背景介绍
环钯（palladacycle）催化剂凭借Pd–C共价键的独特结构，在有机合成中展现出优异的热稳定性和高催化活性。Hermann–Beller型环钯作为该类催化剂的重要代表，自1995年被报道以来以其空气稳定、易制备及在Heck、Suzuki–Miyaura、Buchwald–Hartwig、C–P偶联与羰基化等反应中的广泛适用性受到广泛关注。该前催化剂可在高温或碱的作用下缓慢释放活性零价Pd，表现出极高的TON并能活化传统难反应底物（如氯代芳烃）；同时亦被用于聚合与天然产物关键步的构建。近年来的动力学、原位表征与DFT研究揭示了体系中Pd(0)/Pd(II)与Pd(II)/Pd(IV)循环可能并存、以及向钯纳米团簇转化与“水效应”对催化行为的影响，为理解机理与设计改良型催化剂提供了重要方向。
文章亮点
1.首次对Hermann–Beller环钯从发现、结构到应用与机理进行系统汇总。
2.涵盖Heck、Suzuki、Buchwald-Hartwig、Stille、C–P偶联、羰基化、聚合与加成等关键反应。
3.并列讨论Pd(0)/Pd(II)与Pd(II)/Pd(IV)两条可能循环，结合实验证据与DFT分析揭示转化与失活路径。
4.汇集了大规模/kg级合成与高产率制备手性双膦、OLED前体等实例，强调实用潜力。
5.提出通过配体与结构改造调控均/非相路径、开发不对称版本与提高催化选择性的未来研究方向。
内容介绍
1 Hermann-Beller环钯催化剂的发现与结构
1995年，Herrmann等[5]发现三(2-甲基苯基)膦和醋酸钯在甲苯中加热可以得到一个空气稳定的黄色固体，经过单晶结构分析发现其结构为醋酸根桥联的二聚体环钯催化剂1，该催化剂被称为Hermann-Beller环钯催化剂（图1），其典型特征是含有sp3杂化的碳钯键。Beller等[6]通过单晶结构分析对该催化剂的结构进行了表征，并考察了其在Heck反应和Suzuki反应中的应用。
2 Hermann-Beller环钯催化剂在偶联反应中的应用
2.1 Heck偶联反应
Mioskowski等[8]发现在卤代芳烃5与芳基烯丙醇6的Heck反应中，当化合物5的邻位和对位存在2个以上的羟基时，使用传统的Pd(OAc)2/Et3N或Pd(OAc)2/Cs2CO3催化体系导致碘被还原，且未观察到偶联产物。而使用Hermann-Beller环钯催化剂HB Cat 1与NaOAc的混合溶剂体系，可以得到双键迁移的羰基化产物7，收率介于12%~45% (图3)。
2.2 Suzuki偶联反应
2.3 Buchwald-Hartwig偶联反应
2.4 Stille偶联反应
2.5 碳膦键偶联反应
3 Hermann-Beller环钯催化剂在羰基化反应中的应用
Zhang等[28]开发了一种新型苄醇类化合物44羧化方法。以1-苯基-乙醇为模板底物，经过一系列条件筛选，发现2.5 mol%环钯催化物、1.3 mmolHCl、2 MPa CO和2-丁酮作溶剂的条件下，苄醇羟基羧基化产率90%；当催化剂降至1 mol%时，产率仍有87%。该方法能够高效构建多种羧化产物45，且对多种官能团底物具有良好兼容性（产率49%~99%）。此外，在羟基羧基化1-(4-异丁基苯基)乙醇转化为布洛芬的克级实验中，产率80%，所用环钯催化剂载量仅为0.5 mol%（图18）。
4 Hermann-Beller环钯催化剂在其他反应中的应用
4.1 C—H键活化
Storr等[31]使用Herrmann-Beller环钯催化剂，实现简单芳烃52与二芳基碘鎓盐进行芳基化反应的新方法。对比10 mol%的醋酸钯为催化剂的反应条件下，偶联产率最高为86%但副产物比例达到16%；而环钯化合物1在该反应中表现出更好的催化效果，在5 mol%催化剂用量下，几乎可以专一性地生成目标产物，仅检测到微量副产物联苯，这一结果显著优于其他催化体系。使用环钯催化剂进行底物拓展，当二芳基碘鎓盐含有供电子基和吸电子基时均能顺利进行，产率介于19%~99%之间，其中对位带有吸电子基团（Ar = p-ClC6H4）表现出更佳的反应性能（99%）。此外，使用Ph2I+OTf-为芳基化试剂，还考察了芳烃底物的反应适用范围。甲苯、二甲苯、均三/均四甲苯及多甲基取代苯系底物（R = tol, o-xyl, m-xyl, p-xyl等）较容易发生芳基化反应（67%~96%）；而当底物上的取代基位阻增大时（R = -iPr, -tBu, -OMe, -OPh等），产率降低至43%~63% （图21）。
4.2 加成反应
5 Hermann-Beller环钯催化剂的催化机理
尽管Hermann-Beller环钯催化剂在有机合成中得到了广泛的应用，并且该催化剂是一个结构明确的配合物，它的催化机理一直存在争论。1996年，Hartwig课题组通过实验验证了从Hermann-Beller环钯催化剂产生零价钯的途径[20]，首先Hermann-Beller环钯催化剂和二乙基胺反应发生解离生成单体钯物种，其结构得到了单晶的证实。该单体钯催化剂在叔丁醇钠的作用下生成胺基钯物种，后经历β-H消除和还原消除生成零价钯物种。Hermann-Beller环钯催化剂、单体钯催化剂和零价钯催化剂在钯催化的4-溴苯乙酮和N-甲基苯胺的胺化反应中表现出类似的催化活性，从而证实了上述零价钯的产生路径（图26）。2005年，Jutand等[36]以DMF为溶剂通过电化学手段检测到了零价钯的生成。但是，Hermann等[5]以及后来的Shaw[37]都发现环钯物种的核心环状结构在反应过程中不被破坏，因此Pd(II)/Pd(IV)催化过程被提出用于解释Heck反应的机理。
6 总结与展望
综上所述，Hermann-Beller环钯催化剂是一款性能非常优异的催化剂，具有合成简单、空气稳定、催化活性高、适用范围广等多个优点，在偶联反应、羰基化反应、加成反应和碳氢键活化反应中应用广泛。但是该反应体系非常复杂，机理研究表明反应中可能同时存在Pd(0)/Pd(II)和Pd(II)/Pd(IV)催化循环，反应过程中存在多个结构明确的催化中间体，给机理研究带来了巨大的挑战。同时反应体系会逐渐释放出零价钯，从而产生钯纳米团簇和钯黑，从而导致反应过程同时包含均相催化过程和非均相催化过程。尽管对于Hermann-Beller环钯催化剂的反应机理研究已经取得了一些比较重要的进展，但是这些研究进展主要集中在碳碳键偶联领域。有关Hermann-Beller环钯催化剂仍然有很多谜团还没有被揭开，例如如何通过对其进行结构改造开发出活性更高的催化剂，如何对配体进行调控控制反应的均相和非均相路径，如何实现该反应的不对称催化版本等。
通讯作者介绍
陈根强
个人简介
南方科技大学深圳格拉布斯研究院 研究教授，广东省杰出青年基金获得者，2023年入选Org. Chem. Front.新锐科学家。在Nat. Chem. (1篇)、Nat. Commun. (2篇)、Sci. Adv. (1篇)、J. Am. Chem. Soc. (4篇)、Angew. Chem. (4篇)、CCS. Chem. (1篇)、Chem. Catal. (2篇) 等国际知名期刊以第一作者或（共同）通讯作者身份发表论文50余篇，申请专利20余项。
主要研究方向
有机合成，手性配体，不对称催化，不对称氢化等
近五年代表作
1. Zong Y, Zhang R, Ma B D, Peng J, Wu C, Zou X, Qian Y, Chen G Q, Zhang X*. Robust, scalable, and highly selective spirocyclic catalysts for industrial hydroformylation and isomerization-hydroformylation. Sci. Adv., 2024, 10, eado9607.
2. Zong Y, Zou X, Tao H, Huang Q, Chen G Q*, Zhang X*. Highly Efficient and Enantioselective Iridium-Catalyzed Asymmetric Reductive Cycloetherification, J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 34107-34117.
3. Xu L,Yang T, Sun H, Zeng J, Mu S, Zhang X, Chen G Q*. Rhodium-Catalyzed Asymmetric Hydrogenation and Transfer Hydrogenation of 1,3-Dipolar Nitrones. Angew. Chem., Int. Ed., 2024, 63, e202319662.
4. Du X, Zhang Y, Yang T*, Xiao Y, He J, Chung LW, Chen G Q*, Zhang X*. A versatile cobalt catalyst for highly enantioselective hydrogenation of carbonyl compounds. Chem Catal., 2024, 4, 100999.
5. Wang F, Zhang Z, Chen Y, Ratovelomanana-Vidal V, Yu P*, Chen G Q*, Zhang X*. Stereodivergent Synthesis of Chiral Succinimides via Rh-Catalyzed Asymmetric Transfer Hydrogenation. Nat. Commun., 2022, 13, 7794.
