使用CO生產含有乙酰基(–C(O)CH3)基團的有機化學品的工藝是化學工業的基礎。每年會生產數百萬噸乙酸、醋酐等乙酰基衍生物。這些化學工業的組成部分被精制成酯、酰胺，并最終制成聚合物材料、藥品和其他消費品。
然而，乙酰基化合物的生成仍存在以下問題：
1、現有的乙酰基催化劑價格十分昂貴
商業醇和酯羰基化是目前實踐中用量最大的均相催化應用之一，大多數乙酰基是使用均相貴金屬催化劑（主要是銠和銥絡合物）在工業上生產的。
2、鎳絡合物存在解離、失活等問題
鎳絡合物曾被認為是有前途的均相羰基化催化劑，但其配體叔膦會在高CO壓力下解離，產生劇毒且無催化活性的Ni(CO)4。此外，促進劑MeI也會與游離膦配體反應形成鏻鹽[MePR3][I]，從而降低有效膦濃度。
有鑒于此，北卡羅來納大學Alexander J. M. Miller和伊士曼化學公司Javier M. Grajeda等人報道可以利用豐富的鎳與咪唑衍生的卡賓或相應的鹽配對，催化甲酯羰基化，周轉頻率（TOF）超過150 h-1，周轉數（TON）超過1600，這是與最先進的銠基系統進行比較的基準，并且大大超過了已知的三苯基膦鎳催化劑，后者在相同條件下的TOF ~ 7 h-1和TON~100。
技術方案：
1、優化了反應過程，獲得了高產率和選擇性
作者不斷地優化了羰基化反應，最終獲得了可以長時穩定的催化劑，活性和選擇性都大大提高。與 其羰基化活性比膦基催化劑增加了20倍以上，TON、產率和TOF值提高大約一個數量級。
2、探究了連續CO輸送條件下的體系放大
作者使用工業相關的酯在較大的反應器中以摩爾規模進行鎳催化的羰基化，證實了催化劑在實驗過程中保持活性，且提供了與銠催化劑相當的速率。
3、解析了鎳催化羰基化機理
作者進行了機理研究，不僅初步了解了游離卡賓的可行性，還初步了解了質子化或烷基化咪唑基團促進高活性羰基化的可行性，并指出芳基取代基是催化劑設計中的關鍵特征。
技術優勢：
1、開發了N-雜環卡賓（NHC）作為催化的最佳配體獲得了高性能催化劑
NHC基催化劑現已取代了許多傳統的膦基催化劑，由于NHC配體具有較強的給電子性質，因此與鎳具有更高的結合親和力，并且相對于膦可以更好地促進 CO解離，因此，作者制備了NHC負載的鎳催化劑為起點。
2、獲得了在低催化劑負載量下具有高活性的烷基酯羰基化條件
作者以NHC負載的鎳催化劑，觀察到純酯向乙酰基的轉化率高達60%，對應于超過1600 的周轉數(TON)和超過150 h–1的周轉頻率 (TOF)，對酸酐具有良好的選擇性，同時保持鎳和甲基的低負載量碘化物。
技術細節
反應優化
圖 鎳催化甲醇和甲酯羰基化反應
連續CO輸送條件下的放大
圖 機理研究
機理探究
圖 了解咪唑結構如何影響羰基化
總之，作者通過研究表明鎳催化劑體系可以利用多種咪唑衍生物，其性能水平遠遠超出先前帶有膦配體的鎳催化劑，甚至可以與貴金屬催化劑相媲美。這項工作利用豐富且廉價的第一行過渡金屬進行大規模羰基化反應奠定了重要的力量基礎。此外，未來該方向的發展不僅需要化學方面的進步，還需要強化對機理的理解以及連續過程的開發，還需要進行迭代風險評估、技術經濟分析和生命周期評估等。
參考文獻：
CHANGHO YOO, et al. Nickel-catalyzed ester carbonylation promoted by imidazole-derived carbenes and salts. Science, 2023, 382(6672):815-820.
DOI: 10.1126/science.ade3179
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade3179
