Nature Catalysis: 世界上最重要的反应之一，到底是均相催化还是异相催化？

微著纳米人

第一作者：Paolo Costa

通讯作者：Juan C. Scaiano

通讯单位：加拿大渥太华大学

研究要点：

1. 通过荧光方法对铃木偶联催化反应过程表征。

2. 单分子监测催化反应进程。

3. 研究催化反应中碱的作用、催化位点的迁移、催化剂的迁移情况。

研究背景

Pd催化的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应（SMCC）是构建有机分子C-C键的最重要反应。铃木偶联反应在实验室合成和药物分子工业级合成上都有广泛的应用，但是这种反应过程中使用的Pd催化剂毒性和高昂价格有一定缺点，通过更友好的催化剂进行反应得到了广泛研究，其中将催化反应由均相反应转变为异相反应进行是个比较好的选择，能够削减催化剂的消耗、避免有毒金属残留在产物中。人们发现Pd纳米颗粒能够催化铃木偶联反应（Chem. Soc. Rev. 2011，40, 5181–5203.；J. Phys. Chem. Lett. 2012，3, 167–174)），但是这种催化反应中的机理还不明确（通过异相反应进行还是通过溶解到溶液中的粒子进行反应？）。

有鉴于此，加拿大渥太华大学Juan C. Scaiano等人开创了一种通过荧光信号追踪催化反应的方法。该方法通过分析不同荧光发光性能的原料和产物分布变化，对铃木偶联反应中Pd/TiO₂催化下的反应情况进行表征。

要点1. 催化反应设计

反应通过二溴取代的BODIPY荧光分子和硼酸噻吩分子在Pd@TiO₂催化剂作用下，加入K₂CO₃在室温中进行反应。该反应通过铃木偶联反应生成单噻吩取代（BT-BODIPY，λ_ex=632nm）和双噻吩取代（DB-BODIPY，λ_ex=488nm）的产物。由于产物BT-BODIPY和反应物的荧光位置发生红移~100 nm，因此通过TIRFM（total internal reflection fluorescence microscopy）方法能够很好的区分原料和产物的分布情况。

本方法通过单分子研究方法，通过检测催化剂界面上反应产物的多荧光猝发信号进行测试。该催化反应中的关键问题是为了阐明催化反应过程。结果显示了催化反应中的活性位点迁移，并且溶解在溶液中的Pd物种无法进行催化反应，只有当吸附在催化剂界面上才能产生催化作用。

图1. Suzuki-Miyaura反应设计，原料和产物的荧光

表1. 反应物、产物在甲醇中的荧光性质

要点2.催化剂制备

P25 TiO₂和PdCl₂分散在水中，通过UV方法光还原得到Pd沉积的TiO₂。

图2.催化剂表征

要点3.实验量级（Bench-scale）铃木偶联反应分析

反应进行50 %时，将Pd@TiO₂催化剂从体系中移除，作者发现反应在90 min内没有继续进行；在反应体系中加入Hg(0)。当体系中加入300倍的Hg(0)后，反应得以停止；在Hg(0)加入到反应体系停止反应后，加入0.03 mol % PdCl₂，反应未见继续进行；在反应体系中加入不同量的催化剂，结果显示催化反应对Pd催化剂的反应级数约为1。以上的实验说明反应以异相过程进行。

为了说明催化体系中催化剂上Pd物种的迁移和重新沉积产生新催化位点，作者使用原位液相X射线吸收测试进行了实验。结果显示极少量的Pd催化剂发生了溶解沉积过程。不同气氛（氩气、空气）中的实验显示了O₂对反应有明显促进作用，反应5 h后，空气中反应的产物浓度是氩气中产物产物浓度的6倍。作者认为这是因为Pd的表面发生了氧化，生成PdO导致。通过ICP方法对溶液中的Pd浓度分析，反应中加入碱对Pd溶解没有明显作用。

要点4. 单分子研究

使用TIRFM(total internal reflection fluorescence microscopy)技术（可以参考要点9的简要介绍）分别进行了测试，首先确定了反应在Pd@TiO₂附近进行（> 90 %），随后作者发现τ_on（residence time停留时间）通过加入碱得以显著改善。界面上的Pd物种通过溶解/迁移能够生成新催化活性位点，作者发现在流动过程中，Pd的迁移距离达到3 mm，通过迁移过程会产生新的活性位点。

要点5. Pd@TiO₂催化剂附近的反应物分布测试

Pd@TiO₂负载在光学池内，加入了2 mM K₂CO₃的DB-BODIPY (174 pM)的甲醇溶液作为流动相进行反应，反应过程通过488 nm荧光进行激发，探测原料的荧光情况；随后在反应中加入硼酸反应物，并通过632 nm光激发，探测BD-BODIPY产物的生成。反应荧光变化通过100 ms曝光的CCD照相机进行拍照。通过将相同位置的原料和产物荧光进行比较，分析反应进行情况，发现原料和产物在相同区域出现的比例为54 %。该过程中，由于催化活性位点会发生迁移，导致原料和产物出现在相同位置的比例偏低。

图3.反应物和产物的分布对比

要点6. 催化反应中的碱作用

通过实验量级反应发现了加入碱明显改善了铃木偶联反应速率，通常人们普遍认为碱在催化循环的转金属过程中起作用，作者在单分子级别上对催化反应过程进行考察。对比不加入碱的情况，作者发现能够监测到产物的荧光信号，说明未加入碱就可以进行催化反应。

反应中不加入碱，τ_on主要分布在0.2~1 s，加入碱后，τ_on主要分布在0.2~0.5 s，分析得到未加碱时τ_on加权平均值为1.28 s，加碱的反应体系中τ_on加权平均值为0.47 s。此外，未加碱的反应体系中更容易以单取代反应进行。通过单分子反应分析，同样得到类似的结果。总之，加入碱的反应中改善了产物从催化位点上脱附过程，作者认为产物脱附过程是反应决速步。

图4.催化反应中碱的加入对催化的作用

表2.碱对催化反应中的物种荧光影响

图5.催化反应中加入碱的反应动力学变化

要点7. 催化反应位点迁移

对同一位点的催化反应进行连续监测3 h，主要考察了反应催化在迁移的催化活性位点上作用的情况，实验结果显示：在反应进行3 h后，一些催化位点消失，同时生成了新催化位点。

Pd催化位点的长距离迁移。在单分子级别考察了催化剂的溶解过程，在同一显微镜视野范围内分别构建了两种催化剂位点，分别为Pd@TiO₂和TiO₂，反应液由Pd@TiO₂流向TiO₂。反应进行后，首先对Pd@TiO₂区域进行监测，随后对TiO₂区域进行监测，发现了大量的产物荧光信号在未负载Pd的TiO₂附近区域出现，这个结果显著证明了Pd物种溶解和迁移过程。此外，作者发现Pd@TiO₂和TiO₂之间的区域未见产物的荧光信号，说明迁移过程中的Pd物种无法进行催化反应。

图6.催化反应位点迁移

图7.催化反应位点远距离迁移实验

要点8. 研究意义

荧光染色方法是研究生物分子作用过程中最重要的方法，其主要应用于肿瘤学、药物研究等，其中比较广泛的手段是通过荧光蛋白继续标记，其在生物学上的广泛应用使得美籍华裔科学家钱永健获得了2008年的诺贝尔奖。虽然作者没有说明，但是感觉极有可能是从这种生物方法得到的灵感，这种将其他领域的优秀技术拓展和迁移有效的扩展了化学反应研究的方法，使得能够监测化学反应过程中原料和产物生成过程，具有特别重要的意义。此外，生物领域中的冷冻电镜等方法同样在材料领域中展现了比较好的应用，特别是对生长过程的表征上。

由于目前传统的催化机理研究方法较固化，特别是异相催化反应中的反应机理一般都难以说清楚，新方法和新技术的开发对催化反应的机理、新型催化反应的发展会有积极的促进作用。

要点9. 全内反射荧光显微镜技术

全内反射荧光显微镜（total internal reflection fluorescent microscope，TIRFM），利用光线全反射后在介质另一面产生衰逝波的特性，激发荧光分子以观察荧光标定样品的极薄区域，观测的动态范围通常在200nm以下。因为激发光呈指数衰减的特性，只有极靠近全反射面的样本区域会产生荧光反射，大大降低了背景光噪声干扰观测标的，故此项技术广泛应用于细胞表面物质的动态观察。（摘自百度百科）

参考文献：

Costa, P., Sandrin, D. & Scaiano, J.C.* Real-time fluorescence imaging of a heterogeneously catalysed Suzuki–Miyaura reaction. Nat Catal (2020).

DOI：10.1038/s41929-020-0442-0

https://doi.org/10.1038/s41929-020-0442-0

作者介绍：

Juan C. Scaiano，是加拿大应用光化学研究会主席，2005年获得加拿大勋章，发表了超过700篇文章，H值为77，在光化学和纳米技术领域中获得了广泛的成果。其研究领域主要为有机光化学、催化、纳米材料合成、射线光化学反应、单原子光谱、光刻成像等。

主页：

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