用于绿色催化的纳米反应器

可持续和环境友好的生产是化学工业部门发展的关键驱动因素，因为保护我们的地球已成为每个工业突破或技术进步都应考虑的重要因素。因此，最近已经定义了绿色化学的概念，以指导化学家在工业或研究中最小化化学过程的任何有害结果。为了实现更环保的反应，科学家们开发了各种方法，以降低环境风险，同时实现化学可持续性和优雅。利用催化纳米反应器进行更环保的反应，促进一锅法程序中的多步合成途径，对于该领域具有深远影响势在必行。本综述主要关注一些最常用的纳米反应器在催化中的应用，即:(聚合物）囊泡，胶束，树枝状大分子和纳米凝胶。将讨论催化纳米反应器在水中进行有机反应，进行级联反应及其再循环能力的能力和效率。

关键词： 催化; 树枝状; 绿色化学; 纳米凝胶; 纳米反应器; 胶束; 聚合物囊泡

人们普遍认为“最好的溶剂是无溶剂”; 然而，从质量传递和温度梯度的角度来看，在整洁条件下进行反应是非常具有挑战性的[1,2]。因此，可持续化学技术通常与使用绿色无害溶剂[3]，水有关。原则上，绿色化学是指（1）以有效方式使用原料（基质），（2）减少所产生的废物或不需要的副产物，和（3）使用廉价且环境友好的溶剂（即水）。通常，使用水作为溶剂是绿色化学的可接受选择[4-6]。实际上，从经济和环境的角度来看，水是有吸引力的，并且当确定化学过程的E因子（定义为废物与所需产物的质量比）时不考虑水[7,8]。对于化学过程来说也是如此，其中水的效用仅限于在过程结束时的后处理而不是用作反应介质。然而，应该指出的是，水作为反应介质的效用是最安全的，但不是最环保的选择。不幸的是，大多数有机化合物和催化剂不溶于水，限制了它对大多数反应的效用[9,10]。出于这个原因，学术界和工业界的科学家提出了许多解决方案，以便最大限度地提高水中反应的结果（即产量，对映选择性等），从而利用其实用性进一步应用。上述问题在不对称催化领域尤为重要，除了克服催化剂的相容性外，还必须解决成本问题[11,12]。不对称催化的研究主要集中在进行具有高对映选择性和效率的催化反应[13,14]。因此，已经建立了各种各样的手性催化剂[15,16]。然而，手性催化剂不仅与水溶液不相容，而且由于所用配体的结构复杂性和过渡金属的使用而昂贵。寻找在水中使用手性催化剂同时最小化其成本（即回收）的方法仍然是一个巨大的挑战。为了实现这一目标，已经提出并应用了各种策略[17-19]。一个重要的，成熟的和广泛使用的策略是使用站点隔离技术，即为催化剂创建单独的微环境[20-22]，以（1）允许它们在不相容的介质中使用，（2）减少回收它们的成本，以及（3）避免任何可能影响反应产率和产量的不利环境影响[23,24]。事实上，这种策略被证明有利于在水中进行反应并最大限度地减少反应浪费和成本[25,26]。

尝试将均相金属配合物支持在有机或无机表面上以促进它们从反应混合物中的去除/提取已被证明是成功的[27,28]。实际上，催化载体的实用性已经成为将催化剂包埋在有机纳米域中并将催化纳米反应器的概念引入光的概念的基础[29,30]。近年来，使用纳米容器/反应器，其中催化剂被捕获并在隔离的隔室中物理分离，似乎是提高水中反应性能的极好的简便方法[31-34]。该领域的开创性实例包括小分子主客体容器，如cavitands [35-37]和杯芳烃[38,39]。除了这些超分子笼结构之外，还可以在大分子纳米反应器中实现区室化。采用这些聚合物结构的优点是其改善的坚固性和负载能力，这使得催化物质的再循环和有效使用更加可实现。诸如聚合物囊泡[40]，胶束[41]，树枝状聚合物[42]和纳米凝胶[ 43,44]之类的纳米复合物代表了在水性介质中进行反应的智能和紧凑装置。此外，它们易于回收利用，使其非常适合作为合成化学中众多应用的纳米反应器[24,31]。在最近的一项研究中，报道了制药行业中使用的不同传统偶联反应的E因子，并与胶束纳米反应器中的E因子进行了比较[45]，显示后者至少降低了一个数量级，这突显了它们的显着性绿色催化的潜力（表1）。

表1： 通过传统和胶束过程进行的药学相关合成的E因子（包括水性后处理）的代表性比较[45]

在本综述中，我们将重点介绍聚合物纳米反应器在绿色催化中的应用，突出其结构和包封和屏蔽催化剂的能力。将描述四种不同类型的纳米反应器，即胶束，聚合物囊泡，树枝状大分子和纳米凝胶。讨论这些纳米反应器的选择源于它们在催化领域的认可相关性和文献中发表的大量实例。这四类纳米反应器相对于非负载均相体系的有利方面包括：1）反应性组分的位点分离（能够实现级联反应），2）在水中转化疏水性底物的能力（在绿色条件下），和3）易催化剂回收。本综述涵盖了所有这些吸引人的功能。此外，