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鈀催化的鈴木-宮浦交叉偶聯反應（Suzuki-Miyaura cross-coupling, SMCC），又稱Suzuki反應，是如今使用最多的碳-碳偶聯反應。如下圖這樣的反應，對於有機化學家來說可以算得上是平平無奇的日常操作。
Suzuki反應。圖片來源：Nat. Catal.
回到標題，這個平平無奇的反應如何成就一篇Nature Catalysis？
原因還要歸到Suzuki反應本身。除了實驗室，Suzuki反應如今也在一些工業規模的合成中得到廣泛應用，特別是藥物合成領域。在大規模應用中，為了控制成本，人們更傾向於使用便於回收的異相催化劑。在異相催化的Suzuki反應中，使用負載鈀納米顆粒的氧化物作為催化劑能收穫不錯的產率，但對於實際起催化作用的是納米顆粒（異相催化），還是溶解到液相中的配合物或鈀團簇（均相催化），卻一直存在爭論。究其原因，當前採用的技術手段缺乏高時間-空間分辨率，無法透過籠罩在催化過程外的層層迷霧看到本質。
有鑑於此，加拿大渥太華大學的Juan. C. Scaiano課題組用高時空分辨率的熒光顯微成像技術對異相催化Suzuki反應進行實時原位研究，發現一些有趣的新現象 。這樣的突破，讓他們收穫了一篇Nature Catalysis。
Juan. C. Scaiano教授。圖片來源：University of Ottawa
提高表徵技術的時空分辨率以深入研究一些重要的科學問題，是當今科學研究的重要趨勢。典型的案例包括：冷凍電鏡的分辨率提升到埃水平後大大加速了各類大型蛋白質機器的結構解析（2017年諾貝爾化學獎）；超分辨熒光顯微鏡的出現將光學表徵的分辨率推進到10 nm（甚至更小），能夠原位觀察一些生命過程（2014年諾貝爾化學獎）。
近年來一些新興高分辨表徵手段也被用於深入瞭解催化反應的微觀過程。例如，在這篇Nature Catalysis工作中使用的全內反射熒光顯微鏡（total internal reflection fluorescence microscopy, TIRFM）。從TIRFM的全稱可以知道，這是一種基於全內反射的顯微鏡。
以使用較為廣泛的物鏡型TIRFM為例，其光路如下圖所示。光在從光密介質進入光疏介質時（如從水到空氣），在折射角足夠大時會發生全內反射現象。此時一部分光沿折射面傳播，稱為消逝波（又譯作倏逝波、漸逝波、損耗波等等）。由於消逝波的能量在Z軸上指數衰減，因此只有靠近全反射面的樣品產生的信號強度能被採集到，因此背景光的噪音較小。
物鏡型TIRFM光路圖。圖片來源：Wikipedia
先進的TIRFM的空間分辨率可以達到幾十納米，時間分辨率可以小於100 ms。TRIFM最初被用於生物物理學研究，例如細胞膜上單個蛋白質運動的觀測、細胞結構成像等等。近年來，這種對單分子/單顆粒成像的技術開始被應用到物理化學中，例如對催化過程進行實時觀察。Scaiano課題組在2014年用TIRFM證實銅納米顆粒能以異相催化的方式促進炔基和疊氮基之間的點擊反應（Nat. Commun.,
2014, 5, 4612)。在最近的這項研究中，Scaiano課題組將研究的目光轉向使用範圍同樣非常廣的Suzuki反應。用TIRFM研究有機反應首先需要找到一個合適的模型反應，使得反應的進行能反應在熒光的變化上。為了研究Suzuki反應，研究者設計了本文開始提到的那個“平平無奇”的反應（下圖a）。反應中涉及到的幾個關鍵化合物表現出不同的熒光波長，特別是DB-BODIPY和BT-BODIPY，其最大激發波長和發射波長都相差100 nm左右，便於在顯微鏡下將二者區分開。
用於TIRFM研究的模型Suzuki反應及產物和反應物的熒光光譜。圖片來源：Nat. Catal.
在這項研究中，鈀納米顆粒負載到二氧化鈦上作為異相催化劑。在合成中，研究人員發現該反應在沒有碳酸鉀的條件下也能進行（上圖c藍線），但鹼能加速反應。一些進一步的研究也初步表明反應是以異相催化方式進行的，包括對反應液進行過濾並檢測濾液中的鈀含量、用汞使催化劑中毒等。
TIRFM觀測過程中，將催化劑固定到樣品池上，讓反應液以恆定速度流經樣品池，根據需要用不同的激發波長激發樣品（結合相應的濾光片），並持續採集熒光信號。這些研究得出四個結論：
（1）反應集中發生在少數聚集鈀納米顆粒的位點上，表明是異相催化。如下圖所示，在白光下（圖中灰白色背景）下可以看出，鈀顆粒在少數位點聚集（較白的區域），並且這些位點也是紅點（產物）、綠點（反應）密集的地方。如果是遊離的鈀物種起催化作用，結果應該是均勻的。
反應物分子熒光（綠色）、反應物分子熒光（紅色）與鈀納米顆粒（白色亮斑）的共定位。圖片來源：Nat. Catal.
（2）鹼的作用。過去認為鹼的作用主要是活化硼酸酯，TIRFM研究發現了鹼還能促進產物分子脫離表面：在沒有鹼的條件下，產物分子在表面停留時間（τon）是鹼性條件下的3倍左右（下圖）。
中性（藍色）性條件下產物分子在表面的熒光信號持續時間遠高於鹼性條件下（紅色）。圖片來源：Nat. Catal.
（3）活性位點的遷移。如下圖所示，反應3小時後，密集生成產物的位點已經和最初不同，說明在反應條件下，活性鈀納米顆粒會發生顯著的遷移。
反應初始（紅色三角形）和三小時後（藍色三角形）反應聚集的位點有所變化。圖片來源：Nat. Catal.
（4）在流動條件下，鈀的遷移距離可以非常長。如下圖所示，研究人員在樣品池中分別固定了負載鈀納米顆粒的二氧化鈦與無活性的二氧化鈦，發現起初無活性的二氧化鈦，最終也會像負載鈀納米顆粒的二氧化鈦一樣，在一些位點密集的生成產物。
在流動條件下，活性鈀發生長距離遷移。圖片來源：Nat. Catal.
綜上，通過熒光顯微成像技術TIRFM，研究人員證實了Suzuki反應確實能以異相催化方式進行，同時TRIFM高時空分辨率的特點還幫助發現催化過程中一些新現象，包括活性位點的遷移能力以及鹼促進反應的一種新機制。
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）
