磁性納米粒子負載催化劑的應用研究進展

馮翠蘭， 徐海云， 徐茂田， 趙文獻

(商丘師范學院 化學系，河南 商丘 476000)

C-C鍵形成是精細化工和藥物合成化學中的重要反應之一，主要有Suzuki， Heck， Sonogashira及Ullmann等偶聯反應。鈀鹽或小分子均相催化劑在這些C-C偶聯反應中具有反應活性高、反應簡單的特點。然而，均相催化劑不易分離回收，尤其是鈀的流失，不僅使生產成本高，對環境不利，且生成的鈀黑污染反應產物。為解決均相催化反應面臨的問題，開發負載型鈀催化劑成為該領域的研究熱點。

磁性納米粒子(MNPs)作為均相催化劑的理想載體，近年來在催化劑負載方面的應用倍受關注。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，即在外加磁場中有較強磁性，無外加磁場時磁性很快消失，從而通過控制外加磁場使負載催化劑方便的分散于反應體系中或聚集分離出來，具有操作簡便和分離效率高的優點；(2)MNPs具有大的比表面積，可高密度負載催化劑，且催化活性位點能夠均勻分布于反應介質中，從而提高負載催化劑的活性和選擇性。

有關MNPs的合成及其應用研究已有文獻綜述[1～3]。本文重點對近年來MNPs負載鈀及小分子催化劑在Suzuki， Heck和Sonogashira等偶聯反應中的應用研究作簡要評述。

1 MNPs負載鈀催化劑

鈀鹽及鈀配合物催化的Heck， Suzuki， Sonogashira等偶聯反應是形成C-C鍵的常用反應，所得偶聯產物是合成生物活性化合物及天然產物的重要中間體。然而，均相鈀催化劑的難分離回收問題限制了其工業應用進程。MNPs負載鈀催化劑在保持其高催化活性的同時，還方便有效地解決了其分離回收問題。下面從MNPs負載的鈀配合物及鈀納米顆粒催化劑兩個方面，對近年來MNPs負載鈀催化劑在C-C鍵形成反應中的應用作簡要介紹。

1.1 MNPs負載鈀配合物催化劑

貴金屬鈀可與多種組分配位，通過改變配體和反應物的組合，有可能使許多不易發生的反應得以順利進行。因此，對鈀配合物的負載化研究已成為近年來的研究熱點之一。

Chart1

Gao等[4]合成了Fe2O3MNPs()負載氮雜環卡賓(NHC)配位鈀催化劑(1， Chart 1);并將1應用于Heck, Suzuki和Sonogashira交叉偶聯反應中(Scheme 1)。研究表明1具有高的催化活性，當用量為7.3 mol%，反應1 h時，4-碘代苯乙酮(Suzuki偶聯反應)的轉化率達到35%；在相同條件下，以聚苯乙烯負載鈀(Pd/PS)為催化劑(2)，反應3 h后仍未檢測到反應產物。1連續循環使用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交叉偶聯反應中具有較高的催化活性(80%)，經磁分離回收后的3可循環使用5次，催化活性無明顯降低。

沈彬等[6]對介孔二氧化硅包裹Fe3O4MNPs(?)表面修飾巰基后，通過-SCH2-化學鍵嫁接長鏈肟鈀環絡合物，得到直徑約為150 nm的催化劑4。將其應用于碘代苯與丙烯酸乙酯的Heck反應中，反應2.5 h，碘代苯的轉化率可達99%； 4連續循環使用6次后，碘代苯的轉化率仍為95%。

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

Scheme1

Scheme2

表 1 6在溴苯與苯硼酸Suzuki-Miyaura偶聯反應中的循環使用效果*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)負載于SiO2包覆的上

?=Fe3O4MNPs

Chart2

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

Lu等[9]通過疊氮與端炔基間的點擊化學反應將吡啶與鈀的配合物負載到?上制得催化劑7(Chart 2)。 7在Suzuki偶聯反應中具有高的催化活性，底物轉化率達到82%～99%，并可有效回收、循環使用。

Plucinski等[10]在?(直徑為7 nm～17 nm)上分別負載醋酸鈀[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偶聯反應評價其催化活性。在Heck反應中，8和9均具有高的催化活性，反應底物的轉化率均大于99%，但其循環使用效果卻有顯著差異。8循環使用4次，反應底物的轉化率仍保持為99%，而9在第3次循環使用時，反應底物的轉化率即由最初的100%下降至12%。在Suzuki反應中，8(轉化率85%)的催化活性明顯高于9(轉化率45%)。

Jin等[11]合成了?負載的鈀配合物催化劑(10， Chart 2)，并在相轉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偶聯反應，取得了良好的催化效果。10用量為0.5 mol%時，偶聯反應的最高分離產率均在95%左右；在4-甲氧基氯苯與苯硼酸及苯乙炔的偶聯反應中，10均可循環使用10次，催化活性保持不變。

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

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

1．2 MNPs負載鈀納米顆粒催化劑

采用適當的配體對MNPs進行表面修飾后，在其表層負載鈀納米顆粒，有助于提高鈀納米催化劑的穩定性。

Wang等[14]用3-丙氨基三甲氧基硅烷穩定的?負載納米PdⅡ制得催化劑14。 HR-TEM表征證實，在第一個循環中負載的PdⅡ被還原為Pd0，并在反應過程中成長為較大的簇。以碘苯與丙烯酸的Heck偶聯反應為模型，考察14循環使用效果，結果表明，循環使用5次后，產物的收率即由第一次使用時的81%下降至53%。研究者認為：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，循環利用時負載鈀催化劑不能有效分散于反應介質中，從而使其催化活性明顯減低。

He等[15]也對SiO2包覆的?進行氨基修飾，然后在其表層負載粒徑約為3 nm Pd0納米顆粒制得催化劑15； 15對碘苯與丙烯酸的Heck反應具有高的催化活性，當使用AcONa作堿時，轉化數達到3 749 h-1。研究表明，反應中所用堿的種類對鈀的流失量具有明顯的影響，當使用NEt3時鈀的流失量最大，達到1.51×10-8，當使用Na2CO3作堿時，鈀的流失量最小，但也有2.10×10-8。鈀的大量流失致使15循環使用效果非常差，第二次循環使用時，產率約下降十幾個點。本課題組在此領域也作了一些工作，通過水熱法合成了?，對其分別進行氨基和羥基修飾后負載納米Pd制得催化劑16和17。研究表明，16的催化活性要高于17，但兩者的循環使用效果都不好，僅循環使用2次，催化活性就明顯降低[16]。

Xia等[17]直接在?表層負載Pd0制得催化劑18； 18在碘苯與苯乙炔的Sonogashria偶聯反應中連續循環使用7次，催化活性及選擇性無明顯變化。

Zhu等[18]則在膦功能化?上負載粒徑小于1 nm的Pd0制得催化劑19； 19在溴苯及苯硼酸的Suzuki反應及溴苯與苯乙烯的Heck反應中具有高的催化活性，產物的收率分別達到83%和56%，且可多次循環使用。研究者還發現，在Suzuki反應中19比1的催化活性高，而在Heck反應中的催化活性也高于不同無機氧化物(MgO， TiO2與ZrO2)負載的Pd0催化劑。

由廉價多巴胺(DA)穩定的NiFe2O4MNPs()負載納米Pd催化劑(20)在鹵代芳香烴乃至氯代芳香烴的Suzuki及Heck偶聯反應中具有高的催化活性，且易分離回收再利用。當采用DMF作溶劑，K3PO4(Suzuki反應)或K2CO3(Heck反應)作堿時，20循環使用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構的鐵氧化物MNPs(?)，并用DA對針尖處修飾后負載Pd制得催化劑21； 21在Suzuki， Heck及Sonogashira偶聯反應中均具有高的催化活性(Scheme 3)，循環使用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()；負載粒徑約為12 nm的鈀制得催化劑23； 23對碘代苯與丙烯酸的Heck反應具有高的催化活性，在乙酸鈉或三乙胺存在下反應4 h，碘代苯轉化率可達95%以上。重復使用10次，仍保持高的催化活性(碘代苯轉化率達88%)。

Li等[24]合成了具有中空結構的球型磁性Fe-Pd催化劑24； 24在水溶液中催化Sonogashira， Heck及Ullmann偶聯反應。研究表明：24對碘代芳烴的偶聯反應具有高催化活性，且在碘苯與苯乙炔的Sonogashira偶聯反應中可循環使用5次，催化活性及選擇性無明顯下降。

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負載小分子催化劑

與鈀催化劑相比較，小分子催化劑具有價格低、毒副作用小等特點，因此合成MNPs負載小分子催化劑并研究拓寬其在催化領域的應用具有實際的應用價值和理論研究價值。

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

Chart3

Chouban等[26]將?負載的脯氨酸(26)應用于CuI催化的溴代芳香烴或溴代雜芳烴與不同氮雜環的Ullmann偶聯反應合成相應氮取代芳烴化合物。當采用吡唑、吲哚、苯并咪唑作為氮雜環化合物時，具有高的催化活性。26循環使用4次，催化活性僅從98%降為93%。

Shi等[27]將鈀負載于的孔道內制得催化劑27； 27在Suzuki及Heck偶聯反應中具有高的催化活性，循環使用5次后，由Suzuki及Heck反應所得產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-鹵代烷的偶聯反應，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偶聯反應。當使用5 mol%的?催化碘代苯與苯乙炔反應時，125 ℃反應35 h，產物的分離產率達到92%。 ?循環使用5次，產率仍保持在90%左右。

3 展望

MNPs負載鈀及小分子催化劑綜合了均相催化和傳統多均相催化的優點，同時賦予催化劑獨特的磁分離特性，簡化了操作流程，降低了操作成本。然而，目前MNPs負載鈀催化劑還存在鈀流失量大、循環使用次數較少等許多問題。因此，還需要深入研究如何利用MNPs的可修飾性，通過對載體的修飾單元進行結構優化，進一步提高負載催化劑的催化性能及循環使用效果。MNPs負載鈀催化劑的制備工藝及催化機理方面也需要進一步開展相關研究。另外，MNPs負載催化劑在不對稱催化領域的研究也是具有良好應用前景、值得深入探索的領域。

[1] Shylesh S, Schünemann V, Thiel W R. Magnetically separable nanocatalysts:Bridges between homogeneous and heterogeneous catalysis[J].Angew Chem Int Ed,2010,49:3428-3459.

[2] Zhu Y, Stubbs L P, Ho F,etal. Magnetic nanocomposites:A new perspective in catalysis[J].Chem Cat Chem,2010,2:365-374.

[3] Lim C W, Lee I S. Magnetically recyclable nanocatalyst systems for the organic reactions[J].Nano Today,2010,5:412-434.

[4] Stevens P D, Li G, Fan J,etal. Recycling of homogeneous Pd catalysts using superparamagnetic nanoparticles as novel soluble supports for Suzuki,Heck,and Sonogashira cross-coupling reactions[J].Chem Commun,2005：4435-4437.

[5] Stevens P D, Fan J, Gardimalla H M R,etal. Superparamagnetic nanoparticle-supported catalysis of Suzuki cross-coupling reactions[J].Org Lett,2005,7:2085-2088.

[6] 沈彬,王永安,王志飛, 等. 超順磁性介孔納米顆粒嫁接肟Pd環絡合物對Heck反應的催化活性[J].物理化學學報,2010,26(7):1860-1866.

[7] Phan N T S, Le H V. Superparamagnetic nanoparticles-supported phosphine-free palladium catalyst for the Sonogashira coupling reaction[J].J Mol Catal A:Chem,2011,(334):130-138.

[8] Shylesh S, Wang L, Thiel W R. Palladium(Ⅱ)-phosphine complexes supported on magnetic nanoparticles:Filtration-free,recyclable catalysts for Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions[J].Adv Synth Catal,2010,(352):425-432.

[9] Lu G, Mai W, Jin R,etal. Immobilization of dipyridyl complex to magnetic nanoparticle via click chemistry as a recyclable catalyst for Suzuki cross-coupling reactions[J].Synlett,2008：1418-1422.

[10] Laska U, Frost C G, Price G F,etal. Easy-separable magnetic noparticle-supported Pd catalysts:Kinetics,stability and catalyst reuse[J].J Catal,2009,(268):318-328.

[11] Jin M J, Lee D H. A practical heterogeneous catalyst for the Suzuki,Sonogashira,and Stille coupling reactions of unreactive aryl chlorides[J].Angew Chem Int Ed,2010,49:1119-1122.

[12] Yuan D, Zhang Q, Dou J. Supported nanosized palladium on superparamagnetic composite microspheres as an efficient catalyst for Heck reaction[J].Catal Commun,2010,11:606-610.

[13] Costa N J S, Kiyohara P K, Monteiro A L,etal. A single-step procedure for the preparation of palladium nanoparticles and a phosphine-functionalized support as catalyst for Suzuki cross-coupling reactions[J].J Catal,2010,(276):382-389.

[14] Wang Z, Shen B, Aihua Z, He N. Synthesis of Pd/Fe3O4nanoparticle-based catalyst for the cross-coupling of acrylic acid with iodobenzene[J].Chem Eng J 2005,(113):27-34.

[15] Wang Z F, Xiao P F, Shen B,etal. Synthesis of palladium-coated magnetic nanoparticle and its application in Heck reaction[J]．Coll & Surf A:Physicochem Eng Aspects,2006,(276):116-121.

[16] 馮翠蘭,徐海云,徐茂田,等. 羥基修飾的磁性納米 Fe3O4負載鈀催化劑的合成[J].廣東化工,2011,38(8):286-287.

[17] Liu J, Peng X, Sun W,etal. Magnetically separable Pd catalyst for carbonylative Sonogashira coupling reactions for the synthesis ofα,β-alkynyl ketones[J].Org Lett,2008,10(18):3933-3936.

[18] Zhu Y H, Peng S C, Emi A,etal. Supported ultra small palladium on magnetic nanoparticles used as catalysts for Suzuki cross-coupling and Heck reactions[J].Adv Synth Catal,2007,(349):1917-1922.

[19] Baruwati B, Guin D, Manorama S V. Pd on surface-modified NiFe2O4nanoparticles:A magnetically recoverable catalyst for Suzuki and Heck reactions[J].Org Lett,2007,9:5377-5380.

[20] Polshettiwar V, Baruwati B, Varma R S. Self-assembly of metal oxides into three-dimensional nanostructures:Synthesis and application in catalysis[J].ACS Nano,2009,3:728-736.

[21] Polshettiwar V, Nadagouda M N, Varma R S. The synthesis and applications of a micro-pine-structured nanocatalyst[J].Chem Commun,2008：6318-6320.

[22] 劉詩詠,吳家守,蔣華江,等. 正電性磁性氧化鐵膠粒負載鈀催化的Suzuki偶聯反應[J].有機化學,2009,29(10):1587-1592.

[23] 沈彬,李游,王志飛,等. 磁性納米顆粒負載鈀催化劑對Heck反應的催化活性[J].催化學報,2007,28(6):509-513.

[24] Li H, Zhu Z, Li H,etal. Recyclable hollow Pd-Fe nanospheric catalyst for Sonogashira-, Heck-, and Ullmann-type coupling reactions of aryl halide in aqueous media[J].J Colloid Interface Science,2010,(349):613-619.

[25] Luo S, Zheng X, Xu H,etal. Magnetic nanoparticle-supported Morita-Baylis-Hillman catalysts[J].Adv Synth Catal,2007,(349):2431-2434.

[26] Chouhan G, Wang D, Alper H M. Magnetic nanoparticle-supported proline as a recyclable and recoverable ligand for the CuI catalyzed arylation of nitrogen nucleophiles[J].Chem Commun,2007：4809-4811.

[27] Gao Z, Feng Y J, Cui F M,etal. Pd-loaded superparamagnetic mesoporous NiFe2O4as a highly active and magnetically separable catalyst for Suzuki and Heck reactions[J].J Mol Catal A:Chem,2011,(336):51-57.

[28] Bedford R B, Betham M, Bruce D W,etal. Iron nanoparticles in the coupling of alkyl halides with aryl Grignard reagents[J].Chem Commun,2006：1398-1400.

[29] Firouzabadi H, Iranpoor N, Gholinejad M,etal. Magnetite(Fe3O4) nanoparticles-catalyzed Sonogashira-Hagihara reactions in ethylene glycol under ligand-free conditions[J].Adv Synth Catal,2011,353(1):125-132.