磁性纳米粒子负载催化剂的应用研究进展

冯翠兰， 徐海云， 徐茂田， 赵文献

(商丘师范学院 化学系，河南 商丘 476000)

C-C键形成是精细化工和药物合成化学中的重要反应之一，主要有Suzuki， Heck， Sonogashira及Ullmann等偶联反应。钯盐或小分子均相催化剂在这些C-C偶联反应中具有反应活性高、反应简单的特点。然而，均相催化剂不易分离回收，尤其是钯的流失，不仅使生产成本高，对环境不利，且生成的钯黑污染反应产物。为解决均相催化反应面临的问题，开发负载型钯催化剂成为该领域的研究热点。

磁性纳米粒子(MNPs)作为均相催化剂的理想载体，近年来在催化剂负载方面的应用倍受关注。这主要是由于：(1)粒径足够小的MNPs(磁性Fe3O4晶体直径小于30 nm)具有超顺磁性，即在外加磁场中有较强磁性，无外加磁场时磁性很快消失，从而通过控制外加磁场使负载催化剂方便的分散于反应体系中或聚集分离出来，具有操作简便和分离效率高的优点；(2)MNPs具有大的比表面积，可高密度负载催化剂，且催化活性位点能够均匀分布于反应介质中，从而提高负载催化剂的活性和选择性。

有关MNPs的合成及其应用研究已有文献综述[1～3]。本文重点对近年来MNPs负载钯及小分子催化剂在Suzuki， Heck和Sonogashira等偶联反应中的应用研究作简要评述。

1 MNPs负载钯催化剂

钯盐及钯配合物催化的Heck， Suzuki， Sonogashira等偶联反应是形成C-C键的常用反应，所得偶联产物是合成生物活性化合物及天然产物的重要中间体。然而，均相钯催化剂的难分离回收问题限制了其工业应用进程。MNPs负载钯催化剂在保持其高催化活性的同时，还方便有效地解决了其分离回收问题。下面从MNPs负载的钯配合物及钯纳米颗粒催化剂两个方面，对近年来MNPs负载钯催化剂在C-C键形成反应中的应用作简要介绍。

1.1 MNPs负载钯配合物催化剂

贵金属钯可与多种组分配位，通过改变配体和反应物的组合，有可能使许多不易发生的反应得以顺利进行。因此，对钯配合物的负载化研究已成为近年来的研究热点之一。

Chart1

Gao等[4]合成了Fe2O3MNPs()负载氮杂环卡宾(NHC)配位钯催化剂(1， Chart 1);并将1应用于Heck, Suzuki和Sonogashira交叉偶联反应中(Scheme 1)。研究表明1具有高的催化活性，当用量为7.3 mol%，反应1 h时，4-碘代苯乙酮(Suzuki偶联反应)的转化率达到35%；在相同条件下，以聚苯乙烯负载钯(Pd/PS)为催化剂(2)，反应3 h后仍未检测到反应产物。1连续循环使用5次，其催化活性基本保持不变。

Gao等[5]还相继合成了可溶性聚合物包覆超顺磁性γ-Fe2O3MNPs()负载NHC-Pd制得催化剂3； 3在卤代芳烃与苯硼酸的Suzuki交叉偶联反应中具有较高的催化活性(80%)，经磁分离回收后的3可循环使用5次，催化活性无明显降低。

沈彬等[6]对介孔二氧化硅包裹Fe3O4MNPs(Ⓒ)表面修饰巯基后，通过-SCH2-化学键嫁接长链肟钯环络合物，得到直径约为150 nm的催化剂4。将其应用于碘代苯与丙烯酸乙酯的Heck反应中，反应2.5 h，碘代苯的转化率可达99%； 4连续循环使用6次后，碘代苯的转化率仍为95%。

Phan等[7]合成了CoFe2O4MNPs()负载的氮配位钯催化剂(5， Scheme 2)，钯负载量为0.24 mmol·g-1。 5在Sonogashira反应中循环使用5次，催化活性无明显变化。

Scheme1

Scheme2

表 1 6在溴苯与苯硼酸Suzuki-Miyaura偶联反应中的循环使用效果*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)负载于SiO2包覆的上

Ⓒ=Fe3O4MNPs

Chart2

Thiel等[8]通过所合成的三苯基膦配位钯催化剂前体(Ⅰ， Chart 2)负载到SiO2包覆的上，得到负载钯催化剂6。在1,4-二氧六环及Cs2CO3体系中，6催化苯硼酸与溴苯的Suzuki-Miyaura偶联反应，产物收率大于99%。 6连续循环使用7次，催化活性无明显下降(表1)。

Lu等[9]通过叠氮与端炔基间的点击化学反应将吡啶与钯的配合物负载到Ⓒ上制得催化剂7(Chart 2)。 7在Suzuki偶联反应中具有高的催化活性，底物转化率达到82%～99%，并可有效回收、循环使用。

Plucinski等[10]在Ⓒ(直径为7 nm～17 nm)上分别负载醋酸钯[Pd(OAc)2]及三苯基膦配位钯[Pd(TPP)2(OAc)2]制得催化剂8和9，并以Heck和Suzuki偶联反应评价其催化活性。在Heck反应中，8和9均具有高的催化活性，反应底物的转化率均大于99%，但其循环使用效果却有显著差异。8循环使用4次，反应底物的转化率仍保持为99%，而9在第3次循环使用时，反应底物的转化率即由最初的100%下降至12%。在Suzuki反应中，8(转化率85%)的催化活性明显高于9(转化率45%)。

Jin等[11]合成了Ⓒ负载的钯配合物催化剂(10， Chart 2)，并在相转移试剂四丁基溴化铵(TBAB)存在下催化多种低活性氯代芳香烃的Suzuki, Sonogashira及Stille偶联反应，取得了良好的催化效果。10用量为0.5 mol%时，偶联反应的最高分离产率均在95%左右；在4-甲氧基氯苯与苯硼酸及苯乙炔的偶联反应中，10均可循环使用10次，催化活性保持不变。

Zhang等[12]合成了Ⓒ负载的氮配位Pd0催化剂(11)； 11在不同碘代芳香烃与丙烯酸的Heck偶联反应中具有较高的催化活性，碘代芳烃的转化率大于97%。在碘苯与丙烯酸的偶联反应中，11可循环使用6次，催化活性无明显降低。

Rossi等[13]采用一步法分别合成了氨基修饰Ⓒ负载钯催化剂(12)及Ⓒ负载三苯基膦配位钯催化剂(13)，并以Suzuki偶联反应考察其催化活性。研究结果表明，相同反应条件下，13催化活性明显高于12，但两者的循环使用效果都较差，循环使用2次，催化活性即明显下降。

1．2 MNPs负载钯纳米颗粒催化剂

采用适当的配体对MNPs进行表面修饰后，在其表层负载钯纳米颗粒，有助于提高钯纳米催化剂的稳定性。

Wang等[14]用3-丙氨基三甲氧基硅烷稳定的Ⓒ负载纳米PdⅡ制得催化剂14。 HR-TEM表征证实，在第一个循环中负载的PdⅡ被还原为Pd0，并在反应过程中成长为较大的簇。以碘苯与丙烯酸的Heck偶联反应为模型，考察14循环使用效果，结果表明，循环使用5次后，产物的收率即由第一次使用时的81%下降至53%。研究者认为：14催化活性的降低主要是由于Pd纳米颗粒的聚集，使催化剂的比表面积下降，循环利用时负载钯催化剂不能有效分散于反应介质中，从而使其催化活性明显减低。

He等[15]也对SiO2包覆的Ⓒ进行氨基修饰，然后在其表层负载粒径约为3 nm Pd0纳米颗粒制得催化剂15； 15对碘苯与丙烯酸的Heck反应具有高的催化活性，当使用AcONa作碱时，转化数达到3 749 h-1。研究表明，反应中所用碱的种类对钯的流失量具有明显的影响，当使用NEt3时钯的流失量最大，达到1.51×10-8，当使用Na2CO3作碱时，钯的流失量最小，但也有2.10×10-8。钯的大量流失致使15循环使用效果非常差，第二次循环使用时，产率约下降十几个点。本课题组在此领域也作了一些工作，通过水热法合成了Ⓒ，对其分别进行氨基和羟基修饰后负载纳米Pd制得催化剂16和17。研究表明，16的催化活性要高于17，但两者的循环使用效果都不好，仅循环使用2次，催化活性就明显降低[16]。

Xia等[17]直接在Ⓒ表层负载Pd0制得催化剂18； 18在碘苯与苯乙炔的Sonogashria偶联反应中连续循环使用7次，催化活性及选择性无明显变化。

Zhu等[18]则在膦功能化Ⓒ上负载粒径小于1 nm的Pd0制得催化剂19； 19在溴苯及苯硼酸的Suzuki反应及溴苯与苯乙烯的Heck反应中具有高的催化活性，产物的收率分别达到83%和56%，且可多次循环使用。研究者还发现，在Suzuki反应中19比1的催化活性高，而在Heck反应中的催化活性也高于不同无机氧化物(MgO， TiO2与ZrO2)负载的Pd0催化剂。

由廉价多巴胺(DA)稳定的NiFe2O4MNPs()负载纳米Pd催化剂(20)在卤代芳香烃乃至氯代芳香烃的Suzuki及Heck偶联反应中具有高的催化活性，且易分离回收再利用。当采用DMF作溶剂，K3PO4(Suzuki反应)或K2CO3(Heck反应)作碱时，20循环使用3次，催化活性基本保持不变[19]。

Varma课题组[20,21]采用微波辐射法合成了具有三维针状结构的铁氧化物MNPs(Ⓕ)，并用DA对针尖处修饰后负载Pd制得催化剂21； 21在Suzuki， Heck及Sonogashira偶联反应中均具有高的催化活性(Scheme 3)，循环使用5次，催化活性保持不变。

沈彬等[23]合成了碳包埋的铁包金(Au@Fe)MNPs()；负载粒径约为12 nm的钯制得催化剂23； 23对碘代苯与丙烯酸的Heck反应具有高的催化活性，在乙酸钠或三乙胺存在下反应4 h，碘代苯转化率可达95%以上。重复使用10次，仍保持高的催化活性(碘代苯转化率达88%)。

Li等[24]合成了具有中空结构的球型磁性Fe-Pd催化剂24； 24在水溶液中催化Sonogashira， Heck及Ullmann偶联反应。研究表明：24对碘代芳烃的偶联反应具有高催化活性，且在碘苯与苯乙炔的Sonogashira偶联反应中可循环使用5次，催化活性及选择性无明显下降。

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负载小分子催化剂

与钯催化剂相比较，小分子催化剂具有价格低、毒副作用小等特点，因此合成MNPs负载小分子催化剂并研究拓宽其在催化领域的应用具有实际的应用价值和理论研究价值。

聚乙烯吡咯烷酮稳定的Ⓒ负载奎宁制得催化剂25(Chart 3)； 25在Morita-Baylis-Hillman(MBH)反应中具有高的催化活性，循环使用7次，催化活性不变[25]。

Chart3

Chouban等[26]将Ⓒ负载的脯氨酸(26)应用于CuI催化的溴代芳香烃或溴代杂芳烃与不同氮杂环的Ullmann偶联反应合成相应氮取代芳烃化合物。当采用吡唑、吲哚、苯并咪唑作为氮杂环化合物时，具有高的催化活性。26循环使用4次，催化活性仅从98%降为93%。

Shi等[27]将钯负载于的孔道内制得催化剂27； 27在Suzuki及Heck偶联反应中具有高的催化活性，循环使用5次后，由Suzuki及Heck反应所得产物的收率分别保持在99%及94%。

此外，MNPs本身也可直接作为催化剂。Bedford等[28]就以聚乙二醇稳定铁MNPs()为催化剂，催化(aryl)MgX与伯胺或含α,β-氢的2-卤代烷的偶联反应，具有高催化活性。Firouzabadi等[29]曾使用<30 nm的Ⓒ为催化剂，在乙二醇溶液中催化碘代芳香烃与苯乙炔等底物间的Sonogashira-Hagihara偶联反应。当使用5 mol%的Ⓒ催化碘代苯与苯乙炔反应时，125 ℃反应35 h，产物的分离产率达到92%。 Ⓒ循环使用5次，产率仍保持在90%左右。

3 展望

MNPs负载钯及小分子催化剂综合了均相催化和传统多均相催化的优点，同时赋予催化剂独特的磁分离特性，简化了操作流程，降低了操作成本。然而，目前MNPs负载钯催化剂还存在钯流失量大、循环使用次数较少等许多问题。因此，还需要深入研究如何利用MNPs的可修饰性，通过对载体的修饰单元进行结构优化，进一步提高负载催化剂的催化性能及循环使用效果。MNPs负载钯催化剂的制备工艺及催化机理方面也需要进一步开展相关研究。另外，MNPs负载催化剂在不对称催化领域的研究也是具有良好应用前景、值得深入探索的领域。

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