氫化,在化學工業的各個領域已被廣泛應用,可以用來還原催化劑,以提升其在反應中的催化效率。然而,這個概念在芳基鹵化物交叉耦聯中的應用卻未被開發,主要原因是在反應過程中會發生氫取代鹵素的副反應。傳統的交叉耦聯反應,需要先將芳基鹵化物轉化為有機金屬化合物(如硼、矽、錫、鋅和鎂等金屬化合物),這導致合成過程步驟繁多、耗時且產生大量廢棄物。為了解決這個問題,科學家一直嘗試開發能夠直接使用芳基鹵化物作為反應物,並透過加入還原劑來促進催化效率的方法,但目前大多數的此類反應仍依賴於金屬還原劑(如鋅和錳)。儘管近年來在非金屬還原劑方面取得了一些進展,包括使用tetrakis(dimethylamino)ethylene、bis(pinacolato)diboron和activated alcohols等等,但在使用低分子量、可再生的工業原料作為還原劑(如氫氣、異丙醇或甲酸鹽)進行這類耦聯反應的研究遲遲沒有進展。
近日,美國德克薩斯大學奧斯汀分校的研究團隊,成功開發了一種能夠利用甲酸鹽促進芳基鹵化物耦聯的新系統(使用鈀催化劑)。研究人員發現,當催化循環進行到一定階段,鈀催化劑會變成較高氧化態的形式[Pd₂I₆][NBu₄]₂。此時,甲酸鹽會提供氫原子並釋放出二氧化碳,將鈀催化劑還原回低氧化態的形式[Pd₂I₄][NBu₄]₂,使催化劑能夠重新參與下一個催化循環。研究人員進一步發現,含有兩種不同芳基的鈀錯合物(反應物與催化劑反應的中間體)比含有相同芳基的鈀錯合物更穩定,且更容易進行後續的反應,這使得反應優先生成交叉耦聯產物而非自耦聯產物。除此之外,這種方法特別適合含有2-吡啶基團的化合物,這類化合物通常很難進行偶聯反應,但在這種新方法中能夠順利反應,主要是因為反應過程中形成了特殊的中間體。而且,在這一催化體系中,氫取代鹵素的副反應完全被抑制。