1. 引言
多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls, PCBs)是一类由209种可能异构体组成的典型持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)，因其具有高毒性、环境持久性、长距离迁移潜力及生物累积性，被列入《斯德哥尔摩公约》首批优先控制名录[1] [2]。在环境监测与分析中，气相色谱–质谱联用技术凭借其高分离效能、高灵敏度及强大的结构确证能力，已成为环境中PCBs检测的主流方法，并被我国多项环境标准所采纳，如《水质 多氯联苯的测定 气相色谱–质谱法》(HJ 715-2014)及《土壤和沉积物 多氯联苯的测定 气相色谱–质谱法》(HJ 743-2015)等[3] [4]。然而，该方法的准确性与可靠性高度依赖于高纯度、可溯源且覆盖全面的单体标准样品。目前，我国现行环境标准中PCBs单体的覆盖范围极为有限，在209种理论异构体中仅涵盖34种，覆盖率不足16.3%。以三氯联苯为例，其24种异构体仅有3种(PCB-28、PCB-33与PCB-18)被纳入标准，其余21种单体标准样品的缺失，导致环境样品中大量PCBs同系物无法实现准确定量与识别，进而构成环境风险评估与污染溯源中的显著盲区。因此，发展高效、绿色且经济的PCBs单体制备方法，构建覆盖更全面的标准样品体系，已成为环境分析化学与履约监测中的一项紧迫任务。
在合成化学领域，传统的PCBs标准样品制备主要依赖于乌尔曼反应及经典Suzuki偶联反应。乌尔曼反应通常条件剧烈、选择性差、副产物多；而经典Suzuki反应虽可实现精准偶联，但其在实际应用中仍存在一系列明显局限：需使用昂贵且对空气敏感的膦配体钯催化剂、严格的无水无氧操作环境、有毒有机溶剂(如甲苯、1,4-二氧六环)以及较长的反应时间与较高温度。这些因素共同导致合成成本高昂、操作繁琐、安全性低且环境负担重，严重制约了PCBs标准样品的规模化制备与实际应用。近年来，随着绿色合成理念的不断发展与催化技术的持续进步，以“氧气辅助无配体Pd/C催化Suzuki反应”为代表的新型合成策略逐渐展现出显著优势。该方法以廉价、稳定的非均相Pd/C催化剂替代传统均相钯络合物，在敞开体系、温和条件及绿色溶剂中即可实现高效偶联，为PCBs标准样品的高效、低成本、环境友好型制备提供了全新路径。本文系统综述该绿色合成体系在PCBs单体精准制备中的应用进展，对比其与传统方法的性能差异，并结合气相色谱–质谱技术在环境标准中的表征要求，探讨其在提升我国PCBs监测能力、支持新污染物治理行动方面的潜在价值与应用前景。
2. PCBs单体制备方法的发展与现状
系统性的多氯联苯(PCBs)单体制备与表征研究始于上世纪80年代。早期工作主要依赖于经典的乌尔曼(Ullmann)偶联反应，例如Mullins等人于1984年首次利用该方法制备并表征了一系列PCB单体[5]。随后，Bolgar等人尝试了Gomberg-Bachman反应或铜催化的Ullmann反应，但这些方法普遍面临产率偏低、副产物多等挑战[6]。二十世纪初，Lehmler和Robertson开创性地将Suzuki-Miyaura偶联反应用于PCBs同系物的合成，利用芳基硼酸与卤代芳烃的交叉偶联，实现了对特定PCB分子结构的精准构建[7] [8]。自此，Suzuki偶联因其优异的官能团容忍性、较高的区域选择性和相对温和的条件，迅速成为实验室中获取特定PCBs单体的主流路线。
相较于国际上的持续探索，国内针对PCBs单体，尤其是209种异构体中大量非标单体的系统合成研究报道相对有限。已有的工作多集中于对经典Suzuki反应的改进尝试，例如Zhou Yiqing采用铜催化体系在严格无氧的手套箱中制备了部分单体[9]；Wang Fengze则利用重氮盐与二苯硼酸的反应途径合成了少数PCBs [10]。然而，由于PCBs家族成员庞大、异构体间物理化学性质高度相似，其合成后的分离与纯化极具挑战，这导致全面、系统的单体制备研究仍然匮乏。以三氯联苯为例，其24种可能异构体中绝大多数仅有零星文献报道(据Reaxys数据库检索)，而制备报道集中于一氯联苯等简单结构。这种研究现状凸显了当前PCBs单体制备领域存在的缺口与不均衡性。此外，除Suzuki偶联外，Stille偶联、Kumada偶联等金属催化交叉偶联反应也曾被用于个别PCBs单体的制备，但均未成为普适性方案[11] [12]。
目前，基于传统Suzuki偶联的合成策略仍是获取PCBs单体的最主要途径。其典型反应体系特征如下：催化剂方面，通常使用对空气敏感的均相钯催化剂，如四(三苯基膦)钯(Pd(PPh3)4)或[1,1'-双(二苯基膦基)二茂铁]二氯化钯(Pd(dppf)Cl2)，这些催化剂成本高昂且不易回收。反应氛围要求严格的无水无氧条件，需在惰性气体(氩气或氮气)保护下进行，以防止催化剂氧化失活。溶剂体系多采用甲苯、1,4-二氧六环等有毒有机溶剂与水相的混合溶液。反应条件通常较为苛刻，需要加热至80℃~100℃，并维持8至12小时甚至过夜。以2-氯联苯(PCB-1)的合成为例，在传统Suzuki条件下需惰性氛围保护并加热过夜，分离产率仅约61% [7]。尽管该路径在实验室规模被证实可行，但其对特殊设备(如Schlenk线)的依赖、高昂的原料与能耗成本、潜在的安全与环境风险，共同制约了其在面向环境分析市场所需的高纯度、低成本PCBs标样规模化生产中的应用潜力。图1展示了目前主流的传统Suzuki偶联制备2-氯联苯的路线图。
Figure 1. Schematic diagram of traditional Suzuki coupling for preparing PCB monomers (using PCB-1 as an example)
图1. 传统Suzuki偶联制备PCBs单体示意图(以PCB-1为例)
3. 绿色Suzuki反应体系的突破与优势
针对上述传统Suzuki方法在催化剂成本、反应条件及环境友好性等方面的显著局限，近年来发展的“绿色Suzuki反应体系”取得了重要突破[13]-[15]。该体系围绕催化剂、溶剂与反应氛围、反应条件三个核心环节进行了系统性改进，为实现PCBs单体的高效、经济与绿色制备提供了新途径。
1) 催化剂的创新：从均相到非均相，从一次性使用到可循环利用。该体系采用无配体负载型钯催化剂(如Pd/C)替代传统的含膦均相钯络合物[6]。Pd/C具有价格低廉、对空气及水稳定、易于回收等特点。研究表明，该催化剂在循环使用10次后仍能保持>95%的催化活性，从而将催化剂使用成本大幅降低。以Pd(PPh3)4为基准进行初步经济评估显示，虽然单次反应中Pd/C的原料成本与均相催化剂相近，但其可重复使用性使均摊后的催化剂成本降至传统方法的1/10以下，显著提升了制备过程的经济可行性。
2) 溶剂与反应氛围的绿色化：从有毒、密闭到环境友好、敞开体系。在溶剂选择上，该体系使用乙醇/水(体积比2:1)混合溶剂替代传统有毒有机溶剂(如甲苯、1,4-二氧六环)，不仅降低了试剂毒性与后续处理风险，也体现了绿色化学的基本原则。更重要的是，通过引入氧气辅助策略，反应可在敞口容器中进行，无需惰性气体保护，从而简化了操作流程，降低了对专用设备的依赖，提高了实验安全性与能耗效率。
3) 反应条件的温和化：从高温长时到室温快速。与传统方法需在80℃~100℃下反应8~12小时甚至过夜相比，该绿色体系在室温至50℃条件下，仅需2小时即可完成偶联反应。在此温和条件下，多种PCBs单体的分离产率稳定在90%以上，且产品纯度满足环境标样要求(≥99%)。如图2所示，该绿色体系仅需在敞口容器中于室温下搅拌即可完成反应，其操作复杂度与常规液相反应相当，无需特殊装置或严格的气氛控制，显著降低了实验门槛与设备依赖。
Figure 2. Comparative schematic of experimental apparatus for preparing polychlorinated biphenyl (PCB) monomers via traditional Suzuki reaction versus oxygen-assisted Suzuki reaction
图2. 传统Suzuki反应与氧气辅助Suzuki反应制备多氯联苯(PCBs)单体的实验装置示意图对比
综上所述，绿色Suzuki反应体系通过催化剂非均相化、溶剂绿色化、氛围开放化与条件温和化的协同创新，有效克服了传统合成路线的多个瓶颈，为PCBs环境标样的规模化、低成本及绿色制备奠定了技术基础。图2所示的实验室装置直观对比了两种合成路线：左侧为传统Suzuki法——油浴回流、全程惰性气体保护、反应过夜；右侧则室温、敞口、搅拌即可，操作条件与酸碱中和反应同样简便。
4. 代表性PCBs单体的合成实例与对比
为验证所述绿色Suzuki反应体系的普适性，研究人员已成功将其应用于一系列具有代表性的PCBs单体合成。例如，如图3所示，在2,3',5'-三氯联苯(PCB-23)的制备中，该体系在敞口空气、50℃的温和条件下，仅用2小时即可实现91%的产率，其效率与需在惰性保护下80℃反应12小时的传统方法(产率90%)相当，但在操作简便性、时间与经济成本上展现出显著优势[16] [17]。
Figure 3. Comparison of traditional and green Suzuki synthesis routes for PCB-23
图3. PCB-23的传统与绿色Suzuki合成路线对比
更具说服力的是，该策略展现出良好的官能团与氯代数目耐受性，迄今已成功拓展至PCB-1 (一氯)、PCB-14 (二氯)、PCB-22/23/28 (三氯)、PCB-77 (四氯)、PCB-126 (五氯)等共计15种关键单体的高效合成[18]。这些单体覆盖了当前国标监测体系中的多个空白，所获产物经核磁共振与气相色谱–质谱验证，纯度均≥99%，完全满足环境标准物质的要求。这一系列成功的实例，不仅证实了氧气辅助无配体Pd/C催化体系在PCBs精准合成中的可靠性，也为其作为填补我国标样缺口的一条现实技术路径提供了直接证据。
5. 气相色谱-质谱联用(GC-MS)在标样表征与环境标准中的应用
气相色谱–质谱联用(GC-MS)技术集成了气相色谱的高效分离与质谱的高选择性鉴定能力，是解析PCBs这类复杂同系物与异构体混合物的权威分析手段，已被我国《水质 多氯联苯的测定 气相色谱–质谱法》(HJ 715-2014)和《土壤和沉积物 多氯联苯的测定 气相色谱–质谱法》(HJ 743-2015)等多项环境标准采纳为法定确认方法。GC-MS在PCBs标准样品的质量控制中扮演着双重角色：一是通过保留时间与特征质谱图(特别是分子离子峰簇及其特征同位素丰度比，如三氯联苯的M⁺、(M + 2⁺)、(M + 4⁺)峰)实现异构体的准确定性；二是基于选择离子监测(SIM)模式进行高灵敏度定量，并结合面积归一化法等手段验证合成标样的化学纯度。文献表明，通过绿色Suzuki路径合成的PCBs单体，经GC-MS表征其纯度可达≥99%，满足环境标准物质对纯度的严格要求。
为说明气相色谱在现行环境标准中的实际分离效能，图4引用了《土壤和沉积物 多氯联苯的测定 气相色谱法》中规定的18种多氯联苯标准样品的参考气相色谱图[19]。该图谱清晰地展示了在不同氯代水平下PCBs同系物的分离行为与保留规律，直观体现了气相色谱法作为国标方法的核心分离与定量基础。这进一步印证，建立覆盖全面、纯度可靠的PCBs标样体系，是支撑该类标准方法准确实施、消除检测盲区的先决条件。
综合来看，GC-MS不仅是合成标样纯度和结构确证的关键工具，更是连接标样制备与终端环境检测标准的核心桥梁。绿色合成路径所制备的高纯度、覆盖更广的PCBs标样，只有通过标准化的GC-MS方法进行表征与验证，才能真正融入国家环境监测体系，为《新污染物治理行动方案》提供可靠的标准物质支撑。
Figure 4. Gas chromatography examples of polychlorinated biphenyls in soil and sediments according to national standards
图4. 国标中土壤和沉积物中多氯联苯的气相色谱图例
6. 结语
随着《新污染物治理行动方案》的推进，环境中多氯联苯(PCBs)单体的标准物质需求日益增长，传统依赖进口、价格高昂且品类受限的标样供应模式亟需改变。近年来，基于“氧气辅助无配体Pd/C催化Suzuki反应”的绿色合成策略因其操作简便、成本低廉、环境友好等优势，逐渐成为PCBs单标制备的研究热点。该体系在温和、开放条件下即可实现多种低位阻PCBs单体的高效合成，催化剂可循环使用，显著降低了制备门槛和有机废料排放，展现出良好的应用前景。然而，尽管该策略在合成2,3',5'-三氯联苯等低位阻目标物时表现优异，其在高位阻、高氯代PCBs单体制备中的局限性亦日益凸显。以2,4',6-三氯联苯的合成为例，其关键前体为1,3-二氯-2-溴苯，C-Br键周围存在两个邻位氯原子，空间位阻显著增强。近五年研究表明，该位阻环境不仅显著提高了氧化加成步骤的活化能(ΔG增加约15 kJ∙mol−1)，还导致Pd活性位点难以有效接近底物，成为整个催化循环的速率决定步骤[20]-[22]。更为关键的是，Pd/C催化剂在该类底物作用下易发生“二次失活”现象。原位XANES与EXAFS研究揭示，在反应初期，O2与Pd表面形成η2-过氧配合物，该物种通过d-π反馈机制增强Pd中心电子密度，显著降低氧化加成能垒，从而加速反应启动[23] [24]。然而，当底物位阻增大、反应速率下降时，Pd在碳载体表面滞留时间延长，诱发Ostwald熟化现象，纳米粒子由初始3~4 nm长大至8~10 nm，角位(corner)活性位比例由18%降至不足5%，催化活性显著下降[25]。这一“位阻–熟化”协同失活机制，从分子层面解释了为何即使存在氧气促进效应，Pd/C体系在面对大位阻底物时仍难以维持高效转化。
展望未来，氧气辅助无配体Pd/C-Suzuki体系要实现从“绿色替代”到“全面覆盖”的跨越，仍需在以下几个方面持续发力：催化剂结构精准调控：通过氮/硫掺杂、表面官能化或构建“类配体”微环境，增强Pd活性位点的电子密度与空间适应性，减缓熟化过程，提升对高位阻底物的催化效率；反应工程优化：耦合微通道连续流技术，强化传质与热控能力，实现反应时间在分钟级、转化率在单通高于90%的克–千克级放大，提升工艺稳定性与重现性；底物适应性拓展：系统评估不同氯代模式与取代位置对反应性的影响，建立“底物–催化剂–溶剂”三元匹配数据库，指导高位阻单体的定向合成；质量控制与标准认证体系建设：结合气相色谱–质谱联用技术(GC-MS/MS)与同位素稀释法，建立从合成、纯化、定值到溯源的全流程标准规范，确保国产PCBs单标在环境监测、毒理评估及国际比对中的可靠性与互认性。
综上所述，氧气辅助的无配体Pd/C-Suzuki体系为PCBs标准物质的高效、绿色制备提供了切实可行的技术路径，尤其在低位阻、单/双氯代单体合成中展现出显著优势。然而，要实现对高氯代、大位阻PCBs单体的全面覆盖，仍需在催化机理、材料设计与工程放大等方面持续深化研究。通过多学科协同与全流程优化，有望构建一条自主可控、绿色低碳、经济高效的国产化PCBs标样供应链，为我国新污染物治理体系提供坚实、可持续的技术与物质支撑。
基金项目
过程分析与控制四川省高校重点实验室开放基金项目：基于Suzuki反应制备多氯联苯标样及气相色谱表征研究，编号：GCFX2024002。
阿坝师范学院人才项目：Suzuki反应制备多氯联苯标样，编号：AS-RCZX2023-05。
NOTES
*通讯作者。