磁性納米粒子負(fù)載催化劑的應(yīng)用研究進(jìn)展

馮翠蘭， 徐海云， 徐茂田， 趙文獻(xiàn)

(商丘師范學(xué)院 化學(xué)系，河南 商丘 476000)

C-C鍵形成是精細(xì)化工和藥物合成化學(xué)中的重要反應(yīng)之一，主要有Suzuki， Heck， Sonogashira及Ullmann等偶聯(lián)反應(yīng)。鈀鹽或小分子均相催化劑在這些C-C偶聯(lián)反應(yīng)中具有反應(yīng)活性高、反應(yīng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。然而，均相催化劑不易分離回收，尤其是鈀的流失，不僅使生產(chǎn)成本高，對(duì)環(huán)境不利，且生成的鈀黑污染反應(yīng)產(chǎn)物。為解決均相催化反應(yīng)面臨的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)負(fù)載型鈀催化劑成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

磁性納米粒子(MNPs)作為均相催化劑的理想載體，近年來(lái)在催化劑負(fù)載方面的應(yīng)用倍受關(guān)注。這主要是由于：(1)粒徑足夠小的MNPs(磁性Fe3O4晶體直徑小于30 nm)具有超順磁性，即在外加磁場(chǎng)中有較強(qiáng)磁性，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)磁性很快消失，從而通過(guò)控制外加磁場(chǎng)使負(fù)載催化劑方便的分散于反應(yīng)體系中或聚集分離出來(lái)，具有操作簡(jiǎn)便和分離效率高的優(yōu)點(diǎn)；(2)MNPs具有大的比表面積，可高密度負(fù)載催化劑，且催化活性位點(diǎn)能夠均勻分布于反應(yīng)介質(zhì)中，從而提高負(fù)載催化劑的活性和選擇性。

有關(guān)MNPs的合成及其應(yīng)用研究已有文獻(xiàn)綜述[1～3]。本文重點(diǎn)對(duì)近年來(lái)MNPs負(fù)載鈀及小分子催化劑在Suzuki， Heck和Sonogashira等偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用研究作簡(jiǎn)要評(píng)述。

1 MNPs負(fù)載鈀催化劑

鈀鹽及鈀配合物催化的Heck， Suzuki， Sonogashira等偶聯(lián)反應(yīng)是形成C-C鍵的常用反應(yīng)，所得偶聯(lián)產(chǎn)物是合成生物活性化合物及天然產(chǎn)物的重要中間體。然而，均相鈀催化劑的難分離回收問(wèn)題限制了其工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。MNPs負(fù)載鈀催化劑在保持其高催化活性的同時(shí)，還方便有效地解決了其分離回收問(wèn)題。下面從MNPs負(fù)載的鈀配合物及鈀納米顆粒催化劑兩個(gè)方面，對(duì)近年來(lái)MNPs負(fù)載鈀催化劑在C-C鍵形成反應(yīng)中的應(yīng)用作簡(jiǎn)要介紹。

1.1 MNPs負(fù)載鈀配合物催化劑

貴金屬鈀可與多種組分配位，通過(guò)改變配體和反應(yīng)物的組合，有可能使許多不易發(fā)生的反應(yīng)得以順利進(jìn)行。因此，對(duì)鈀配合物的負(fù)載化研究已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

Chart1

Gao等[4]合成了Fe2O3MNPs()負(fù)載氮雜環(huán)卡賓(NHC)配位鈀催化劑(1， Chart 1);并將1應(yīng)用于Heck, Suzuki和Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)中(Scheme 1)。研究表明1具有高的催化活性，當(dāng)用量為7.3 mol%，反應(yīng)1 h時(shí)，4-碘代苯乙酮(Suzuki偶聯(lián)反應(yīng))的轉(zhuǎn)化率達(dá)到35%；在相同條件下，以聚苯乙烯負(fù)載鈀(Pd/PS)為催化劑(2)，反應(yīng)3 h后仍未檢測(cè)到反應(yīng)產(chǎn)物。1連續(xù)循環(huán)使用5次，其催化活性基本保持不變。

Gao等[5]還相繼合成了可溶性聚合物包覆超順磁性γ-Fe2O3MNPs()負(fù)載NHC-Pd制得催化劑3； 3在鹵代芳烴與苯硼酸的Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)中具有較高的催化活性(80%)，經(jīng)磁分離回收后的3可循環(huán)使用5次，催化活性無(wú)明顯降低。

沈彬等[6]對(duì)介孔二氧化硅包裹Fe3O4MNPs(?)表面修飾巰基后，通過(guò)-SCH2-化學(xué)鍵嫁接長(zhǎng)鏈肟鈀環(huán)絡(luò)合物，得到直徑約為150 nm的催化劑4。將其應(yīng)用于碘代苯與丙烯酸乙酯的Heck反應(yīng)中，反應(yīng)2.5 h，碘代苯的轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%； 4連續(xù)循環(huán)使用6次后，碘代苯的轉(zhuǎn)化率仍為95%。

Phan等[7]合成了CoFe2O4MNPs()負(fù)載的氮配位鈀催化劑(5， Scheme 2)，鈀負(fù)載量為0.24 mmol·g-1。 5在Sonogashira反應(yīng)中循環(huán)使用5次，催化活性無(wú)明顯變化。

Scheme1

Scheme2

表 1 6在溴苯與苯硼酸Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)中的循環(huán)使用效果*Table 1 Reusablility for 6 in the Suzuki-Miyaura coupling reaction of phenyl bromide and phenylboronic acid

*reaction conditions: PhBr 1 mmol, PhB(OH)21.5 mmol, Cs2CO31.2 mmol, Pd 1 mol%, solvent 5 mL, 80 ℃ for 15 h； 6=Ⅰ(Chart 2)負(fù)載于SiO2包覆的上

?=Fe3O4MNPs

Chart2

Thiel等[8]通過(guò)所合成的三苯基膦配位鈀催化劑前體(Ⅰ， Chart 2)負(fù)載到SiO2包覆的上，得到負(fù)載鈀催化劑6。在1,4-二氧六環(huán)及Cs2CO3體系中，6催化苯硼酸與溴苯的Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)物收率大于99%。 6連續(xù)循環(huán)使用7次，催化活性無(wú)明顯下降(表1)。

Lu等[9]通過(guò)疊氮與端炔基間的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)將吡啶與鈀的配合物負(fù)載到?上制得催化劑7(Chart 2)。 7在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中具有高的催化活性，底物轉(zhuǎn)化率達(dá)到82%～99%，并可有效回收、循環(huán)使用。

Plucinski等[10]在?(直徑為7 nm～17 nm)上分別負(fù)載醋酸鈀[Pd(OAc)2]及三苯基膦配位鈀[Pd(TPP)2(OAc)2]制得催化劑8和9，并以Heck和Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)評(píng)價(jià)其催化活性。在Heck反應(yīng)中，8和9均具有高的催化活性，反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率均大于99%，但其循環(huán)使用效果卻有顯著差異。8循環(huán)使用4次，反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率仍保持為99%，而9在第3次循環(huán)使用時(shí)，反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率即由最初的100%下降至12%。在Suzuki反應(yīng)中，8(轉(zhuǎn)化率85%)的催化活性明顯高于9(轉(zhuǎn)化率45%)。

Jin等[11]合成了?負(fù)載的鈀配合物催化劑(10， Chart 2)，并在相轉(zhuǎn)移試劑四丁基溴化銨(TBAB)存在下催化多種低活性氯代芳香烴的Suzuki, Sonogashira及Stille偶聯(lián)反應(yīng)，取得了良好的催化效果。10用量為0.5 mol%時(shí)，偶聯(lián)反應(yīng)的最高分離產(chǎn)率均在95%左右；在4-甲氧基氯苯與苯硼酸及苯乙炔的偶聯(lián)反應(yīng)中，10均可循環(huán)使用10次，催化活性保持不變。

Zhang等[12]合成了?負(fù)載的氮配位Pd0催化劑(11)； 11在不同碘代芳香烴與丙烯酸的Heck偶聯(lián)反應(yīng)中具有較高的催化活性，碘代芳烴的轉(zhuǎn)化率大于97%。在碘苯與丙烯酸的偶聯(lián)反應(yīng)中，11可循環(huán)使用6次，催化活性無(wú)明顯降低。

Rossi等[13]采用一步法分別合成了氨基修飾?負(fù)載鈀催化劑(12)及?負(fù)載三苯基膦配位鈀催化劑(13)，并以Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)考察其催化活性。研究結(jié)果表明，相同反應(yīng)條件下，13催化活性明顯高于12，但兩者的循環(huán)使用效果都較差，循環(huán)使用2次，催化活性即明顯下降。

1．2 MNPs負(fù)載鈀納米顆粒催化劑

采用適當(dāng)?shù)呐潴w對(duì)MNPs進(jìn)行表面修飾后，在其表層負(fù)載鈀納米顆粒，有助于提高鈀納米催化劑的穩(wěn)定性。

Wang等[14]用3-丙氨基三甲氧基硅烷穩(wěn)定的?負(fù)載納米PdⅡ制得催化劑14。 HR-TEM表征證實(shí)，在第一個(gè)循環(huán)中負(fù)載的PdⅡ被還原為Pd0，并在反應(yīng)過(guò)程中成長(zhǎng)為較大的簇。以碘苯與丙烯酸的Heck偶聯(lián)反應(yīng)為模型，考察14循環(huán)使用效果，結(jié)果表明，循環(huán)使用5次后，產(chǎn)物的收率即由第一次使用時(shí)的81%下降至53%。研究者認(rèn)為：14催化活性的降低主要是由于Pd納米顆粒的聚集，使催化劑的比表面積下降，循環(huán)利用時(shí)負(fù)載鈀催化劑不能有效分散于反應(yīng)介質(zhì)中，從而使其催化活性明顯減低。

He等[15]也對(duì)SiO2包覆的?進(jìn)行氨基修飾，然后在其表層負(fù)載粒徑約為3 nm Pd0納米顆粒制得催化劑15； 15對(duì)碘苯與丙烯酸的Heck反應(yīng)具有高的催化活性，當(dāng)使用AcONa作堿時(shí)，轉(zhuǎn)化數(shù)達(dá)到3 749 h-1。研究表明，反應(yīng)中所用堿的種類(lèi)對(duì)鈀的流失量具有明顯的影響，當(dāng)使用NEt3時(shí)鈀的流失量最大，達(dá)到1.51×10-8，當(dāng)使用Na2CO3作堿時(shí)，鈀的流失量最小，但也有2.10×10-8。鈀的大量流失致使15循環(huán)使用效果非常差，第二次循環(huán)使用時(shí)，產(chǎn)率約下降十幾個(gè)點(diǎn)。本課題組在此領(lǐng)域也作了一些工作，通過(guò)水熱法合成了?，對(duì)其分別進(jìn)行氨基和羥基修飾后負(fù)載納米Pd制得催化劑16和17。研究表明，16的催化活性要高于17，但兩者的循環(huán)使用效果都不好，僅循環(huán)使用2次，催化活性就明顯降低[16]。

Xia等[17]直接在?表層負(fù)載Pd0制得催化劑18； 18在碘苯與苯乙炔的Sonogashria偶聯(lián)反應(yīng)中連續(xù)循環(huán)使用7次，催化活性及選擇性無(wú)明顯變化。

Zhu等[18]則在膦功能化?上負(fù)載粒徑小于1 nm的Pd0制得催化劑19； 19在溴苯及苯硼酸的Suzuki反應(yīng)及溴苯與苯乙烯的Heck反應(yīng)中具有高的催化活性，產(chǎn)物的收率分別達(dá)到83%和56%，且可多次循環(huán)使用。研究者還發(fā)現(xiàn)，在Suzuki反應(yīng)中19比1的催化活性高，而在Heck反應(yīng)中的催化活性也高于不同無(wú)機(jī)氧化物(MgO， TiO2與ZrO2)負(fù)載的Pd0催化劑。

由廉價(jià)多巴胺(DA)穩(wěn)定的NiFe2O4MNPs()負(fù)載納米Pd催化劑(20)在鹵代芳香烴乃至氯代芳香烴的Suzuki及Heck偶聯(lián)反應(yīng)中具有高的催化活性，且易分離回收再利用。當(dāng)采用DMF作溶劑，K3PO4(Suzuki反應(yīng))或K2CO3(Heck反應(yīng))作堿時(shí)，20循環(huán)使用3次，催化活性基本保持不變[19]。

Varma課題組[20,21]采用微波輻射法合成了具有三維針狀結(jié)構(gòu)的鐵氧化物MNPs(?)，并用DA對(duì)針尖處修飾后負(fù)載Pd制得催化劑21； 21在Suzuki， Heck及Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)中均具有高的催化活性(Scheme 3)，循環(huán)使用5次，催化活性保持不變。

沈彬等[23]合成了碳包埋的鐵包金(Au@Fe)MNPs()；負(fù)載粒徑約為12 nm的鈀制得催化劑23； 23對(duì)碘代苯與丙烯酸的Heck反應(yīng)具有高的催化活性，在乙酸鈉或三乙胺存在下反應(yīng)4 h，碘代苯轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%以上。重復(fù)使用10次，仍保持高的催化活性(碘代苯轉(zhuǎn)化率達(dá)88%)。

Li等[24]合成了具有中空結(jié)構(gòu)的球型磁性Fe-Pd催化劑24； 24在水溶液中催化Sonogashira， Heck及Ullmann偶聯(lián)反應(yīng)。研究表明：24對(duì)碘代芳烴的偶聯(lián)反應(yīng)具有高催化活性，且在碘苯與苯乙炔的Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)中可循環(huán)使用5次，催化活性及選擇性無(wú)明顯下降。

R1=H， 4-Me, 4-OMe, 4-CHO； R2=OC(O)Me, Ph；

R3=H， 4-Cl， 4-F； R4=Ph, 4-FC6H4； X=I， Br

Scheme3

2 MNPs負(fù)載小分子催化劑

與鈀催化劑相比較，小分子催化劑具有價(jià)格低、毒副作用小等特點(diǎn)，因此合成MNPs負(fù)載小分子催化劑并研究拓寬其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和理論研究?jī)r(jià)值。

聚乙烯吡咯烷酮穩(wěn)定的?負(fù)載奎寧制得催化劑25(Chart 3)； 25在Morita-Baylis-Hillman(MBH)反應(yīng)中具有高的催化活性，循環(huán)使用7次，催化活性不變[25]。

Chart3

Chouban等[26]將?負(fù)載的脯氨酸(26)應(yīng)用于CuI催化的溴代芳香烴或溴代雜芳烴與不同氮雜環(huán)的Ullmann偶聯(lián)反應(yīng)合成相應(yīng)氮取代芳烴化合物。當(dāng)采用吡唑、吲哚、苯并咪唑作為氮雜環(huán)化合物時(shí)，具有高的催化活性。26循環(huán)使用4次，催化活性僅從98%降為93%。

Shi等[27]將鈀負(fù)載于的孔道內(nèi)制得催化劑27； 27在Suzuki及Heck偶聯(lián)反應(yīng)中具有高的催化活性，循環(huán)使用5次后，由Suzuki及Heck反應(yīng)所得產(chǎn)物的收率分別保持在99%及94%。

此外，MNPs本身也可直接作為催化劑。Bedford等[28]就以聚乙二醇穩(wěn)定鐵MNPs()為催化劑，催化(aryl)MgX與伯胺或含α,β-氫的2-鹵代烷的偶聯(lián)反應(yīng)，具有高催化活性。Firouzabadi等[29]曾使用<30 nm的?為催化劑，在乙二醇溶液中催化碘代芳香烴與苯乙炔等底物間的Sonogashira-Hagihara偶聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)使用5 mol%的?催化碘代苯與苯乙炔反應(yīng)時(shí)，125 ℃反應(yīng)35 h，產(chǎn)物的分離產(chǎn)率達(dá)到92%。 ?循環(huán)使用5次，產(chǎn)率仍保持在90%左右。

3 展望

MNPs負(fù)載鈀及小分子催化劑綜合了均相催化和傳統(tǒng)多均相催化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)賦予催化劑獨(dú)特的磁分離特性，簡(jiǎn)化了操作流程，降低了操作成本。然而，目前MNPs負(fù)載鈀催化劑還存在鈀流失量大、循環(huán)使用次數(shù)較少等許多問(wèn)題。因此，還需要深入研究如何利用MNPs的可修飾性，通過(guò)對(duì)載體的修飾單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步提高負(fù)載催化劑的催化性能及循環(huán)使用效果。MNPs負(fù)載鈀催化劑的制備工藝及催化機(jī)理方面也需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究。另外，MNPs負(fù)載催化劑在不對(duì)稱催化領(lǐng)域的研究也是具有良好應(yīng)用前景、值得深入探索的領(lǐng)域。

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