Science：革命性突破，解决半个多世纪催化难题！
纳米人
2019-12-31
尼龙是世界上出现的第一种合成纤维，属于聚酰胺纤维(锦纶)，它的合成不仅是纤维合成工业的重大突破，同时也是高分子化学的一个非常重要里程碑。尼龙在现代生活中随处可见，尤其是在纺织工业中，我们所穿的衣物、电器设备、机械设备等领域都有尼龙的身影。
目前，尼龙66主要是采用己二胺和己二酸缩合工艺，而己二酸主要通过硝酸氧化环己酮/环己醇制得，年产量达到数百万吨。但是，此过程需要使用大量的腐蚀性强酸，而且会产生大量的NO、NO2、N2O等气体，尤其是温室气体N2O，其主要排放源之一就来自己二酸的生产过程。除此之外，己二酸二酯广泛用于增塑剂、香水、润滑油、溶剂、活性药物成分以及尼龙的生产等。己二酸现有的合成工艺，早在20世纪40年代就已经成熟，近80年来，科学家们就一直在探索新的己二酸合成新方法和新工艺。2019年12月20日，德国阿尔伯特-爱因斯坦大学的MatthiasBeller教授及其合作者在Science发表论文，报道了一种不需要硝酸就可以生产己二酸的全新工艺，他们采用单步钯催化体系实现了丁二烯双羰基化一步制己二酸酯，该催化体系具有高活性、高选择性以及通用性等特点，解决了科学界和工业界数十年来的难题。德国海德堡大学-巴斯夫催化研究实验室的Thomas Schaub撰写了评述文章，并总结了近年来己二酸合成的最新进展和展望。（PS：感觉巴斯夫很快要对这个专利下手了，或者已经下手了）
羰基化反应是工业催化最重要的应用之一，每年生产超过1000万公吨的各种羰基化合物(醛、酸和酯)。尽管早在近80年前，研究人员就首次发现了均相催化的羰基化过程，但目前仍有几个未实现的目标，最显著的可能就是1,3-丁二烯的直接双羰基化，丁二烯的双羰基化反应将使环境友好、经济高效的生产己二酸酯成为可能，而己二酸酯是聚酰胺和聚酯合成的重要单体。丁二烯的双羰基化反应生成己二酸及其酯类可能是一种新的替代方法，可以避免使用硝酸和温室气体N2O的排放，且原料的选择性更加灵活。但丁二烯选择性双羰基化生产己二酸及其衍生物也是十分困难的，因为它需要两个连续的和非选择性的羰基化才能得到以戊烯酸为中间体的目标产物。在早期的研究中，该反应需要分两步进行，丁二烯羰基化反应生成3-戊二酸，然后用均相钴、钯或铑催化剂使3-戊二酸羰基化反应生成己二酸。这两个步骤的条件和催化剂都需要仔细选择，因为有许多潜在的不需要的副产品，如同分异构体或聚合物。分别优化后的反应不相容，不能发展成一个高效的单步反应。几十年来，包括巴斯夫、杜邦、壳牌、陶氏、库拉雷和中石化在内的许多公司，都在研究通过丁二烯二羰基化反应获得己二酸酯的可行性。虽然研究人员已经在实验室对多种反应体系进行了研究，但其工业化过程都面临着活性不足、选择性不足或两者兼而有之的问题。近年来，丁二烯双官能化制己二酸的方法有了新的发展。Mormul等人报道了在乙醇存在下，铑催化双氢甲酰化形成乙醛保护的己二醛中间体，中间体可被氧化为己二酸。氧化后以丁二烯为基础的己二酸的总产率为52%，虽然在氢甲酰化步骤中实现了对线性中间体的双官能化，但其经济可行性还不够高，需要进一步改进。Tortajada等人最近报道了使用镍催化剂使丁二烯与二氧化碳发生双羧基化反应，该反应以不饱和二酸为中间体进行，然后用相同的催化剂加氢，因为它使用了二氧化碳作为原料，同时采用了储量丰富的金属作为催化剂，但己二酸的产率只有61%，第一步需要添加锰作为辅助试剂，阻碍了该体系在大宗化工生产中的应用。也就是说，1,3-丁二烯的直接羰基化为工业上重要的己二酸衍生物的生产提供了一种更经济、更环保的途径。然而，由于区域异构羰基化和异构化的复杂反应网络，始终没有找到高选择性的实用催化剂。
有鉴于此，阿尔伯特-爱因斯坦大学的Matthias Beller教授等人采用了一个吡啶基取代的双齿膦配体的设计，该配体与钯配合，催化1,3-丁二烯、一氧化碳和丁醇形成己二酸二酯，二烷基己二酸的产率≥95%，选择性为97%，原子经济性为100%。这种单步催化体系作为己二酸及其酯合成的替代途径，利用钯催化剂将一氧化碳添加到丁二烯的每个末端且不产生副产物，具有高的活性和选择性。该催化剂还可用于催化1,2-、1,3-丁二烯转化为其他多种二酸酯和三酸酯。要点1. 利用1,3-丁二烯合成己二酸酯的反应网络丁二烯选择性双羰基化制己二酮酸及其衍生物需要两个连续的和非选择性羰基化达到以戊烯酸为中间体的目标产物。如下图所示，该催化过程存在多个挑战：(i)催化剂必须在二烯基板上促进两种不同的羰基化反应(这是以前无法实现的)；(ii)线性二羰基化产物必须是选择性的形成，尽管最初形成的单羰基化中间体到末端烯烃的异构化在热力学上特别不利；(iii)其他副反应如端粒化、氢烷氧基化和共聚合必须被抑制。
通过使用碱基修饰的1,2-双[(二叔丁基膦)甲基]苯配体(L1，dtbpx)衍生物来实现1,3-丁二烯的选择性二羰基化，从而用于甲基丙烯酸甲酯的批量生产。对该配体的初步优化研究显示，在120°C和40 bar CO条件下，以对甲苯磺酸为辅助催化剂制备线性己二酸二丁酯4a的活性较低，但选择性较好。为了提高催化剂的性能，对dtbpx衍生物L2和L3进行了测试。然而，没有观察到活性的增加。因此，在这个特定的配体骨架上加入合适的碱基，应该会增加相应的钯催化系统在烷氧羰基化反应中的活性。事实上，使用L4大大增加了二酯的活性和产量(77%)，但代价是选择性不足(48%)。考虑L4适当的反应性和L1合适的选择性,设计了配体L5 (HeMaRaphos)。1,3-丁二烯的二羰基化反应在HeMaRaphos和Pd(II)三氟乙酸[Pd(TFA)2]的存在下进行，己二酸二酯的收率为85%，线性选择性为97%。
要点3. 钯催化的1,2-和1,3-二烯的二羰基化反应为了了解HeMaRaphos对钯催化剂性能的影响，该团队进行了动力学监测实验。在前半个小时，在Pd(TFA)2、L5和对甲苯磺酸(PTSA)的原位混合物中观察到活性钯氢化物的形成。然后，进行烷氧羰基化反应，选择性地合成正丁基-3-烯酸正丁酯3a。该中间体在90分钟后不断积累，达到最大产量50%左右，此时停止反应，可以从反应混合物中分离出3a，同时活性催化剂也促进了烯烃异构化。由于其快速转化为线性己二酸二酯，未检测到末端烯烃正丁基戊-4-烯酸酯3c。其次，对钯前体、酸、温度、压力的影响进行了详细的优化研究，进一步提高了工艺的实用性。目标产物酯的产率为88~95%，线性选择性为97%。例如，在没有额外溶剂的情况下，反应可以在>200-g的范围内进行，Pd负荷仅为0.05 mol %。除了在化工产业中1,3-丁二烯的二羰基化的特殊重要性，这种方法也为精细化工生产中其他二烯的价格稳定提供了解决方法。为了展示该催化剂体系的通用性，该团队使用了15种不同的二烯烃和30多种醇合成具有高选择性和产率的对应的二酯。例如，几个线性共轭二烯1a到1f表现出良好的反应活性和区域选择性。即使对于内部共轭双键(1f)，异构化反应也优先生成末端产物。
图3 钯催化的1,2-和1,3-二烯的二羰基化反应
该工作提出了一种经济环保的己二酸及其酯的制备替代途径，单步钯催化体系用于丁二烯的双羰基化制己二酸酯，其中钯催化剂将一氧化碳添加到丁二烯的每个末端，没有副产物，具有较高的活性和选择性。该策略具有巨大的工艺应用前景，但在实际应用前，还需要解决诸如提高催化剂的长期稳定性、寻找更简单有效的配体、催化剂的负荷量和贵金属的回收等问题。1. Ji Yang, Jiawang Liu, HelfriedNeumann, Robert Franke, Ralf Jackstell, Matthias Beller. Direct synthesis ofadipic acid esters via palladium-catalyzed carbonylation of 1,3-dienes. Science,2019.DOI: 10.1126/science.aaz1293https://doi.org/10.1126/science.aaz12932. Thomas Schaub. Producing adipic acidwithout the nitrous oxide. Science, 2019.DOI: 10.1126/science.aaz6459https://doi.org/10.1126/science.aaz6459
