可回收鈀催化劑在Suzuki反應(yīng)中的最新研究進(jìn)展

廖已潔，任梓寧，李星君，蘇子楨，張 強(qiáng)

（1.蘇州科技大學(xué)天平學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州科技大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

以碳-碳鍵形成為代表的交叉偶聯(lián)反應(yīng)是一類重要的有機(jī)反應(yīng)，它們實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜生物活性分子、藥物及農(nóng)藥、有機(jī)光電材料等功能分子構(gòu)建的關(guān)鍵步驟[1]，其起源可追溯到20世紀(jì)70年代。這項(xiàng)強(qiáng)大的有機(jī)合成方法在過(guò)去30年中影響巨大，相關(guān)性研究顯著增長(zhǎng)，并在2010年得到認(rèn)可，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)科學(xué)家Richard F.Heck(理查德·赫克)、日本科學(xué)家Ei-ichi Negishi(根岸英一)和Akira Suzuki(鈴木章)[2]。其中，鈀催化的鹵代芳烴和芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)是碳-碳鍵形成最為有效的方法之一，也是交叉偶聯(lián)反應(yīng)中研究最為廣泛的反應(yīng)。通過(guò)Suzuki反應(yīng)構(gòu)建的聯(lián)苯結(jié)構(gòu)單元，是天然產(chǎn)物、藥物及農(nóng)藥中間體等領(lǐng)域的重要合成砌塊，在新型殺菌劑啶酰菌胺、抗高血壓的沙坦類藥物[3]、超級(jí)解熱鎮(zhèn)痛藥二氟尼柳[4]等的合成中得到廣泛應(yīng)用。目前，在Suzuki反應(yīng)中，常用的催化劑是均相鈀-膦絡(luò)合物、肟類環(huán)鈀絡(luò)合物及氮雜環(huán)卡賓鈀絡(luò)合物等[5]。然而均相催化體系中，有機(jī)產(chǎn)物和鈀催化劑的有效分離是一個(gè)棘手的問(wèn)題，特別是貴金屬鈀催化應(yīng)用于kg級(jí)以上規(guī)模的有機(jī)合成時(shí)，鈀的回收顯得尤為重要。鈀催化劑的負(fù)載化研究為貴金屬鈀與產(chǎn)物的高效分離和回收提供了很好的途徑，符合綠色有機(jī)化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，逐漸成為研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，眾多的負(fù)載鈀催化劑被設(shè)計(jì)合成出來(lái)，如高分子樹(shù)脂、硅膠、活性炭及離子液等負(fù)載鈀催化劑已被順利開(kāi)發(fā)，并成功應(yīng)用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)良的催化活性及重復(fù)使用性能[6]。芳基鹵化物的Suzuki反應(yīng)速率、反應(yīng)條件、產(chǎn)率及催化劑分離回收情況等，均與負(fù)載鈀催化劑的載體有著密切聯(lián)系，故本文著重從負(fù)載鈀催化劑的載體類型、負(fù)載方法等角度，對(duì)近5年可回收鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 聚合物負(fù)載鈀催化劑

有機(jī)高分子聚合物是負(fù)載金屬催化劑的常用載體之一。2020年，Kargar等[7]采用凝聚法，將二甲苯溶脹的聚乙烯與長(zhǎng)鏈離子液[MOIM][Br]制成新型離子液功能化的聚乙烯載體PET@IL，接著在丙酮環(huán)境中絡(luò)合乙酸鈀，制得一種新型功能聚乙烯負(fù)載鈀催化劑PET@IL/Pd（圖1）。經(jīng)ICP檢測(cè)鈀含量為 0.15 mmol·g-1。采用 FT-IR、TGA、SEM、XPS和EDX系統(tǒng)，表征確認(rèn)了IL/Pd復(fù)合物成功固定于聚乙烯載體及催化劑的高穩(wěn)定性。在純水體系、超聲環(huán)境、50~55℃下反應(yīng)65min，0.1 mol%的PET@IL/Pd即能成功催化氯苯與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)率為83%，顯示出優(yōu)異的催化性能。反應(yīng)結(jié)束后，催化劑PET@IL/Pd經(jīng)離心分離回收，通過(guò)碘苯與苯硼酸的Suzuki反應(yīng)考察了催化劑的重復(fù)使用性能，結(jié)果表明PET@IL/Pd重復(fù)使用7次后，活性無(wú)明顯降低。

圖1 聚乙烯負(fù)載鈀催化Suzuki反應(yīng)

2 介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑

介孔硅材料在吸附、分離、催化等領(lǐng)域中有著十分廣泛的應(yīng)用，其獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)和龐大的比表面積，為均相催化劑的固載化提供了可能。2019年，Etty N.Kusumawati[8]將介孔二氧化硅材料SBA-15共價(jià)修飾離子液體后，再與氯化鈀絡(luò)合，然后經(jīng)硼氫化鈉還原，制備了納米鈀高度分散的無(wú)機(jī)介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑PdNPs-IL@SBA-15，并應(yīng)用于室溫條件下醇-水體系的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)（圖2）。結(jié)果表明，該催化劑具有較好的催化活性，對(duì)于多數(shù)的碘代芳烴和活潑的溴代芳烴，在較低的鈀催化當(dāng)量下（0.3 mol%）室溫反應(yīng)2~6h，產(chǎn)率可達(dá)70%~97%，催化劑經(jīng)過(guò)濾分離可回收。對(duì)于帶有供電基的溴代芳烴，需要加熱至40~50℃并反應(yīng)數(shù)小時(shí)才能有效反應(yīng)，而對(duì)于挑戰(zhàn)性底物氯代芳烴的Suzuki反應(yīng)，即使80℃反應(yīng)6h僅有痕量產(chǎn)物生成。

圖2 介孔硅膠負(fù)載鈀催化Suzuki反應(yīng)

3 碳材料負(fù)載鈀催化劑

碳材料如活性炭、納米碳管、石墨烯等都是鈀催化劑的有效載體，其中鈀碳是應(yīng)用最廣泛的負(fù)載鈀催化劑。閆營(yíng)營(yíng)等人[9]以雜環(huán)鹵代芳烴和4-硼酸三苯胺為原料，以1.5 mol%的Pd/C為催化劑，在醇-水體系中經(jīng)Suzuki反應(yīng)，成功合成了12種芳雜環(huán)取代三苯胺衍生物，產(chǎn)率最高可達(dá)99%。該反應(yīng)在空氣及水相中進(jìn)行，無(wú)需惰性氣體保護(hù)，且催化劑易于分離回收。

唐瑞仁小組[10]將三聚氰胺高溫?zé)峤夂笾苽淞说?，絡(luò)合氯化鈀后，經(jīng)硼氫化鈉還原，獲得了高活性的氮化石墨碳負(fù)載納米鈀催化劑Pd/g-C3N4。該催化劑在0.83mol%的鈀催化當(dāng)量下，在聚乙二醇-水體系中催化鄰溴苯腈和對(duì)甲基苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，80℃下僅需反應(yīng)0.5h，鄰溴苯腈的轉(zhuǎn)化率即超過(guò)97%（圖3）。反應(yīng)結(jié)束后，Pd/g-C3N4經(jīng)離心分離回收，循環(huán)套用5次后活性無(wú)明顯損失，沙坦聯(lián)苯的產(chǎn)率仍然保持在95%。

圖3 碳材料負(fù)載鈀催化Suzuki反應(yīng)

4 生物基材料負(fù)載鈀催化劑

生物基材料是指可再生原料通過(guò)生物轉(zhuǎn)化獲得生物高分子材料或單體，再進(jìn)一步聚合形成的高分子材料。天然生物基材料包括纖維素、甲殼素、殼聚糖、果膠等，因無(wú)毒、來(lái)源豐富、可生物降解性、持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，受到材料領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的關(guān)注。李濤等[11]用偶聯(lián)劑3-氨丙基三乙氧基硅烷共價(jià)修飾纖維素，得到氨基功能化纖維素Cell-NH2，然后與4-(2-吡啶基)苯甲醛反應(yīng)，形成席夫堿功能化纖維素Cell-Sb，最后在水溶液中與Na2PdCl4絡(luò)合，制得纖維素負(fù)載的席夫堿-鈀絡(luò)合物催化劑Cell-Sb-Pd(Ⅱ)。經(jīng)ICP檢測(cè)鈀含量為1.93%。由于纖維素表面羥基的作用，Cell-Sb-Pd(Ⅱ)的鈀負(fù)載量明顯高于其他類似的席夫堿-鈀絡(luò)合物催化劑。通過(guò)FTIR、TGA、XRD、SEM、TEM、XPS和CP/MAS13C NMR系統(tǒng)表征，確認(rèn)了席夫堿-鈀絡(luò)合物成功負(fù)載于纖維素載體，以及鈀催化劑的價(jià)態(tài)、形貌和熱穩(wěn)定性，并將其應(yīng)用于醇-水體系的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)（圖4）。結(jié)果表明，該催化劑具有較好的催化活性，對(duì)于絕大多數(shù)的溴代芳烴與大多數(shù)的芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，在較低的鈀催化當(dāng)量下（0.3mol%），70℃反應(yīng)1~2.5h，產(chǎn)率高達(dá)84%~99%。對(duì)于帶有強(qiáng)吸電基的芳基硼酸，或以不活潑底物氯苯為Suzuki反應(yīng)的原料，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間僅有50%左右的產(chǎn)率。反應(yīng)結(jié)束后，催化劑Cell-Sb-Pd(Ⅱ)可經(jīng)離心分離回收，重復(fù)使用5次，產(chǎn)率降至77%。對(duì)反應(yīng)5次后的催化劑進(jìn)行ICP檢測(cè)，僅有痕量的鈀從纖維素載體上流失。TEM分析結(jié)果表明，少量的納米鈀粒子團(tuán)聚，可能是多次套用后催化劑部分失活的原因。

圖4 生物基材料負(fù)載鈀催化Suzuki反應(yīng)

白雪峰等人[12]直接以丁香葉為載體、還原劑和穩(wěn)定劑，一步合成了生物基材料用于負(fù)載納米鈀催化劑，納米鈀的平均粒徑為4.5nm，并成功應(yīng)用于醇-水體系多種溴代芳烴的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，僅需0.05mol%的鈀催化當(dāng)量，60℃反應(yīng)20min，產(chǎn)率高達(dá)81%~99%。反應(yīng)結(jié)束后，丁香葉負(fù)載的納米鈀催化劑可經(jīng)過(guò)濾分離回收，且重復(fù)使用8次后，產(chǎn)率依舊高達(dá)91%。

5 金屬有機(jī)框架材料負(fù)載鈀催化劑

金屬有機(jī)框架（MOFs）是一種雙齒或多齒配體與金屬粒子或團(tuán)簇配位后自組裝構(gòu)建的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料，具有孔結(jié)構(gòu)可控及比表面積超大的特點(diǎn)，在氣體吸附、分離、催化等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Pascanu[13]制備了一系列不同鈀負(fù)載量的Pd@MIL-101-NH2催化劑，在室溫~80℃下可高效催化各種碘代芳烴和溴代芳烴的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，合成了40多種含不同取代基的聯(lián)苯類中間體。該催化劑可在微通道反應(yīng)器中穩(wěn)定運(yùn)行54h，活性無(wú)任何損失。Wang[14]用鋯的MOF材料UiO-67-bpydc絡(luò)合氯化鈀，制得了一種新型的MOF負(fù)載鈀催化劑PdCl2/UiO-67-bpydc，能高效催化氯代芳烴的Suzuki反應(yīng)，重復(fù)使用5次后仍保持高的催化活性。

6 磁性納米粒子負(fù)載鈀催化劑

以納米氧化鐵為代表的磁性納米粒子（MNPs）因制備簡(jiǎn)單、表面易修飾、生物相容性及磁響應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。外加磁場(chǎng)即可進(jìn)行高效磁分離回收的特點(diǎn)，為鈀催化劑的分離提供了新思路。磁性納米催化劑的發(fā)展迅速，逐漸成為近十幾年負(fù)載催化劑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

Astruc[15]在化學(xué)評(píng)論雜志上對(duì)這一快速增長(zhǎng)的研究領(lǐng)域進(jìn)行了評(píng)價(jià)，Karimi[16]系統(tǒng)闡述了磁性可回收納米催化劑在交叉偶聯(lián)反應(yīng)中的研究進(jìn)展，馮翠蘭等人[17]針對(duì)磁性納米粒子負(fù)載鈀催化劑在碳-碳鍵偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用研究，進(jìn)行了較全面的總結(jié)。Zhang Q 等人[18-19]對(duì)MNPs負(fù)載鈀催化偶聯(lián)反應(yīng)領(lǐng)域的研究給予了密切關(guān)注，也做了一些工作。近5年，MNPs負(fù)載鈀催化Suzuki反應(yīng)的研究越來(lái)越多，這里僅列舉一小部分有代表性的磁性納米粒子負(fù)載鈀催化劑[20-24]（圖5）。目前，磁性納米粒子負(fù)載鈀催化劑因具有高的催化活性和易于原位磁分離回收等優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展，已成為一類具有廣泛應(yīng)用前景的負(fù)載鈀催化劑。

圖5 磁性納米粒子負(fù)載鈀催化劑

7 其他可回收的鈀催化劑

低共熔溶劑（DES）是一種新型的綠色溶劑或催化劑，具有價(jià)廉易得、低蒸氣壓、不易燃、易調(diào)控、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。Capriati等人[25]將醋酸鈀溶解于甘油（Gly）和氯化膽堿（ChCl）混合而成的DES體系，研究了無(wú)配體鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)。由于Pd(OAc)2/Gly/ChCl體系不溶于低極性有機(jī)溶劑，加入環(huán)戊基甲醚進(jìn)行分相后，鈀催化劑即可回收。

Chen等人[26]開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)新穎的氮化碳負(fù)載單原子鈀催化劑Pd-ECN，用于催化Suzuki反應(yīng)。載體的大雜環(huán)配位和納米孔結(jié)構(gòu)的限域效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了鈀的原子級(jí)分散錨定，因此在溴苯和苯硼酸酯的Suzuki反應(yīng)中的催化活性，遠(yuǎn)超經(jīng)典的均相鈀催化劑Pd(PPh3)4和Pd(dtbpf)Cl2，其催化轉(zhuǎn)化頻數(shù)（TOF）是后者的數(shù)十倍甚至百倍。傳統(tǒng)的鈀碳商用催化劑無(wú)法催化溴苯和苯硼酸酯的Suzuki反應(yīng)。

Bruce H.Lipshutz等人[27]開(kāi)發(fā)了新型的環(huán)鈀預(yù)催化劑，利用自行設(shè)計(jì)的表面活性劑TPGS-750-M，實(shí)現(xiàn)了10-6級(jí)痕量鈀水相膠束高效催化Suzuki反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后有機(jī)產(chǎn)物從水相中自行析出，可與膠束鈀催化劑進(jìn)行有效分離，因此產(chǎn)品中鈀的殘留很少。此外，回收的水相膠束鈀催化體系可多次重復(fù)使用。該水相膠束10-6級(jí)鈀催化體系還可以進(jìn)行一鍋三步反應(yīng)，用于合成新型殺菌劑啶酰菌胺（Boscalid）。首先催化鄰氯硝基苯和對(duì)氯苯硼酸Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，生成4’-氯-2-硝基聯(lián)苯，不經(jīng)分離，用羰基鐵粉還原硝基為氨基，隨后直接與酰氯進(jìn)行酰胺化反應(yīng)生成啶酰菌胺，總產(chǎn)率高達(dá)80%（圖6）。

圖6 水相膠束鈀催化合成啶酰菌胺

8 結(jié)語(yǔ)

Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)在天然產(chǎn)物、醫(yī)藥及農(nóng)藥、有機(jī)功能材料等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中均相鈀催化劑的回收和利用一直是Suzuki反應(yīng)的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的活性炭、硅膠、氧化鋁等用于負(fù)載鈀催化劑時(shí)，存在鈀固載不穩(wěn)定、鈀流失嚴(yán)重、催化選擇性低等缺點(diǎn)。隨著人們對(duì)負(fù)載鈀催化劑的認(rèn)識(shí)不斷深入，鈀催化劑的用量更少、催化條件更溫和、催化效率及選擇性更高、穩(wěn)定性更好的負(fù)載鈀催化劑越來(lái)越多地被研究和開(kāi)發(fā)出來(lái)。近年來(lái)，本文討論的新型可回收鈀催化Suzuki反應(yīng)體系，為碳-碳鍵的成功構(gòu)建提供了多種綠色途徑。溫和的水相溶劑以及活性和選擇性更好的鈀催化劑，大大拓寬了Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的底物適用范圍。值得注意的是，磁性納米鈀催化劑兼具高活性和易分離的優(yōu)點(diǎn)，以及優(yōu)異的重復(fù)使用性能和穩(wěn)定性，發(fā)展非常迅速，已成為一類很有應(yīng)用前景的可回收鈀催化劑，在學(xué)術(shù)及工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。目前，對(duì)于挑戰(zhàn)性底物氯代芳烴和鹵代雜環(huán)，絕大多數(shù)負(fù)載鈀催化劑的催化活性仍普遍較低。因此，設(shè)計(jì)合成催化活性更高的負(fù)載鈀催化劑是科研工作者追求的目標(biāo)之一。某些高活性膦配體或大位阻氮雜環(huán)卡賓與鈀的絡(luò)合物，有希望成為更高效的鈀催化劑，核心是能夠快速穩(wěn)定地將其負(fù)載化，以滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要。另外，可回收鈀催化Suzuki反應(yīng)的機(jī)理研究，簡(jiǎn)化負(fù)載鈀催化劑的合成工藝，直接利用資源豐富的生物基材料作為載體以實(shí)現(xiàn)鈀納米粒子的高分散錨定等，都是未來(lái)Suzuki反應(yīng)催化研究的熱點(diǎn)。