長(zhǎng)鏈烯烴氫甲?；磻?yīng)催化劑研究進(jìn)展

燕子紅，鄭源松，蔡 巖，苗志偉

（1.喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844006；2.天津國(guó)際生物醫(yī)藥聯(lián)合研究院，天津 300457；3.南開大學(xué) 化學(xué)學(xué)院 元素有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071）

烯烴氫甲酰化反應(yīng)是化工生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的有機(jī)合成反應(yīng)之一，該反應(yīng)為烯烴在催化劑作用下與合成氣（即氫氣與CO 混合氣）反應(yīng)，生成比烯烴多一個(gè)碳原子的醛類化合物，反應(yīng)過(guò)程具有良好的原子經(jīng)濟(jì)性［1］。2019 年，全球通過(guò)烯烴氫甲?；磻?yīng)生產(chǎn)的醛類化合物已超過(guò)100 Mt［2］。醛類化合物可進(jìn)一步加工成醇、酯、醚、羧酸以及胺等化合物，這些產(chǎn)品在增塑劑、表面活性劑、藥物合成、洗滌劑和香料等方面廣泛應(yīng)用，因此烯烴氫甲酰化反應(yīng)在工業(yè)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值［3］。

本文綜述了長(zhǎng)鏈烯烴（碳數(shù)大于5）氫甲?；磻?yīng)的研究進(jìn)展，介紹了長(zhǎng)鏈烯烴氫甲酰化反應(yīng)催化劑所用膦配體的種類及合成方法。

1 長(zhǎng)鏈烯烴氫甲?；磻?yīng)催化劑所用膦配體

長(zhǎng)鏈烯烴氫甲?；磻?yīng)催化劑的選擇是反應(yīng)順利進(jìn)行的關(guān)鍵，其中，膦配體的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)對(duì)催化劑的活性與區(qū)域選擇性具有重要影響。

1.1 單齒膦配體

典型的單齒膦配體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。單齒膦配體的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其中，三苯基膦（配體1）是較早實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的膦配體。膦配體改性的銠催化劑可以使烯烴氫甲?；磻?yīng)在溫和條件下進(jìn)行，得到的醛產(chǎn)物中正構(gòu)醛與異構(gòu)醛的摩爾比（正異比）提高。Smith 課題組［4］分別使用配體1 和配體2 改性羰基銠催化劑，在1-辛烯氫甲酰化反應(yīng)中對(duì)正壬醛的區(qū)域選擇性均超過(guò)80%。Maura 等［5］使用配體3 改性銠催化劑，在1-辛烯氫甲?；磻?yīng)中的正異比達(dá)2.20。Deshmukh 等［6］使用配體4 改性銠催化劑，在1-辛烯氫甲?；磻?yīng)中對(duì)正壬醛的區(qū)域選擇性超過(guò)60%。

圖1 典型單齒膦配體的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of typical monodentate phosphine ligand.

Fleming 等［7］認(rèn)為，與三苯基膦相比，在單齒亞磷酸酯類配體中，與磷原子相連的苯氧基是吸電子基團(tuán)，而處于缺電子狀態(tài)下的磷原子有利于穩(wěn)定低氧化態(tài)的過(guò)渡金屬，能夠促進(jìn)CO 與過(guò)渡金屬中心解離?？紤]到膦配體的電子效應(yīng)，亞磷酸酯類膦配體（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2）逐漸受到廣泛關(guān)注。Selent 等［8］采用配體5 改性銠催化劑，在1-辛烯氫甲?；磻?yīng)中的正異比達(dá)1.57。Dabbawala 等［9］采用配體6 改性銠催化劑，在1-己烯氫甲?；磻?yīng)中對(duì)正構(gòu)醛的選擇性超過(guò)70%。Rooy 等［10］發(fā)現(xiàn)，大位阻的亞磷酸酯類配體7 與金屬銠配位，在催化1-辛烯以及1-十二烯的氫甲?；磻?yīng)中表現(xiàn)出較好的區(qū)域選擇性，對(duì)正構(gòu)醛的選擇性分別為66%和63%。

圖2 亞磷酸酯類膦配體的分子結(jié)構(gòu)Fig.2 Molecular structure of phosphite ligands.

單齒亞磷酸酯類配體在烯烴氫甲?；磻?yīng)中具有良好的催化活性，然而，該類配體不穩(wěn)定，易水解失活，阻礙了它在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用［11］。通過(guò)改變膦配體的分子結(jié)構(gòu)能夠有效改善催化劑活性和區(qū)域選擇性，因此，基于磷雜苯結(jié)構(gòu)的膦配體（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3）逐漸受到研究者的關(guān)注。Breit等［12］將含磷雜苯結(jié)構(gòu)的膦配體與乙酰丙酮二羰基銠（Rh（CO）2（acac））反應(yīng)制成絡(luò)合物，用于1-辛烯氫甲?；磻?yīng)，采用配體8 時(shí)單位時(shí)間內(nèi)生成目標(biāo)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化量（TOF）達(dá)到2 801 h-1，正異比為2.00；采用配體9 時(shí)的TOF 為2 443 h-1，正異比為1.80；采用配體10 時(shí)的TOF 達(dá)到5 751 h-1，正異比高達(dá)3.30；采用配體11 時(shí)的TOF 為1 951 h-1，正異比為2.00。配體10 制備的催化劑在反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的催化活性和區(qū)域選擇性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化劑的活性和區(qū)域選擇性除了受電子效應(yīng)影響外，磷原子鄰位的空間位阻也是影響烯烴氫甲酰化反應(yīng)正異比的重要因素。

圖3 含磷雜苯結(jié)構(gòu)的膦配體的結(jié)構(gòu)Fig.3 Ligand structure of phosphorus containing heterobenzene.

1.2 雙齒膦配體

與單齒膦配體相比，雙齒膦配體具有螯合效應(yīng)，更容易與過(guò)渡金屬配位，形成至少含有兩個(gè)磷原子中心的中間體，從而促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。1992 年，Casey 等［13］研究了雙齒膦配體的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)一些典型雙齒膦配體（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4）對(duì)1-己烯氫甲?；磻?yīng)區(qū)域選擇性的影響進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，在與二羰基銠絡(luò)合催化1-己烯的氫甲?；磻?yīng)中，配體12 的催化活性和區(qū)域選擇性都非常高，正異比為66.5。Casey 等［14］以不同膦配體與金屬配位形成的P—M—P（M 表示金屬）之間的鍵角（咬角）來(lái)評(píng)估雙齒膦配體的空間效應(yīng)對(duì)催化劑的影響。Casey 等認(rèn)為，配體12 在烯烴氫甲?；磻?yīng)中選擇性好的原因是它與配位金屬能夠形成較大的咬角。雖然配體14 的咬角大，但正異比很低，這是由于未能分離出配體14 的單體金屬配合物，猜測(cè)可能是因?yàn)榕潴w14 不能與銠形成螯合的配合物所致。

圖4 典型的雙齒膦配體結(jié)構(gòu)Fig.4 Typical bidentate phosphine ligand structure.

表1 銠-雙膦配體催化劑催化1-己烯氫甲?；磻?yīng)結(jié)果Table 1 Results of hydroformylation of 1-hexene catalyzed by rhodium diphosphine ligands

Xantphos 系列配體是具有剛性雜蒽結(jié)構(gòu)的雙（齒）膦配體。van der Veen 等［15］報(bào)道了具有相似結(jié)構(gòu)的Xantphos 系列配體（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5），及其在1-辛烯氫甲?；磻?yīng)中的結(jié)果（見(jiàn)表2）。由表2 可知，Xantphos 系列配體與Rh（CO）2（acac）絡(luò)合催化1-辛烯氫甲?；磻?yīng)時(shí)，對(duì)正構(gòu)醛的選擇性與催化劑配體形成的咬角成正比。當(dāng)P—Rh—P 之間的咬角從配體17 的102°提高到配體25 的120°時(shí)，正壬醛的選擇性從88%提高到97%。

表2 Xantphos 系列配體用于1-辛烯氫甲?；磻?yīng)結(jié)果Table 2 Results of 1-octene hydroformylation with Xanthos ligands

圖5 Xantphos 系列配體的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structures of Xanthos series ligands.

在含有N—P 鍵結(jié)構(gòu)的催化劑配體方面，Jia 等［16］報(bào)道了雙齒亞磷酰胺配體26 與Rh（CO）2（acac）絡(luò)合催化1-己烯氫甲?；磻?yīng)的結(jié)果，正異比達(dá)15.70，催化劑有著優(yōu)異的區(qū)域選擇性。van der Slot 等［17］分別采用配體26 和配體27 與金屬銠絡(luò)合，在1-辛烯氫甲酰化反應(yīng)中，含有吡咯基的亞磷酰胺配體26 對(duì)正構(gòu)醛的選擇性達(dá)到92%，苯基取代的配體27 對(duì)正構(gòu)醛的選擇性為85%。由此可見(jiàn)，吡咯基團(tuán)與苯基的電子效應(yīng)差異是影響烯烴氫甲?；磻?yīng)選擇性的重要因素。雙齒亞磷酰胺配體26 和雙齒亞膦酸酯配體27 的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 雙齒亞磷酰胺配體26 和雙齒亞膦酸酯配體27 的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structures of bidentate phosphorus amidite and phosphinite ligands.

1.3 多齒膦配體

與單齒膦配體相比，雙齒膦配體與金屬的螯合能力更強(qiáng)，減少了反應(yīng)過(guò)程中膦配體的用量，而多齒膦配體一般體積較大，有更多的磷原子可以與金屬螯合，并且分子內(nèi)游離的磷原子可以有效增加金屬中心附近的局部磷濃度，使催化劑配體的螯合能力進(jìn)一步增強(qiáng)。研究結(jié)果表明，雙齒亞磷酰胺配體26 產(chǎn)生高區(qū)域選擇性的原因是吡咯基團(tuán)的強(qiáng)吸電子性質(zhì)。因此，Yan 等［18］設(shè)計(jì)合成了具有吡咯基對(duì)稱結(jié)構(gòu)的四齒膦配體28。在配體28 與銠絡(luò)合催化1-辛烯的氫甲酰化反應(yīng)中，正異比高達(dá)372.00。而雙齒膦配體26 在同樣的反應(yīng)條件下催化1-辛烯氫甲?；磻?yīng)的正異比為74.10。在磷酸酯類配體方面，Zhang 等［19］采用配體29 與Rh（CO）2（acac）絡(luò)合催化1-辛烯氫甲?；磻?yīng)，正異比達(dá)65.00。同樣的反應(yīng)條件下，四齒膦配體對(duì)正構(gòu)醛選擇性總是優(yōu)于相應(yīng)的雙齒膦配體。四齒膦配體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 含O—P 鍵的四齒膦配體結(jié)構(gòu)Fig.7 Structures of tetraphosphorus ligands containing O—P bond.

2010 年，Yu 等［20］設(shè)計(jì)合成了類似配體12 結(jié)構(gòu)的基于聯(lián)苯骨架的四齒膦配體（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8），該配體30 與Rh（CO）2（acac）絡(luò)合催化1-辛 烯的氫甲酰化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為100 ℃時(shí)，正異比為50.50；同樣條件下采用配體12 時(shí)，正異比為45.20。當(dāng)其他條件不變，將反應(yīng)溫度升高到140 ℃，采用配體30 時(shí)，正異比為45.20，而采用配體12時(shí)正異比僅為2.40。與相應(yīng)的雙齒膦配體相比，四齒膦配體擁有更好的區(qū)域選擇性及穩(wěn)定性。

圖8 基于聯(lián)苯骨架的四齒膦配體結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of tetraphosphorus ligand based on a biphenyl backbone.

2 長(zhǎng)烯烴氫甲酰化反應(yīng)催化劑所用膦配體的合成

2.1 單齒膦配體的合成

2018 年，Xu 等［21］成功地將介孔硅材料MCM-41 和三齒氮鈀（0）的復(fù)合物應(yīng)用于芳基碘苯（31）與二苯基膦（32）的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，在惰性氣體保護(hù)下制備了配體1，收率為86%。這種介孔硅材料復(fù)合催化劑可以至少重復(fù)使用7 次，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也避免了單獨(dú)使用過(guò)渡金屬銅、鈀、鎳催化可能造成的重金屬污染問(wèn)題。配體1 的合成見(jiàn)圖9。

圖9 配體1 的合成Fig.9 Synthesis pathway of ligand 1.

2021 年，Zhang 等［22］以白磷（33）與苯酚（34）為原料，在二苯基二硒催化下一步合成了配體2，收率為88%。該反應(yīng)提供了一種無(wú)鹵素、無(wú)過(guò)渡金屬催化合成配體2 的新路線，避免了傳統(tǒng)工藝中氯氣和三氯化磷的使用，以及大量HCl 和金屬鹵化物等“三廢”的產(chǎn)生。配體2 的合成見(jiàn)圖10。

圖10 配體2 的合成Fig.10 Synthesis pathway of phosphite ligand 2.

配體8 是1966 年由M?rkl［23］首次合成的，以2，4，6-三苯基吡喃四氟硼酸鹽（35）為原料，與三（羥甲基）膦在吡啶中回流，最終得到配體8，收率為24%～30%。2016 年，Rigo 等［24］改進(jìn)了配體8 的合成方法，以2，4，6-三苯基吡喃四氟硼酸鹽（35）為原料，雙（三甲基硅基）膦鋰鹽為磷試劑，在四氫呋喃中回流，制備的配體8 的收率為76%，與原有合成方法相比，收率大幅提升。配體8 的合成見(jiàn)圖11。

圖11 配體8 的合成Fig.11 Synthesis pathway of phosphorus containing heterobenzene ligand 8.

2.2 雙齒膦配體的合成

Xantphos 系列配體17～25 都是通過(guò)選擇合適的雜環(huán)化合物作為起始原料合成的。以雙（2-（二苯基膦基）苯基）醚（36）為原料，利用三氟甲磺酸催化它與丙酮的縮合反應(yīng)，制備了配體21，收率為95%［25］。該反應(yīng)具有路線短、后處理簡(jiǎn)單、原料較為便宜的優(yōu)點(diǎn)。配體21 的合成見(jiàn)圖12。

圖12 配體21 的合成Fig.12 Synthesis pathway of ligands 21.

2021 年，Jiang 等［26］采用2，2'-二羥基-1，1'-聯(lián)苯（37）為原料合成了雙齒亞磷酰胺配體26。以四氫呋喃為溶劑，使用過(guò)量的三乙胺為縛酸劑，二吡咯氯化磷與2，2'-二羥基-1，1'-聯(lián)苯（37）發(fā)生親核取代反應(yīng)合成配體26，收率為68%。后處理采用較為簡(jiǎn)便的重結(jié)晶方法進(jìn)行產(chǎn)物提純。配體26 的合成見(jiàn)圖13。

圖13 配體26 的合成Fig.13 Synthesis pathway of bisphosphite ligand 26.

2.3 多齒膦配體的合成

Lindsten 等［27-28］以廉價(jià)的1，3-二甲氧基苯（38）為原料，采用正丁基鋰催化苯環(huán)的碘代反應(yīng)，得到的2-碘-1，3-二甲氧基苯（39）通過(guò)Ullmann偶聯(lián)反應(yīng)發(fā)生自縮合，得到2，2'，6，6'-四甲氧基聯(lián)苯（40），收率為90%。三溴化硼是Lewis 酸，用于2，2'，6，6'-四甲氧基聯(lián)苯（40）的脫甲基，得到的2，2'，6，6'-四羥基-1，1'-聯(lián)苯（41）的收率為80%。在三乙胺存在下，使用二吡咯氯化磷與2，2'，6，6'-四羥基-1，1'-聯(lián)苯（41）反應(yīng)得到四齒膦配體28，收率為70%。配體28 的合成見(jiàn)圖14。

圖14 配體28 的合成Fig.14 Synthesis pathway of amide tetraphosphorus ligand 28.

2010 年，Yu 等［20］以芘（42）為原料通過(guò)臭氧化開環(huán)反應(yīng)，在碘化鈉存在下進(jìn)行偶聯(lián)得到中間體（43）。利用硼氫化鈉還原2，2'，6，6'-四甲醛-1，1'-聯(lián)苯（43）得到2，2'，6，6'-四（羥甲基）-1，1'-聯(lián)苯（44），再與三溴化磷反應(yīng)以高收率制得四溴代中間體2，2'，6，6'-四（溴甲基）-1，1'-聯(lián)苯（45）。因?yàn)橹虚g體（45）與二苯基膦反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的混合體系，所以首先在N，N-二甲基甲酰胺中用氯化鋰將中間體（45）轉(zhuǎn)化為反應(yīng)活性較差的2，2'，6，6'-四（氯甲基）-1，1'-聯(lián)苯（46），再進(jìn)一步與二苯基膦的鋰鹽反應(yīng)生成產(chǎn)物（47）?？紤]到最終產(chǎn)物配體30 對(duì)空氣敏感，因此先利用硼烷的四氫呋喃溶液將它保護(hù)起來(lái)，經(jīng)純化后用1，4-二氮雜環(huán)［2.2.2］辛烷脫保護(hù)，得到配體30，收率為64%～79%，合成示意見(jiàn)圖15中的式（1）。還可以利用氯化亞砜與2，2'，6，6'-四（羥甲基）-1，1'-聯(lián)苯（44）反應(yīng)，以100%的收率一步轉(zhuǎn)化為2，2'，6，6'-四（氯甲基）-1，1'-聯(lián)苯（46），進(jìn)一步在鋰的四氫呋喃溶液中與二苯基氯化膦反應(yīng)，以90%的收率得到配體30［29］，合成示意圖見(jiàn)圖15 中的式（2）。該合成策略減少了合成步驟，提高了最終產(chǎn)物的收率。

圖15 配體30 的合成Fig.15 Synthesis pathway of tetradentate phosphine ligand 30.

3 金屬催化劑的制備

Rh（CO）2（acac）是烯烴氫甲?；磻?yīng)的催化劑前體，在氫甲?；磻?yīng)條件下，Rh（CO）2（acac）首先與膦配體結(jié)合，形成具有催化活性的HRh（CO）（L）2絡(luò)合物（L 表示膦配體）。Rh（CO）2（acac）的早期合成方法［30］是以RhCl3·xH2O 為起始原料，通入CO 得到［Rh（CO）2C1］2，在BaCO3催化下與乙酰丙酮反應(yīng)7 d 后，得到Rh（CO）2（acac），收率為85%，合成示意見(jiàn)圖16 中的式（1）。2020年，中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司［31］以Rh2O3·xH2O 為起始原料，在乙酸催化下與乙酰丙酮反應(yīng)2 h，得到Rh（CO）2（acac），收率為99%，合成示意見(jiàn)圖16 中的式（2）。該合成方法提高了最終產(chǎn)物的收率，大幅縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

圖16 金屬催化劑的合成Fig.16 Synthesis of metal catalyst.

4 結(jié)語(yǔ)

烯烴氫甲酰化反應(yīng)已經(jīng)發(fā)展成為重要的醛類化合物生產(chǎn)工藝之一。利用銠催化劑均相催化長(zhǎng)鏈烯烴（碳數(shù)大于5）氫甲酰化反應(yīng)的技術(shù)也日臻完善，包括單齒膦配體、雙齒膦配體和多齒膦配體在內(nèi)的各種類型的膦配體已經(jīng)被開發(fā)并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。盡管目前烯烴氫甲?；磻?yīng)的生產(chǎn)工藝水平很高，但在長(zhǎng)鏈烯烴氫甲?；磻?yīng)研究方面仍存在許多不足。未來(lái)圍繞長(zhǎng)鏈烯烴氫甲?；磻?yīng)應(yīng)主要開展以下研究工作：1）開發(fā)催化活性高、穩(wěn)定性好、區(qū)域選擇性優(yōu)異的膦配體；2）開發(fā)新型均相催化生產(chǎn)工藝和催化劑分離及循環(huán)套用技術(shù)，使生產(chǎn)工藝更簡(jiǎn)單、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)；3）開發(fā)低壓長(zhǎng)鏈烯烴氫甲?；磻?yīng)生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)過(guò)程的安全性。未來(lái)隨著長(zhǎng)鏈烯烴氫甲?；磻?yīng)理論研究的深入和生產(chǎn)水平的不斷提高，該領(lǐng)域一定會(huì)迎來(lái)更大的發(fā)展。