尼龍是世界上出現(xiàn)的第一種合成纖維，屬于聚酰胺纖維(錦綸)，它的合成不僅是纖維合成工業(yè)的重大突破，同時也是高分子化學(xué)的一個非常重要里程碑。尼龍在現(xiàn)代生活中隨處可見，尤其是在紡織工業(yè)中，我們所穿的衣物、電器設(shè)備、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域都有尼龍的身影。
目前，尼龍66主要是采用己二胺和己二酸縮合工藝，而己二酸主要通過硝酸氧化環(huán)己酮/環(huán)己醇制得，年產(chǎn)量達(dá)到數(shù)百萬噸。但是，此過程需要使用大量的腐蝕性強(qiáng)酸，而且會產(chǎn)生大量的NO、NO2、N2O等氣體，尤其是溫室氣體N2O，其主要排放源之一就來自己二酸的生產(chǎn)過程。除此之外，己二酸二酯廣泛用于增塑劑、香水、潤滑油、溶劑、活性藥物成分以及尼龍的生產(chǎn)等。己二酸現(xiàn)有的合成工藝，早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)成熟，近80年來，科學(xué)家們就一直在探索新的己二酸合成新方法和新工藝。 2019年12月20日，德國阿爾伯特-愛因斯坦大學(xué)的MatthiasBeller教授及其合作者在Science發(fā)表論文，報道了一種不需要硝酸就可以生產(chǎn)己二酸的全新工藝，他們采用單步鈀催化體系實現(xiàn)了丁二烯雙羰基化一步制己二酸酯，該催化體系具有高活性、高選擇性以及通用性等特點，解決了科學(xué)界和工業(yè)界數(shù)十年來的難題。德國海德堡大學(xué)-巴斯夫催化研究實驗室的Thomas Schaub撰寫了評述文章，并總結(jié)了近年來己二酸合成的最新進(jìn)展和展望。（PS：感覺巴斯夫很快要對這個專利下手了，或者已經(jīng)下手了）
從1,3-丁二烯直接羰基化說起
羰基化反應(yīng)是工業(yè)催化最重要的應(yīng)用之一，每年生產(chǎn)超過1000萬公噸的各種羰基化合物(醛、酸和酯)。盡管早在近80年前，研究人員就首次發(fā)現(xiàn)了均相催化的羰基化過程，但目前仍有幾個未實現(xiàn)的目標(biāo)，最顯著的可能就是1,3-丁二烯的直接雙羰基化，丁二烯的雙羰基化反應(yīng)將使環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)己二酸酯成為可能，而己二酸酯是聚酰胺和聚酯合成的重要單體。 丁二烯的雙羰基化反應(yīng)生成己二酸及其酯類可能是一種新的替代方法，可以避免使用硝酸和溫室氣體N2O的排放，且原料的選擇性更加靈活。但丁二烯選擇性雙羰基化生產(chǎn)己二酸及其衍生物也是十分困難的，因為它需要兩個連續(xù)的和非選擇性的羰基化才能得到以戊烯酸為中間體的目標(biāo)產(chǎn)物。 在早期的研究中，該反應(yīng)需要分兩步進(jìn)行，丁二烯羰基化反應(yīng)生成3-戊二酸，然后用均相鈷、鈀或銠催化劑使3-戊二酸羰基化反應(yīng)生成己二酸。這兩個步驟的條件和催化劑都需要仔細(xì)選擇，因為有許多潛在的不需要的副產(chǎn)品，如同分異構(gòu)體或聚合物。分別優(yōu)化后的反應(yīng)不相容，不能發(fā)展成一個高效的單步反應(yīng)。 幾十年來，包括巴斯夫、杜邦、殼牌、陶氏、庫拉雷和中石化在內(nèi)的許多公司，都在研究通過丁二烯二羰基化反應(yīng)獲得己二酸酯的可行性。雖然研究人員已經(jīng)在實驗室對多種反應(yīng)體系進(jìn)行了研究，但其工業(yè)化過程都面臨著活性不足、選擇性不足或兩者兼而有之的問題。
到底有多難
近年來，丁二烯雙官能化制己二酸的方法有了新的發(fā)展。Mormul等人報道了在乙醇存在下，銠催化雙氫甲酰化形成乙醛保護(hù)的己二醛中間體，中間體可被氧化為己二酸。氧化后以丁二烯為基礎(chǔ)的己二酸的總產(chǎn)率為52%，雖然在氫甲酰化步驟中實現(xiàn)了對線性中間體的雙官能化，但其經(jīng)濟(jì)可行性還不夠高，需要進(jìn)一步改進(jìn)。 Tortajada等人最近報道了使用鎳催化劑使丁二烯與二氧化碳發(fā)生雙羧基化反應(yīng)，該反應(yīng)以不飽和二酸為中間體進(jìn)行，然后用相同的催化劑加氫，因為它使用了二氧化碳作為原料，同時采用了儲量豐富的金屬作為催化劑，但己二酸的產(chǎn)率只有61%，第一步需要添加錳作為輔助試劑，阻礙了該體系在大宗化工生產(chǎn)中的應(yīng)用。 也就是說，1,3-丁二烯的直接羰基化為工業(yè)上重要的己二酸衍生物的生產(chǎn)提供了一種更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的途徑。然而，由于區(qū)域異構(gòu)羰基化和異構(gòu)化的復(fù)雜反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，始終沒有找到高選擇性的實用催化劑。
新突破
有鑒于此，阿爾伯特-愛因斯坦大學(xué)的Matthias Beller教授等人采用了一個吡啶基取代的雙齒膦配體的設(shè)計，該配體與鈀配合，催化1,3-丁二烯、一氧化碳和丁醇形成己二酸二酯，二烷基己二酸的產(chǎn)率≥95%，選擇性為97%，原子經(jīng)濟(jì)性為100%。這種單步催化體系作為己二酸及其酯合成的替代途徑，利用鈀催化劑將一氧化碳添加到丁二烯的每個末端且不產(chǎn)生副產(chǎn)物，具有高的活性和選擇性。該催化劑還可用于催化1,2-、1,3-丁二烯轉(zhuǎn)化為其他多種二酸酯和三酸酯。
要點1. 利用1,3-丁二烯合成己二酸酯的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)
丁二烯選擇性雙羰基化制己二酮酸及其衍生物需要兩個連續(xù)的和非選擇性羰基化達(dá)到以戊烯酸為中間體的目標(biāo)產(chǎn)物。如下圖所示，該催化過程存在多個挑戰(zhàn)：(i)催化劑必須在二烯基板上促進(jìn)兩種不同的羰基化反應(yīng)(這是以前無法實現(xiàn)的)；(ii)線性二羰基化產(chǎn)物必須是選擇性的形成，盡管最初形成的單羰基化中間體到末端烯烴的異構(gòu)化在熱力學(xué)上特別不利；(iii)其他副反應(yīng)如端粒化、氫烷氧基化和共聚合必須被抑制。
圖1 利用1,3-丁二烯合成己二酸酯的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)
要點2. 鈀催化1,3-丁二烯二羰基化的配體優(yōu)化
通過使用堿基修飾的1,2-雙[(二叔丁基膦)甲基]苯配體(L1，dtbpx)衍生物來實現(xiàn)1,3-丁二烯的選擇性二羰基化，從而用于甲基丙烯酸甲酯的批量生產(chǎn)。對該配體的初步優(yōu)化研究顯示，在120°C和40 bar CO條件下，以對甲苯磺酸為輔助催化劑制備線性己二酸二丁酯4a的活性較低，但選擇性較好。為了提高催化劑的性能，對dtbpx衍生物L(fēng)2和L3進(jìn)行了測試。然而，沒有觀察到活性的增加。因此，在這個特定的配體骨架上加入合適的堿基，應(yīng)該會增加相應(yīng)的鈀催化系統(tǒng)在烷氧羰基化反應(yīng)中的活性。事實上，使用L4大大增加了二酯的活性和產(chǎn)量(77%)，但代價是選擇性不足(48%)。考慮L4適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)性和L1合適的選擇性,設(shè)計了配體L5 (HeMaRaphos)。1,3-丁二烯的二羰基化反應(yīng)在HeMaRaphos和Pd(II)三氟乙酸[Pd(TFA)2]的存在下進(jìn)行，己二酸二酯的收率為85%，線性選擇性為97%。
圖2 鈀催化1,3-丁二烯二羰基化的配體優(yōu)化
要點3. 鈀催化的1,2-和1,3-二烯的二羰基化反應(yīng)
為了了解HeMaRaphos對鈀催化劑性能的影響，該團(tuán)隊進(jìn)行了動力學(xué)監(jiān)測實驗。在前半個小時，在Pd(TFA)2、L5和對甲苯磺酸(PTSA)的原位混合物中觀察到活性鈀氫化物的形成。然后，進(jìn)行烷氧羰基化反應(yīng)，選擇性地合成正丁基-3-烯酸正丁酯3a。該中間體在90分鐘后不斷積累，達(dá)到最大產(chǎn)量50%左右，此時停止反應(yīng)，可以從反應(yīng)混合物中分離出3a，同時活性催化劑也促進(jìn)了烯烴異構(gòu)化。由于其快速轉(zhuǎn)化為線性己二酸二酯，未檢測到末端烯烴正丁基戊-4-烯酸酯3c。其次，對鈀前體、酸、溫度、壓力的影響進(jìn)行了詳細(xì)的優(yōu)化研究，進(jìn)一步提高了工藝的實用性。目標(biāo)產(chǎn)物酯的產(chǎn)率為88~95%，線性選擇性為97%。例如，在沒有額外溶劑的情況下，反應(yīng)可以在>200-g的范圍內(nèi)進(jìn)行，Pd負(fù)荷僅為0.05 mol %。除了在化工產(chǎn)業(yè)中1,3-丁二烯的二羰基化的特殊重要性，這種方法也為精細(xì)化工生產(chǎn)中其他二烯的價格穩(wěn)定提供了解決方法。為了展示該催化劑體系的通用性，該團(tuán)隊使用了15種不同的二烯烴和30多種醇合成具有高選擇性和產(chǎn)率的對應(yīng)的二酯。例如，幾個線性共軛二烯1a到1f表現(xiàn)出良好的反應(yīng)活性和區(qū)域選擇性。即使對于內(nèi)部共軛雙鍵(1f)，異構(gòu)化反應(yīng)也優(yōu)先生成末端產(chǎn)物。
圖3 鈀催化的1,2-和1,3-二烯的二羰基化反應(yīng)
未來可期 該工作提出了一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的己二酸及其酯的制備替代途徑，單步鈀催化體系用于丁二烯的雙羰基化制己二酸酯，其中鈀催化劑將一氧化碳添加到丁二烯的每個末端，沒有副產(chǎn)物，具有較高的活性和選擇性。該策略具有巨大的工藝應(yīng)用前景，但在實際應(yīng)用前，還需要解決諸如提高催化劑的長期穩(wěn)定性、尋找更簡單有效的配體、催化劑的負(fù)荷量和貴金屬的回收等問題。
參考文獻(xiàn)：
1. Ji Yang, Jiawang Liu, Helfried Neumann, 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.aaz1293
https://doi.org/10.1126/science.aaz1293
2. Thomas Schaub. Producing adipic acidwithout the nitrous oxide. Science, 2019.
DOI: 10.1126/science.aaz6459
https://doi.org/10.1126/science.aaz6459
