钯负载MOF基纳米材料在Suzuki反应中的应用

杨维冉，荣念新，何见晟

(南昌大学a.资源与环境学院；b.未来技术学院，江西 南昌 330031)

Suzuki-Miyaura反应是一种在钯催化下的有机硼化物与卤代芳基化合物之间的偶联反应。这种反应是形成碳-碳键的最有效途径之一，广泛应用于制备中间体化合物、药物以及天然产物等[1-3]。与其他偶联反应相比，Suzuki-Miyaura偶联反应具有较多优点：反应底物具有低毒性，稳定性，且硼化合物在加热条件以及水存在下有较好好的耐受性，此外，该反应的副产物较少，反应条件温和[4]。Suzuki-Miyaura反应通常需要在Pd(OAc)2或者Pd(PPh3)4等均相钯催化下进行这些均相体系的效率相对较高，但此类催化剂与反应体系的分离和再利用较为困难，由此会产生贵金属浪费和剧毒残留物等问题，引起了科研人员的极大关注[5]。因此，如何设计一种高效绿色的催化剂成为研究的热点。

近年来，科研人员设计并提出了多种催化体系并应用在Suzuki-Miyaura交叉偶联反应中，，包括在不同的载体上固定或稳定钯物种(离子或纳米颗粒)，例如氧化铝、碳材料、粘土、金属氧化物、聚合物，树脂，二氧化硅，沸石等[6-13]。近年来，金属-有机骨架材料(MOFs)由于在气体储存、分离、化学传感器、药物传递和多相催化等方面的应用而引起了广泛的研究[14]。2021年北京理工大学王博教授课题组报道利用Au纳米颗粒负载到UiO-66成功实现了直接等离子体光催化固定[15]。与此同时，MOFs由金属离子/团簇和刚性有机连接物组装而成，由于其超高的比表面积和特殊的组成/结构多功能性，已成为越来越受欢迎的多相催化平台。特别值得关注的是，近年来，MOFs已迅速被用作纳米粒子的新型载体(NPs@MOFs)应用于催化多类反应。在2017年，德国罗斯托克大学莱布尼茨催化研究所(LIKAT Rostock)的Matthias Beller教授研究团队在Science上面报道了在石墨基底进行Co(II)与有机配体的模板组装形成金属-有机框架(MOF)结构，随后在氩气氛围下热解制得相应的催化剂，成功催化了伯胺、仲胺、叔胺以及N-甲基胺的高效合成，并且循环效果较好[16]。基于MOF作为载体的多种优点，将Pd负载至MOF用于催化Suzuki反应的工作相继被报道[17-20]。例如，在2010年，Shu等人制备了Pd/MOF-5作为一种高活性的多相催化剂。该催化剂可应用于卤代苯与苯乙炔的Sonogashira偶联。然而，在此催化剂体系中，催化剂的催化量为0.94 mol%，与报道的均相催化剂的催化量相差较小[21]。因此，在2014年，Islam课题组通过将Pd(0)纳米粒子接枝到含Co的金属-有机骨架MCoS-1的表面，合成了一种新的多相催化剂。该多相催化剂在碳-碳偶联反应中表现出较好的催化活性，并且将催化剂的催化量降低到0.18 mol %[22]。与此同时，Jiang等人设计合成了Pd负载的多孔MI-101型催化剂，并将其应用于芳基氯化物的Suzuki-Miyaura和Ullmann偶联反应中，取得了较好的效果，催化剂的催化量为0.5 mol%[23]。在2018年，Haung课题组报道了将Pd NPs封装在一系列等网状混合连接剂联吡啶基MOFs中，作Suzuki-Miyaura交叉偶联反应的催化剂，并且通过对MOF连接剂的改性，揭示了连接剂取代的电子效应和空间效应对其催化性能的影响。在此工作中，催化剂的用量在1 mol%左右[24]。通过已报道的工作可以看出，将钯负载到MOF中设计合成的催化剂，用于催化Suzuki-Miyaura偶联反应取得了较大的进展，解决了催化剂的循环问题。值得注意的是，在上述反应体系中还存在着一定的挑战，主要集中于所使用的钯催化剂催化用量较多。

2020年中科大的汪苏靖教授报道了一种具有介孔结构的锆基MOF，MIP-206，并对其催化性能进行了探索。汪苏靖教授课题组以MIP-206为载体，首先将Pd负载至载体中，再通过硼氢化钠还原，合成了Pd@MIP-206这类催化剂，考察了其在甲酸脱氢的反应的催化性能，结果表明该催化剂表现出了良好的催化活性以及稳定性[25]。基于此，首次利用锆基MOF，MIP-206为载体，将Pd负载到MIP-206中，在氩气氛围下煅烧合成了Pd-MIP-206催化剂，首次将其应用于Suzuki偶联反应中，Pd的用量可低至0.09 mol%。

1 实验部分

1.1 MIP-206的合成

根据已报道的方法[25]，将间苯二甲酸(IPA)(1.1 g,6.6 mmol)，甲酸(5 mL)加入到25 mL聚四氟乙烯的内衬中，随后放入到磁力搅拌器中室温搅拌10 min，直至形成均匀的白色悬浮液。随后在悬浮液中加入ZrCl4(2 g,8.6 mmol)，室温搅拌15 min，使反应物均匀分散，此时悬浮液仍为白色。然后将聚四氟乙烯放入到高压釜中，并密封。最后放入烘箱中，加热到180 ℃，并保持48 h。加热结束后，将其冷却至室温后过滤，用丙酮洗涤，风干，得到约1.9 g白色固体。

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，常温下剧烈搅拌10 min(或者超声10 min)，得到澄清的黄色溶液，而后向溶液中加入MIP-206(400 mg)，继续搅拌60 min。然后，通过离心去除溶剂和残留的金属前驱体。收集的固体用无水丙酮洗涤两次，干燥。得到的固体放入管式炉中，在Ar气氛下煅烧。升温速度为10 ℃/min，升温至600 ℃，保持2 h，反应完成后冷却至室温，得到黑色固体，记为：1% Pd-MIP-206-600(Ar)。其他不同负载、不同煅烧温度与其操作相同，不再重复列出。

1.3 Pd-MIP-206催化Suzuki反应

先后将卤代苯(0.5 mmol)，苯硼酸(0.75 mmol,1.5 equiv)，K2CO3(2.0 equiv)加入到25 mL Schlenk管中，随后分别加入0.5 mL H2O，0.5 mL EtOH，随后将反应管放入到加热装置中，100 ℃搅拌2～4 h。反应完成后，静置冷却。用乙酸乙酯萃取，并用MgSO4干燥，减压去除溶剂。用柱层析法对残渣进行了纯化。洗脱剂为石油醚/乙酸乙酯。

2 结果与讨论

2.1 Pd-MIP-206催化Suzuki反应

首先比较了不同Pd负载量在600 ℃氩气气氛煅烧下的催化剂对反应进行的影响，结果如表1所示。最初，向反应体系中加入了12 mg 5%负载的催化剂在100 ℃反应2 h后，能够得到99%产率的目标化合物(表1,Entry 1)。为减少Pd的用量，在Entry 1反应的基础上，减少了催化剂的用量，结果发现，转化率与产率并未有明显的变化(表1,Entries 2～3)。为追求更高的经济性，尝试了低负载量的Pd催化剂，发现负载量降低并未对反应有明显的影响，甚至在1%负载量的催化剂下，依然能够得到产率为94%的目标化合物3a(表1,Entries 4～5)。在entry 5 的基础上再次降低催化剂的用量，产率降低到70%(表1,Entry 6)。根据上述简单的条件探索以及反应结果证明了在低负载量下，催化剂依然有着较好的催化性能。

表1 不同负载量的催化剂催化条件探索Tab.1 Optimization of the reaction conditions with different catalyst loading capacity

对于这类过渡金属负载型的催化剂，煅烧温度会对催化剂的催化性能产生较大的影响，如果温度过高可能会造成金属的聚集，影响催化剂的反应活性。与此同时，煅烧温度的降低有可能会影响金属与载体的稳定性，导致金属的浸出。因此，对不同煅烧温度进行了对比，结果如图1。

T/℃

当使用不煅烧的Pd@MIP-206去催化反应时，仅有34%的目标产物生成，与此同时，在反应后，溶液由无色变为浅黄色，猜测可能在碱性条件下，催化剂中的Pd浸出，在碱的作用下，导致了催化剂结构的破坏，转化率和产率大幅度降低。当使用400 ℃以及500 ℃煅烧后的催化剂与600 ℃相比产率有所下降。观察煅烧后的颜色发现，400 ℃以及500 ℃煅烧后的催化剂颜色较浅，推测在此温度下的催化剂煅烧不充分，配体的MOF结构没有完全坍塌，影响了催化活性。随着煅烧温度的增加，转化率与产率经过了先上升后下降的过程，从实验结果说明过高的煅烧温度造成了金属颗粒的一定聚集，增加了金属的粒径，降低了金属的催化性能，导致了产率的降低[26]。为此确定了600 ℃为最佳的煅烧温度。

反应时间与反应温度通常会影响反应的进行，在此前结论的基础上，对反应时间和温度进行了筛选，结果如表2所示。当减少反应进行的时间后，会影响反应的进行，在Entry 2的条件下，3a的产率降为76%。与降低反应时间的结果类似，当温度降为80 ℃时，产物的产率也随之降低(表2,Entry 3)。相反的是，提高反应温度，反应未有明显的变化，表明在此温度下，催化剂与产物均稳定(表2,Entry 4)，基于此，设想通过升高温度的同时降低反应时间，结果产率略有下降(表2,Entry 5)。通过以上数据确定了最佳反应时间与反应温度为100 ℃,2 h。

表2 不同反应时间和温度对反应的影响Tab.2 Influence of different reaction time and temperature on reaction

在最初的Pd-MIP-206催化碘苯与苯硼酸的反应过程中，使用的碱为K2CO3，溶剂为H2O和EtOH，于是接下来对碱的种类以及溶剂进行了筛选，如表3所示。

表3 不同碱对反应的影响Tab.3 The influence of different bases on the reaction

在表3中可以看出，当体系中不加入碱时，反映效果较差，几乎没有产物生成(表3,Entry 1)。与此同时选择了相类似的钾盐K3PO4，与Entry 2相比，转化率与产率均有降低，有可能是弱碱性的碱的催化效果较差(表3,Entry 3)。同时，与K2CO3相比，其他的碳酸盐如碳酸钠和碳酸铯，催化的效果均差于K2CO3(表3,Entries 4～5)。当使用较强的碱如氢氧化钠和叔丁醇钾时，影响了反应的进行，产物的产率明显地降低(表3,Entries 6～7)。除上述碱外，尝试使用了Et3N，然而效果较差(表3,Entry 8)。确定了碱后，对溶剂进行了筛选，先后选择了DMF与Toluene，产率较差，尤其是在Toluene的情况下，仅有7%的产物生成(表3,Entries 9～10)。与H2O-EtOH混合溶剂相比，当反应溶剂只选择H2O或者EtOH时，产率有所降低(表3,Entries 11～12)，原因可能在于，碱易溶于水相，而产物易溶于有机相，因此选择了H2O-EtOH为最终溶剂。确定了最佳反应条件后，扩展了相应的底物，对催化剂的催化性能进一步进行了考察，结果如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.

在碘苯不变的情况下，探索了对位引入不同取代基对反应的影响。当硼酸的对位引入供电子基，如甲基时，对反应未有明显的影响(3b)，能够得到产率较高的目标化合物。接下来，当对位引入氯后，依然能够得到高收率的化合物3c。相对于卤素基团，选择了吸电子能力更强的酰基以及氰基，考察其对反应的影响，能够得到较高产率的目标化合物(3d,3e)，尤其对位氰基取代，仍能够得到64%产率的化合物3e。此外，还考察了其他杂环硼酸化合物作为底物的反应结果，结果表明，当选择噻吩和吡啶时，同样可以得到中等以上收率的目标化合物(3f,3g)。为进一步探索不同的碘苯对反应的影响，选择了甲基与甲酰基取代的碘苯，结果与取代硼酸一致，均能得到较高收率的相应产物(3h,3i)，从产率上可以看出，使用此催化剂，供电子基团的效果要好于吸电子基团。考察了邻氨基碘苯作为底物下，该催化剂的催化活性，发现能够得到87%产率的目标化合物。

相比于碘苯，溴代苯的活性较差，为此，考察了溴苯与苯硼酸在标准条件下的反应情况，通过延长反应时间至4 h，可以得到91%产率的目标化合物，同时简单考察了不同的底物对反应的影响。通过Fig.3的结果可以看出，当反应时间延长到4 h后，均能得到产率较为满意的对应化合物。与此同时，在溴苯做底物的情况下，供电子基团的产率优于吸电子基团，这也上述碘苯做底物的结果一致。

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.

为了验证催化剂的循环特性，在标准条件下进行了循环试验(Fig.4)。由于催化剂加入的量仅有4 mg，不利于取出，为了减少误差，采用以下方式进行测试。首先，在第一次反应完成后，不取出产物，向反应管内再次加入反应物，做五组平行试验，加入的次数分别为2，3，4，以及5次，最后计算产率，发现经过4次后，产率未有明显的下降，如图4。然后，取5次反应后的全部溶液，离心过滤，将滤液加入到新的反应管中，不添加催化剂进行反应，反应结束后进行检测计算发现仅有5%左右产物生成，在计算误差范围之内。并且对反应完成后的溶液进行了ICP检测，未发现Pd离子浸出。通过以上实验，证明了此催化剂的结构较稳定，循环效果较好。

Recycle times

2.2 催化剂Pd-MIP-206的相关表征

根据实验结果，对催化剂进行了相关表征。通过EDS谱图得到了不同组成原子(C,O,Zr,Pd)的分布图(Fig.5)，从EDS上可以看到Pd顺利负载到了载体上。

keV图5 Pd-MIP-206的EDS谱Fig.5 The EDS of Pd-MIP-206

为了探究Pd在载体上的负载情况，对催化剂进行了TEM测试。通过煅烧后的TEM，可以清楚地看到MIP-206这种MOF的框架结构已经坍塌，通过煅烧使Pd与配体更加牢固，能够避免Pd离子的浸出(Fig.6,a,b)。在20 nm以及2 nm下，可以看到Pd的纳米粒子，这种金属纳米粒子保证了其催化性能(Fig.6,c,d)。

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

接下来对各个原子的分散做了探究如图7，通过Mapping可以看出，在Pd-MIP-206的结构中，C，O，Zr，Pd均能够较好地分散在催化剂中，并未有明显的聚集。从Fig.7中可以说明，低负载的Pd均匀分散在煅烧后的结构中，这类较好的分散性使其拥有较高的催化活性。

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

此外，通过电感耦合等离子体ICP对催化剂中Pd的含量进行了测定，得到了Pd的准确负载量为1.2wt%。接下来，通过比较煅烧前与煅烧后的MIP-206以及Pd负载MIP-206煅烧后所得催化剂的PXRD图，进一步说明了在600 ℃氩气情况下，如图8，MIP-206的典型的MOF结构已经不存在，并且在PXRD上也并未看到Pd的峰，原因可能是Pd的纳米粒子较小，或者是分散度较好，在PXRD上面未能明显地观察到。通过PXRD说明了此合成方法得到催化剂的结构较稳定，并且钯具有较好的分散性。

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

2.3 相关化合物的表征

本工作所合成化合物主要利用核磁测试化合物的氢谱和碳谱。将分离提纯得到的产品取10～20 mg样品溶于不同的氘代试剂(0.5 mL)，测试仪器为Bruker公司的Avance-400 MHz型核磁共振谱仪，测试结果通过 MestReNova软件分析结果。

化合物所需用的氘代试剂和氘代试剂位移为1H NMR：CDCl3(δ7.26 ppm)，DMSO-d6(δ2.50 ppm)；13C NMR CDCl3(δ77.16 ppm)，DMSO-d6(δ39.52 ppm)。具体下缩写词用于描述峰值模式:s=单峰，d=双重峰，t=三重峰，q=四重峰，m=多重峰，dd=双双峰，td=三双峰。扫描次数具体为：氢谱为32次，碳谱为1 024次。

2.4 部分化合物的核磁数据

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 结论

本工作主要围绕了设计合成Pd-MIP-206催化剂，并对其结构进行相关的表征，通过TEM、PXRD、Mapping等表征，表明了催化剂具有较好的稳定性以及分散性。并将其应用到了Suzuki反应中，能够得到较高产率的目标化合物，并且对底物范围进行了探究，表明了催化剂对此反应具有一定的底物普适性。最后，通过循环试验验证了催化剂在水和乙醇的条件下具有较好的稳定性，能够进行五次循环，产率未有明显的降低。通过ICP对催化剂中Pd的含量的测定，确定了Pd的用量为0.09 mol%。