液态钯助力高周转碳 - 碳键形成：开启有机合成新征程

《SCIENCE ADVANCES》：Liquid palladium for high-turnover carbon-carbon bond formation

在碳 - 碳（C─C）键形成反应中，传统钯（Pd）催化剂存在诸多问题，如均相催化剂产物难提纯、可重复使用性差，非均相催化剂机理不明、易钯浸出等。研究人员开展液态 Pd 催化剂（Pd 溶解在液态 Ga 中形成 Ga─Pd）用于高周转 C─C 偶联反应的研究，其周转频率达 2.5×108 hour?1 ，且无 Pd 浸出，为 C─C 键形成反应提供了可持续、可扩展的新策略。

　　在有机合成领域，碳 - 碳（C─C）键的形成至关重要，它是构建复杂分子结构的基石，广泛应用于制药、农业化学以及材料科学等多个领域。然而，当前 C─C 键形成反应面临着诸多挑战。传统的均相钯（Pd）催化剂虽然能有效促进 C─C 键的形成，但存在产品纯化困难、可重复使用性差以及可持续性不足等问题。而非均相 Pd 催化剂，如负载型的 Pd 配合物或纳米颗粒，虽然在一定程度上解决了均相催化剂的部分问题，但却存在制备工艺复杂、稳定性欠佳以及 Pd 浸出等困扰，并且其反应机理也尚不明确，究竟是在催化剂表面（非均相）发生反应，还是 Pd 浸出到溶液中（均相）起作用，学界尚无定论。同时，现有的 Pd 催化剂在活性方面也有待提高，均相和非均相 Pd 催化剂的周转频率（TOF）分别约为 75,000 hour^?1 和 500,000 hour^?1 ，难以满足日益增长的高效化学反应需求。

在这样的背景下，为了突破传统 Pd 催化剂的局限，探寻更高效、可持续的 C─C 键形成策略，研究人员开展了关于液态 Pd 催化剂的研究。虽然此前 “液态金属催化剂” 的概念逐渐受到关注，如 Pt 溶解在液态 Ga 中形成的体系展现出优异的催化性能，但这类液态催化剂在主流有机反应（如交叉偶联反应）中的应用还未得到充分探索。此次研究中，研究人员致力于开发液态 Pd 催化剂，即把 Pd 溶解在液态 Ga 中形成 Ga─Pd 体系，用于铃木 - 宫浦交叉偶联（SMCC）反应，期望能为该领域带来新的突破。这项研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为相关领域的发展提供了重要参考。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先，通过溶解法制备 Ga─Pd 催化剂，将一定量的 Pd 锭与液态 Ga 混合并加热至 400°C 保持 4 小时，使 Pd 完全溶解，随后冷却至 70°C 备用。在反应过程中，利用透射电子显微镜 - 能量色散 X 射线光谱（TEM - EDX）、X 射线光电子能谱、X 射线衍射分析以及从头算分子动力学（AIMD）模拟等技术，对催化剂中 Pd 的分散状态和原子构型进行深入研究。同时，借助气相色谱 - 质谱（GC - MS）、核磁共振（¹H 和¹³C{¹H} NMR）光谱等手段分析反应产物，利用电感耦合等离子体质谱（ICP - MS）检测反应过程中元素的浸出情况。

下面来看具体的研究结果：

• 液态 Pd 体系：研究人员利用 Pd 在液态 Ga 中的自然溶解性，制备了 Ga─Pd 体系。通过 TEM - EDX 分析发现，Pd 原子在 Ga 中均匀分散，无团聚现象。X 射线光电子能谱和 X 射线衍射分析进一步证实了 Pd 原子在 Ga 基质中呈原子分散且液态的状态。AIMD 模拟显示，Pd─Pd 距离较大，Pd 原子倾向于位于 Ga 界面层下方，且 Ga─Ga 和 Ga─Pd 之间存在紧密接触。
• 催化性能：以碘苯和苯硼酸的交叉偶联反应为标准，对 Ga─Pd 体系的催化性能进行评估。经过筛选，确定 K₂CO₃为最佳碱、乙醇为最佳溶剂。该体系对多种芳基卤化物均表现出良好的催化活性，能高效生成相应的联苯化合物，但氯苯由于 C─Cl 键较强，活性较低。Ga─Pd 体系的活化能（E_a ）为 19.1 kJ mol^?1 ，远低于先前报道的催化剂，其 TOF 高达 2.5×10⁸ hour^?1 ，显著优于其他已报道的催化剂。
• 抗 Pd 浸出性：在 SMCC 反应过程中，通过 ICP - MS 分析发现，反应体系中 Ga 浓度变化可忽略不计，Pd 浓度无变化，表明 Ga─Pd 催化剂稳定性良好，无明显的 Ga 浸出和 Pd 浸出。并且，实验证明极少量浸出的 Ga^{3 +}离子对偶联反应无催化作用。
• 可回收性：对 Ga─Pd 体系进行五次连续循环反应，结果显示其催化活性无损失。ICP - MS 分析表明无 Pd 原子从 Ga 基质中浸出，TEM - EDX 图像显示反应前后 Pd 原子的分散状态保持一致，这充分证明了 Ga─Pd 体系具有出色的可回收性。
• 反应途径：借助 AIMD 模拟构建芳香环在 Ga─Pd 界面的多种构型，研究 SMCC 反应可能的发生方式。结果表明，氧化加成步骤中，芳香环与相邻 Pd 原子的 Ga 原子相互作用，I 原子与另外两个 Ga 原子相互作用。反应过程中，体系会动态调整，在还原消除步骤中，存在两种有利的构型，且涉及两个 Pd 离子的初始反应物构型能量更低。
• 高催化活性的影响因素：Ga─Pd 体系具有前所未有的高催化活性，这得益于多个因素。一方面，Pd 原子在液态 Ga 中的流动性使得活性位点能够迁移到反应物浓度较高的区域，避免局部反应物耗尽，促进反应动力学。另一方面，Pd 与周围 Ga 原子的相互作用改变了 Pd 的电子结构，使其获得电子，费米能级以下的态密度降低，增强了其催化性能。

综上所述，该研究成功开发了用于 SMCC 反应的液态 Ga─Pd 催化剂，其展现出超高的周转频率、优异的抗浸出性和可回收性。研究揭示了该催化剂独特的原子分散状态、反应途径以及高催化活性的影响因素，为理解液态金属催化剂的作用机制提供了新的视角。这一研究成果不仅在学术上深化了人们对 C─C 键形成反应和液态金属催化剂的认识，在实际应用中也为有机合成、制药等领域提供了更高效、可持续的催化策略，有望推动相关产业的发展，具有重要的理论和实践意义。