Pd/石墨烯的生物合成及催化Suzuki偶联反应的研究

谢 韦，陈渺渺

（1.芜湖职业技术学院材料工程学院，安徽芜湖 241000；2.厦门大学公共卫生学院，福建厦门 361000）

0 引言

钯催化的Suzuki偶联反应在药物化学、材料科学及聚合物合成等领域十分重要［1］.已报道的膦或其他配体存在下的钯配合物展现了高催化活性［2］，但是同时具有高成本、制备复杂和毒性的缺点.石墨烯类材料具有很高的比表面积，氧化石墨烯和还原氧化石墨烯表面含有多种功能性官能团，使催化活性物质能吸附在石墨烯的表层，形成新型催化剂.此外石墨烯材料具有优异的电导性［3］，可以促进反应的进行，展现高效的催化活性［4］.袁定重等［5］以化学法制备的氧化石墨烯为载体，利用席夫碱作为配体，制备了负载型钯催化剂，可实现高效催化Suzuki 偶联反应.

纳米颗粒具有高表面积和高反应活性的优势，结合微米级载体，可以更好地发挥作用［6-8］.细胞生物质作为微米级载体负载钯纳米颗粒，可以提供一种环境友好的途径.Søbjerg等［8］利用微生物从含钯的废料中回收具有催化活性的生物钯，能催化对碘苯甲醚与丙烯酸正丁酯的偶联反应.

本研究采用一种简单而绿色的方法来制备钯/石墨烯催化剂，研究其在溴苯和苯硼酸反应中的催化性能，同时考察了其催化不同底物的普适性.研究发现该催化剂具有较高活性和可回收性.

1 实验部分

1.1 材料

1.1.1 试剂 四氯钯酸钠，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乳酸钠，生工生物工程（上海）股份有限公司；碘苯、氯苯、溴苯、苯硼酸、对硝基氯苯、对溴苯甲醚、1-溴-4-硝基苯、对溴苯胺、4-溴苯乙酮，中国国药控股化学试剂有限公司.所有试剂均为化学纯且直接使用，实验用水为超纯水.石墨烯分散液（10 mg/mL）、氧化石墨烯分散液（10 mg/mL），中国国药控股化学试剂有限公司.

1.1.2 菌种S.oneidensisMR-1（ATCC 700550），由南加利福利亚大学的Nealson教授提供.

1.2 催化剂的制备

（1）向含300 mL 厌氧培养基的500 mL 血清瓶中，依次加入乳酸钠（3 mol/L，250 μL）、S.oneidensisMR-1（在厌氧培养基悬浮液中OD600=1.0）、氯钯酸钠溶液（150 mmol/L，200 μL），再置于30 ℃，150 r/m的摇床上过夜培养.经过离心收集并冷冻干燥后，研磨成粉末，保存备用.标记为Pd-1.

（2）步骤同上（1），向血清瓶中多加入氧化石墨烯（GO）分散液至0.1 mg/mL.标记为Pd-2.

（3）步骤同上（1），向血清瓶中多加入石墨烯（G）分散液至0.1 mg/mL.标记为Pd-3.

（4）取少量催化剂进行ICP-MASS光谱法测量催化剂中的钯含量（wt.%）.

1.3 Suzuki反应过程

典型催化反应步骤：在血清瓶中，依次加入溴苯（0.2 mmol），苯硼酸（0.25 mmol），碳酸钾（0.3 mmol），50%乙醇溶液（5 mL）和催化剂（Pd 0.02 mol%），然后放置70 ℃摇床反应2 h.反应完成后，离心收集.通过高效液相色谱（HPLC）定量分析，反应后催化剂经二氯甲烷、甲醇和水多次洗涤过滤，烘干回收.

毒性实验：同上，血清瓶分别额外加入KCl、KI、KB（r0.2 mmol）；

热过滤实验：同上，反应0.5 h 后，对反应溶液进行趁热过滤，去除催化剂后继续在70 ℃条件下反应.

1.4 分析方法

材料的形貌和元素分析分别采用高分辨透射电子显微镜（TEM，JEM-2100）和X 射线光电子能谱（XPS，ESCALAB250Xi）进行测定.

2 结果与讨论

2.1 催化剂表征结果

2.1.1 催化剂TEM 分析 催化剂Pd-n 的形貌分析及粒径分布图如图1 所示.从TEM 图（图1所示）中均可以观察到分散态的Pd 纳米粒子，其粒径分布图分别如图1 插图所示，催化剂中Pd-1 和Pd-3 中Pd 的平均粒径分别为7 nm 和6.5 nm，而Pd-2 中的Pd 的平均粒径为15 nm，说明石墨烯的存在能获得更小粒径的钯纳米颗粒.

图1 Pd-n的形貌分析及粒径分布曲线，（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 催化剂XPS分析 催化剂Pd-n的XPS能谱图如图2所示.由图2（a）中可以看出，催化剂Pd-n中不仅有Pd的存在，而且还显示了C、O和N元素等残余的细胞有机成分.如图2（b）所示，根据以下数据进行拟合：C=C（284.8 eV），HO-C=O（286.7 eV），C-O（288.6 eV），结果发现在催化剂Pd-2制备过程中，经过微生物还原后，GO 的含氧官能团显著减少，表明脱氧有效，证实了GO的还原.值得注意的是，Pd-3中的石墨烯具有更少的氧官能团.催化剂Pd-n的Pd 3d元素分析图呈现两个双峰（图2c、d 和e），分别对应不同价态的Pd 元素结合能的特征锋.结合能在335.6 和340.9 eV 的信号锋对应Pd（0）的Pd 3d5/2 和Pd 3d3/2 轨道，而338.2 和343.4 eV 的信号锋对应Pd（II）的Pd 3d5/2和Pd 3d3/2轨道［9］.Pd-1中Pd的化合态多为零价态，而在Pd-2和Pd-3中以Pd（II）为主.

图2 催化剂Pd-n的XPS谱图，（a）全谱图，（b）C 1s谱图，（c）Pd-1的Pd 3d谱图，（d）Pd-2的Pd 3d谱图，（e）Pd-3的Pd 3d谱图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偶联反应评价

2.2.1 催化剂优化实验 从表1 可以看出，催化剂Pd-3 在2 h内联苯的产率可达到87%（表1，序号 3）.而在相同反应条件下，Pd-1 和Pd-2 作为催化剂时，联苯的产率较小（表1，序号1和2）.结果显示，催化剂的催化活性可能与钯纳米颗粒的尺寸大小有关，较小的尺寸可能获得更强的催化活性.另一方面，石墨烯具有优异的导电性［10］，能有效增强电荷在反应物之间的转移［11］，石墨烯作为钯催化剂的固态配体，在交叉偶联反应中大大提高催化剂催化性能［4］.

表1 催化剂优化Tab.1 Catalyst Optimization

2.2.2 反应条件优化实验 以溴苯与苯硼酸为反应模型，评价不同反应条件下催化剂Pd-3 对Suzuki-Miyaura 偶联反应的催化性能.温度对偶联反应性能的影响，结果如图3所示.随着温度从30 ℃升高到80 ℃，2 h 内联苯的产率从21%提高到93%.在30 ℃条件下进行催化实验，反应过程较缓慢，需要更多的反应时间才能获得更高的转换率.

图3 温度Suzuki反应的影响Fig.3 Effect of temperature on Suzuki reaction

基于绿色环保理念，选用水作为反应溶剂，结果发现Pd-3 催化剂在水中的活性较低，产率仅为13%（表2，序号6）.乙醇（EtOH）是一种绿色可再生溶剂，作为反应溶剂，可提高偶联反应的产率.结果显示，随着乙醇比率的提高，产率从13%提高至87%（表2，序号5和6）.但是，随着乙醇比例进一步提高，偶联反应的产率下降至75%（表2，序号7和8）.这可能归功于水分子，其能与反应物的官能团建立广泛的氢键并在反应过程中将其活化［12］.此外，N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和甲醇（MeOH）作为反应溶剂，其联苯产率均不优于乙醇水溶液（表2，序号9和10）.在优选的溶剂条件下（50%乙醇水溶液），对于NaHCO3，Na2CO3，NaOH，K2HPO4和K2CO3等无机碱，反应2 h后，产率分别为24%，80%，76%，23%，87%（表2，序号1-5）.K2CO3为最佳碱性助剂.Suzuki-Miyaura 偶联反应中，大多催化剂都是在惰性气氛下完成，这归因于催化活性物质对氧气的敏感性.而结果发现，催化剂Pd-3 在空气中的反应产率比在氮气中的高（表2，序号5和12）.在空气中，可能由于发生了连续的再氧化过程［13］，导致Pd（II）的氧化加成，提高了Suzuki偶联反应速率［14］.

表2 Suzuki偶联实验条件优化Tab.2 Optimization of Suzuki Coupling Experimental Conditions

2.2.3 底物普适性研究 选取多种苯基物质与苯硼酸作底物进行拓展实验，结果如表3所示.其中，给电子基团（—OCH3）取代的溴苯反应产率均低于吸电子基团（—NO2和—COCH3）取代的溴苯反应产率（表3，序号7-10）.碘苯反应产率高于溴苯反应以及氯苯反应，且氯苯在当前条件下是惰性的，产物的产率较低（表3，序号1-3）.然而，当氯苯的苯环上存在吸电子基团（—NO2），可以显著提高产物的产率（表3，序号4）.此外，Pd-3 亦能催化杂环溴化物与苯基硼酸之间的偶联反应（表3，序号5-6）.

表3 Pd-3催化的芳基卤化物与苯硼酸的Suzuki反应Tab.3 Pd-3 catalyzed Suzuki reaction of aryl halides with phenylboronic acid

2.2.4 循环温度性实验 在最优条件下，考察了Pd-3催化碘苯与苯硼酸的Suzuki偶联反应循环稳定性，结果在表4中显示.将使用过的催化剂用二氯甲烷、甲醇和水依次洗涤，以除去吸收的有机底物，再进行下一个循环.在前两次循环中，反应体系的产率较恒定；然而在第3～4次反应中，催化反应产率低至62%.

表4 Pd-3的循环利用Tab.4 Recycling Experiment of Pd-3

2.2.5 反应机理探究 催化剂回收过程可能会影响催化剂循环稳定性.副产物KI、KBr和KCl等盐对碘苯与苯基硼酸偶联反应体系的影响结果如表5所示.结果证实了副产物可能被吸收在催化剂的表面上，从而抑制反应进行（表5，序号1、4）.

表5 毒性实验Tab.5 Toxicity Experiment

过滤反应结果如图4 所示，经过热过滤处理后，反应速率明显下降，但是并不能完全抑制反应进行.此外，ICP-MS 结果显示，反应完成后，反应体系中Pd的浸出仅检测到1×10-7mol/L.结果符合纳米催化剂的溶解-再沉积机理，即催化活性是由浸出的钯物种驱动的［15］.在反应体系中，载体亦能够捕获浸出的钯，减少聚集，实现反复浸出-沉积的内循环模型［16］，即通过载体辅助的一种均相反应.

图4 过滤实验Fig.4 Filtering Experiment

3 结论

通过微生物法制备了Pd/石墨烯的生物基催化剂，该催化剂在绿色溶剂中，能高效催化苯基硼酸和具有各种取代基的芳基卤化物之间的Suzuki偶联反应.在不同温度、碱、溶剂等条件下，以Pd/石墨烯催化剂进行实验条件优化，发现可以在空气环境中和室温条件下实现催化过程，亦能在杂环芳烃和苯硼酸在不需要配体的情况下完成交叉偶联.此外，在催化剂循环过程时，观察到了活性损失.结合副产物毒性实验和热过滤实验，催化机理遵循溶解-再沉积机制，是一种载体辅助的均相反应.