Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)催化劑及其作用機(jī)理研究進(jìn)展

胡建平， 嚴(yán) 瀟， 羅亞飛， 梁 立， 甘 亞，劉 嵬， 謝 濤， 吳志祥， 唐典勇

(1.成都大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院， 四川 成都 610106;2.成都大學(xué) 四川抗菌素工業(yè)研究所， 四川 成都 610052;3.重慶文理學(xué)院 創(chuàng)新靶向藥物國(guó)際研究院， 重慶 永川 402160)

0 引 言

Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，是指能有效生成C-C鍵的偶聯(lián)反應(yīng)[1].1981年，該反應(yīng)由Suzuki等[2]首次提出，鑒于對(duì)C-C偶聯(lián)反應(yīng)所做的貢獻(xiàn)，Suzuki、Heck和Negishi 3人共同獲得了2010年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[3].具體來(lái)說(shuō)，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)是以零價(jià)鈀或鈀配合物作為催化劑，鹵代芳烴及硼酸或硼酸酯為反應(yīng)底物，在溫和的反應(yīng)條件下所進(jìn)行的偶聯(lián)反應(yīng).與傳統(tǒng)用于生成C-C鍵的格氏反應(yīng)相比，其具有硼酸底物易獲得、無(wú)毒、對(duì)體系的水不敏感、產(chǎn)率高及產(chǎn)物易分離等優(yōu)點(diǎn)[4].

目前，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)所具有的優(yōu)點(diǎn)使其在藥物合成中得到重要的應(yīng)用[5-6].例如，Xu[7]等在合成抗人體免疫缺陷病毒藥物阿扎那韋(atazanavir)的過(guò)程中，使用Pd(PPh3)4催化4-醛基苯硼酸與2-溴吡啶進(jìn)行偶聯(lián)，其產(chǎn)物收率較高；Donald等[8]使用[(allyl)PdCl]2作為催化劑進(jìn)行Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，將2-氟苯硼酸與2-溴-3-氟苯甲腈合成γ-氨基丁酸受體激動(dòng)劑先導(dǎo)化合物中間體.

研究證實(shí)，在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中，鈀催化劑在整個(gè)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用.含鈀催化劑主要有兩類(lèi)，即配合物含鈀催化劑和鈀基鈉米粒子催化劑.配合物鈀催化劑具有兩大優(yōu)點(diǎn)[9]：其一，配合物鈀溶解性良好，在體系中均相催化整個(gè)反應(yīng)；其二，與鈀相互作用的配合物具有較強(qiáng)的給電子能力，其表現(xiàn)出兩個(gè)重要作用，一方面配體具有較大的空間位阻，體系較為穩(wěn)定，另一方面，配體的給電子能力有助于整個(gè)催化反應(yīng)的發(fā)生.但作為均相催化劑，配合物鈀作用于整個(gè)反應(yīng)體系中，產(chǎn)物與催化劑的分離與回收是一個(gè)難點(diǎn).針對(duì)該問(wèn)題，非均相催化劑應(yīng)運(yùn)而生，非均相催化劑不僅表現(xiàn)出較高的催化活性，而且回收簡(jiǎn)單，可重復(fù)利用.因此，非均相催化劑的設(shè)計(jì)也是目前催化化學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一.

事實(shí)上，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的鈀基納米粒子催化劑就是一種非均相催化劑，具有活性高、分散性好等優(yōu)勢(shì)，完成反應(yīng)后可過(guò)濾回收，因而受到科研人員的廣泛關(guān)注，例如，F(xiàn)u[10]等將Pd-Fe二元金屬納米催化劑用于催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，得到了較為理想的結(jié)果；Park等[11]將Pd負(fù)載于SiO2表面，得到了高效的納米催化劑；Baran等[12]將Pd(II)固定在含苯基的席夫堿表面，連續(xù)催化7次Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，其催化效率仍沒(méi)有明顯下降.

相關(guān)文獻(xiàn)顯示，非均相催化劑目前的研究熱點(diǎn)主要集中在以下兩方面：高效、可回收且適合于低溫反應(yīng)的新型催化劑的開(kāi)發(fā)；Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中，新型鈀基納米催化劑作用機(jī)理的研究.

1 Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)催化劑

1.1 鈀配合物催化劑

在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中，配體的選擇對(duì)于鈀配合物催化劑活性起著重要的作用，在整個(gè)催化循環(huán)過(guò)程中，配體主要作為電子供體或者調(diào)節(jié)催化劑穩(wěn)定性而參與到整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中.目前，應(yīng)用到的配體均具有較強(qiáng)的給電子能力，可與鈀配位形成雙齒或多齒配體.常用配體包括4大類(lèi)[13]，即含膦配體、N-雜環(huán)卡賓(N-heterocyclic carbene;NHC)配體、亞胺類(lèi)配體與有機(jī)胺類(lèi)配體.

1.1.1 含膦配體.

在1990年代之前，三苯基膦作為穩(wěn)定的電子給體，被廣泛應(yīng)用于Heck和Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中[14]，其后，Pd(PPh3)4這一催化劑開(kāi)始在偶聯(lián)反應(yīng)中廣泛應(yīng)用.例如，1999年，Zhao[15]等分析了溶劑類(lèi)型以及PPh3/Pd比例對(duì)催化劑活性的影響，結(jié)果表明：在極性溶劑中，隨著三苯基膦濃度的增加，反應(yīng)速率明顯下降；而在非極性溶劑中，PPh3/Pd=2之后，反應(yīng)速率不再增加.進(jìn)一步研究表明，單一膦配體的催化劑并不能催化氯代芳烴的反應(yīng)，而尋找可作用于氯代芳烴的催化劑成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn).例如，Zapf等[16]在膦配體中引入雜環(huán)，成功地獲得了可催化氯代芳烴的高活性鈀配體催化劑；Feuerstein等[17]構(gòu)建了四齒膦配體環(huán)戊烷，不僅增強(qiáng)了催化劑穩(wěn)定性，還能高效率地催化大位阻的溴代芳烴和難以發(fā)生反應(yīng)的氯代芳烴.圖1給出了常用的膦配體結(jié)構(gòu).

圖1常用的含膦配體結(jié)構(gòu)

1.1.2 NHC配體.

NHC配體是一類(lèi)具有強(qiáng)親核能力的配體，可與鈀原子形成多齒復(fù)合物.例如，Navarro等[18]的研究表明，室溫條件下NHC配體的催化效率強(qiáng)于膦配體分子；Byun等[19]利用一步法合成了聚苯乙烯固載NHC，并催化碘代芳烴和溴代烷烴的偶聯(lián)反應(yīng)；Csar等[20]分析了電子效應(yīng)和空間位阻對(duì)催化效率的影響，結(jié)果表明，微摩爾量的NHC配體鈀就能催化大位阻氯代芳烴的偶聯(lián)反應(yīng).相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，與膦配體比較，NHC配體具有成本低廉、環(huán)境友好以及催化活性高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在對(duì)水和空氣敏感的缺陷[21].圖2給出了NHC配體的基本結(jié)構(gòu).

圖2 NHC配體結(jié)構(gòu)通式

1.1.3 亞胺類(lèi)配體.

與NHC配體類(lèi)似，亞胺類(lèi)配體同樣具有較強(qiáng)的給電子能力.例如，Hardy等[22]將亞胺-吡啶配體固定在糖基聚合物殼聚糖表面，然后再將PdCl2與亞胺發(fā)生絡(luò)合，該催化劑不僅具有很強(qiáng)催化Suzuki和Heck偶聯(lián)反應(yīng)的能力，同時(shí)還表現(xiàn)出可循環(huán)催化反應(yīng)的潛力，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過(guò)5次反復(fù)催化偶聯(lián)反應(yīng)，在相同條件和時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率并沒(méi)有顯著下降；Bedford等[23]制備了二氧化硅負(fù)載的亞胺類(lèi)鈀催化劑，反應(yīng)過(guò)程中，催化劑形成了可溶性鈀鹽，溶液顏色從淡黃色變成棕紅色，預(yù)示著體系中可溶性鈀鹽被還原生成了零價(jià)鈀納米粒子，二氧化硅可能起著固定鈀納米粒子的作用，這可能也是該類(lèi)型催化劑具有高催化活性的原因；Grasa等[24]通過(guò)開(kāi)發(fā)富含電子的雙亞胺配體發(fā)現(xiàn)，(1E,2E)-N1,N2-二環(huán)己烷-1，2-二亞胺作為鈀配體能夠催化含富電子基團(tuán)的氯代芳烴；Mino等[25]在Grasa研究的基礎(chǔ)上將環(huán)己烷替換為給電子能力更強(qiáng)的N-甲基苯胺，其催化劑活性進(jìn)一步加強(qiáng)，可在室溫、低催化劑用量及空氣條件下高效催化各種偶聯(lián)反應(yīng).圖3給出了部分亞胺類(lèi)配體結(jié)構(gòu).

圖3 亞胺類(lèi)配體結(jié)構(gòu)

1.1.4 有機(jī)胺類(lèi)配體.

有機(jī)胺類(lèi)配體價(jià)廉易得，是一種被廣泛使用的配體.例如，Bin[26]等以二環(huán)己基胺作為配體的鈀催化劑能高效催化富電子的4-甲氧基溴苯與苯硼酸的反應(yīng)；Li等[27]以三乙烯二胺作為配體，在極低的鈀用量下催化多種碘代芳烴與芳基硼酸的反應(yīng).圖4給出了部分有機(jī)胺類(lèi)配體的結(jié)構(gòu).

圖4有機(jī)胺類(lèi)配體結(jié)構(gòu)

1.1.5 討 論.

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前傳統(tǒng)鈀配合物催化劑尚存在以下缺點(diǎn)：配體鈀催化劑催化活性較低，使用成本高昂[28]；催化劑回收較難，不能循環(huán)使用[29]；催化劑對(duì)氧氣敏感[30].針對(duì)鈀配合物催化劑的這些不足，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高活性、可循環(huán)使用的納米催化劑是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn).對(duì)此，科研人員也正積極開(kāi)發(fā)一系列的鈀基納米催化劑[31-33].

1.2 納米催化劑

目前，比較有代表性的納米催化劑有Pd、Pd-Au、Pd-Fe、Pd-Ni、Pd-Cu及Pd-Rh等.相關(guān)研究表明，影響納米催化劑活性的因素包括納米催化劑的粒徑和形狀.例如，Li等[33]用不同粒徑大小的PVP包覆鈀納米粒子來(lái)催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，催化劑活性與納米粒子粒徑成反比.事實(shí)上，催化劑形狀也能明顯影響其催化活性，而不同形狀的Pd-Rh催化活性差異很大.目前，合成納米催化劑的方法較多，科研人員已經(jīng)能夠精確調(diào)控來(lái)合成結(jié)構(gòu)明確的納米催化劑，比如Core@shell結(jié)構(gòu)的納米催化劑.此外，針對(duì)小尺寸的納米催化劑，可以用密度泛函理論(Density functional theory,DFT)研究其催化循環(huán)過(guò)程中結(jié)構(gòu)與催化活性的關(guān)系[34].例如，Tang等[35]基于DFT研究了Pd/Cu比例對(duì)Pd-Cu合金納米催化氧還原過(guò)程催化活性的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Pd/Cu=1時(shí)，催化劑活性最好.而在催化反應(yīng)機(jī)理研究方面，Tang等[36]基于DFT研究了Au38納米團(tuán)簇催化芳基丙炔醚的環(huán)異構(gòu)化/氧化二聚反應(yīng)，得到了理論和實(shí)驗(yàn)比較吻合的結(jié)果.事實(shí)上，基于DFT結(jié)合實(shí)驗(yàn)的研究還有很多，其已經(jīng)成為高活性納米催化劑設(shè)計(jì)中不可或缺的一環(huán)[37].

表1列出了用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的一系列納米催化劑粒徑大小和反應(yīng)條件等信息.

表1 部分納米催化劑的類(lèi)別、粒徑大小及反應(yīng)條件

從表1可以看出，納米催化劑結(jié)構(gòu)基本為Core@shell或Alloy結(jié)構(gòu)，尺寸分布區(qū)間在幾個(gè)到幾十個(gè)納米的區(qū)間范圍內(nèi)，反應(yīng)溶劑以C2H5OH-H2O混合溶液居多，反應(yīng)的溫度條件較為溫和.

1.2.1 Pd納米催化劑.

Pd納米催化劑為目前研究較多的一類(lèi)納米催化劑.研究表明，Pd納米催化劑在催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如反應(yīng)不需要加熱等，這對(duì)于經(jīng)典鈀配合物催化劑是難以實(shí)現(xiàn)的[38].Collins等[40]研究了高指數(shù)面Pd納米催化劑在4-碘苯甲醚和苯硼酸為底物進(jìn)行的偶聯(lián)反應(yīng)中的活性，實(shí)驗(yàn)中使用了PVP做載體，合成了不同粒徑和形態(tài)的Pd納米催化劑，反應(yīng)堿為K2CO3，溶劑為乙醇—H2O(3∶1)混合液，反應(yīng)穩(wěn)定在25 ℃溫度下.研究表明，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與催化劑的量以及反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，催化劑量在一定范圍內(nèi)時(shí)，催化劑量越大反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化率越高，而當(dāng)反應(yīng)中催化劑量相同時(shí)，轉(zhuǎn)化率與催化劑形態(tài)有較大的關(guān)系，其中高指數(shù)面(730)催化劑的活性高于低指數(shù)面(100)催化劑的活性，該研究結(jié)論為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)明確的Pd納米催化劑提供了依據(jù).

1.2.2 Pd-Au納米催化劑.

目前，Pd-Au納米催化劑用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)同樣也是研究的一個(gè)熱點(diǎn).例如，Reetz等[62]采用了Au@Pd核—?dú)そY(jié)構(gòu)的納米合金催化劑，并通過(guò)精確的合成方法將Pd包覆在Au核上，使得催化劑結(jié)構(gòu)可控.此外，Pd-Au納米催化劑的結(jié)構(gòu)對(duì)于催化劑活性也有較大的影響，例如，Yang等[63]通過(guò)控制Au/Pd的比例，合成了不同形貌結(jié)構(gòu)的Pd@Au殼@核結(jié)構(gòu)，如凹形立方體、截?cái)嗔⒎襟w、截?cái)嗔骟w、截?cái)喟嗣骟w與正八面體等.其合成的Pd-Au催化劑在相同濃度下催化碘苯和苯硼酸，反應(yīng)溶劑為乙醇—H2O(4∶1),K3PO4·H2O作為堿，加熱至80 ℃下反應(yīng)，結(jié)果顯示，凹形立方體具有更高的催化活性.該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米催化劑的活性與催化劑形狀有較大的關(guān)系，與文獻(xiàn)[62]不同之處在于，該類(lèi)型催化劑中活性金屬原子Pd分布在納米催化劑表面，更有利于整個(gè)催化反應(yīng)的進(jìn)行.另外，Wang等[64]通過(guò)異質(zhì)外延生長(zhǎng)法合成了兩種類(lèi)型的Au-Pd納米催化劑，Pd生長(zhǎng)在高指數(shù)面Au核表面或Au核低指數(shù)表面，這樣生長(zhǎng)出來(lái)的納米晶體在粒徑增大的同時(shí)還能夠保持其原有形狀(高指數(shù)面或低指數(shù)面)，其催化結(jié)果顯示，高指數(shù)面催化劑的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低指數(shù)面催化劑的活性.

1.2.3 Pd-Fe納米催化劑.

盡管Pd-Fe合金展示出良好的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)催化活性，但是目前有關(guān)Pd-Fe納米催化劑研究報(bào)道相對(duì)較少.其中，F(xiàn)u等[10]將Pd-Fe合金固定到氮化硼納米片表面，并將該催化劑用于催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出較高的催化活性.該催化劑在實(shí)驗(yàn)中連續(xù)6次催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率未發(fā)生明顯下降，具有可回收循環(huán)使用和穩(wěn)定的催化特性等優(yōu)點(diǎn).另外，Pd-Fe納米催化劑還具有超順磁性的優(yōu)點(diǎn).例如，Sabaqian等[51]將醋酸鈀負(fù)載在酰胺肟功能化的磁性納米Fe3O4表面，通過(guò)引入外部磁場(chǎng)，成功地實(shí)現(xiàn)了催化劑與反應(yīng)液的分離，在5次重復(fù)催化反應(yīng)過(guò)程中，催化劑的催化性能沒(méi)有明顯下降.

1.2.4 Pd-Cu納米催化劑.

Pd-Cu納米合金催化劑也是最近幾年發(fā)現(xiàn)的一種可用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的高效合金納米催化劑.例如，Thathagar等[53]研究了Pd、Cu、Pt、Ru金屬及其合金用于催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，結(jié)果顯示，Pd-Cu納米合金催化效果最好，緊隨其后是單質(zhì)Pd納米金屬和Cu-Pd-Ru合金，不過(guò)該研究并未考慮納米催化劑形貌結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)活性的影響；Nasrollahzadeh等[54]分析了碳負(fù)載的Cu-Pd納米合金催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，在乙醇—H2O溶劑，60 ℃下回流反應(yīng)1.5 h，分離產(chǎn)率達(dá)到93%；Myers等[65]使用聚酰胺—胺型樹(shù)狀高分子作為分散劑，合成了約含64個(gè)原子的穩(wěn)定納米合金催化劑，并對(duì)該催化劑進(jìn)行了一系列的表征研究，進(jìn)一步揭示了催化劑結(jié)構(gòu)與催化活性的相互關(guān)系.相關(guān)研究表明，Pd-Cu納米合金不僅能用于催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，在催化Heck偶聯(lián)和Sonograshira偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)也有很好的活性，是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的高活性合金催化劑[66-67].

1.2.5 其他類(lèi)合金催化劑.

由于金屬Ni及Ni的配合物可能具有潛在的致癌性，加之Ni納米金屬穩(wěn)定性較差，這都限制了其在催化劑領(lǐng)域中的應(yīng)用[66].就Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)而言，Ni作為一種高活性的廉價(jià)金屬催化劑，尤其是Pd-Ni合金所展示出的催化效果比單質(zhì)Pd的催化效果更好，而開(kāi)始受到科研人員的關(guān)注，并嘗試將其應(yīng)用于該偶聯(lián)反應(yīng)中.例如，Wu等[59]合成了Pd-Ni納米合金催化劑，并用于催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，結(jié)果顯示，該合金催化劑活性與相同當(dāng)量的Pd納米金屬一致.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金中Ni含量在50%時(shí)，相同的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)條件下，轉(zhuǎn)化率接近100%.此外，引入非貴金屬Ni的合金納米催化劑還具有超順磁性，表現(xiàn)出良好的催化劑—反應(yīng)物/產(chǎn)物分離效果.例如，Metin等[56]研究了Ni/Pd殼@核結(jié)構(gòu)的納米雙金屬催化劑，該合金催化劑直徑在10 nm左右，在二甲基甲酰胺—H2O混合溶劑中，堿為K2CO3，加熱至110 ℃的條件下，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率保持在98%左右，循環(huán)5次催化反應(yīng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率并沒(méi)有發(fā)生明顯下降.實(shí)際上，同Pd-Cu納米合金類(lèi)似，Pd-Ni納米催化劑不僅能用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，而且還可應(yīng)用于Sonograshira偶聯(lián)反應(yīng)[68].

此外，作為一種穩(wěn)定的納米催化劑，Pd-Rh合金在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用也逐漸被報(bào)道.例如，Wang等[61]建立了一種可控制催化劑形態(tài)的合成新方法，其合成了4種不同形態(tài)(空心六面體、二十面體、截?cái)喟嗣骟w及六面體)的Pd-Rh納米合金催化劑，并用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，結(jié)果表明，與Pd-C和六面體Pd催化劑相比，二十面體、截?cái)喟嗣骟w、六面體Pd-Rh合金催化劑的轉(zhuǎn)換頻率(Turnover frequency,TOF)均小于六面體Pd，但又強(qiáng)于Pd-C催化劑，而空心六面體Pd-Rh合金的TOF遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于六面體Pd催化劑.可見(jiàn)，納米催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)其催化活性有較大影響，此也從側(cè)面再次證實(shí)了納米催化劑的活性位點(diǎn)可能位于催化劑表面，為納米催化劑開(kāi)發(fā)拓展了新的研究方向.另外，有研究者利用Pd-Ag合金，在使用光提供能量條件下催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，并取得了比較好的催化效果[28].圖5給出了Core@shell結(jié)構(gòu)和納米合金粒子的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖5納米催化劑的結(jié)構(gòu)模型

2 作用機(jī)理

2.1 催化機(jī)理

目前，對(duì)鈀配合物催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理的相關(guān)研究已經(jīng)比較成熟.圖6給出了整個(gè)偶聯(lián)反應(yīng)的循環(huán)過(guò)程，主要包括氧化加成、金屬轉(zhuǎn)移和還原消除3個(gè)步驟.

圖6 Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理

在催化機(jī)理的研究中，Braga等[69]與Ataualapa等[70]發(fā)現(xiàn)，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中，鹵代苯與催化劑先發(fā)生相互作用，生成二價(jià)鈀(L2PdIIRX)，隨后二價(jià)鈀與苯硼酸發(fā)生金屬轉(zhuǎn)移生成X-B(OH)2和L2PdIIRR′，最后發(fā)生還原消除，生成零價(jià)鈀(Pd0L2)和產(chǎn)物，零價(jià)鈀繼續(xù)參與下一個(gè)反應(yīng)循環(huán).該反應(yīng)催化循環(huán)過(guò)程已被Alippantis等[71]在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)電霧化質(zhì)譜(ESI-MS)捕獲到反應(yīng)中間體，證實(shí)了該催化循環(huán)的合理性.

研究證實(shí)，在整個(gè)Suzuki反應(yīng)過(guò)程中，氧化加成步驟被普遍認(rèn)為是整個(gè)催化循環(huán)的決速步驟.鹵代苯的取代官能團(tuán)對(duì)偶聯(lián)反應(yīng)速率有一定的影響，反應(yīng)發(fā)生難易順序?yàn)?I>-Br ?-Cl；氯苯較難發(fā)生Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，尋找到在溫和條件下催化氯苯發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)的催化劑是關(guān)鍵[72].實(shí)際上，有機(jī)物官能團(tuán)也會(huì)影響整個(gè)反應(yīng)的速率，反應(yīng)發(fā)生難易順序?yàn)楸江h(huán)與苯環(huán)的偶聯(lián)>苯環(huán)與鏈烴的偶聯(lián)>鏈烴與鏈烴之間的偶聯(lián)[73].

納米金屬催化劑催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中，其決速步驟與傳統(tǒng)鈀配合物催化劑有較大差異.例如，Ricciardi等[38]在研究鈀基納米微粒催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)型催化劑在氧化加成這一步驟的Hammett曲線方程斜率ρ=1.5[74].在Hammett曲線方程中，ρ是反應(yīng)常數(shù)，可以衡量反應(yīng)對(duì)取代基電子效應(yīng)的敏感度.在納米粒子催化的取代溴苯與苯硼酸的偶聯(lián)反應(yīng)中，溴苯的ρ值較小但又大于0，可見(jiàn)氧化加成非決速步驟.而較難發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)的氯苯的Hammett曲線斜率ρ=5.2，吸電子效應(yīng)明顯，表明氯苯在發(fā)生Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)氧化加成為決速步驟[75].Kutubi等[76]在研究Pd-Ru納米催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)循環(huán)中決速步驟為金屬轉(zhuǎn)移這一步.

目前，科研人員對(duì)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的基本過(guò)程已形成共識(shí)，但是對(duì)于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的決速步驟還存在著爭(zhēng)議，特別是鈀基納米粒子催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的決速步驟還需要進(jìn)一步研究.而揭示鈀基催化劑中摻雜金屬在整個(gè)反應(yīng)體系中所起到的作用，對(duì)于新型高效納米粒子的設(shè)計(jì)具有重要意義.

2.2 非均相催化劑中的吸附及解離機(jī)制

研究表明，鈀基納米粒子表面吸附鹵代芳烴過(guò)程對(duì)于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)第一步的氧化加成至關(guān)重要[69].吸附過(guò)程分為化學(xué)吸附和物理吸附，在這里主要是發(fā)生化學(xué)吸附.鹵代芳烴吸附在納米粒子表面活性位點(diǎn)，這些活性位點(diǎn)主要集中于納米顆粒邊緣位點(diǎn)和頂位，因?yàn)檫@些位點(diǎn)具有最低的吸附能[77].因此，控制納米粒子結(jié)構(gòu)形態(tài)能夠調(diào)控納米催化劑活性.

和吸附過(guò)程密切相關(guān)的是，需要確定納米金屬催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)是發(fā)生在納米催化劑表面(非均相催化)，還是在浸出的鈀原子上(均相催化)，或是兩者兼有[77].對(duì)此，Smith等[78]在研究Pt-Ca礦型催化劑催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)時(shí)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究、催化劑毒化實(shí)驗(yàn)、顯微觀察和三相測(cè)試等實(shí)驗(yàn)證明了負(fù)載型納米鈀催化劑起催化活性作用的是浸出的鈀原子；而Schmidt等[79]認(rèn)為兩種鈀原子均參與了催化反應(yīng)，浸出的鈀原子濃度處于亞ppm級(jí)，但即便在這種低濃度的情況下依然能夠保持催化活性.

相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，鈀納米催化劑團(tuán)聚和解離的影響因素主要有：溫度因素，納米鈀粒子在反應(yīng)中被加熱時(shí)，表面的催化劑鈀原子脫離粒子而進(jìn)入溶液變成游離鈀原子發(fā)生催化作用，同時(shí)溶液中游離的鈀原子又能再次團(tuán)聚到鈀粒子表面形成動(dòng)態(tài)的平衡，環(huán)境溫度的升高將促使納米鈀發(fā)生團(tuán)聚，生成大顆粒的納米鈀粒子，降低催化活性，甚至形成鈀黑而失活；溶劑因素，溶劑水能促進(jìn)納米鈀催化劑發(fā)生團(tuán)聚，形成大顆粒團(tuán)聚態(tài)鈀；堿的作用，堿的加入能促進(jìn)納米催化劑釋放出鈀原子，反應(yīng)中加入堿能有效提高Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率[80-82].圖7給出了Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中納米催化劑結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化.

圖7催化循環(huán)中納米催化劑結(jié)構(gòu)形態(tài)變化

3 展 望

鈀基納米催化劑作為一種能夠有效降低生產(chǎn)成本的高效納米催化劑有望應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，該類(lèi)型催化劑不僅可用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，其對(duì)Heck偶聯(lián)反應(yīng)和Sonograshira偶聯(lián)反應(yīng)也有良好的催化活性.但是，鈀基納米粒子存在穩(wěn)定性差和反應(yīng)過(guò)程中催化劑流失嚴(yán)重等不足[21].對(duì)此，可以嘗試在鈀基納米粒子表面吸附配體從而增加催化劑的穩(wěn)定性，穩(wěn)定后的鈀基納米粒子固載于固載劑表面.目前，應(yīng)用較多的配體有NHC配體[21]、含膦配體[83]和含硫配體[84]等.

此外，鈀基納米微粒催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)還存在著反應(yīng)位點(diǎn)不夠明確以及反應(yīng)機(jī)理中決速步驟仍存在爭(zhēng)議等問(wèn)題.這些問(wèn)題將是Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)研究中的熱點(diǎn)，值得深入探討.

隨著催化化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和分子模擬等學(xué)科的快速發(fā)展和交叉融合，進(jìn)一步開(kāi)展鈀基納米催化劑的反應(yīng)機(jī)理以及催化劑結(jié)構(gòu)—活性之間的關(guān)系等相關(guān)研究，將極大促進(jìn)高活性納米催化劑的設(shè)計(jì).