金钯合金纳米颗粒催化剂实现C-S/C-Br复分解反应：多功能底物适用性与生物活性分子后期修饰新策略

本研究通过开发Au4.4-Pd1/TiO2合金纳米颗粒催化剂，首次实现了硫醚与溴代芳烃的C-S/C-Br复分解反应。该催化体系具有优异的官能团耐受性，可完成生物活性分子中C(sp2)-S键的选择性溴化，并实现聚苯硫醚(PPS)解聚为1,4-二溴苯单体，为含硫分子功能化提供了新思路。

　　

在有机合成领域，含硫化合物的选择性转化一直充满挑战。硫醚作为广泛存在于药物、天然产物和高分子材料中的结构单元，其C-S键的直接功能化具有重要意义。传统方法往往需要强氧化剂或苛刻条件，而近年来发展的复分解反应(Metathesis)通过可逆的氧化加成/还原消除过程，为含硫分子修饰提供了温和路径。然而，C-S/C-Br复分解反应此前从未实现，主要由于C-Br键还原消除的热力学障碍与空间位阻对转金属化步骤的抑制形成矛盾。

针对这一难题，东京大学应用化学系的研究团队创新性地设计了TiO₂负载的高金钯比(Au/Pd=4.4)合金纳米颗粒催化剂Au_4.4-Pd₁/TiO₂。该研究通过多活性位点协同作用，首次实现了硫醚与溴代芳烃的高效复分解，相关成果发表在《Cell Reports Physical Science》上。研究采用的主要技术包括：合金纳米催化剂的沉积-沉淀法制备、密度泛函理论(DFT)计算分析反应机理、热过滤实验验证异相催化特性，以及通过X射线吸收光谱(XAS)和扫描透射电子显微镜(STEM)表征催化剂结构。

研究结果

催化剂设计与优化
对比单金属催化剂，Au_4.4-Pd₁/TiO₂在模型反应中对甲苯基苯基硫醚(1ab)和4-溴甲苯(2a)的产率分别达84%和81%。表征显示3.1 nm的合金纳米颗粒中，Pd活性位点被Au原子稀释形成孤立位点，这种结构通过DFT计算证实可促进C-Br还原消除。

底物普适性验证
该体系兼容氟/氯/三氟甲基等敏感基团，成功实现28种硫醚与溴代芳烃的复分解。特别值得注意的是：

• 生物活性分子如雌酮(1A)、睾酮(1B)衍生物可进行C(sp²)-S溴化
• 消炎药舒林酸硫醚(1F)经溴化后进一步发生Suzuki-Miyaura偶联
• 聚苯硫醚(PPS)可解聚为1,4-二溴苯单体(2b')

机理研究
DFT计算揭示三重协同机制：

1. 多Pd位点同时吸附硫醚和溴代芳烃
2. 硫醇盐和Br^-通过Au位点发生"溢出效应"促进转金属化
3. 适度吸附的硫醚衍生物空间位阻辅助C-Br还原消除

结论与意义

该研究突破了传统钯催化剂对C-Br还原消除的限制，通过合金纳米颗粒特有的多活性位点协同，首次实现C-S/C-Br复分解。其重要意义在于：

1. 开发了无需配体的异相催化体系，催化剂可循环使用5次以上
2. 为含硫高分子如PPS的化学回收提供新途径
3. 建立的"稀释Pd活性位点+阴离子溢出"策略可拓展至其他挑战性键活化反应

这项工作不仅解决了有机硫化学中的关键难题，更展示了多金属纳米催化剂在复杂键重组反应中的独特优势，为绿色合成和资源循环利用提供了创新思路。