3. 研究催化反應中堿的作用、催化位點的遷移、催化劑的遷移情況。Pd催化的Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應（SMCC）是構建有機分子C-C鍵的最重要反應。鈴木偶聯反應在實驗室合成和藥物分子工業級合成上都有廣泛的應用，但是這種反應過程中使用的Pd催化劑毒性和高昂價格有一定缺點，通過更友好的催化劑進行反應得到了廣泛研究，其中將催化反應由均相反應轉變為異相反應進行是個比較好的選擇，能夠削減催化劑的消耗、避免有毒金屬殘留在產物中。人們發現Pd納米顆粒能夠催化鈴木偶聯反應（Chem. Soc. Rev. 2011，40, 5181–5203.；J. Phys. Chem. Lett. 2012，3, 167–174)），但是這種催化反應中的機理還不明確（通過異相反應進行還是通過溶解到溶液中的粒子進行反應？）。有鑒于此，加拿大渥太華大學Juan C. Scaiano等人開創了一種通過熒光信號追蹤催化反應的方法。該方法通過分析不同熒光發光性能的原料和產物分布變化，對鈴木偶聯反應中Pd/TiO2催化下的反應情況進行表征。反應通過二溴取代的BODIPY熒光分子和硼酸噻吩分子在Pd@TiO2催化劑作用下，加入K2CO3在室溫中進行反應。該反應通過鈴木偶聯反應生成單噻吩取代（BT-BODIPY，λex=632nm）和雙噻吩取代（DB-BODIPY，λex=488nm）的產物。由于產物BT-BODIPY和反應物的熒光位置發生紅移~100 nm，因此通過TIRFM（total internal reflection fluorescence microscopy）方法能夠很好的區分原料和產物的分布情況。本方法通過單分子研究方法，通過檢測催化劑界面上反應產物的多熒光猝發信號進行測試。該催化反應中的關鍵問題是為了闡明催化反應過程。結果顯示了催化反應中的活性位點遷移，并且溶解在溶液中的Pd物種無法進行催化反應，只有當吸附在催化劑界面上才能產生催化作用。圖1. Suzuki-Miyaura反應設計，原料和產物的熒光P25 TiO2和PdCl2分散在水中，通過UV方法光還原得到Pd沉積的TiO2。要點3.實驗量級（Bench-scale）鈴木偶聯反應分析反應進行50 %時，將Pd@TiO2催化劑從體系中移除，作者發現反應在90 min內沒有繼續進行；在反應體系中加入Hg(0)。當體系中加入300倍的Hg(0)后，反應得以停止；在Hg(0)加入到反應體系停止反應后，加入0.03 mol % PdCl2，反應未見繼續進行；在反應體系中加入不同量的催化劑，結果顯示催化反應對Pd催化劑的反應級數約為1。以上的實驗說明反應以異相過程進行。為了說明催化體系中催化劑上Pd物種的遷移和重新沉積產生新催化位點，作者使用原位液相X射線吸收測試進行了實驗。結果顯示極少量的Pd催化劑發生了溶解沉積過程。不同氣氛（氬氣、空氣）中的實驗顯示了O2對反應有明顯促進作用，反應5 h后，空氣中反應的產物濃度是氬氣中產物產物濃度的6倍。作者認為這是因為Pd的表面發生了氧化，生成PdO導致。通過ICP方法對溶液中的Pd濃度分析，反應中加入堿對Pd溶解沒有明顯作用。使用TIRFM(total internal reflection fluorescence microscopy)技術（可以參考要點9的簡要介紹）分別進行了測試，首先確定了反應在Pd@TiO2附近進行（> 90 %），隨后作者發現τon（residence time停留時間）通過加入堿得以顯著改善。界面上的Pd物種通過溶解/遷移能夠生成新催化活性位點，作者發現在流動過程中，Pd的遷移距離達到3 mm，通過遷移過程會產生新的活性位點。要點5. Pd@TiO2催化劑附近的反應物分布測試Pd@TiO2負載在光學池內，加入了2 mM K2CO3的DB-BODIPY (174 pM)的甲醇溶液作為流動相進行反應，反應過程通過488 nm熒光進行激發，探測原料的熒光情況；隨后在反應中加入硼酸反應物，并通過632 nm光激發，探測BD-BODIPY產物的生成。反應熒光變化通過100 ms曝光的CCD照相機進行拍照。通過將相同位置的原料和產物熒光進行比較，分析反應進行情況，發現原料和產物在相同區域出現的比例為54 %。該過程中，由于催化活性位點會發生遷移，導致原料和產物出現在相同位置的比例偏低。通過實驗量級反應發現了加入堿明顯改善了鈴木偶聯反應速率，通常人們普遍認為堿在催化循環的轉金屬過程中起作用，作者在單分子級別上對催化反應過程進行考察。對比不加入堿的情況，作者發現能夠監測到產物的熒光信號，說明未加入堿就可以進行催化反應。反應中不加入堿，τon主要分布在0.2~1 s，加入堿后，τon主要分布在0.2~0.5 s，分析得到未加堿時τon加權平均值為1.28 s，加堿的反應體系中τon加權平均值為0.47 s。此外，未加堿的反應體系中更容易以單取代反應進行。通過單分子反應分析，同樣得到類似的結果。總之，加入堿的反應中改善了產物從催化位點上脫附過程，作者認為產物脫附過程是反應決速步。對同一位點的催化反應進行連續監測3 h，主要考察了反應催化在遷移的催化活性位點上作用的情況，實驗結果顯示：在反應進行3 h后，一些催化位點消失，同時生成了新催化位點。Pd催化位點的長距離遷移。在單分子級別考察了催化劑的溶解過程，在同一顯微鏡視野范圍內分別構建了兩種催化劑位點，分別為Pd@TiO2和TiO2，反應液由Pd@TiO2流向TiO2。反應進行后，首先對Pd@TiO2區域進行監測，隨后對TiO2區域進行監測，發現了大量的產物熒光信號在未負載Pd的TiO2附近區域出現，這個結果顯著證明了Pd物種溶解和遷移過程。此外，作者發現Pd@TiO2和TiO2之間的區域未見產物的熒光信號，說明遷移過程中的Pd物種無法進行催化反應。熒光染色方法是研究生物分子作用過程中最重要的方法，其主要應用于腫瘤學、藥物研究等，其中比較廣泛的手段是通過熒光蛋白繼續標記，其在生物學上的廣泛應用使得美籍華裔科學家錢永健獲得了2008年的諾貝爾獎。雖然作者沒有說明，但是感覺極有可能是從這種生物方法得到的靈感，這種將其他領域的優秀技術拓展和遷移有效的擴展了化學反應研究的方法，使得能夠監測化學反應過程中原料和產物生成過程，具有特別重要的意義。此外，生物領域中的冷凍電鏡等方法同樣在材料領域中展現了比較好的應用，特別是對生長過程的表征上。由于目前傳統的催化機理研究方法較固化，特別是異相催化反應中的反應機理一般都難以說清楚，新方法和新技術的開發對催化反應的機理、新型催化反應的發展會有積極的促進作用。全內反射熒光顯微鏡（total internal reflection fluorescent microscope，TIRFM），利用光線全反射后在介質另一面產生衰逝波的特性，激發熒光分子以觀察熒光標定樣品的極薄區域，觀測的動態范圍通常在200nm以下。因為激發光呈指數衰減的特性，只有極靠近全反射面的樣本區域會產生熒光反射，大大降低了背景光噪聲干擾觀測標的，故此項技術廣泛應用于細胞表面物質的動態觀察。（摘自百度百科）Costa, P., Sandrin, D. & Scaiano, J.C.* Real-time fluorescence imaging of a heterogeneously catalysed Suzuki–Miyaura reaction. Nat Catal (2020). DOI：10.1038/s41929-020-0442-0https://doi.org/10.1038/s41929-020-0442-0Juan C. Scaiano， 是加拿大應用光化學研究會主席，2005年獲得加拿大勛章，發表了超過700篇文章，H值為77，在光化學和納米技術領域中獲得了廣泛的成果。其研究領域主要為有機光化學、催化、納米材料合成、射線光化學反應、單原子光譜、光刻成像等。https://scaiano.wixsite.com/scaianogroup
