謝 韋，陳渺渺

（1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000；2.廈門大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，福建廈門 361000）

0 引言

鈀催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)在藥物化學(xué)、材料科學(xué)及聚合物合成等領(lǐng)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(xiàn)了高催化活性［2］，但是同時具有高成本、制備復(fù)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(zhì)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(yōu)異的電導(dǎo)性［3］，可以促進反應(yīng)的進行，展現(xiàn)高效的催化活性［4］.袁定重等［5］以化學(xué)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(xiàn)高效催化Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng).

納米顆粒具有高表面積和高反應(yīng)活性的優(yōu)勢，結(jié)合微米級載體，可以更好地發(fā)揮作用［6-8］.細胞生物質(zhì)作為微米級載體負載鈀納米顆粒，可以提供一種環(huán)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(lián)反應(yīng).

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(yīng)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(fā)現(xiàn)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(xué)試劑有限公司.所有試劑均為化學(xué)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(xué)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(xué)的Nealson教授提供.

1.2 催化劑的制備

（1）向含300 mL 厭氧培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng).經(jīng)過離心收集并冷凍干燥后，研磨成粉末，保存?zhèn)溆?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(yīng)過程

典型催化反應(yīng)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(yīng)2 h.反應(yīng)完成后，離心收集.通過高效液相色譜（HPLC）定量分析，反應(yīng)后催化劑經(jīng)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(yīng)0.5 h 后，對反應(yīng)溶液進行趁熱過濾，去除催化劑后繼續(xù)在70 ℃條件下反應(yīng).

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(jié)果與討論

2.1 催化劑表征結(jié)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(tài)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(jù)以下數(shù)據(jù)進行擬合：C=C（284.8 eV），HO-C=O（286.7 eV），C-O（288.6 eV），結(jié)果發(fā)現(xiàn)在催化劑Pd-2制備過程中，經(jīng)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(xiàn)兩個雙峰（圖2c、d 和e），分別對應(yīng)不同價態(tài)的Pd 元素結(jié)合能的特征鋒.結(jié)合能在335.6 和340.9 eV 的信號鋒對應(yīng)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(yīng)Pd（II）的Pd 3d5/2和Pd 3d3/2軌道［9］.Pd-1中Pd的化合態(tài)多為零價態(tài)，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(lián)反應(yīng)評價

2.2.1 催化劑優(yōu)化實驗 從表1 可以看出，催化劑Pd-3 在2 h內(nèi)聯(lián)苯的產(chǎn)率可達到87%（表1，序號 3）.而在相同反應(yīng)條件下，Pd-1 和Pd-2 作為催化劑時，聯(lián)苯的產(chǎn)率較小（表1，序號1和2）.結(jié)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(guān)，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(yōu)異的導(dǎo)電性［10］，能有效增強電荷在反應(yīng)物之間的轉(zhuǎn)移［11］，石墨烯作為鈀催化劑的固態(tài)配體，在交叉偶聯(lián)反應(yīng)中大大提高催化劑催化性能［4］.

表1 催化劑優(yōu)化Tab.1 Catalyst Optimization

2.2.2 反應(yīng)條件優(yōu)化實驗 以溴苯與苯硼酸為反應(yīng)模型，評價不同反應(yīng)條件下催化劑Pd-3 對Suzuki-Miyaura 偶聯(lián)反應(yīng)的催化性能.溫度對偶聯(lián)反應(yīng)性能的影響，結(jié)果如圖3所示.隨著溫度從30 ℃升高到80 ℃，2 h 內(nèi)聯(lián)苯的產(chǎn)率從21%提高到93%.在30 ℃條件下進行催化實驗，反應(yīng)過程較緩慢，需要更多的反應(yīng)時間才能獲得更高的轉(zhuǎn)換率.

圖3 溫度Suzuki反應(yīng)的影響Fig.3 Effect of temperature on Suzuki reaction

基于綠色環(huán)保理念，選用水作為反應(yīng)溶劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Pd-3 催化劑在水中的活性較低，產(chǎn)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(yīng)溶劑，可提高偶聯(lián)反應(yīng)的產(chǎn)率.結(jié)果顯示，隨著乙醇比率的提高，產(chǎn)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(lián)反應(yīng)的產(chǎn)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(yīng)物的官能團建立廣泛的氫鍵并在反應(yīng)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(yīng)溶劑，其聯(lián)苯產(chǎn)率均不優(yōu)于乙醇水溶液（表2，序號9和10）.在優(yōu)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(yīng)2 h后，產(chǎn)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(lián)反應(yīng)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(zhì)對氧氣的敏感性.而結(jié)果發(fā)現(xiàn)，催化劑Pd-3 在空氣中的反應(yīng)產(chǎn)率比在氮氣中的高（表2，序號5和12）.在空氣中，可能由于發(fā)生了連續(xù)的再氧化過程［13］，導(dǎo)致Pd（II）的氧化加成，提高了Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)速率［14］.

表2 Suzuki偶聯(lián)實驗條件優(yōu)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(zhì)與苯硼酸作底物進行拓展實驗，結(jié)果如表3所示.其中，給電子基團（—OCH3）取代的溴苯反應(yīng)產(chǎn)率均低于吸電子基團（—NO2和—COCH3）取代的溴苯反應(yīng)產(chǎn)率（表3，序號7-10）.碘苯反應(yīng)產(chǎn)率高于溴苯反應(yīng)以及氯苯反應(yīng)，且氯苯在當(dāng)前條件下是惰性的，產(chǎn)物的產(chǎn)率較低（表3，序號1-3）.然而，當(dāng)氯苯的苯環(huán)上存在吸電子基團（—NO2），可以顯著提高產(chǎn)物的產(chǎn)率（表3，序號4）.此外，Pd-3 亦能催化雜環(huán)溴化物與苯基硼酸之間的偶聯(lián)反應(yīng)（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(yīng)Tab.3 Pd-3 catalyzed Suzuki reaction of aryl halides with phenylboronic acid

2.2.4 循環(huán)溫度性實驗 在最優(yōu)條件下，考察了Pd-3催化碘苯與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)循環(huán)穩(wěn)定性，結(jié)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(huán).在前兩次循環(huán)中，反應(yīng)體系的產(chǎn)率較恒定；然而在第3～4次反應(yīng)中，催化反應(yīng)產(chǎn)率低至62%.

表4 Pd-3的循環(huán)利用Tab.4 Recycling Experiment of Pd-3

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

表5 毒性實驗Tab.5 Toxicity Experiment

過濾反應(yīng)結(jié)果如圖4 所示，經(jīng)過熱過濾處理后，反應(yīng)速率明顯下降，但是并不能完全抑制反應(yīng)進行.此外，ICP-MS 結(jié)果顯示，反應(yīng)完成后，反應(yīng)體系中Pd的浸出僅檢測到1×10-7mol/L.結(jié)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(qū)動的［15］.在反應(yīng)體系中，載體亦能夠捕獲浸出的鈀，減少聚集，實現(xiàn)反復(fù)浸出-沉積的內(nèi)循環(huán)模型［16］，即通過載體輔助的一種均相反應(yīng).

圖4 過濾實驗Fig.4 Filtering Experiment

3 結(jié)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(lián)反應(yīng).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(yōu)化，發(fā)現(xiàn)可以在空氣環(huán)境中和室溫條件下實現(xiàn)催化過程，亦能在雜環(huán)芳烴和苯硼酸在不需要配體的情況下完成交叉偶聯(lián).此外，在催化劑循環(huán)過程時，觀察到了活性損失.結(jié)合副產(chǎn)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(yīng).