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钯催化的铃木-宫浦交叉偶联反应（Suzuki-Miyaura cross-coupling, SMCC），又称Suzuki反应，是如今使用最多的碳-碳偶联反应。如下图这样的反应，对于有机化学家来说可以算得上是平平无奇的日常操作。
Suzuki反应。图片来源：Nat. Catal.
回到标题，这个平平无奇的反应如何成就一篇Nature Catalysis？
原因还要归到Suzuki反应本身。除了实验室，Suzuki反应如今也在一些工业规模的合成中得到广泛应用，特别是药物合成领域。在大规模应用中，为了控制成本，人们更倾向于使用便于回收的异相催化剂。在异相催化的Suzuki反应中，使用负载钯纳米颗粒的氧化物作为催化剂能收获不错的产率，但对于实际起催化作用的是纳米颗粒（异相催化），还是溶解到液相中的配合物或钯团簇（均相催化），却一直存在争论。究其原因，当前采用的技术手段缺乏高时间-空间分辨率，无法透过笼罩在催化过程外的层层迷雾看到本质。
有鉴于此，加拿大渥太华大学的Juan. C. Scaiano课题组用高时空分辨率的荧光显微成像技术对异相催化Suzuki反应进行实时原位研究，发现一些有趣的新现象 。这样的突破，让他们收获了一篇Nature Catalysis。
Juan. C. Scaiano教授。图片来源：University of Ottawa
提高表征技术的时空分辨率以深入研究一些重要的科学问题，是当今科学研究的重要趋势。典型的案例包括：冷冻电镜的分辨率提升到埃水平后大大加速了各类大型蛋白质机器的结构解析（2017年诺贝尔化学奖）；超分辨荧光显微镜的出现将光学表征的分辨率推进到10 nm（甚至更小），能够原位观察一些生命过程（2014年诺贝尔化学奖）。
近年来一些新兴高分辨表征手段也被用于深入了解催化反应的微观过程。例如，在这篇Nature Catalysis工作中使用的全内反射荧光显微镜（total internal reflection fluorescence microscopy, TIRFM）。从TIRFM的全称可以知道，这是一种基于全内反射的显微镜。
以使用较为广泛的物镜型TIRFM为例，其光路如下图所示。光在从光密介质进入光疏介质时（如从水到空气），在折射角足够大时会发生全内反射现象。此时一部分光沿折射面传播，称为消逝波（又译作倏逝波、渐逝波、损耗波等等）。由于消逝波的能量在Z轴上指数衰减，因此只有靠近全反射面的样品产生的信号强度能被采集到，因此背景光的噪音较小。
物镜型TIRFM光路图。图片来源：Wikipedia
先进的TIRFM的空间分辨率可以达到几十纳米，时间分辨率可以小于100 ms。TRIFM最初被用于生物物理学研究，例如细胞膜上单个蛋白质运动的观测、细胞结构成像等等。近年来，这种对单分子/单颗粒成像的技术开始被应用到物理化学中，例如对催化过程进行实时观察。Scaiano课题组在2014年用TIRFM证实铜纳米颗粒能以异相催化的方式促进炔基和叠氮基之间的点击反应（Nat. Commun.,
2014, 5, 4612)。在最近的这项研究中，Scaiano课题组将研究的目光转向使用范围同样非常广的Suzuki反应。用TIRFM研究有机反应首先需要找到一个合适的模型反应，使得反应的进行能反应在荧光的变化上。为了研究Suzuki反应，研究者设计了本文开始提到的那个“平平无奇”的反应（下图a）。反应中涉及到的几个关键化合物表现出不同的荧光波长，特别是DB-BODIPY和BT-BODIPY，其最大激发波长和发射波长都相差100 nm左右，便于在显微镜下将二者区分开。
用于TIRFM研究的模型Suzuki反应及产物和反应物的荧光光谱。图片来源：Nat. Catal.
在这项研究中，钯纳米颗粒负载到二氧化钛上作为异相催化剂。在合成中，研究人员发现该反应在没有碳酸钾的条件下也能进行（上图c蓝线），但碱能加速反应。一些进一步的研究也初步表明反应是以异相催化方式进行的，包括对反应液进行过滤并检测滤液中的钯含量、用汞使催化剂中毒等。
TIRFM观测过程中，将催化剂固定到样品池上，让反应液以恒定速度流经样品池，根据需要用不同的激发波长激发样品（结合相应的滤光片），并持续采集荧光信号。这些研究得出四个结论：
（1）反应集中发生在少数聚集钯纳米颗粒的位点上，表明是异相催化。如下图所示，在白光下（图中灰白色背景）下可以看出，钯颗粒在少数位点聚集（较白的区域），并且这些位点也是红点（产物）、绿点（反应）密集的地方。如果是游离的钯物种起催化作用，结果应该是均匀的。
反应物分子荧光（绿色）、反应物分子荧光（红色）与钯纳米颗粒（白色亮斑）的共定位。图片来源：Nat. Catal.
（2）碱的作用。过去认为碱的作用主要是活化硼酸酯，TIRFM研究发现了碱还能促进产物分子脱离表面：在没有碱的条件下，产物分子在表面停留时间（τon）是碱性条件下的3倍左右（下图）。
中性（蓝色）性条件下产物分子在表面的荧光信号持续时间远高于碱性条件下（红色）。图片来源：Nat. Catal.
（3）活性位点的迁移。如下图所示，反应3小时后，密集生成产物的位点已经和最初不同，说明在反应条件下，活性钯纳米颗粒会发生显著的迁移。
反应初始（红色三角形）和三小时后（蓝色三角形）反应聚集的位点有所变化。图片来源：Nat. Catal.
（4）在流动条件下，钯的迁移距离可以非常长。如下图所示，研究人员在样品池中分别固定了负载钯纳米颗粒的二氧化钛与无活性的二氧化钛，发现起初无活性的二氧化钛，最终也会像负载钯纳米颗粒的二氧化钛一样，在一些位点密集的生成产物。
在流动条件下，活性钯发生长距离迁移。图片来源：Nat. Catal.
综上，通过荧光显微成像技术TIRFM，研究人员证实了Suzuki反应确实能以异相催化方式进行，同时TRIFM高时空分辨率的特点还帮助发现催化过程中一些新现象，包括活性位点的迁移能力以及碱促进反应的一种新机制。
Real-time fluorescence imaging of a heterogeneously catalysed Suzuki–Miyaura reaction
Paolo Costa, Deborah Sandrin, Juan C. Scaiano
Nat. Catal., 2020, DOI: 10.1038/s41929-020-0442-0
（本文由荷塘月供稿）
