小小配體,破解數十年困局:Science報導Beller團隊共軛二烯選擇性雙羰基化突破

2021-01-21 X-MOL資訊

目前，全世界每年生產各類羰基化合物（例如醛、酸、酯）超過1000萬噸，大多是通過烯烴與CO的羰基化反應製備而成，這表明羰基化反應是工業催化上最重要的應用之一。然而，儘管均相催化羰基化反應已經走過了80多年的歲月，但1,3-丁二烯的直接雙羰基化反應仍然是歷史難題。一旦該問題得以解決，無疑將為社會提供一個環境友好、原子經濟性的己二酸二酯的合成方法，而後者可以應用在增塑劑、香水、潤滑劑、溶劑、尼龍、醫藥中間體以及年產數百萬噸的聚醯胺和聚酯等高附加值產品的生產上。目前工業上生產己二酸二酯的主要方法是將環己醇或環己酮在過量硝酸作用下氧化成己二酸後再酯化，該過程不僅需要耐腐蝕的特種設備，還會產生比CO2吸熱能力強300倍且破壞臭氧層的N2O。因此，從環保和經濟角度出發，世界上各大化工企業和研究機構（如BASF、Dupont、Shell、Dow、Kuraray和中國石化）都在不遺餘力地研究如何實現丁二烯直接雙羰基化來製備己二酸二酯，可惜數十年來進展並不大，並沒有開發出在工業上可行的成果，最多是需要多步操作的小規模試驗並且產生線性己二酸二酯的選擇性差強人意（60-80%）。為何均相催化1,3-丁二烯的高選擇性雙羰基化工藝開發如此困難？主要存在以下幾個挑戰：（一）同一種催化劑必須能促進兩種不同的羰基化過程，這在此前無法實現；（二）丁二烯在單羰基化後必須將雙鍵異構化到末端才能形成線性二羰基化產物，這一過程在熱力學上是不利的；（三）必須抑制反應過程中的副反應，如調節聚合、氫烷氧基化和（共）聚合等。

1,3-丁二烯製備己二酸酯中可能的反應。圖片來源：Science在烯烴羰基化研究領域，德國羅斯託克大學萊布尼茨催化研究所（LIKAT Rostock）的Matthias Beller教授課題組有著深刻的理解和豐碩的成果。2017年，該團隊就發現含鹼性雙吡啶取代基的雙齒膦配體可以顯著加速鈀催化烯烴與一氧化碳（CO）的烷氧羰基化反應（Nat. Commun., 2017, 8, 14117-14127）。在此基礎上，通過一系列的配體篩選，他們發現吡啶取代的雙齒膦配體（HeMaRaphos）與鈀配位後，可催化1,3-丁二烯和CO發生選擇性雙羰基化反應，在丁醇存在下直接合成己二酸二酯，在工業上可行的條件下具有高達97％的選擇性和100％的原子經濟性，轉化數（TON）超過60000，並且能夠實現200 g規模的合成。該催化劑體系還支持由其他一系列1,2-二烯和1,3-二烯來合成二酯和三酯。相關結果發表在Science 上。

Beller教授及本工作放大反應示例。圖片來源：LIKAT Rostock官網和Science根據之前的研究經驗，他們認為實現該轉化的關鍵在於配體。作者首先嘗試使用大規模製備異丁烯酸甲酯的常用配體1,2-雙[(二叔丁基膦)甲基]苯（L1，dtbpx），儘管產率較低（18%），但是選擇性很高（97%）。其衍生物L2和L3對反應也沒有任何促進效果。結合之前的研究工作，他們認為在特定配體的主鏈上引入合適的鹼性基團或許能夠提高催化劑的反應活性。值得注意的是，當使用雙吡啶取代的衍生物L4時，能夠大幅度地提高反應的收率（77%），雖然選擇性一般（48%）。這就意味著或許可以利用L1上大位阻和富電子的二叔丁基膦基團促進C-C雙鍵的快速異構化來實現高選擇性，同時又保留L4上的叔丁基-2-吡啶基膦基團對鈀物種的活化作用進而加速醇解過程實現高反應性。果然，單吡啶取代的配體L5（HeMaRaphos）能夠以85%的收率和97%的選擇性實現1,3-丁二烯的雙羰基化反應。雖然X-ray結果中並未發現吡啶上N原子與鈀中心的配位作用，這表明在溶液狀態下存在某種半穩定結合模式（hemilabile binding）可以提高催化劑的穩定性。此外，作者還篩選了其他70餘種配體，但效果均不如L5。

為了探究為何鈀催化劑和HeMaRaphos能高選擇性高收率的合成己二酸二酯，作者進行了動力學監控實驗。他們發現，在最初的半小時內，Pd(TFA)2、L5和對甲苯磺酸（PTSA）原位形成活性氫化鈀複合物；然後對1,3-丁二烯進行羰基化反應生成3-戊烯酸正丁酯3a，並在1.5小時達到最大產率（50%），此時若停止反應就可分離出3a，該中間體可以繼續異構化為高活性物種3c（檢測不到），後者則快速發生羰基化反應得到己二酸二酯4a。

通過對鈀催化劑、酸、溫度和壓力進行條件優化，作者找到了最優條件並進行了底物擴展。除了前文所述的催化劑轉換數（TON > 60000），在低催化劑負載量（< 0.05 mol%）和克級規模（> 200 g）上也能實現1,3-丁二烯的雙羰基化反應，且能夠以88%-95%的收率和> 97%的高選擇性得到目標產物己二酸二正丁酯。此外，作者還考察了15種不同二烯和30多種不同醇的反應，結果顯示收率和區域選擇性均非常好，其中包括非端烯（如1b-1f）、大位阻的烯烴（如1g-1k）和1,2-二烯（如1n, 1o），三烯化合物月桂烯1m也能轉化為相應的三羧酸正丁酯。另外，含有不同取代基（滷素、吸電子基、供電子基或雜環）的脂肪醇也都能順利實現該轉化。


毫無疑問，該工作改變了以前過程繁瑣、使用腐蝕性硝酸和溫室氣體的合成路線，提供了一種高效製備己二酸及其酯的新策略，該方法原子經濟性高並且綠色環保——「一步到位」。為此，德國有機合成化學家Thomas Schaub在Science 上發表了名為「Producing adipic acid without the nitrous oxide」的評論文章[1]。除了讚賞之外，Thomas Schaub還指出該研究離真正的工業化還有一段距離，比如配體的合成成本較高（需要7步，且總收率< 20%）、催化劑的長期穩定性和可回收性需要評估以及得到高轉化數的代價是犧牲收率（64%）和時間（120小時）等等。Direct synthesis of adipic acid esters via palladium-catalyzed carbonylation of 1,3-dienesJi Yang, Jiawang Liu, Helfried Neumann, Robert Franke, Ralf Jackstell, Matthias BellerScience, 2019, 366, 1514-1517, DOI: 10.1126/science.aaz1293


https://www.x-mol.com/university/faculty/47814


1. Producing adipic acid without the nitrous oxide. Science, 2019, 366, 1447, DOI: 10.1126/science.aaz6459https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1447


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