鈀負載MOF基納米材料在Suzuki反應中的應用

楊維冉，榮念新，何見晟

(南昌大學a.資源與環境學院；b.未來技術學院，江西 南昌 330031)

Suzuki-Miyaura反應是一種在鈀催化下的有機硼化物與鹵代芳基化合物之間的偶聯反應。這種反應是形成碳-碳鍵的最有效途徑之一，廣泛應用于制備中間體化合物、藥物以及天然產物等[1-3]。與其他偶聯反應相比，Suzuki-Miyaura偶聯反應具有較多優點：反應底物具有低毒性，穩定性，且硼化合物在加熱條件以及水存在下有較好好的耐受性，此外，該反應的副產物較少，反應條件溫和[4]。Suzuki-Miyaura反應通常需要在Pd(OAc)2或者Pd(PPh3)4等均相鈀催化下進行這些均相體系的效率相對較高，但此類催化劑與反應體系的分離和再利用較為困難，由此會產生貴金屬浪費和劇毒殘留物等問題，引起了科研人員的極大關注[5]。因此，如何設計一種高效綠色的催化劑成為研究的熱點。

近年來，科研人員設計并提出了多種催化體系并應用在Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應中，，包括在不同的載體上固定或穩定鈀物種(離子或納米顆粒)，例如氧化鋁、碳材料、粘土、金屬氧化物、聚合物，樹脂，二氧化硅，沸石等[6-13]。近年來，金屬-有機骨架材料(MOFs)由于在氣體儲存、分離、化學傳感器、藥物傳遞和多相催化等方面的應用而引起了廣泛的研究[14]。2021年北京理工大學王博教授課題組報道利用Au納米顆粒負載到UiO-66成功實現了直接等離子體光催化固定[15]。與此同時，MOFs由金屬離子/團簇和剛性有機連接物組裝而成，由于其超高的比表面積和特殊的組成/結構多功能性，已成為越來越受歡迎的多相催化平臺。特別值得關注的是，近年來，MOFs已迅速被用作納米粒子的新型載體(NPs@MOFs)應用于催化多類反應。在2017年，德國羅斯托克大學萊布尼茨催化研究所(LIKAT Rostock)的Matthias Beller教授研究團隊在Science上面報道了在石墨基底進行Co(II)與有機配體的模板組裝形成金屬-有機框架(MOF)結構，隨后在氬氣氛圍下熱解制得相應的催化劑，成功催化了伯胺、仲胺、叔胺以及N-甲基胺的高效合成，并且循環效果較好[16]?；贛OF作為載體的多種優點，將Pd負載至MOF用于催化Suzuki反應的工作相繼被報道[17-20]。例如，在2010年，Shu等人制備了Pd/MOF-5作為一種高活性的多相催化劑。該催化劑可應用于鹵代苯與苯乙炔的Sonogashira偶聯。然而，在此催化劑體系中，催化劑的催化量為0.94 mol%，與報道的均相催化劑的催化量相差較小[21]。因此，在2014年，Islam課題組通過將Pd(0)納米粒子接枝到含Co的金屬-有機骨架MCoS-1的表面，合成了一種新的多相催化劑。該多相催化劑在碳-碳偶聯反應中表現出較好的催化活性，并且將催化劑的催化量降低到0.18 mol %[22]。與此同時，Jiang等人設計合成了Pd負載的多孔MI-101型催化劑，并將其應用于芳基氯化物的Suzuki-Miyaura和Ullmann偶聯反應中，取得了較好的效果，催化劑的催化量為0.5 mol%[23]。在2018年，Haung課題組報道了將Pd NPs封裝在一系列等網狀混合連接劑聯吡啶基MOFs中，作Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應的催化劑，并且通過對MOF連接劑的改性，揭示了連接劑取代的電子效應和空間效應對其催化性能的影響。在此工作中，催化劑的用量在1 mol%左右[24]。通過已報道的工作可以看出，將鈀負載到MOF中設計合成的催化劑，用于催化Suzuki-Miyaura偶聯反應取得了較大的進展，解決了催化劑的循環問題。值得注意的是，在上述反應體系中還存在著一定的挑戰，主要集中于所使用的鈀催化劑催化用量較多。

2020年中科大的汪蘇靖教授報道了一種具有介孔結構的鋯基MOF，MIP-206，并對其催化性能進行了探索。汪蘇靖教授課題組以MIP-206為載體，首先將Pd負載至載體中，再通過硼氫化鈉還原，合成了Pd@MIP-206這類催化劑，考察了其在甲酸脫氫的反應的催化性能，結果表明該催化劑表現出了良好的催化活性以及穩定性[25]?；诖?，首次利用鋯基MOF，MIP-206為載體，將Pd負載到MIP-206中，在氬氣氛圍下煅燒合成了Pd-MIP-206催化劑，首次將其應用于Suzuki偶聯反應中，Pd的用量可低至0.09 mol%。

1 實驗部分

1.1 MIP-206的合成

根據已報道的方法[25]，將間苯二甲酸(IPA)(1.1 g,6.6 mmol)，甲酸(5 mL)加入到25 mL聚四氟乙烯的內襯中，隨后放入到磁力攪拌器中室溫攪拌10 min，直至形成均勻的白色懸浮液。隨后在懸浮液中加入ZrCl4(2 g,8.6 mmol)，室溫攪拌15 min，使反應物均勻分散，此時懸浮液仍為白色。然后將聚四氟乙烯放入到高壓釜中，并密封。最后放入烘箱中，加熱到180 ℃，并保持48 h。加熱結束后，將其冷卻至室溫后過濾，用丙酮洗滌，風干，得到約1.9 g白色固體。

1.2 Pd-MIP-206的合成

取一定量的Pd(OAc)2(10 mg)，溶于10 mL丙酮中，常溫下劇烈攪拌10 min(或者超聲10 min)，得到澄清的黃色溶液，而后向溶液中加入MIP-206(400 mg)，繼續攪拌60 min。然后，通過離心去除溶劑和殘留的金屬前驅體。收集的固體用無水丙酮洗滌兩次，干燥。得到的固體放入管式爐中，在Ar氣氛下煅燒。升溫速度為10 ℃/min，升溫至600 ℃，保持2 h，反應完成后冷卻至室溫，得到黑色固體，記為：1% Pd-MIP-206-600(Ar)。其他不同負載、不同煅燒溫度與其操作相同，不再重復列出。

1.3 Pd-MIP-206催化Suzuki反應

先后將鹵代苯(0.5 mmol)，苯硼酸(0.75 mmol,1.5 equiv)，K2CO3(2.0 equiv)加入到25 mL Schlenk管中，隨后分別加入0.5 mL H2O，0.5 mL EtOH，隨后將反應管放入到加熱裝置中，100 ℃攪拌2～4 h。反應完成后，靜置冷卻。用乙酸乙酯萃取，并用MgSO4干燥，減壓去除溶劑。用柱層析法對殘渣進行了純化。洗脫劑為石油醚/乙酸乙酯。

2 結果與討論

2.1 Pd-MIP-206催化Suzuki反應

首先比較了不同Pd負載量在600 ℃氬氣氣氛煅燒下的催化劑對反應進行的影響，結果如表1所示。最初，向反應體系中加入了12 mg 5%負載的催化劑在100 ℃反應2 h后，能夠得到99%產率的目標化合物(表1,Entry 1)。為減少Pd的用量，在Entry 1反應的基礎上，減少了催化劑的用量，結果發現，轉化率與產率并未有明顯的變化(表1,Entries 2～3)。為追求更高的經濟性，嘗試了低負載量的Pd催化劑，發現負載量降低并未對反應有明顯的影響，甚至在1%負載量的催化劑下，依然能夠得到產率為94%的目標化合物3a(表1,Entries 4～5)。在entry 5 的基礎上再次降低催化劑的用量，產率降低到70%(表1,Entry 6)。根據上述簡單的條件探索以及反應結果證明了在低負載量下，催化劑依然有著較好的催化性能。

表1 不同負載量的催化劑催化條件探索Tab.1 Optimization of the reaction conditions with different catalyst loading capacity

對于這類過渡金屬負載型的催化劑，煅燒溫度會對催化劑的催化性能產生較大的影響，如果溫度過高可能會造成金屬的聚集，影響催化劑的反應活性。與此同時，煅燒溫度的降低有可能會影響金屬與載體的穩定性，導致金屬的浸出。因此，對不同煅燒溫度進行了對比，結果如圖1。

T/℃

當使用不煅燒的Pd@MIP-206去催化反應時，僅有34%的目標產物生成，與此同時，在反應后，溶液由無色變為淺黃色，猜測可能在堿性條件下，催化劑中的Pd浸出，在堿的作用下，導致了催化劑結構的破壞，轉化率和產率大幅度降低。當使用400 ℃以及500 ℃煅燒后的催化劑與600 ℃相比產率有所下降。觀察煅燒后的顏色發現，400 ℃以及500 ℃煅燒后的催化劑顏色較淺，推測在此溫度下的催化劑煅燒不充分，配體的MOF結構沒有完全坍塌，影響了催化活性。隨著煅燒溫度的增加，轉化率與產率經過了先上升后下降的過程，從實驗結果說明過高的煅燒溫度造成了金屬顆粒的一定聚集，增加了金屬的粒徑，降低了金屬的催化性能，導致了產率的降低[26]。為此確定了600 ℃為最佳的煅燒溫度。

反應時間與反應溫度通常會影響反應的進行，在此前結論的基礎上，對反應時間和溫度進行了篩選，結果如表2所示。當減少反應進行的時間后，會影響反應的進行，在Entry 2的條件下，3a的產率降為76%。與降低反應時間的結果類似，當溫度降為80 ℃時，產物的產率也隨之降低(表2,Entry 3)。相反的是，提高反應溫度，反應未有明顯的變化，表明在此溫度下，催化劑與產物均穩定(表2,Entry 4)，基于此，設想通過升高溫度的同時降低反應時間，結果產率略有下降(表2,Entry 5)。通過以上數據確定了最佳反應時間與反應溫度為100 ℃,2 h。

表2 不同反應時間和溫度對反應的影響Tab.2 Influence of different reaction time and temperature on reaction

在最初的Pd-MIP-206催化碘苯與苯硼酸的反應過程中，使用的堿為K2CO3，溶劑為H2O和EtOH，于是接下來對堿的種類以及溶劑進行了篩選，如表3所示。

表3 不同堿對反應的影響Tab.3 The influence of different bases on the reaction

在表3中可以看出，當體系中不加入堿時，反映效果較差，幾乎沒有產物生成(表3,Entry 1)。與此同時選擇了相類似的鉀鹽K3PO4，與Entry 2相比，轉化率與產率均有降低，有可能是弱堿性的堿的催化效果較差(表3,Entry 3)。同時，與K2CO3相比，其他的碳酸鹽如碳酸鈉和碳酸銫，催化的效果均差于K2CO3(表3,Entries 4～5)。當使用較強的堿如氫氧化鈉和叔丁醇鉀時，影響了反應的進行，產物的產率明顯地降低(表3,Entries 6～7)。除上述堿外，嘗試使用了Et3N，然而效果較差(表3,Entry 8)。確定了堿后，對溶劑進行了篩選，先后選擇了DMF與Toluene，產率較差，尤其是在Toluene的情況下，僅有7%的產物生成(表3,Entries 9～10)。與H2O-EtOH混合溶劑相比，當反應溶劑只選擇H2O或者EtOH時，產率有所降低(表3,Entries 11～12)，原因可能在于，堿易溶于水相，而產物易溶于有機相，因此選擇了H2O-EtOH為最終溶劑。確定了最佳反應條件后，擴展了相應的底物，對催化劑的催化性能進一步進行了考察，結果如Fig.2。

Reaction conditions:1a(0.5 mmol),2a(1.5 equiv),K2CO3(2.0 equiv),catalyst(4 mg,0.09 mol%),100 ℃,2 h,H2O 0.5 mL,EtOH 0.5 mL.

在碘苯不變的情況下，探索了對位引入不同取代基對反應的影響。當硼酸的對位引入供電子基，如甲基時，對反應未有明顯的影響(3b)，能夠得到產率較高的目標化合物。接下來，當對位引入氯后，依然能夠得到高收率的化合物3c。相對于鹵素基團，選擇了吸電子能力更強的?；约扒杌?，考察其對反應的影響，能夠得到較高產率的目標化合物(3d,3e)，尤其對位氰基取代，仍能夠得到64%產率的化合物3e。此外，還考察了其他雜環硼酸化合物作為底物的反應結果，結果表明，當選擇噻吩和吡啶時，同樣可以得到中等以上收率的目標化合物(3f,3g)。為進一步探索不同的碘苯對反應的影響，選擇了甲基與甲?；〈牡獗?，結果與取代硼酸一致，均能得到較高收率的相應產物(3h,3i)，從產率上可以看出，使用此催化劑，供電子基團的效果要好于吸電子基團?？疾炝肃彴被獗阶鳛榈孜锵?，該催化劑的催化活性，發現能夠得到87%產率的目標化合物。

相比于碘苯，溴代苯的活性較差，為此，考察了溴苯與苯硼酸在標準條件下的反應情況，通過延長反應時間至4 h，可以得到91%產率的目標化合物，同時簡單考察了不同的底物對反應的影響。通過Fig.3的結果可以看出，當反應時間延長到4 h后，均能得到產率較為滿意的對應化合物。與此同時，在溴苯做底物的情況下，供電子基團的產率優于吸電子基團，這也上述碘苯做底物的結果一致。

Reaction conditions:1b(0.5 mmol),2a(1.5 equiv),K2CO3(2.0 equiv),catalyst(4 mg,0.09 mol%),100 ℃,2 h,H2O 0.5 mL,EtOH 0.5 mL.

為了驗證催化劑的循環特性，在標準條件下進行了循環試驗(Fig.4)。由于催化劑加入的量僅有4 mg，不利于取出，為了減少誤差，采用以下方式進行測試。首先，在第一次反應完成后，不取出產物，向反應管內再次加入反應物，做五組平行試驗，加入的次數分別為2，3，4，以及5次，最后計算產率，發現經過4次后，產率未有明顯的下降，如圖4。然后，取5次反應后的全部溶液，離心過濾，將濾液加入到新的反應管中，不添加催化劑進行反應，反應結束后進行檢測計算發現僅有5%左右產物生成，在計算誤差范圍之內。并且對反應完成后的溶液進行了ICP檢測，未發現Pd離子浸出。通過以上實驗，證明了此催化劑的結構較穩定，循環效果較好。

Recycle times

2.2 催化劑Pd-MIP-206的相關表征

根據實驗結果，對催化劑進行了相關表征。通過EDS譜圖得到了不同組成原子(C,O,Zr,Pd)的分布圖(Fig.5)，從EDS上可以看到Pd順利負載到了載體上。

keV圖5 Pd-MIP-206的EDS譜Fig.5 The EDS of Pd-MIP-206

為了探究Pd在載體上的負載情況，對催化劑進行了TEM測試。通過煅燒后的TEM，可以清楚地看到MIP-206這種MOF的框架結構已經坍塌，通過煅燒使Pd與配體更加牢固，能夠避免Pd離子的浸出(Fig.6,a,b)。在20 nm以及2 nm下，可以看到Pd的納米粒子，這種金屬納米粒子保證了其催化性能(Fig.6,c,d)。

圖6 Pd-MIP-206的TEM圖Fig.6 The TEM of Pd-MIP-206

接下來對各個原子的分散做了探究如圖7，通過Mapping可以看出，在Pd-MIP-206的結構中，C，O，Zr，Pd均能夠較好地分散在催化劑中，并未有明顯的聚集。從Fig.7中可以說明，低負載的Pd均勻分散在煅燒后的結構中，這類較好的分散性使其擁有較高的催化活性。

圖7 Pd-MIP-206的TEM圖Fig.7 The TEM of Pd-MIP-206

此外，通過電感耦合等離子體ICP對催化劑中Pd的含量進行了測定，得到了Pd的準確負載量為1.2wt%。接下來，通過比較煅燒前與煅燒后的MIP-206以及Pd負載MIP-206煅燒后所得催化劑的PXRD圖，進一步說明了在600 ℃氬氣情況下，如圖8，MIP-206的典型的MOF結構已經不存在，并且在PXRD上也并未看到Pd的峰，原因可能是Pd的納米粒子較小，或者是分散度較好，在PXRD上面未能明顯地觀察到。通過PXRD說明了此合成方法得到催化劑的結構較穩定，并且鈀具有較好的分散性。

2θ/deg圖8 Pd-MIP-206的XRD圖Fig.8 The XRD of Pd-MIP-206

2.3 相關化合物的表征

本工作所合成化合物主要利用核磁測試化合物的氫譜和碳譜。將分離提純得到的產品取10～20 mg樣品溶于不同的氘代試劑(0.5 mL)，測試儀器為Bruker公司的Avance-400 MHz型核磁共振譜儀，測試結果通過 MestReNova軟件分析結果。

化合物所需用的氘代試劑和氘代試劑位移為1H NMR：CDCl3(δ7.26 ppm)，DMSO-d6(δ2.50 ppm)；13C NMR CDCl3(δ77.16 ppm)，DMSO-d6(δ39.52 ppm)。具體下縮寫詞用于描述峰值模式:s=單峰，d=雙重峰，t=三重峰，q=四重峰，m=多重峰，dd=雙雙峰，td=三雙峰。掃描次數具體為：氫譜為32次，碳譜為1 024次。

2.4 部分化合物的核磁數據

1,1'-Biphenyl:White Solid;m.p.40 ℃;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ7.65(d,J=7.2 Hz,4H),7.42(t,J=7.2 Hz,4H),7.42-7.37(m,2H);13C NMR(400 MHz,CDCl3):141.4,128.9,127.4,127.3.Flash chromatographic condition:petroleum ether.

4-Chloro-1,1'-biphenyl:White Solid;m.p.39 ℃;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ7.56(dd,J1=8.4,J2=1.6 Hz,2H),7.52(dd,J1=6.8,J2=2.0 Hz,2H),7.47-7.43(m,2H),7.41(dd,J1=6.8,J2=2.4 Hz,2H);7.37(tt,J1=7.6,J2=1.2 Hz,2H);13C NMR(400 MHz,CDCl3):140.2,139.8,133.5,129.1,129.0,128.5,127.7,127.1.Flash chromatographic condition:petroleum ether.

1-([1,1'-Biphenyl]-4-yl)ethan-1-one:White Solid;m.p.155 ℃;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ8.04(d,J=8.0,2H),7.69(d,J=8.0 Hz,2H),7.63(d,J=7.8 Hz,2H),7.48(t,J=7.6 Hz,2H),7.41(d,J=7.2 Hz,1H),2.64(s,3H);13C NMR(400 MHz,CDCl3):145.8,139.3,132.7,129.2,128.8,127.8,127.4,119.1,111.1.Flash chromatographic condition:ethyl acetate/petroleum ether=1/20(v/v).

[1,1'-Biphenyl]-4-carbonitrile:White Solid;m.p.90 ℃;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ7.73(dd,J1=6.4,J2= 2.0 Hz,2H),7.69(dd,J1=6.4,J2=2.4 Hz,2H),7.59(dd,J1=8.4,J2=1.6 Hz,2H);7.49(td,J1=6.8,J2=2.0 Hz,2H),7.45-7.42(m,1H);13C NMR(400 MHz,CDCl3):145.8,139.3,132.7,129.2,128.8,127.8,127.4,119.1,111.1.Flash chromatographic condition:ethyl acetate/petroleum ether=1/20(v/v).

2-Phenylthiophene:White Solid;m.p.40 ℃;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ7.64(dd,J1=8.4,J2=1.2 Hz,2H),7.40(t,J=8.0,2H),7.34-7.28(m,3H),7.10(dd,J1=5.2,J2=3.6 Hz,1H);13C NMR(400 MHz,CDCl3):144.6,134.6,129.0,128.1,127.6,126.1,124.9,123.2.Flash chromatographic condition:ethyl acetate/petroleum ether=1/15(v/v).

2-Phenylpyridine:Yellow liquid;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ8.70(dt,J1=4.8,J2=1.6 Hz,1H),8.00(dd,J1=8.4,J2=1.6 Hz,2H),7.75-7.73(m,3H),7.48(t,J=7.2 Hz,2H),7.42(t,J=7.2 Hz,1H),7.24-7.21(m,1H).Flash chromatographic condition:ethyl acetate/petroleum ether=1/15(v/v).

[1,1'-Biphenyl]-2-amine:White Solid;m.p.51 ℃;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ7.47-7.45(m,4H),7.38-7.33(m,1H),7.20-7.13(m,2H),6.84(td,J1=7.6,J2= 1.2 Hz,1H),6.78(d,J=8.0 Hz,1H),3.69(s,2H);13C NMR(400 MHz,CDCl3):143.6,139.6,130.6,129.2,128.9,128.6,127.8,127.3,118.8,115.7.Flash chromatographic condition:ethyl acetate/petroleum ether=1/15(v/v).

3 結論

本工作主要圍繞了設計合成Pd-MIP-206催化劑，并對其結構進行相關的表征，通過TEM、PXRD、Mapping等表征，表明了催化劑具有較好的穩定性以及分散性。并將其應用到了Suzuki反應中，能夠得到較高產率的目標化合物，并且對底物范圍進行了探究，表明了催化劑對此反應具有一定的底物普適性。最后，通過循環試驗驗證了催化劑在水和乙醇的條件下具有較好的穩定性，能夠進行五次循環，產率未有明顯的降低。通過ICP對催化劑中Pd的含量的測定，確定了Pd的用量為0.09 mol%。