燕子紅，鄭源松，蔡 巖，苗志偉

（1.喀什大學 化學與環(huán)境科學學院，新疆 喀什 844006；2.天津國際生物醫(yī)藥聯(lián)合研究院，天津 300457；3.南開大學 化學學院 元素有機化學國家重點實驗室，天津 300071）

烯烴氫甲酰化反應是化工生產中應用廣泛的有機合成反應之一，該反應為烯烴在催化劑作用下與合成氣（即氫氣與CO 混合氣）反應，生成比烯烴多一個碳原子的醛類化合物，反應過程具有良好的原子經濟性［1］。2019 年，全球通過烯烴氫甲酰化反應生產的醛類化合物已超過100 Mt［2］。醛類化合物可進一步加工成醇、酯、醚、羧酸以及胺等化合物，這些產品在增塑劑、表面活性劑、藥物合成、洗滌劑和香料等方面廣泛應用，因此烯烴氫甲?；磻诠I(yè)上具有重要的應用價值［3］。

本文綜述了長鏈烯烴（碳數(shù)大于5）氫甲酰化反應的研究進展，介紹了長鏈烯烴氫甲?；磻呋瘎┧渺⑴潴w的種類及合成方法。

1 長鏈烯烴氫甲?；磻呋瘎┧渺⑴潴w

長鏈烯烴氫甲酰化反應催化劑的選擇是反應順利進行的關鍵，其中，膦配體的電子效應和空間效應對催化劑的活性與區(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構見圖1。單齒膦配體的結構相對簡單，其中，三苯基膦（配體1）是較早實現(xiàn)工業(yè)應用的膦配體。膦配體改性的銠催化劑可以使烯烴氫甲?；磻跍睾蜅l件下進行，得到的醛產物中正構醛與異構醛的摩爾比（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-辛烯氫甲酰化反應中對正壬醛的區(qū)域選擇性均超過80%。Maura 等［5］使用配體3 改性銠催化劑，在1-辛烯氫甲酰化反應中的正異比達2.20。Deshmukh 等［6］使用配體4 改性銠催化劑，在1-辛烯氫甲?；磻袑φ扇┑膮^(qū)域選擇性超過60%。

圖1 典型單齒膦配體的結構Fig.1 Structure of typical monodentate phosphine ligand.

Fleming 等［7］認為，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，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)的過渡金屬，能夠促進CO 與過渡金屬中心解離?？紤]到膦配體的電子效應，亞磷酸酯類膦配體（結構見圖2）逐漸受到廣泛關注。Selent 等［8］采用配體5 改性銠催化劑，在1-辛烯氫甲?；磻械恼惐冗_1.57。Dabbawala 等［9］采用配體6 改性銠催化劑，在1-己烯氫甲酰化反應中對正構醛的選擇性超過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斜憩F(xiàn)出較好的區(qū)域選擇性，對正構醛的選擇性分別為66%和63%。

圖2 亞磷酸酯類膦配體的分子結構Fig.2 Molecular structure of phosphite ligands.

單齒亞磷酸酯類配體在烯烴氫甲酰化反應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)上的廣泛應用［11］。通過改變膦配體的分子結構能夠有效改善催化劑活性和區(qū)域選擇性，因此，基于磷雜苯結構的膦配體（結構見圖3）逐漸受到研究者的關注。Breit等［12］將含磷雜苯結構的膦配體與乙酰丙酮二羰基銠（Rh（CO）2（acac））反應制成絡合物，用于1-辛烯氫甲?；磻?，采用配體8 時單位時間內生成目標產物的轉化量（TOF）達到2 801 h-1，正異比為2.00；采用配體9 時的TOF 為2 443 h-1，正異比為1.80；采用配體10 時的TOF 達到5 751 h-1，正異比高達3.30；采用配體11 時的TOF 為1 951 h-1，正異比為2.00。配體10 制備的催化劑在反應中表現(xiàn)出較高的催化活性和區(qū)域選擇性。實驗結果表明，催化劑的活性和區(qū)域選擇性除了受電子效應影響外，磷原子鄰位的空間位阻也是影響烯烴氫甲酰化反應正異比的重要因素。

圖3 含磷雜苯結構的膦配體的結構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，更容易與過渡金屬配位，形成至少含有兩個磷原子中心的中間體，從而促進反應進行。1992 年，Casey 等［13］研究了雙齒膦配體的分子結構，對一些典型雙齒膦配體（結構見圖4）對1-己烯氫甲酰化反應區(qū)域選擇性的影響進行了比較，結果見表1。由表1 可知，在與二羰基銠絡合催化1-己烯的氫甲?；磻?，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）來評估雙齒膦配體的空間效應對催化劑的影響。Casey 等認為，配體12 在烯烴氫甲?；磻羞x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，猜測可能是因為配體14 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構Fig.4 Typical bidentate phosphine ligand structure.

表1 銠-雙膦配體催化劑催化1-己烯氫甲酰化反應結果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構的雙（齒）膦配體。van der Veen 等［15］報道了具有相似結構的Xantphos 系列配體（結構見圖5），及其在1-辛烯氫甲?；磻械慕Y果（見表2）。由表2 可知，Xantphos 系列配體與Rh（CO）2（acac）絡合催化1-辛烯氫甲?；磻獣r，對正構醛的選擇性與催化劑配體形成的咬角成正比。當P—Rh—P 之間的咬角從配體17 的102°提高到配體25 的120°時，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Y果Table 2 Results of 1-octene hydroformylation with Xanthos ligands

圖5 Xantphos 系列配體的結構Fig.5 Structures of Xanthos series ligands.

在含有N—P 鍵結構的催化劑配體方面，Jia 等［16］報道了雙齒亞磷酰胺配體26 與Rh（CO）2（acac）絡合催化1-己烯氫甲?；磻慕Y果，正異比達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 與金屬銠絡合，在1-辛烯氫甲?；磻?，含有吡咯基的亞磷酰胺配體26 對正構醛的選擇性達到92%，苯基取代的配體27 對正構醛的選擇性為85%。由此可見，吡咯基團與苯基的電子效應差異是影響烯烴氫甲?；磻x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 的結構見圖6。

圖6 雙齒亞磷酰胺配體26 和雙齒亞膦酸酯配體27 的結構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，減少了反應過程中膦配體的用量，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一步增強。研究結果表明，雙齒亞磷酰胺配體26 產生高區(qū)域選擇性的原因是吡咯基團的強吸電子性質。因此，Yan 等［18］設計合成了具有吡咯基對稱結構的四齒膦配體28。在配體28 與銠絡合催化1-辛烯的氫甲?；磻?，正異比高達372.00。而雙齒膦配體26 在同樣的反應條件下催化1-辛烯氫甲酰化反應的正異比為74.10。在磷酸酯類配體方面，Zhang 等［19］采用配體29 與Rh（CO）2（acac）絡合催化1-辛烯氫甲?；磻?，正異比達65.00。同樣的反應條件下，四齒膦配體對正構醛選擇性總是優(yōu)于相應的雙齒膦配體。四齒膦配體結構見圖7。

圖7 含O—P 鍵的四齒膦配體結構Fig.7 Structures of tetraphosphorus ligands containing O—P bond.

2010 年，Yu 等［20］設計合成了類似配體12 結構的基于聯(lián)苯骨架的四齒膦配體（結構見圖8），該配體30 與Rh（CO）2（acac）絡合催化1-辛 烯的氫甲?；磻磻獪囟葹?00 ℃時，正異比為50.50；同樣條件下采用配體12 時，正異比為45.20。當其他條件不變，將反應溫度升高到140 ℃，采用配體30 時，正異比為45.20，而采用配體12時正異比僅為2.40。與相應的雙齒膦配體相比，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構Fig.8 Structure of tetraphosphorus ligand based on a biphenyl backbone.

2 長烯烴氫甲酰化反應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）的復合物應用于芳基碘苯（31）與二苯基膦（32）的交叉偶聯(lián)反應，在惰性氣體保護下制備了配體1，收率為86%。這種介孔硅材料復合催化劑可以至少重復使用7 次，降低了生產成本，同時也避免了單獨使用過渡金屬銅、鈀、鎳催化可能造成的重金屬污染問題。配體1 的合成見圖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%。該反應提供了一種無鹵素、無過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”的產生。配體2 的合成見圖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，制備了配體21，收率為95%［25］。該反應具有路線短、后處理簡單、原料較為便宜的優(yōu)點。配體21 的合成見圖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)生親核取代反應合成配體26，收率為68%。后處理采用較為簡便的重結晶方法進行產物提純。配體26 的合成見圖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，得到的2-碘-1，3-二甲氧基苯（39）通過Ullmann偶聯(lián)反應發(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）反應得到四齒膦配體28，收率為70%。配體28 的合成見圖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）為原料通過臭氧化開環(huán)反應，在碘化鈉存在下進行偶聯(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）。因為中間體（45）與二苯基膦反應會產生復雜的混合體系，所以首先在N，N-二甲基甲酰胺中用氯化鋰將中間體（45）轉化為反應活性較差的2，2'，6，6'-四（氯甲基）-1，1'-聯(lián)苯（46），再進一步與二苯基膦的鋰鹽反應生成產物（47）?？紤]到最終產物配體30 對空氣敏感，因此先利用硼烷的四氫呋喃溶液將它保護起來，經純化后用1，4-二氮雜環(huán)［2.2.2］辛烷脫保護，得到配體30，收率為64%～79%，合成示意見圖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，以100%的收率一步轉化為2，2'，6，6'-四（氯甲基）-1，1'-聯(lián)苯（46），進一步在鋰的四氫呋喃溶液中與二苯基氯化膦反應，以90%的收率得到配體30［29］，合成示意圖見圖15 中的式（2）。該合成策略減少了合成步驟，提高了最終產物的收率。

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拇呋瘎┣绑w，在氫甲酰化反應條件下，Rh（CO）2（acac）首先與膦配體結合，形成具有催化活性的HRh（CO）（L）2絡合物（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7 d 后，得到Rh（CO）2（acac），收率為85%，合成示意見圖16 中的式（1）。2020年，中海油天津化工研究設計院有限公司［31］以Rh2O3·xH2O 為起始原料，在乙酸催化下與乙酰丙酮反應2 h，得到Rh（CO）2（acac），收率為99%，合成示意見圖16 中的式（2）。該合成方法提高了最終產物的收率，大幅縮短了反應時間，提高了經濟效益。

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

4 結語

烯烴氫甲?；磻呀洶l(fā)展成為重要的醛類化合物生產工藝之一。利用銠催化劑均相催化長鏈烯烴（碳數(shù)大于5）氫甲?；磻募夹g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的各種類型的膦配體已經被開發(fā)并應用于工業(yè)生產。盡管目前烯烴氫甲?；磻纳a工藝水平很高，但在長鏈烯烴氫甲?；磻芯糠矫嫒源嬖谠S多不足。未來圍繞長鏈烯烴氫甲?；磻獞饕_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)新型均相催化生產工藝和催化劑分離及循環(huán)套用技術，使生產工藝更簡單、更環(huán)保、更經濟；3）開發(fā)低壓長鏈烯烴氫甲?；磻a工藝，提高生產過程的安全性。未來隨著長鏈烯烴氫甲酰化反應理論研究的深入和生產水平的不斷提高，該領域一定會迎來更大的發(fā)展。