钯-精氨酸修饰核桃壳生物炭纳米催化剂在C-C和C-N偶联反应中的应用研究

为解决传统催化剂效率低、回收难等问题，研究人员开发了基于核桃壳生物炭的Pd-Arg@biochar纳米催化剂，成功应用于C-C（Stille偶联）和C-N偶联反应，产物收率达95%以上且可循环使用5次以上，为绿色催化提供了新策略。

　　

在有机合成领域，碳-碳（C-C）和碳-氮（C-N）键的构建是制备药物分子和功能材料的关键步骤。然而传统均相钯催化剂存在回收困难、重金属污染等问题，而生物质衍生材料因其可持续性和独特孔隙结构成为理想载体。Zahra Siahpour团队创新性地将农业废弃物核桃壳转化为高性能催化剂载体，通过精氨酸修饰和钯纳米颗粒固定化，开发出兼具高效性与环境友好特性的新型异相催化剂。

研究采用热解法（600°C缺氧条件下）制备核桃壳生物炭，经L-精氨酸表面修饰后与醋酸钯络合，最终通过NaBH₄还原得到Pd-Arg@biochar催化剂。通过FT-IR、BET、SEM等技术证实催化剂具有103.01 m²/g的比表面积和4.5 nm的平均孔径，TEM显示钯颗粒尺寸小于100 nm。

催化剂表征结果

XRD分析显示22.9°处的特征峰证实了石墨化碳结构，40.08°、46.6°和68°的衍射峰对应Pd(0)晶体。TGA表明催化剂在600°C前仅失重15%，具有良好热稳定性。EDS元素映射显示C、N、O、Pd均匀分布，ICP测得钯负载量为1.429×10^-3 mol/g。

催化性能研究

在PEG-400溶剂中，6 mg催化剂可使碘苯与三苯基氯化锡的Stille偶联在20分钟内完成，收率95%，TOF值达448 h^-1。电子给体基团（如4-甲基）使反应加速，而吸电子基团（如醛基）则降低反应速率。C-N偶联中，8 mg催化剂在100°C下30分钟即可实现碘苯与醋酸铵的偶联（收率97%）。

机制与优势

机理研究表明反应通过氧化加成-转金属化-还原消除路径进行。催化剂循环5次后活性仅下降5%，FT-IR证实其结构稳定性。与文献报道的Pd/C@Fe₃O_{4>等催化剂相比，该生物炭基催化剂在反应时间和原子经济性（最高51.04%）方面表现更优。}

该研究不仅实现了生物质废弃物的高值化利用，其开发的"农业废弃物-氨基酸-贵金属"三元催化体系为绿色化学提供了新范式。特别值得注意的是，催化剂在保留高活性的同时避免了重金属浸出，这对制药工业和精细化工的可持续发展具有重要意义。论文成果发表于《Applied Catalysis O: Open》，为生物炭在催化领域的应用拓展了新的可能性。