通过超临界二氧化碳（supercritical CO?）技术将铂（Pt）纳米颗粒固定在基于铝的金属有机框架MIL-101(Al)-NH?上，并将其应用于高效的氢-氘（H–D）交换催化反应中

《The Journal of Supercritical Fluids》：Pt nanoparticles immobilized on an Al-based metal–organic framework, MIL-101(Al)-NH?, via supercritical CO? and their application in efficient catalytic H–D exchange reactions

氢-氘交换反应中Pt纳米颗粒负载于铝基金属有机框架（MIL-101(Al)-NH?）的制备及催化性能研究。采用超临界CO?辅助法将Pt NPs均匀负载于MIL-101(Al)-NH?孔隙中，形成异质催化剂。在30°C、D?O介质下，该催化剂对苯甲酸和5-苯基戊酸的有效 deuteration 表现出显著优势，其催化活性优于碳和氧化铝传统支持剂，归因于MOF的高比表面积及Lewis酸性协同作用。

　　

久保田惠|小西健二郎|花田康基|松山清志

福冈工业大学工学院生命环境与应用化学系，日本福冈市东区Wajiro-higashi 3-30-1，邮编811-0295

摘要

由于氘标记化合物在化学、环境、生物、制药等相关领域被广泛用作示踪剂，因此合成氘化化合物的方法受到了相当大的关注。最近，这些化合物的应用范围已经扩展到高科技电子和先进科学研究领域。在这项研究中，使用超临界CO₂辅助固定化方法制备了Pt纳米粒子（NPs）/Al基金属有机框架（Pt@MIL-101(Al)-NH₂）复合材料，以获得用于氢（H）-氘（D）交换反应的异相催化剂。透射电子显微镜图像清楚地显示了Pt NPs在MIL-101(Al)-NH₂孔隙中的均匀三维分布。选择苯甲酸和5-苯基戊酸作为模型底物，因为生物活性羰基化合物的H–D交换反应在制药领域需求量很大。这两种化合物在30 °C的D?O中均被有效地氘代了。研究了载体对Pt NPs上催化H–D交换反应的影响。作为载体的Al基MIL-101(Al)-NH₂金属有机框架表现出比商用载体（如碳和氧化铝）更高的催化活性。MIL-101(Al)-NH₂的路易斯酸性质及其高表面积被发现可以加速H–D交换反应。

引言

氘化化合物在生命科学中是强大的研究工具，应用包括追踪药物药代动力学、定量分析食品中的农药残留物和环境中的内分泌干扰物，以及阐明生物大分子的结构[1]。此外，由于C-D键的键解离能高于相应的C-H键，氘标记化合物具有更好的热稳定性和氧化稳定性。因此，氘化化合物被用于有机发光二极管（OLEDs）[2]、[3]和重药物[4]、[5]中。在OLED的发射层中用C–D键替代C–H键已被证明可以抑制性能下降，并显著提高其发光效率和耐用性。通过氘代获得的重药物表现出更慢的代谢降解，从而实现更稳定和持久的治疗效果。

已经提出了多种合成氘化化合物的方法。异相催化氢–氘（H–D）交换反应因其简单性和高效率而经常被应用[6]、[7]、[8]、[9]。D₂O被用作H-D交换反应的氘源，以降低成本并提高这些反应的可行性。此外，过渡金属催化剂被用来促进氘交换[10]，水热和微波辐照方法也被用来提高交换效率[11]、[12]。然而，这些方法对于特定功能有局限性，氘代效率低，并且需要使用高温和/或大量的催化剂。为了解决这些问题，均相金属配合物催化剂具有优势，因为H–D交换反应可以在相对温和的条件下进行，从而实现高氘代效率[13]。其中，基于铱的均相金属配合物催化剂最常被使用，因为阳离子铱配合物特别适用于C–H键的活化。其他均相金属配合物催化剂，如Rh、Pt和Ru配合物，也已被报道用于此目的。尽管它们具有高催化活性，但均相金属配合物催化剂也存在一些缺点。特别是，催化剂从反应混合物中的分离通常很困难，这可能导致催化剂和产物的损失，从而降低整体合成经济效益。因此，开发异相催化剂作为提高催化剂回收率和可重复利用性的策略受到了相当大的关注。铂族金属催化剂（例如Pt、Pd、Rh、Ru和Ir）因其对C–H键活化的催化活性而广泛用于异相H–D交换反应[14]。例如，Pt/Al₂O₃已被报道可以加速乙基丙酮酸的氘代[15]。此外，Sajiki及其同事[16]基于H?气体对负载金属的活化，广泛开发了Pt/C催化的各种有机化合物的H–D交换反应。在研究的底物中，苯甲酸是反应性较低的芳香族化合物之一，需要相对苛刻的反应条件才能在芳香环中实现高程度的氘代。在这个系统中，H?作为负载在碳上的Pt的关键活化剂，在180 °C、大气压下的D?O中高效进行Pt/C催化的氘代。此外，据报道Pd/C和Pt/C混合催化剂（Pt和Pd金属的质量百分比分别为1?）在180 °C、H?气氛下的D?O中对烷基取代芳香族化合物的氘代表现出高催化活性[17]、[18]。由于两种金属之间的协同效应，双金属催化剂可以对某些底物表现出增强的H–D交换效率。然而，许多这些催化系统仍然需要相对较高的反应温度才能实现足够的氘代。为了解决这个问题，在室温下的2-丙醇和D?O混合溶剂中开发了Pt/C或Ir/C催化的含有各种官能团的芳香核的氘代[19]。在这种方法中，通过Pt/C（10?wt.% Pt）催化的2-丙醇脱氢在原位生成的H?作为负载金属催化剂的活化剂，使得芳香化合物中的氘代高效进行。这种温和的温度条件对于大规模工业制备氘标记化合物特别有吸引力。尽管如此，开发能够在更温和和实际条件下实现高效H–D交换的催化系统仍然是一个重要的挑战。

固定在金属有机框架（MOFs）孔隙中的金属纳米粒子（NPs）作为有用的异相催化剂引起了极大的关注，因为用作载体的MOFs可以提高金属NPs的催化性能[20]、[21]。近年来，MOFs作为一种先进的多孔材料而出现[22]。它们明确的孔结构使MOFs成为容纳催化活性客体（如金属NPs）的理想候选者。研究表明，活性金属NPs可以与MOF中的附近开放金属位点和/或官能团协同作用，实现协同催化并催化串联反应[23]。除了已经提出的几种方法（如化学气相沉积（CVD）、溶液浸渍和电弧等离子体沉积）用于将金属NPs嵌入MOF孔隙外，超临界CO₂（scCO₂）辅助的浸渍和/或固定化也可以应用于MOF材料的催化剂合成[24]、[25]、[26]，并已广泛应用于各种类型的金属NPs和多孔材料[28]、[29]。使用scCO₂克服了传统溶剂的扩散和质量传输限制，使得金属前体能够有效地引入MOF等多孔材料的孔隙中。scCO₂的一个关键优势是其类似气体的扩散性，这有助于深入渗透到MOF结构中，并有效地将金属前体输送到整个孔隙中。

本研究的目的是使用scCO?辅助技术将催化活性的Pt NPs固定在MOFs（如MIL-101(Al)-NH₂）的孔隙和表面上，并评估所得Pt@MIL-101(Al)-NH₂在接近室温的30 °C下的H–D交换反应中的催化性能。选择苯甲酸和5-苯基戊酸作为H–D交换反应的模型底物，因为生物活性羰基化合物在制药领域需求量很大[19]。与之前研究中用于H–D交换反应的商用载体（如γ-氧化铝和碳）[14]、[30]不同，本工作中使用了MIL-101(Al)-NH₂作为催化载体。因此，研究了催化载体对H–D交换反应的影响。选择MIL-101(Al)-NH₂铝基MOF是因为其低毒性、广泛的可用性、高热稳定性、大的介孔腔和高的表面积[31]。此外，氢氧化铝次级构建单元（SBUs）的路易斯酸性质使MIL-101(Al)-NH₂能够在一系列反应中作为酸催化剂[32]。当MIL-101(Al)-NH₂用作载体时，其路易斯酸行为预计可以增强Pt NPs在H–D交换反应中的催化性能[33]。最近，Pt@MIL-101(Cr)被用于氢-水同位素交换反应，以去除超低浓度的氢同位素（如氚）[34]。然而，像苯甲酸这样的羰基化合物反应性较低，需要相对苛刻的反应条件才能实现高程度的氘代[19]。尽管富含电子的芳香化合物使用负载在碳上的Pt（Pt@C）容易氘代，但像苯甲酸这样的缺电子芳香化合物反应性较低。此外，5-苯基戊酸在Pt@C上仅部分氘代，且烷基侧链的氘代程度相对较低[17]、[35]。通常，H–D交换反应在芳香C–H键上比在脂肪族C–H键上更容易进行，往往需要更温和的反应条件。因此，通常需要使用其他铂族金属、共溶剂或更高的温度来实现芳香化合物中烷基侧链的高转化率。相比之下，本研究表明Pt@MIL-101(Al)-NH₂能够在温和条件下高效地进行脂肪族和芳香族C–H位的H–D交换。

材料

二氧化碳（CO?，≥99.9%）从福冈Sanso有限公司（日本福冈）购买。H?PtCl?、SiO?（230–400目）和γ-Al?O?（5016-A-I，CAMAG）从Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）购买。AlCl?·6H?O、2-氨基对苯二甲酸和5-苯基戊酸从东京化学工业有限公司（日本东京）购买。1,4-苯二甲酸、Al(NO?)?·9H?O、N,N-二甲酰胺（DMF）、乙醇、D?O、2-丙醇、吡啶、苯甲酸、1,4-二氧环己烷和Pt/C（5?wt%）

通过scCO₂将Pt NPs固定在MIL-101(Al)-NH₂中

在研究Pt NPs在MIL-101(Al)-NH₂上的固定之前，首先制备了原始的MIL-101(Al)-NH₂。此外，还使用了市售的SiO?和γ-Al?O?以及合成的MIL-53(Al)作为Pt NP催化剂载体，以比较它们的催化性能与MIL-101(Al)-NH₂的性能。图1显示了原始催化剂载体和通过scCO₂辅助固定化的Pt NP载体的SEM图像。SiO?、γ-Al?O?和MIL-53(Al)的粒径

结论

使用超临界CO₂辅助方法成功地将Pt NPs固定在Al基金属有机框架MIL-101(Al)-NH₂的孔隙中。结构分析证实了Pt NPs在整个多孔框架中的均匀分散，没有显著的结构降解。由于scCO₂的高扩散性和MIL-101(Al)-NH₂明确的孔结构，有效地抑制了过度的NP聚集。Pt@MIL-101(Al)-NH₂催化剂

CRediT作者贡献声明

松山清志：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，资金获取，概念化。花田康基：数据管理。久保田惠：数据管理。小西健二郎：形式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了JSPS KAKENHI [授权号JP24K08153]、日本私立学校促进与互助会（PMAC）的科学研究促进基金、Ishifuku金属工业基金会以及福冈工业技术的研究支持。作者感谢Editage（www.editage.jp）对英文语言的编辑。