.1 常見載體

MARCK等[44]報道了Pd/C、配體Ph3P作用下催化溴苯衍生物與苯硼酸衍生物的Suzuki偶聯反應，產物收率高于85%(見圖12).

圖12 Pd/C在Ph3P作用下催化溴苯衍生物的偶聯反應[44]Fig.12 Pd/C with Ph3P catalyzed cross coupling of Bromobenzene derivatives[44]

2001年，LEBLOND等[45]報道了一項突破性進展，即在無有機配體的條件下，使用5% Pd/C、乙酰胺(DMA)/水(v∶v=20∶1)共溶劑系統(tǒng)催化氯苯衍生物與苯硼酸偶聯反應，雖然氯苯取代基為缺電子基團，但聯苯產物收率仍高達79%～90%，當缺電子基團更改為富電子基團時，產物收率大幅下降，降至32%～54%(見圖13).

圖13 Pd/C在80 °C下催化氯苯衍生物的偶聯反應[45]
Fig.13 Pd/C catalyzed cross coupling of chlorobenzene derivatives at 80 °C[45]

根據LEBLOND等[45]的研究，Pd/C體系中，反應溶劑的極性對催化效果影響較大，隨后HEIDENREICH等[46]同樣使用高極性溶劑(NMP/H2O)，在較低鈀使用量(0.25 mol%)下，對氯苯乙酮與苯硼酸反應的產物收率可高達98%，這可能是由于在120 °C高溫下，載體上的Pd(II)溶解于反應體系中，從而加速了反應進程(見圖14).

圖14 Pd(II)/C催化對氯苯乙酮與苯硼酸的偶聯反應[46]Fig. 14 Pd(II)/C catalyzed cross-coupling of chloroacetophenone with phenylboronic acid [46]

隨著環(huán)境意識的不斷增強，研究者一直致力于尋找更清潔、更環(huán)保的方法合成目標產物，用非毒性溶劑水代替有機溶劑已是一種趨勢，且水具有較高的極性，符合LEBLOND的研究結果. ARCADI等[47]發(fā)現，使用水作為反應溶劑時，加入表面活性劑CTAB可以加速芳基氯與苯硼酸的C-C偶聯反應，可能是由于CTAB作為相轉移催化劑，有利于有機物轉移至水相中，水相轉移至有機相中，從而加快反應速度. 雖然CTAB在芳基溴以及含有缺電子基團的芳基氯的反應中催化效果較好，但是富電子芳基氯的產物卻不盡如人意. LYSN等[48]發(fā)現，當用同為相轉移催化劑的TBAB代替CTAB時，芳基氯衍生物拓展至富電子基團，收率可達到66%～81%，且可以在空氣體系下完成反應(見圖15).

圖15 Pd/C在水相中催化氯苯偶聯[48]Fig. 15 Pd/C catalyzed cross-coupling chlorobenzene[48]

XIA等[49]合成了核殼結構的Ni-Pd/炭黑催化劑，以等體積的乙醇/水作溶劑，在室溫下反應45 min，即可將溴苯轉化為90%的聯苯，且對于大位阻的1-碘萘、1-溴萘的偶聯反應，其產物收率也可達到89%. 于是又將Pd/C拓展至催化雜環(huán)類鹵代芳基的偶聯反應中[50].

除了用傳統(tǒng)的活性炭作為載體，目前納米碳纖維[51]、納米碳球[52]、石墨烯[53]等碳源載體不斷被開發(fā). DONG等[54]將鈀顆粒負載于規(guī)則的納米碳球上，用乙醇/水作為反應溶劑，溴苯衍生物與苯硼酸產率高達90%～99%.

分子篩是由硅鋁組成的一類微孔晶體，硅鋁為分子篩提供了一定強度的Born酸和Lewis酸2種酸性位，可用于合成化學中間體、精細化學品，由于其具有極好的熱穩(wěn)定性，被廣泛應用于石油化工行業(yè). DEY等[55]將PdCl2負載于4A分子篩上，TBAB為相轉移催化劑，DMF為溶劑，在120 °C下反應16 h，含缺電子基團的對氯苯甲醛與苯硼酸偶聯后的產物收率高達98%. 即使是含富電子基團的對甲氧基氯苯，其產物收率也高達73%. STIJN等[56]于2015年合成了類金屬酶分子篩并將其用于催化C-C偶聯反應. 雖然，分子篩擁有比較大的比表面和均一大小的孔徑，有利于金屬顆粒的分散，但是，由于大多數分子篩具有一定的酸性中心，而Suzuki偶聯反應的反應體系需要堿性環(huán)境，故當反應底物活性較低時，其催化活性較弱，一定程度上抑制了分子篩在Suzuki偶聯反應中的應用.

ESMAEILPOUR等[57]將納米鈀負載于含有聚乙烯吡咯烷酮支鏈的磁性SiO2載體上，NMP作為溶劑，在K2CO3作用下，90 °C反應4 h后，氯甲苯與苯硼酸的收率可達89%，鹵代雜環(huán)與苯硼酸的收率也高達80%以上，且用磁鐵簡單回收催化劑后，可重復使用6次.合成催化劑所需原料價格低廉、合成方法簡單、重復利用性能好，較均相催化劑優(yōu)勢明顯(見圖16).

圖16 Pd/NMP@SiO2結構示意圖[57]Fig. 16 The structure of Pd/NMP@SiO2[57]

2.2 聚合物載體

雖然均相催化劑擁有低使用量、高選擇性等優(yōu)點，但異相催化劑的納米金屬具有可回收性、高比表面積等優(yōu)勢. 高度分散的納米金屬對催化性能的提升較明顯. GALLON等[58]于2007年使用聚苯胺作為納米鈀的載體(其還可以作為納米鈀制備過程中的還原劑與穩(wěn)定劑)， 發(fā)現即使是活性較弱的氯芳基以及含有富電子基團的氯芳基與苯硼酸反應后的產物，收率也達到了89%～99%. 由于C-F鍵的鍵能較強，故能作用于氟芳基的偶聯反應較少，即使是均相催化劑亦不能得到理想的產物收率，但增加催化劑使用量、升高反應溫度、延長反應時間，對二氟苯與苯硼酸的產物收率可高達60%，這可能與PANI上大量的苯環(huán)大π鍵與鈀的協(xié)同作用有關.鑒于PANI具有一定的還原性能，文獻[58]對4-叔丁基氯苯的自偶聯反應(Ullman偶聯)進行了研究，在0.5 mol% Pd/PANI, 80oC下反應2 h即得到99%的產物收率，即便是活性較高的Cu在Ullman偶聯反應中也需要較高的反應條件才能達到如此高的收率. ANDERSON等[59]發(fā)現氯代芳烴在KOH作用下可生成相應的芳基酚，Pd/PANI作為串聯催化劑，2-氯苯與苯硼酸反應生成2-氯聯苯后，加入等體積的1,4-二氧六環(huán)、5倍當量的KOH，繼續(xù)反應6 h后，2-苯基苯酚收率可達70%(見圖17).

圖17 Pd/PANI催化非活性鹵代芳烴[59]Fig. 17 Pd/PANI catalyzed unactivated aryl halides[59]

RANGEL等[60]在嵌段共聚物F-127的作用下，通過水熱法合成了與PANI類似結構的聚酰亞胺(PI)，使用溴苯與苯硼酸衍生物研究Pd/PI的催化性能，發(fā)現苯硼酸對位為富電子基團時，在溴苯的自偶聯產物增多的同時，偶聯產物也增多，說明富電子取代基加速了催化活性. 但當苯硼酸對位為缺電子基團時，在同等反應條件下，未見任何偶聯產物生成.

YU等[61]合成了多孔離子共聚物(PIC)，并將其作為Pd(OAc)2的載體，用于催化芳基氯與苯硼酸的偶聯反應.催化過程未使用金屬鈀顆粒制備的催化劑，而是利用反應機理將Pd(II)還原為Pd(0)參與催化循環(huán)，不僅可以在空氣中進行催化，而且對富電子取代基的活性也較好.PIC結構示意圖如圖18所示.

圖18 PIC結構示意圖以及用于催化芳基氯C-C偶聯[61]Fig. 18 The structure of PIC and catalyzed cross-coupling of aryl chlorides[61]

Pd負載于聚合物膠體上形成鈀金屬膠體催化劑，同樣可用于催化Suzuki反應[62]，YE等[63]使用六齒配體(L)與鈀配位后，形成鈀金屬溶膠異相催化劑Pd3L，該催化劑雖然不能催化乙醇為溶劑的氯苯衍生物與苯硼酸的偶聯反應，但是在溴苯及其衍生物的偶聯反應中，產物的收率高達99%，并且催化劑的使用量只有0.005 mol%，很少有催化劑(即便是均相催化劑)在使用量如此少時能達到如此高的反應活性，Pd3L循環(huán)使用7次，其催化活性只降低了3%. DELL’ANNAA等[64]用poly(Pd(AAEMA)2)(AAEMA=2-(acetoacetoxy)ethyl methacrylate)作為催化劑、水為溶劑，在不添加相轉移催化劑(如TBAB、CTAB)的條件下，氯代芳烴的收率可達98%. 這可能是由于聚合物Pd-pol在水中的溶脹作用[65]，促使底物與活性中心更好接觸，從而最大化完成轉化過程，相較某些均相催化劑，其金屬使用量減少了10倍多，文獻[64]只使用0.1 mol的Pd進行催化反應，且使用“一鍋法”重復利用催化劑5次后，催化活性無明顯降低(見圖19).

圖19 Pd-pol催化4-取代氯苯與苯硼酸的偶聯反應Fig. 19 Pd-pol catalyzed cross-coupling of para substituted chlorobenzene with phenylboronic acid

2.3 金屬有機框架

金屬有機框架(metal organic frameworks，MOFs)是由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內孔隙的有機-無機雜化材料，其示意圖如圖20所示.

圖20 MOFs 結構示意圖[66]Fig. 20 The structure of MOFs[66]

MOFs具有高比表面積(現今發(fā)現的MOFs比表面積最高可達5 000 m2·g-1)[67]、多孔、化學可調性、均一的孔徑，其可作為一類功能性材料. 在異相催化、氣體吸附、氣體或有機蒸汽分離中有其獨特的特性. 2007年， XAMENA等[68]使用Pd-MOFs在150 °C下催化對溴苯甲醚與苯硼酸的偶聯反應，其產物收率只有90%. YUAN 等[69]首次將納米金屬負載于MOFs并用于催化Suzuki偶聯反應，通過濕法浸漬將鈀納米顆粒負載于具有類分子篩結構的MIL-101(比表面積達4 000 m2·g-1)上[70]，在甲醇鈉作用下，氯苯衍生物Suzuki反應產物收率為81%～97%. 當氯苯鄰位為甲氧基時，由于鄰位甲氧基的位阻以及供電子能力，使2-甲氧基氯苯的產物收率降低至90%以下(81%). 較使用Pd/ZIF-8催化對氯苯甲醚的偶聯反應[71]有極大提高.

圖21 Pd/MIL-101催化氯苯衍生物偶聯反應[69]Fig. 21 Pd-MIL-101 catalyzed cross-coupling of chlorobenzenederivatives[69]

PASCANU等[72]將鈀負載于氨基改性后的MIL-101(MIL-101_NH2)，并將反應拓展至雜環(huán)與硼酸的偶聯，使用碘代、溴代芳烴化合物的偶聯產物均高達99%，并研究了各類雜環(huán)硼酸與鹵代苯衍生物的反應，在20 °C或者50 °C下，反應產物收率均達91%以上，此研究將Suzuki偶聯反應產物拓展至各類五元、六元類雜環(huán)(見圖22).

圖22 Pd/MIL-101_NH2室溫下催化氯苯衍生物偶聯反應[72]Fig. 22 Pd/MIL-101_NH2 catalyzed chlorobenzene derivatives at room temperature[72]

DONG等[73]不同于傳統(tǒng)的將負載金屬鈀負載于MOFs-5表面，而是將金屬鈀顆粒滲透至MOFs-5孔道內部，并研究MOFs-5在不同焙燒條件下對Suzuki反應催化性能的影響. 實驗結果表明，當MOFs-5在氮氣下900 °C焙燒后，催化反應活性最好，雖然對氯芳烴的催化性能較差，但是對含有富電子基團的溴芳烴的催化活性較好(見圖23).

圖23 MOF-5-Pd催化溴苯、氯苯的偶聯反應[73]Fig. 23 MOF-5-Pd catalyzed cross-coupling bromobenzene, chlorobenzene[73]

研究者制備了不同配位金屬的MOFs，并將其作為載體，研究其對Suzuki反應性能的影響，如Ni-MOFs[74]、Zr-MOFs[75]、Cu-MOFs[76]、Zn-MOFs[77]等.

2.4 氧化石墨烯(graphene oxide，GO) /石墨烯(graphene)

由于石墨烯與氧化石墨烯具有歸一的2D結構、高比表面積等特性，近年來被廣泛用于異相催化劑的研究，其可用于各類金屬納米顆粒的載體，如Pd[78]、Au[79]、Co3O4[80]、Fe3O4[81]以及Au@Pt[82]. 同時發(fā)現，對石墨烯摻雜改性可以提高石墨烯的原有特性，SCHEUERMANN等[1]通過離子交換法將Pd(II)負載于GO，并闡述了在Suzuki偶聯反應中，鈀納米顆粒大小較GO上功能化基團更重要. KWON等[53]將離子聚合物(芘-聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯-b-聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯)嵌入至還原氧化石墨烯(rGO)中，制備了離子聚合物摻雜型石墨烯載體(IPG)，使用苯甲酸還原負載于IPG上的Pd(II). 使用碘苯衍生物與苯硼酸的反應來檢測Pd-IPG的催化性能，雖然對于溴苯的催化活性較弱(收率24%)，但其在碘苯的偶聯反應中，對于活性較弱的富電子取代基的碘苯的催化活性非常好(收率98%). 實驗結果表明，與未摻雜離子聚合物的Pd-rGO催化性能對比，Pd-IPG的TON高出Pd-rGO 16倍，這是因為離子聚合物有利于Pd納米顆粒的均勻分布，由離子聚合物的協(xié)同作用所致(見圖24).

圖24 Pd-IPG空氣下催化碘苯的偶聯反應[53]Fig. 24 Pd-IPG catalyzed cross-coupling of iodobenzene under air[53]

FAREGHI-ALAMDARI等[83]使用氯代二苯基膦(ClPh2P)配體與GO制備了膦功能化氧化石墨烯載體(PFG)，通過乙醇還原Pd(OAc)2-PFG制備了催化劑Pd-PFG，其反應條件與KWON類似，雖然其催化溴苯、氯苯的收率較高，但其催化劑使用量是KWON的12倍，且重復使用次數較KWON低一半，Pd-PFG能夠催化氯苯、溴苯，一定程度上是由于P-Pd的配位增加了金屬鈀的催化活性(見圖25).

圖25 Pd-PFG催化鹵代苯的偶聯反應[83]Fig. 25 Pd-PFG catalyzed cross-coupling of halogenated benzene[83]

BAI等[84]報道了將N-氨乙基-γ -氨丙基三甲氧基硅烷(AATPS)通過共價鍵連接至GO，從而形成N-Pd(II)配位催化劑(見圖26).從圖26中可以看出，隨著鹵代芳烴活性的降低，反應所需時間越來越長，GO-2N-Pd(II)的催化活性明顯高于Pd-PFG，且不需要在惰性氣體條件下完成，重復使用性能與Pd-PFG相近(可重復使用5次).

圖26 GO-2N-Pd(II)示意圖以及用于催化鹵代芳烴[84]Fig. 26 The structure of GO-2N-Pd(II) and catalyzed aryl halides[84]

對于Suzuki偶聯反應而言，Fe的催化活性較Pd要弱很多，Fe通常需要特定的配體、高使用量或苛刻的反應條件，但WANG等[85]使用雙性配體tris(triazole)-polyethylene glycol與FeCl3配位后，加入NaOH制備α-Fe2O3，再將此預催化劑負載于氧化石墨烯上(GO)，從而制備了催化劑α-Fe2O3/GO，只使用了極少量的催化劑(150× 10-6)催化溴苯衍生物與苯硼酸的反應. 研究發(fā)現，溴苯取代基的缺電子、富電子特性對產物收率并無明顯影響，此特點與金屬鈀催化Suzuki偶聯反應的機理有一定差別，通常鹵代苯取代基為吸電子基團時產物收率明顯高于推電子基團衍生物，此由Suzuki偶聯反應的反應機理決定(見圖 27).此外，文獻[85]還考察了Fe(0)、GO、α-Fe2O3、α-Fe2O3/AC在同等條件下的催化活性，Fe(0)、GO、α-Fe2O3均無催化活性，α-Fe2O3/AC反應產物的收率只有23%，這可能是由于GO的高比表面特性使活性中心(α-Fe2O3)周圍反應底物的濃度增加，從而提高了反應效率，但對α-Fe2O3/GO催化Suzuki反應的反應機理尚不明朗，需進一步研究.

圖 27 α-Fe2O3/GO應用于4-取代溴苯偶聯反應[85]Fig. 27 α-Fe2O3/GO catalyzed cross-coupling of p-substitudebromobenzene[85]

2.5 其他載體

SHARMA等[86]拋開常規(guī)載體，從大自然中去尋找高效載體植物葉，正因為植物葉表面具有微孔結構/納米孔結構，該特性使納米鈀顆粒與植物葉表面形成強作用力，有效防止納米鈀顆粒的聚集與流失，該催化劑在溴苯(對甲氧基溴苯)與苯硼酸的反應中，聯苯(4-甲氧基聯苯)的收率為80%左右，達到該催化劑效果，這很可能是由于植物葉表面與納米鈀的強相互作用，雖然該催化劑不能回收利用，但為制備催化劑提供了一種全新的思路.

LEBASCHI等[87]用黑茶葉浸泡后的濾液作為PdCl2的還原劑和溶劑，制得Pd NPs，通過TEM測試，Pd顆粒大小為7 nm左右時，其催化4-甲基溴苯與苯硼酸的產物收率高達98%，較文獻[86]的研究結果有顯著提升. 其另一個優(yōu)點是，鈀納米顆粒在無載體的情況下，重復使用5次后，產物收率仍高達80%，重復利用性能較傳統(tǒng)納米鈀有顯著提升，且未出現聚集、流失等情況. 以上研究給人們制備催化劑打開了新的視角. 此后，用天然產物制備催化劑的研究成果越來越多.

LICHTENEGGER等[88]用(NH4)2Ce(NO3)6、SnC2O4、PdCl23種前驅體在甘氨酸、硝酸作用下生成多孔固體產物CexSnyPd0.01O2-z(x+y=0.99)，并使用溴苯衍生物與苯硼酸的反應對其催化及重復使用性進行研究，其特殊點在于不再是簡單的負載金屬鈀，而是合成了含有鈀、錫、鈰的3金屬氧化物，具有統(tǒng)一的晶型結構，而不是3種氧化物的簡單混合. 因其重復使用性能優(yōu)良，故對其在固定床中進行試驗，并有望大規(guī)模工業(yè)化使用，這是均相催化劑難以企及的優(yōu)勢.

QI等[89]首次發(fā)現氯代全氟烷烴與苯硼酸偶聯生成聯苯化合物的方法，更重要的是在室溫下就可以完成該進程，且未使用貴金屬(Pd、Ni等)，而只是使用了易得的銅粉. 研究發(fā)現，銅粉催化氯代全氟烷烴的偶聯反應條件與傳統(tǒng)Suzuki偶聯反應條件有較大區(qū)別： 1)銅粉催化反應必須有氧氣存在才能順利完成，而傳統(tǒng)條件大多數需要在惰性氣體下完成；2)不需要堿的協(xié)助. 雖然全氟烷烴偶聯產物收率較低，但提供了一種合成全氟芳烴的全新方法，且催化劑廉價、易得，還可將偶聯反應放大生產，文獻[89]還給出了可能的反應機理(見圖 28).

圖28 銅粉催化碘代全氟烷烴的偶聯反應以及可能的反應機理[89]Fig. 28 The possible pathways of copper powder catalyzed cross-coupling of perfluoroalkyliodides[89]

3 結果與展望

近幾十年來，Suzuki偶聯反應的研究得到了飛速發(fā)展，人們不斷開發(fā)出新型配體、新型載體，雖然Pd/MOFs、Pd-P、Pd-NHC等均為較優(yōu)催化劑，但MOFs反應產物收率低、制備步驟煩瑣、有機配體通常需要在惰性氣體下完成、價格高昂，迄今為止，鮮有研究在不降低活性的條件下，將均相催化劑進行固載化后用于催化反應. 新型高效的載體經過近10 a的發(fā)展，尚無法在成本、穩(wěn)定性、產量上達到傳統(tǒng)載體的條件.隨著科學技術的發(fā)展和研究的不斷深入，正在逐步開發(fā)可回收的均相催化劑和能低成本、大規(guī)模生產的載體，以逐步消除均相與非均相催化劑之間的界限.