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铃木交叉联轴器催化剂设计的组合策略

铃木交叉偶联反应是一种广泛使用的技术,可将有机化合物结合并合成用于工业或制药应用的复杂化学品。该方法需要使用钯(Pd)催化剂,并且到目前为止,两种主要类型的基于Pd的材料在实践中被用作非均相催化剂。

第一种是“金属负载催化剂”,它由负载在由氧化物或碳基材料制成的惰性载体上的Pd原子(活性位)组成。它们易于制备,并且具有可发生Suzuki反应的活性位点,表面积大。然而,这些催化剂随着使用而迅速降解,因为活性位点从载体上聚集/脱离。第二类是“金属间催化剂”-由Pd和另一种金属制成的分子。尽管在温和条件下更加稳定和有效,但由于很少有活性位点最终暴露于反应介质中,因此这些催化剂无法充分利用所需的大量Pd。但是,如果将两种类型的催化剂结合起来克服其固有的局限性怎么办?

在ACS Catalysis上发表的最新研究中,来自日本Tokyo Tech的一组科学家提出了一种新的异构催化剂构想。他们选择了纳米多孔碳化锆(ZrC)作为载体,在其上生长ZrPd 3纳米颗粒,该纳米颗粒充当金属间催化剂。因为载体和活性化合物都具有相同的元素(Zr),所以催化剂的化学制备非常简单。而且,整体收益远远超出了此范围。

首先,由于活性位点(ZrPd 3)固定在纳米多孔ZrC载体上,因此新型Pd-ZrC催化剂具有很高的稳定性。ZrPd 3和ZrC之间的这种强相互作用有助于增强整体催化稳定性,从而使Pd-ZrC催化剂能够重复使用15个以上的循环。另外,暴露的Pd位点不会聚集在一起并分散在整个载体中,与单独的金属间催化剂相比,实现了更大的有效面积。ZrPd 3在载体表面上的整齐分布还意味着与其他金属间催化剂相比,对于相同数量的活性位点,需要更少的钯-一种称为Pd原子经济的措施。

也许最重要的是这些好处没有附带条件。新催化剂的实际性能(即周转频率)高于市售化合物。主持这项研究的Hideo Hosono教授解释说:“由于Pd-ZrC既使Pd带负电又具有很强的给电子能力,因此即使在室温下,我们的催化剂也能实现Suzuki交叉偶联反应的高催化性能。”

总体而言,科学家团队进行的理论和实验分析结果均证实,他们的策略对于未来催化剂的开发非常有希望,正如Hosono教授所说:“我们的观察结果证明了将金属间催化剂与支持物结合在一起的有效性。同时改进了多个方面,这表明我们可以提高多相催化剂设计的自由度。”

改进催化剂是降低与复杂化学物质合成相关的经济和环境成本的实用方法。只有时间能说明本研究采用的策略启发了多少新颖的催化剂设计。

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