尼龍是世界上出現的第一種合成纖維，屬于聚酰胺纖維(錦綸)，它的合成不僅是纖維合成工業的重大突破，同時也是高分子化學的一個非常重要里程碑。尼龍在現代生活中隨處可見，尤其是在紡織工業中，我們所穿的衣物、電器設備、機械設備等領域都有尼龍的身影。
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己酮/環己醇制得，年產量達到數百萬噸。但是，此過程需要使用大量的腐蝕性強酸，而且會產生大量的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等。己二酸現有的合成工藝，早在20世紀40年代就已經成熟，近80年來，科學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-愛因斯坦大學的MatthiasBeller教授及其合作者在Science發表論文，報道了一種不需要硝酸就可以生產己二酸的全新工藝，他們采用單步鈀催化體系實現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，解決了科學界和工業界數十年來的難題。德國海德堡大學-巴斯夫催化研究實驗室的Thomas Schaub撰寫了評述文章，并總結了近年來己二酸合成的最新進展和展望。（PS：感覺巴斯夫很快要對這個專利下手了，或者已經下手了）
羰基化反應是工業催化最重要的應用之一，每年生產超過1000萬公噸的各種羰基化合物(醛、酸和酯)。盡管早在近80年前，研究人員就首次發現了均相催化的羰基化過程，但目前仍有幾個未實現的目標，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將使環境友好、經濟高效的生產己二酸酯成為可能，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己二酸及其衍生物也是十分困難的，因為它需要兩個連續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產物。在早期的研究中，該反應需要分兩步進行，丁二烯羰基化反應生成3-戊二酸，然后用均相鈷、鈀或銠催化劑使3-戊二酸羰基化反應生成己二酸。這兩個步驟的條件和催化劑都需要仔細選擇，因為有許多潛在的不需要的副產品，如同分異構體或聚合物。分別優化后的反應不相容，不能發展成一個高效的單步反應。幾十年來，包括巴斯夫、杜邦、殼牌、陶氏、庫拉雷和中石化在內的許多公司，都在研究通過丁二烯二羰基化反應獲得己二酸酯的可行性。雖然研究人員已經在實驗室對多種反應體系進行了研究，但其工業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。近年來，丁二烯雙官能化制己二酸的方法有了新的發展。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的己二酸的總產率為52%，雖然在氫甲酰化步驟中實現了對線性中間體的雙官能化，但其經濟可行性還不夠高，需要進一步改進。Tortajada等人最近報道了使用鎳催化劑使丁二烯與二氧化碳發生雙羧基化反應，該反應以不飽和二酸為中間體進行，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中的應用。也就是說，1,3-丁二烯的直接羰基化為工業上重要的己二酸衍生物的生產提供了一種更經濟、更環保的途徑。然而，由于區域異構羰基化和異構化的復雜反應網絡，始終沒有找到高選擇性的實用催化劑。
有鑒于此，阿爾伯特-愛因斯坦大學的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，二烷基己二酸的產率≥95%，選擇性為97%，原子經濟性為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生副產物，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網絡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的和非選擇性羰基化達到以戊烯酸為中間體的目標產物。如下圖所示，該催化過程存在多個挑戰：(i)催化劑必須在二烯基板上促進兩種不同的羰基化反應(這是以前無法實現的)；(ii)線性二羰基化產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化在熱力學上特別不利；(iii)其他副反應如端粒化、氫烷氧基化和共聚合必須被抑制。
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。對該配體的初步優化研究顯示，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L2和L3進行了測試。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，應該會增加相應的鈀催化系統在烷氧羰基化反應中的活性。事實上，使用L4大大增加了二酯的活性和產量(77%)，但代價是選擇性不足(48%)。考慮L4適當的反應性和L1合適的選擇性,設計了配體L5 (HeMaRaphos)。1,3-丁二烯的二羰基化反應在HeMaRaphos和Pd(II)三氟乙酸[Pd(TFA)2]的存在下進行，己二酸二酯的收率為85%，線性選擇性為97%。
要點3. 鈀催化的1,2-和1,3-二烯的二羰基化反應為了了解HeMaRaphos對鈀催化劑性能的影響，該團隊進行了動力學監測實驗。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，進行烷氧羰基化反應，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，達到最大產量50%左右，此時停止反應，可以從反應混合物中分離出3a，同時活性催化劑也促進了烯烴異構化。由于其快速轉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、壓力的影響進行了詳細的優化研究，進一步提高了工藝的實用性。目標產物酯的產率為88~95%，線性選擇性為97%。例如，在沒有額外溶劑的情況下，反應可以在>200-g的范圍內進行，Pd負荷僅為0.05 mol %。除了在化工產業中1,3-丁二烯的二羰基化的特殊重要性，這種方法也為精細化工生產中其他二烯的價格穩定提供了解決方法。為了展示該催化劑體系的通用性，該團隊使用了15種不同的二烯烴和30多種醇合成具有高選擇性和產率的對應的二酯。例如，幾個線性共軛二烯1a到1f表現出良好的反應活性和區域選擇性。即使對于內部共軛雙鍵(1f)，異構化反應也優先生成末端產物。
圖3 鈀催化的1,2-和1,3-二烯的二羰基化反應
該工作提出了一種經濟環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，沒有副產物，具有較高的活性和選擇性。該策略具有巨大的工藝應用前景，但在實際應用前，還需要解決諸如提高催化劑的長期穩定性、尋找更簡單有效的配體、催化劑的負荷量和貴金屬的回收等問題。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
