岳成光，姬文豪，馮幫滿，王美巖，馬新賓

（天津大學化工學院，綠色合成與轉化教育部重點實驗室，天津 300350）

“力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標是中國基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內在要求作出的重大戰(zhàn)略決策?！疤歼_峰、碳中和”目標的實現(xiàn)，需要各行業(yè)努力協(xié)作地加快關鍵核心技術突破和經濟結構轉型升級?；ば袠I(yè)作為低碳經濟的重要支柱，理應擔當起節(jié)能減排、調整優(yōu)化產業(yè)結構與能源結構的科技攻關重任。而綠色低碳化工體系的建立需要實現(xiàn)原料低碳化、過程低碳化、末端低碳化以及CO捕集與利用。其中CO捕集與利用是減少CO排放和保障能源安全的重要戰(zhàn)略技術選擇之一。從資源化利用的角度，CO是一種廉價易得的C資源和氧資源，將其作為原料通過化工轉化制備高附加值化學品，可將CO變“廢”為“寶”，實現(xiàn)CO的固定。但是CO整個分子處于最低能量狀態(tài)，具有熱力學穩(wěn)定性和動力學惰性，因此CO的化工轉化一般需要比較苛刻的反應條件（如高溫、高壓），且CO資源化利用的范圍也受到很大限制。因此，開發(fā)新型高效的CO轉化利用技術具有很高的社會經濟價值和生態(tài)意義。

丙烯酸（酯）是工業(yè)上十分重要的有機合成原料，其自聚或與其他單體如丙烯腈、丁二烯、氯乙烯、順酐等發(fā)生共聚，可生產合成樹脂、合成纖維、合成橡膠、涂料等廣泛應用于建筑、紡織、塑料加工、包裝材料等領域的大宗化工原料，因此其合成方法的開發(fā)與優(yōu)化具有重要意義。目前已有的丙烯酸（酯）主要合成方法有丙烯氧化法、丙烯腈水解法、乙烯酮法等，其中丙烯腈水解法和乙烯酮法由于污染環(huán)境、原料成本高、中間產物有致癌性等問題被逐漸淘汰。丙烯氧化法由于原料廉價易得、工藝可行性高，成為目前工業(yè)生產丙烯酸（酯）的主流工藝，但是該工藝的物料消耗和能耗還有待進一步優(yōu)化（見表1）。

表1 丙烯酸（酯）主要合成工藝對比

以CO為羧基源與不飽和烴發(fā)生羧化偶聯(lián)反應，是一種新型、綠色、具有應用潛力的丙烯酸及其衍生物合成方法，同時也是實現(xiàn)CO高值化利用的有效途徑。根據反應原料和機理的不同，該工藝主要有三條路徑：CO與烯烴的偶聯(lián)羧化、CO與炔烴的還原羧化以及CO與聯(lián)烯的還原羧化（圖1）。本文將詳細介紹近年來以CO為羧基源合成丙烯酸及其衍生物的研究進展，著重描述在上述三條路線中不同金屬催化劑的催化特點及其作用機制。

圖1 CO2為羧基源的丙烯酸及其衍生物合成路線

1 CO2與烯烴偶聯(lián)羧化

1.1 鎳催化CO2與烯烴偶聯(lián)羧化

19 世紀80 年代，Hoberg 等發(fā)現(xiàn)CO與烯烴可在金屬絡合物（LM）上發(fā)生偶聯(lián)羧化反應，生成金屬雜環(huán)內酯。當Ni作為金屬絡合中心時，乙烯、CO與Ni 絡合物形成的鎳內酯可以水解得到丙酸[圖2(a)]。當使用苯乙烯代替乙烯參與上述反應時，水解溫度為60℃得到的產物為飽和羧酸（苯丙酸）；水解溫度為85℃生成的產物為,-不飽和羧酸（肉桂酸）且收率能夠達到70%[圖2(b)]。可以看出較高的水解溫度能夠促進鎳內酯中-H 的消除，這也說明-H 的消除是產物形成不飽和碳碳雙鍵的關鍵因素。因此，研究者們設想如果能夠通過條件優(yōu)化，實現(xiàn)乙烯鎳內酯的-H 消除，將有可能經由CO與乙烯制備得到丙烯酸。此外，上述偶聯(lián)羧化反應需要化學計量的Ni(DBU)（DBU為1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯）促進，且在反應結束后，體系中的Ni(DBU)無法再生。Hoberg等認為反應過程中-H 消除后會由Ni 向配體DBU 轉移，使得鎳絡合物失活。

圖2 Ni(0)促進CO2與乙烯偶聯(lián)羧化反應與Ni(0)促進CO2與苯乙烯偶聯(lián)羧化反應

2006年，F(xiàn)ischer等發(fā)現(xiàn)可以通過調控鎳絡合物的配體類型來促進鎳內酯的-H 消除。其中，雙二苯基膦類配體[如雙(二苯膦基)甲烷，dppm]對鎳內酯-H 消除的促進作用最佳（圖3）。但是，鎳內酯經-H 消除后，容易形成穩(wěn)定的Ni-Ni二聚物，使得丙烯酸無法順利脫離。

圖3 雙二苯基膦類配體-Ni促進的CO2與乙烯的反應路徑圖[12]

Graham等利用密度泛函理論（DFT）對Hoberg等提出的丙烯酸生成路徑以及催化劑失活路徑進行了理論計算。計算發(fā)現(xiàn)，Ni催化CO與烯烴生產丙烯酸路經可分為三個部分（圖4），其中-H 消除所需能量最高，這一結果與實驗結果相一致。對催化劑失活反應的研究表明，H 從Ni 中心轉移到DBU，必須克服150.2kJ/mol 的能壘，而且生成的產物相對于初始反應物的能量為+102.6kJ/mol，從而排除了該氫轉移路徑是催化劑失活的原因。他們認為整體反應熱力學是導致該催化反應無法順利進行的主要原因。此外，DFT計算結果表明，鎳氧五元雜環(huán)中Ni—O的延長能夠在一定程度上減弱環(huán)的應力作用，利于-H的消除。

圖4 Ni(DBU)2促進CO2與乙烯偶聯(lián)羧化反應的主要反應步驟及其過渡中間體的相對能量[13]

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究者們設想通過引入開環(huán)劑誘導Ni—O 斷裂，進而促進后續(xù)反應的進行。Bruckmeier 等采用碘甲烷（MeI）對鎳氧五元雜環(huán)進行原位甲基化處理，促進了Ni—O的斷裂，首次成功地從鎳內酯中解離得到丙烯酸甲酯，產率為33%。雖然該研究最終沒能實現(xiàn)催化循環(huán)，但是其通過原位甲基化策略突破了CO與乙烯偶聯(lián)羧化反應過程中較具挑戰(zhàn)的兩步：實現(xiàn)了-H 的消除以及丙烯酸酯的釋放（圖5）。這些發(fā)現(xiàn)對于后續(xù)研究具有十分重要的參考價值與指導意義。

圖5 MeI參與的Ni(0)催化CO2與乙烯偶聯(lián)羧化機理[14]

2011 年，Lee 等在Bruckmeier 等工 作的基礎上較為系統(tǒng)地考察了不同配體對反應結果的影響。結果表明，,,′,′-四甲基乙二胺、雙(二苯基膦基)乙烷、雙(二苯基膦基)丙烷作為配體時，對應的鎳內酯能夠開環(huán)生成丙烯酸甲酯；而當雙(二苯基膦基)丁烷和吡啶作為配體時，對應的鎳內酯不發(fā)生反應。這一現(xiàn)象可能與不同配體的電子和空間效應不同有關。此外，他們認為MeI參與的A物種的開環(huán)過程是關鍵反應步驟（圖6），增加MeI的比例可促進該步驟的正向進行，進而提高丙烯酸甲酯產率。

圖6 MeI參與的鎳內酯開環(huán)反應步驟及其理論計算能壘[15]

2012 年，Lejkowski 等首次 實現(xiàn)了Ni(0)催化CO和乙烯偶聯(lián)羧化的催化循環(huán)，發(fā)現(xiàn)整個催化反應循環(huán)大致可以分為三個步驟：鎳內酯形成、開環(huán)以及后續(xù)的丙烯酸鈉脫去。Lejkowski 等將這三個催化步驟獨立研究，分別考察了配體結構、溶劑、反應物分壓、開環(huán)劑等因素對反應體系的影響。最終使用二叔丁基膦乙烷（dtbpe）作為Ni(0)的配體，引入叔丁醇鈉（BuONa）作為開環(huán)劑，用CO和乙烯合成出丙烯酸鈉，產率達到90%。他們發(fā)現(xiàn)該催化體系中鎳內酯的形成過程需要在高分壓CO下進行（圖7，過程A）；但對于鎳內酯開環(huán)過程B，高分壓CO會導致CO與堿生成副產物碳酸酯而消耗大量的BuONa，因此開環(huán)過程B需要在低分壓CO下進行以降低副反應發(fā)生概率；最后丙烯酸鈉的脫去在高分壓乙烯條件下更易發(fā)生。這就使得整個催化循環(huán)需要在不同反應條件下進行，從而增加了丙烯酸鈉合成工藝的復雜性，而且催化劑的周轉數較低（TON=10）。因此尋找BuONa 的合適替代品，使其能夠在體系中與CO共存而不發(fā)生副反應，應該是提高TON的有效策略之一。

圖7 Ni(dtbpe)催化CO2和乙烯偶聯(lián)羧化反應機理圖[16]

2013 年，Dong 等發(fā)現(xiàn)三(五氟苯基)硼烷能夠快速促進1,1-雙(二苯基膦基)二茂鐵(dppf)鎳內酯的開環(huán)以及-H消除。與之前研究不同的是，鎳內酯開環(huán)后的熱力學產物為(dppf)Ni(CH(CH)COBAr)。這表明-H消除后的瞬態(tài)產物不穩(wěn)定，會經由2,1-插入生成鎳氧四元雜環(huán)。該物質在叔丁基氨三吡啶膦（BTPP）或DBU 等有機堿作用下能夠得到丙烯酸鹽-Ni(Ⅱ)的絡合物，但不能發(fā)生進一步的解離得到丙烯酸鹽（圖8）。雖然該研究未能實現(xiàn)整個反應的催化循環(huán)，但是他們將Lewis 酸引入的策略很好地促進了鎳內酯絡合物的開環(huán)，為叔丁醇鈉這類Br?nsted堿型開環(huán)劑找到了合適的替代品，理論上能夠避免開環(huán)劑與CO發(fā)生副反應。

圖8 Lewis酸為開環(huán)劑參與的Ni(0)催化CO2與乙烯偶聯(lián)羧化反應路徑[17]

隨后，Hendriksen 等以LiI 作為Lewis 酸，三乙基胺作為堿，來促進鎳內酯的開環(huán)以及-H 消除，實現(xiàn)了CO與乙烯的偶聯(lián)羧化合成丙烯酸鋰（圖9）。他們考察了不同雙膦配體結構對催化反應的影響，發(fā)現(xiàn)1,3-雙(二環(huán)己基膦)乙烷（dcpe）作為配體時，反應結束后混合物會變?yōu)樽仙f明生成了無催化活性的[(dcpe)NiI][Ni(Ⅱ)]副產物，為了將Ni(Ⅱ)副產物還原，體系中需要額外加入鋅粉作為還原劑來實現(xiàn)整個催化反應循環(huán)。而1,3-雙(二環(huán)己基膦)丙烷（dcpp）作為配體時，改變了Ni 絡合物中螯合環(huán)的大小和金屬配位角，使得上述類似的Ni(Ⅱ)副產物的生成被抑制，此時無需還原劑的加入，整個催化反應循環(huán)也能順利進行。此外，他們還考察了反應體系中乙烯和CO的分壓對反應的影響，發(fā)現(xiàn)通過增加乙烯/CO的分壓比能促進丙烯酸鈉的脫去從而提高TON。最終他們通過優(yōu)化反應條件，在無鋅粉加入情況下使得整個催化體系的TON 達到16；如果將催化劑濃度減半并額外加入鋅粉作為還原劑，TON能夠提高到21。

圖9 LiI參與的Ni(0)催化CO2與乙烯偶聯(lián)羧化反應[18]

同年，Huguet等在已有研究的基礎上對該反應體系中的開環(huán)劑、配體、溫度、壓力、溶劑等因素進行了系統(tǒng)的考察。他們發(fā)現(xiàn)：2-氟苯酚鈉具有堿性強且弱親核性的性質，既能實現(xiàn)-H消除，又能與CO共存從而避免自身發(fā)生副反應而被消耗。在使用2-氟苯酚鈉作為開環(huán)劑，(,’)-(+)-1,2-雙(叔丁基甲基膦基)苯（BenzP）作為配體，THF為溶劑，CO分壓為20bar（1bar=10Pa）、CH分壓為10bar，反應溫度100°C，采用鋅粉為還原劑時，該催化體系的TON能夠達到107，產物為丙烯酸鈉。

經過不斷探索與創(chuàng)新，Ni催化烯烴與CO羧化加成反應體系有了長足的發(fā)展，實現(xiàn)了由化學計量反應向催化反應的跨越。而且在此過程中研究者們作出很多富有創(chuàng)意的嘗試，這些進步不僅促進了該催化體系的性能提升，而且相關的思路和方法也值得其他類似體系的研究者們參考。在此，本文對上述多種Ni促進的乙烯與CO羧化加成反應體系進行了歸納總結，并對比了幾種實現(xiàn)Ni 催化的乙烯與CO羧化加成的反應體系（見表2）。可以看到，在Lejkowski 等開創(chuàng)性地以兩步法實現(xiàn)Ni(0)催化CO和乙烯偶聯(lián)羧化的催化循環(huán)后，Hendriksen和Huguet等在此基礎上對該反應體系中的開環(huán)劑、配體、還原劑、溫度、壓力、溶劑等因素進行進一步優(yōu)化，并分別實現(xiàn)了該催化體系的一鍋法反應以及TON 的顯著提升，他們的努力使得該催化體系有了工業(yè)放大的可能性。

表2 Ni催化乙烯與CO2羧化加成反應體系對比

2015 年，Jevtovikj 等報道了鎳絡合物能夠催化乙烯以外的烯烴生成丙烯酸的衍生物,-不飽和羧酸鹽。而且他們對反應路徑提出了更加詳細的分析：在鎳絡合物的催化下，含有取代基的烯烴可以通過鎳-烯烴絡合物的形式與CO發(fā)生羧化反應生成鎳內酯絡合物，然后離解得到鎳-不飽和羧酸鹽絡合物，乙烯與不飽和羧酸鹽替換完成催化循環(huán)并生成,-不飽和羧酸鹽（圖10）。與乙烯作為底物時不同的是，取代烯烴作為底物時，鎳內酯的形成是整個催化反應的關鍵步驟。

圖10 Ni催化取代烯烴與CO2羧化反應生成α,β-不飽和羧酸鹽的反應機理圖[20]

1.2 鈀催化CO2與烯烴偶聯(lián)羧化

Pd與Ni性質相似，也能形成鈀氧五元雜環(huán)中間體。Stieber等采用(COD)PdCl/1,2-雙(二環(huán)己基膦基)乙烷（dcpe）為催化劑、2-氟苯酚鈉為開環(huán)試劑，研究了Pd(0)催化CO與乙烯的偶聯(lián)羧化反應（圖11）。反應需加入鋅粉作為還原劑，且TON僅有29，遠小于對應的鎳絡合物催化劑。研究者發(fā)現(xiàn)反應過程中2-氟苯酚鈉與CO生成的羧酸鹽與關鍵中間體鈀內酯會發(fā)生副反應生成無催化活性的Pd(Ⅱ)絡合物，這可能是該催化體系效率不高的原因。

圖11 (COD)PdCl2催化CO2與乙烯的偶聯(lián)羧化反應機理圖[21]

Manzini 等在Stieber 等研究基礎上，將反應溶劑由四氫呋喃改為苯甲醚，使用高親脂性的2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚鈉替換2-氟苯酚鈉，在無需額外添加Zn 粉作還原劑的條件下，催化劑的TON達到了106。研究者認為活性的提高與丙烯酸鈉和2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚在苯甲醚中溶解度低有關。結合上述Stieber等的研究發(fā)現(xiàn)，認為較低的產物濃度促進了主反應的正向進行而降低了副反應發(fā)生的概率，從而提高了催化反應效率。值得注意的是，他們使用Pd(PPh)[Pd(0)前體]代替了(COD)PdCl[Pd(Ⅱ)前體]，因此體系中無需額外加入鋅粉作為還原劑。這一改進不僅簡化了丙烯酸鈉的生產工藝，還降低了其生產成本。

為了滿足工業(yè)化放大的需求，Manzini等對以上催化體系作了進一步優(yōu)化。他們發(fā)現(xiàn)以[Pd(PPh)/dcpe]為催化劑時，采用酰胺作為溶劑能明顯提高反應TON，推測酰胺作為溶劑具有較大CO溶解度，而高CO濃度利于穩(wěn)定活性物質促進鈀內酯的形成并抑制低聚物的形成，從而提高反應的TON。當使用-環(huán)己基吡咯烷酮（CHB）作為溶劑時，TON最高達到514。更重要的是，由于使用了酰胺溶劑，催化劑能夠直接經由相分離回收循環(huán)而不需要額外的再生步驟（圖12）。此外，將叔丁醇鈉或異丙醇鈉作為堿加到體系中，由于其對應醇的沸點較低，因此可以采用分餾加堿化的方式進行循環(huán)。這大大簡化了其化工過程并降低了其能耗與生產成本，使得CO與乙烯合成丙烯酸的工藝向工業(yè)放大邁出了重要的一步。

圖12 Pd催化CO2與乙烯合成丙烯酸鈉的工藝概念圖[23]

可以看到，Ni催化CO與乙烯偶聯(lián)羧化反應的相關研究雖然未能實現(xiàn)工業(yè)化，但是其對于該反應體系相關機理的探究具有很大價值。研究者們?yōu)榱舜蛲ǚ磻h(huán)中鎳內酯的開環(huán)以及-H消除過程，進行了包括優(yōu)化配體、更換開環(huán)劑等很多嘗試，這些研究發(fā)現(xiàn)也為后續(xù)Pd 催化劑的性能改善提供了很好的理論支持。就目前來看，Pd 催化劑在該體系中表現(xiàn)出較優(yōu)的催化性能，已有研究者開發(fā)出對應的催化工藝流程，這為實現(xiàn)Pd 催化CO與乙烯偶聯(lián)羧化反應制備丙烯酸類衍生物的工業(yè)化邁出重要一步。

除了Ni、Pd類金屬催化劑，Mo/W、Fe、Pt、Rh等金屬絡合物催化的CO與烯烴偶聯(lián)羧化反應也得到研究，但催化效果均不理想，在此不作詳細介紹。

2 CO2與炔烴的還原羧化

炔烴相對于烯烴更活潑，理論上CO與炔烴的羧化反應更易發(fā)生，因此CO與炔烴還原羧化制備丙烯酸衍生物的研究一直備受關注。與烯烴的偶聯(lián)羧化類似，鎳絡合物也是CO與炔烴反應制備丙烯酸衍生物體系的主要催化劑。炔烴本身具有2個不飽和度，生成的鎳內酯無需經歷-H 消除即可得到丙烯酸或其衍生物。且考慮到炔烴結構的可修飾性，該反應更適用于含有取代基的高附加值丙烯酸衍生物的制備。

2.1 鎳催化CO2與炔烴還原羧化

1982 年，Hoberg 等發(fā)現(xiàn)將CO鼓泡通入含有2-丁炔、Ni(CDT)和四甲基乙二胺的混合物時，能夠生成五元鎳內酯（產率為65%）。鎳內酯經由酸解后可以得到二甲基-2丁烯酸（圖13）。由于炔烴更好的反應活性，該反應無需加壓或引入開環(huán)劑。這明顯改善了CO基丙烯酸衍生物的制備條件。

圖13 Ni(CDT)促進的CO2與2-丁炔還原羧化反應[37]

對于該反應路線，非對稱炔烴的產物會有多種同分異構體，如何提高產物的區(qū)域選擇性成為一個挑戰(zhàn)。1991年，Dérien等開發(fā)了一種使用Ni(bpy)(BF)為催化劑、(TBA)BF為電解質、DMF 為溶劑的電化學方法，用于促進CO與炔烴的還原羧化。在50mA恒流的單室碳/鎂電池中能夠實現(xiàn)端炔和內炔向,-不飽和羧酸的轉化。對于端炔，烷基取代和芳基取代對其羧化率和區(qū)域選擇性有明顯影響。其中烷基取代的末端炔烴，其主要羧化產物為符合馬氏規(guī)則的,-不飽和羧酸；而芳基取代的端炔，羧化產物中反馬氏規(guī)則的,-不飽和羧酸比例明顯提高。對于末端炔烴，CO羧化加成主要發(fā)生在空間位阻較小的碳上。

與Dérien等的研究結果不同，Saito等發(fā)現(xiàn)以DBU作為配體時，CO和端炔還原羧化的主要產物為反馬氏規(guī)則的,-不飽和羧酸（圖14）。他們認為不同的反應結果與配體有關：當使用DBU 作為配體時，Ni(DBU)與炔烴之間的作用更強，體系中鎳活化炔烴物種f較為穩(wěn)定且濃度較高，這促進了f與CO加成反應的正向進行，從而利于生成動力學有利的中間體g，其水解后的產物為反馬氏規(guī)則的,-不飽和羧酸；而使用bpy作為配體時，Ni(bpy)與炔烴之間的作用較弱，這使得Ni(bpy)-炔烴物種b在體系中的濃度較低，因此動力學有利的中間體c形成后會由于逆反應的存在，無法參與進一步的水解反應，而熱力學有利的中間體d形成后較為穩(wěn)定，因此生成馬氏規(guī)則的,-不飽和羧酸的速率更快。Graham 等通過DFT 計算也進一步證實了這種區(qū)域選擇性受熱力學和動力學控制。

圖14 Dérien和Saito報道的Ni(0)促進的CO2與炔烴的還原羧化反應對比[39]

Takimoto 等通過在反應體系中引入有機鋅試劑，能夠在溫和條件下實現(xiàn)炔烴還原羧化的同時引入另外一個有機基團，得到高區(qū)域選擇性的,’-雙取代的,-不飽和羧酸，如圖15(a)所示。值得注意的是，當使用EtZn 作為有機鋅試劑時，反應的主要產物是化合物Ⅵ′（沒有發(fā)生乙基取代）。而使用其他有機鋅試劑如BuZnI 時，即使其位上有H 原子，也不會發(fā)生-H 消除，可見EtZn 在該反應中具有一定的特殊性。設想機理如圖15(b)所示，當R′為乙基時，Ⅲ′會首先發(fā)生-H 消除，脫掉一分子乙烯，得到中間體Ⅳ′，Ⅳ′發(fā)生還原消除得到鋅鹽Ⅴ′，Ⅴ′水解酸化后得到,-不飽和羧酸Ⅵ′。后來，Shimizu 等發(fā)現(xiàn)在體系中加入過量DBU，使其與烷基鋅形成配合物，可有效促進轉移金屬化過程，進而提高產率。

圖15 有機鋅參與的Ni(0)促進CO2與炔烴還原羧化反應路徑圖與雙乙基鋅參與的Ni(0)促進CO2與炔烴的還原羧化反應路徑圖[41]

Aoki 等基于DBU 配體設計了型雙脒配體（圖16），并研究了其對Ni 催化CO與炔烴還原羧化制丙烯酸衍生物反應的影響。他們發(fā)現(xiàn)配體結構是影響產物區(qū)域選擇性的重要因素。當型雙脒配體的R′是甲基或者丁基時，得到反馬氏規(guī)則產物（＞98%）；而R′為H時，得到的是馬氏規(guī)則產物。該研究通過調控配體結構能夠讓產物的區(qū)域選擇性反轉，為專一區(qū)域選擇性丙烯酸衍生物的制備提供了可借鑒的方案。

圖16 endo型雙脒配體結構[43]

2011 年，上海有機所麻生明院士團隊設計了一條不經由鎳氧五元雜環(huán)中間體的反應路徑，首次實現(xiàn)了鎳催化的CO與炔烴還原羧化反應。在Ni(COD)（物質的量分數1%～3%）催化下，EtZn先COD 與炔烴形成烯基鋅，CO繼而插入到被Zn取代的碳原子上，最后Ni 通過還原消除得以實現(xiàn)催化循環(huán)，同時得到產物丙烯酸鋅鹽（圖17）。

圖17 Ni(0)催化的CO2與炔烴還原羧化機理[44]

2015年，意大利Martin課題組發(fā)現(xiàn)使用醇代替敏感的有機鋅作為質子源，可實現(xiàn)鎳催化CO與芳基炔烴高區(qū)域選擇性還原羧化，該路徑條件溫和、底物適用性廣。由于芳基取代基的空間和電子效應，羧化產物幾乎全是-苯基-,-不飽和酸，區(qū)域選擇性專一（圖18）。但是，反應需加入化學計量的Mn粉參與Ni物種的還原，以實現(xiàn)Ni(0)的再生循環(huán)?；诖朔椒?，Saito等高選擇性地得到了-取代--氨基丙烯酸，進一步對其不對稱氫化能夠得到-取代--氨基酸，這為手性-取代--氨基酸類物質的合成提供了一條新路徑。

圖18 醇作為質子源參與的Ni(0)催化CO2與芳炔羧化機理[45]

上述介紹的CO與炔烴還原羧化制丙烯酸衍生物研究中，對Ni 絡合物結構、配體類型、添加劑等對反應活性及區(qū)域選擇性的影響規(guī)律的考察對后續(xù)研究具有重要參考價值。尤其是還原劑的引入，促進了活性Ni物種的催化循環(huán)，為以CO和炔烴為原料制備丙烯酸及衍生物的進一步工業(yè)應用提供了研究基礎。

2.2 其他金屬催化CO2與炔烴還原羧化

Fujihara 等以(EtO)SiH 作為還原劑、含氮雜環(huán)卡賓為配體，首次使用IMesCuF 催化CO與炔烴的還原羧化反應，得到丙烯酸硅酯衍生物，經進一步酸化可得取代丙烯酸。該反應中CO插入烯基銅物種B 生成C 物種的過程需要較高的反應溫度（65℃)，而其他化學反應過程均能在室溫條件下進行，因此可以判定該反應過程是整個催化反應的決速步驟（圖19）。

圖19 IMesCuF催化CO2與炔烴的還原羧化反應機理[46]

受此啟發(fā)，Takimoto等利用三烷基鋁（MeAl）或二烷基氫化鋁（BuAlH）將不同炔烴烷基鋁化或氫鋁化得到鏈烯基鋁化合物，然后使用氮雜卡賓銅IPrCuCl 催化其與CO羧化，得到,-不飽和羧酸。由于Cu 催化羧化反應中CO的插入是通過取代烯烴上的烷基鋁物種實現(xiàn)的，所以整個反應的區(qū)域選擇性僅由烷基鋁化或氫鋁化過程決定。而烷基鋁化或氫鋁化過程中的區(qū)域和立體選擇性能夠通過選擇不同類型的催化劑實現(xiàn)，因此經由烷基鋁化或氫鋁化以及后續(xù)的羧化能夠實現(xiàn)產物,-不飽和羧酸的構型調控。該團隊還使用IPrCuCl 作為催化劑催化CO與炔酰胺的烷基化羧化反應，在溫和條件下一鍋法能夠合成出不對稱丙烯酸衍生物,-脫氫氨基酸。

2003 年，Six首次報道了Ti(OPr)促進的CO與炔烴的還原羧化反應，不過Ti(OPr)需要先在低溫下與格氏試劑發(fā)生轉金屬化生成-環(huán)戊烯鈦催化物種。與Ni(COD)催化機制類似，鈦氧五元雜環(huán)是該過程的關鍵中間體，對其進一步酸化得到,-不飽和酸（圖20）。隨后，Shao等使用CpTiCl作為催化劑前驅體，也實現(xiàn)了CO與炔烴高效高選擇性制,-不飽和羧酸。與Six 研究不相同的是，他們認為該催化反應的循環(huán)經炔烴加氫鈦化、轉金屬化、CO羧化以及酸化水解四步完成，而沒有形成鈦氧雜環(huán)中間體（圖21）。

圖20 Ti(OiPr)4促進的CO2與炔烴還原羧化反應機理[49]

圖21 Cp2TiCl2催化CO2與炔烴的還原羧化反應機理圖[50]

與CuH物種類似，F(xiàn)eH物種也可催化CO與炔烴制丙烯酸類化合物的反應。Santhoshkumar等使用FeCl與EtMgBr 作用得到FeH 催化活性物種，經由與Cu 催化相似的炔烴加氫、CO插入、轉金屬化、酸化過程，最終得到產物,-不飽和羧酸。該方法使用無毒易得的FeCl作為催化劑前體，且反應條件溫和，產物收率高，區(qū)域選擇性專一。

此外，Co作為金屬絡合中心也可用于催化CO與炔烴的還原羧化反應。使用CoI(dppf)作為催化劑，加入鋅粉作為還原劑時，該催化體系能經由鈷氧五元環(huán)中間體得到-鋅化丙烯酸鹽，該物質中的烯基鋅部分可以被替換為各種取代基，最終制備得到多取代的丙烯酸類化合物。

3 CO2與聯(lián)烯的偶聯(lián)羧化反應

聯(lián)烯與炔烴碳碳三鍵的性質類似，由于其結構中含有兩個連續(xù)不飽和鍵，理論上聯(lián)烯能夠參與兩個分子的加成反應，這使得其與CO還原羧化產物的結構具有更高的可調控性。Takimoto 等報道了Ni(COD)促進的CO與聯(lián)烯、芳基醛的三元偶聯(lián)反應，能夠制備得到-亞甲基--羥基羧酸。該Ni(COD)/DBU體系也適用于CO與三甲基硅基聯(lián)烯羧化制備硅基取代的丙烯酸類衍生物。Tani 等以Cu 絡合物為催化劑，實現(xiàn)了對上述CO與聯(lián)烯硅羧化反應的催化循環(huán)。與Cu 催化的CO與炔烴還原羧化反應過程類似，C—Cu 鍵的形成及后續(xù)CO插入是反應的關鍵。另外，通過改變配體可實現(xiàn)反應區(qū)域選擇性的調控，使用大位阻的Me-DuPhos 作為配體，產物為-硅烷基丙烯酸，而使用PCy配體則可得到-硅甲基丙烯酸衍生物（圖22）。

圖22 不同配體對Cu絡合物催化聯(lián)烯硅羧化反應的影響[55]

過渡金屬絡合物催化不飽和烴（烯烴、炔烴和聯(lián)烯）與CO羧化反應的相關研究已經發(fā)展了幾十年，期間研究者們開發(fā)了多種過渡金屬（Ni、Pd、Co、Ti、Cu、Fe 等）作為催化劑的活性中心。就目前研究結果來看，該反應體系主要有兩種反應路徑：①金屬中心M與不飽和烴和CO形成內酯中間體（M），再經由開環(huán)、脫氫、置換等步驟生成目標產物；②金屬配合物與不飽和烴形成M—C鍵得到鏈式中間體，然后CO再插入。Ni(0)、Pd(0)和Co(Ⅰ)在合適配體存在下都有與不飽和烴和CO形成五元金屬內酯[Ni(Ⅱ)、Pd(Ⅱ)和Co(Ⅲ)]的能力，而后續(xù)該中間體開環(huán)的難易程度對其催化性能有著決定性的影響。對于具有多種氧化態(tài)的Ti，就目前研究結果來看，Ti(Ⅱ)物種能夠生成鈦內酯[Ti(Ⅳ)]，Ti(Ⅲ)物種則傾向于先與炔烴形成烯基鈦化合物中間體，再發(fā)生二氧化碳插入。對于Cu(Ⅰ)和Fe(Ⅱ)這類催化中心，由于無法再失去兩個電子，因此無法與不飽和烴和CO形成內酯，發(fā)生的是與Ti(Ⅲ)物種類似的反應路徑。因此，本文作者推測在該體系中，催化劑金屬中心的電子得失能力對催化反應路徑存在一定的影響。

此外，不同結構的不飽和烴，與CO羧化后的產物結構也有著較大區(qū)別。烯烴與CO羧化體系中乙烯與CO羧化加成制備丙烯酸是目前較有應用前景的工藝路線。如果該工藝能夠實現(xiàn)工業(yè)放大，將會在產生巨大的經濟效益的同時實現(xiàn)CO高值化轉化，助力國家“雙碳”目標的早日實現(xiàn)。對于炔烴以及聯(lián)烯與CO的羧化體系，由于產物存在區(qū)域與立體選擇性，在獲得高催化活性的同時，如何提高產物的選擇性將成為日后研究的重點。如果能夠經由該路徑實現(xiàn)不飽和烴向高區(qū)域選擇性羧化產物的高效轉化，那么對于相關精細化學品（如藥物中間體等）合成路徑的優(yōu)化將起到積極的作用。

4 結語

本文詳細介紹了CO與不飽和烴為原料通過羧化反應制備丙烯酸及衍生物的研究進展。該路線的開發(fā)不僅為丙烯酸基聚酯材料的合成提供了一條綠色可持續(xù)的原料生產路線，也為許多高附加值精細化學品的獲取提供了一種很好的制備方法。目前CO與不飽和烴制備丙烯酸的催化體系仍以金屬Ni催化為主。對于CO與烯烴的偶聯(lián)羧化路線，鎳氧五元內酯中間體的形成及-H 消除是反應進行的關鍵步驟和難點，而Ni(0)、Pd(0)催化物種的穩(wěn)定性及循環(huán)再生也是該路線需進一步突破的關鍵科學問題。炔烴和聯(lián)烯為原料時，雖無需經歷-H 消除過程，但同樣存在催化劑的循環(huán)問題。隨著研究的不斷深入，一些性能優(yōu)異的金屬催化劑也不斷被發(fā)掘，如Pd、Cu 催化劑等，但在催化活性、穩(wěn)定性、反應參數等方面仍需進一步探索?？傮w而言，以CO和不飽和烴為原料制備丙烯酸及衍生物的研究雖已實現(xiàn)了由化學計量反應向催化反應的跨越，但仍處于實驗室研發(fā)階段。相信隨著催化機理的深入探究、催化劑設計與優(yōu)化等研究工作的不斷推進，該合成路線有望實現(xiàn)工業(yè)應用，助力綠色低碳化工產業(yè)體系的建立以及我國“雙碳”目標的順利實現(xiàn)。