Pd/石墨烯的生物合成及催化Suzuki偶聯反應的研究

謝 韋，陳渺渺

（1.蕪湖職業技術學院材料工程學院，安徽蕪湖 241000；2.廈門大學公共衛生學院，福建廈門 361000）

0 引言

鈀催化的Suzuki偶聯反應在藥物化學、材料科學及聚合物合成等領域十分重要［1］.已報道的膦或其他配體存在下的鈀配合物展現了高催化活性［2］，但是同時具有高成本、制備復雜和毒性的缺點.石墨烯類材料具有很高的比表面積，氧化石墨烯和還原氧化石墨烯表面含有多種功能性官能團，使催化活性物質能吸附在石墨烯的表層，形成新型催化劑.此外石墨烯材料具有優異的電導性［3］，可以促進反應的進行，展現高效的催化活性［4］.袁定重等［5］以化學法制備的氧化石墨烯為載體，利用席夫堿作為配體，制備了負載型鈀催化劑，可實現高效催化Suzuki 偶聯反應.

納米顆粒具有高表面積和高反應活性的優勢，結合微米級載體，可以更好地發揮作用［6-8］.細胞生物質作為微米級載體負載鈀納米顆粒，可以提供一種環境友好的途徑.S?bjerg等［8］利用微生物從含鈀的廢料中回收具有催化活性的生物鈀，能催化對碘苯甲醚與丙烯酸正丁酯的偶聯反應.

本研究采用一種簡單而綠色的方法來制備鈀/石墨烯催化劑，研究其在溴苯和苯硼酸反應中的催化性能，同時考察了其催化不同底物的普適性.研究發現該催化劑具有較高活性和可回收性.

1 實驗部分

1.1 材料

1.1.1 試劑 四氯鈀酸鈉，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乳酸鈉，生工生物工程（上海）股份有限公司；碘苯、氯苯、溴苯、苯硼酸、對硝基氯苯、對溴苯甲醚、1-溴-4-硝基苯、對溴苯胺、4-溴苯乙酮，中國國藥控股化學試劑有限公司.所有試劑均為化學純且直接使用，實驗用水為超純水.石墨烯分散液（10 mg/mL）、氧化石墨烯分散液（10 mg/mL），中國國藥控股化學試劑有限公司.

1.1.2 菌種S.oneidensisMR-1（ATCC 700550），由南加利福利亞大學的Nealson教授提供.

1.2 催化劑的制備

（1）向含300 mL 厭氧培養基的500 mL 血清瓶中，依次加入乳酸鈉（3 mol/L，250 μL）、S.oneidensisMR-1（在厭氧培養基懸浮液中OD600=1.0）、氯鈀酸鈉溶液（150 mmol/L，200 μL），再置于30 ℃，150 r/m的搖床上過夜培養.經過離心收集并冷凍干燥后，研磨成粉末，保存備用.標記為Pd-1.

（2）步驟同上（1），向血清瓶中多加入氧化石墨烯（GO）分散液至0.1 mg/mL.標記為Pd-2.

（3）步驟同上（1），向血清瓶中多加入石墨烯（G）分散液至0.1 mg/mL.標記為Pd-3.

（4）取少量催化劑進行ICP-MASS光譜法測量催化劑中的鈀含量（wt.%）.

1.3 Suzuki反應過程

典型催化反應步驟：在血清瓶中，依次加入溴苯（0.2 mmol），苯硼酸（0.25 mmol），碳酸鉀（0.3 mmol），50%乙醇溶液（5 mL）和催化劑（Pd 0.02 mol%），然后放置70 ℃搖床反應2 h.反應完成后，離心收集.通過高效液相色譜（HPLC）定量分析，反應后催化劑經二氯甲烷、甲醇和水多次洗滌過濾，烘干回收.

毒性實驗：同上，血清瓶分別額外加入KCl、KI、KB（r0.2 mmol）；

熱過濾實驗：同上，反應0.5 h 后，對反應溶液進行趁熱過濾，去除催化劑后繼續在70 ℃條件下反應.

1.4 分析方法

材料的形貌和元素分析分別采用高分辨透射電子顯微鏡（TEM，JEM-2100）和X 射線光電子能譜（XPS，ESCALAB250Xi）進行測定.

2 結果與討論

2.1 催化劑表征結果

2.1.1 催化劑TEM 分析 催化劑Pd-n 的形貌分析及粒徑分布圖如圖1 所示.從TEM 圖（圖1所示）中均可以觀察到分散態的Pd 納米粒子，其粒徑分布圖分別如圖1 插圖所示，催化劑中Pd-1 和Pd-3 中Pd 的平均粒徑分別為7 nm 和6.5 nm，而Pd-2 中的Pd 的平均粒徑為15 nm，說明石墨烯的存在能獲得更小粒徑的鈀納米顆粒.

圖1 Pd-n的形貌分析及粒徑分布曲線，（a）Pd-1，（b）Pd-2，（c）Pd-3sFig.1 Morphological analysis and particle size distribution curve of Pd-n，（a）Pd-1，（b）Pd-2，（c）Pd-3

2.1.2 催化劑XPS分析 催化劑Pd-n的XPS能譜圖如圖2所示.由圖2（a）中可以看出，催化劑Pd-n中不僅有Pd的存在，而且還顯示了C、O和N元素等殘余的細胞有機成分.如圖2（b）所示，根據以下數據進行擬合：C=C（284.8 eV），HO-C=O（286.7 eV），C-O（288.6 eV），結果發現在催化劑Pd-2制備過程中，經過微生物還原后，GO 的含氧官能團顯著減少，表明脫氧有效，證實了GO的還原.值得注意的是，Pd-3中的石墨烯具有更少的氧官能團.催化劑Pd-n的Pd 3d元素分析圖呈現兩個雙峰（圖2c、d 和e），分別對應不同價態的Pd 元素結合能的特征鋒.結合能在335.6 和340.9 eV 的信號鋒對應Pd（0）的Pd 3d5/2 和Pd 3d3/2 軌道，而338.2 和343.4 eV 的信號鋒對應Pd（II）的Pd 3d5/2和Pd 3d3/2軌道［9］.Pd-1中Pd的化合態多為零價態，而在Pd-2和Pd-3中以Pd（II）為主.

圖2 催化劑Pd-n的XPS譜圖，（a）全譜圖，（b）C 1s譜圖，（c）Pd-1的Pd 3d譜圖，（d）Pd-2的Pd 3d譜圖，（e）Pd-3的Pd 3d譜圖Fig.2 XPS spectrum of catalyst Pd-n（a）full spectrum，（b）C 1s spectrum，（c）Pd 3d spectrum of Pd-1，（d）Pd 3d spectrum of Pd-2，（e）Pd 3d spectrum of Pd-3

2.2 Suzuki偶聯反應評價

2.2.1 催化劑優化實驗 從表1 可以看出，催化劑Pd-3 在2 h內聯苯的產率可達到87%（表1，序號 3）.而在相同反應條件下，Pd-1 和Pd-2 作為催化劑時，聯苯的產率較小（表1，序號1和2）.結果顯示，催化劑的催化活性可能與鈀納米顆粒的尺寸大小有關，較小的尺寸可能獲得更強的催化活性.另一方面，石墨烯具有優異的導電性［10］，能有效增強電荷在反應物之間的轉移［11］，石墨烯作為鈀催化劑的固態配體，在交叉偶聯反應中大大提高催化劑催化性能［4］.

表1 催化劑優化Tab.1 Catalyst Optimization

2.2.2 反應條件優化實驗 以溴苯與苯硼酸為反應模型，評價不同反應條件下催化劑Pd-3 對Suzuki-Miyaura 偶聯反應的催化性能.溫度對偶聯反應性能的影響，結果如圖3所示.隨著溫度從30 ℃升高到80 ℃，2 h 內聯苯的產率從21%提高到93%.在30 ℃條件下進行催化實驗，反應過程較緩慢，需要更多的反應時間才能獲得更高的轉換率.

圖3 溫度Suzuki反應的影響Fig.3 Effect of temperature on Suzuki reaction

基于綠色環保理念，選用水作為反應溶劑，結果發現Pd-3 催化劑在水中的活性較低，產率僅為13%（表2，序號6）.乙醇（EtOH）是一種綠色可再生溶劑，作為反應溶劑，可提高偶聯反應的產率.結果顯示，隨著乙醇比率的提高，產率從13%提高至87%（表2，序號5和6）.但是，隨著乙醇比例進一步提高，偶聯反應的產率下降至75%（表2，序號7和8）.這可能歸功于水分子，其能與反應物的官能團建立廣泛的氫鍵并在反應過程中將其活化［12］.此外，N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和甲醇（MeOH）作為反應溶劑，其聯苯產率均不優于乙醇水溶液（表2，序號9和10）.在優選的溶劑條件下（50%乙醇水溶液），對于NaHCO3，Na2CO3，NaOH，K2HPO4和K2CO3等無機堿，反應2 h后，產率分別為24%，80%，76%，23%，87%（表2，序號1-5）.K2CO3為最佳堿性助劑.Suzuki-Miyaura 偶聯反應中，大多催化劑都是在惰性氣氛下完成，這歸因于催化活性物質對氧氣的敏感性.而結果發現，催化劑Pd-3 在空氣中的反應產率比在氮氣中的高（表2，序號5和12）.在空氣中，可能由于發生了連續的再氧化過程［13］，導致Pd（II）的氧化加成，提高了Suzuki偶聯反應速率［14］.

表2 Suzuki偶聯實驗條件優化Tab.2 Optimization of Suzuki Coupling Experimental Conditions

2.2.3 底物普適性研究 選取多種苯基物質與苯硼酸作底物進行拓展實驗，結果如表3所示.其中，給電子基團（—OCH3）取代的溴苯反應產率均低于吸電子基團（—NO2和—COCH3）取代的溴苯反應產率（表3，序號7-10）.碘苯反應產率高于溴苯反應以及氯苯反應，且氯苯在當前條件下是惰性的，產物的產率較低（表3，序號1-3）.然而，當氯苯的苯環上存在吸電子基團（—NO2），可以顯著提高產物的產率（表3，序號4）.此外，Pd-3 亦能催化雜環溴化物與苯基硼酸之間的偶聯反應（表3，序號5-6）.

表3 Pd-3催化的芳基鹵化物與苯硼酸的Suzuki反應Tab.3 Pd-3 catalyzed Suzuki reaction of aryl halides with phenylboronic acid

2.2.4 循環溫度性實驗 在最優條件下，考察了Pd-3催化碘苯與苯硼酸的Suzuki偶聯反應循環穩定性，結果在表4中顯示.將使用過的催化劑用二氯甲烷、甲醇和水依次洗滌，以除去吸收的有機底物，再進行下一個循環.在前兩次循環中，反應體系的產率較恒定；然而在第3～4次反應中，催化反應產率低至62%.

表4 Pd-3的循環利用Tab.4 Recycling Experiment of Pd-3

2.2.5 反應機理探究 催化劑回收過程可能會影響催化劑循環穩定性.副產物KI、KBr和KCl等鹽對碘苯與苯基硼酸偶聯反應體系的影響結果如表5所示.結果證實了副產物可能被吸收在催化劑的表面上，從而抑制反應進行（表5，序號1、4）.

表5 毒性實驗Tab.5 Toxicity Experiment

過濾反應結果如圖4 所示，經過熱過濾處理后，反應速率明顯下降，但是并不能完全抑制反應進行.此外，ICP-MS 結果顯示，反應完成后，反應體系中Pd的浸出僅檢測到1×10-7mol/L.結果符合納米催化劑的溶解-再沉積機理，即催化活性是由浸出的鈀物種驅動的［15］.在反應體系中，載體亦能夠捕獲浸出的鈀，減少聚集，實現反復浸出-沉積的內循環模型［16］，即通過載體輔助的一種均相反應.

圖4 過濾實驗Fig.4 Filtering Experiment

3 結論

通過微生物法制備了Pd/石墨烯的生物基催化劑，該催化劑在綠色溶劑中，能高效催化苯基硼酸和具有各種取代基的芳基鹵化物之間的Suzuki偶聯反應.在不同溫度、堿、溶劑等條件下，以Pd/石墨烯催化劑進行實驗條件優化，發現可以在空氣環境中和室溫條件下實現催化過程，亦能在雜環芳烴和苯硼酸在不需要配體的情況下完成交叉偶聯.此外，在催化劑循環過程時，觀察到了活性損失.結合副產物毒性實驗和熱過濾實驗，催化機理遵循溶解-再沉積機制，是一種載體輔助的均相反應.