岳成光，姬文豪，馮幫滿，王美巖，馬新賓

（天津大學(xué)化工學(xué)院，綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

“力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)是中國(guó)基于推動(dòng)構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求作出的重大戰(zhàn)略決策?！疤歼_(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要各行業(yè)努力協(xié)作地加快關(guān)鍵核心技術(shù)突破和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。化工行業(yè)作為低碳經(jīng)濟(jì)的重要支柱，理應(yīng)擔(dān)當(dāng)起節(jié)能減排、調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)的科技攻關(guān)重任。而綠色低碳化工體系的建立需要實(shí)現(xiàn)原料低碳化、過(guò)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(shù)選擇之一。從資源化利用的角度，CO是一種廉價(jià)易得的C資源和氧資源，將其作為原料通過(guò)化工轉(zhuǎn)化制備高附加值化學(xué)品，可將CO變“廢”為“寶”，實(shí)現(xiàn)CO的固定。但是CO整個(gè)分子處于最低能量狀態(tài)，具有熱力學(xué)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)惰性，因此CO的化工轉(zhuǎn)化一般需要比較苛刻的反應(yīng)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(kāi)發(fā)新型高效的CO轉(zhuǎn)化利用技術(shù)具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)意義。

丙烯酸（酯）是工業(yè)上十分重要的有機(jī)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(chǎn)合成樹(shù)脂、合成纖維、合成橡膠、涂料等廣泛應(yīng)用于建筑、紡織、塑料加工、包裝材料等領(lǐng)域的大宗化工原料，因此其合成方法的開(kāi)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(chǎn)物有致癌性等問(wèn)題被逐漸淘汰。丙烯氧化法由于原料廉價(jià)易得、工藝可行性高，成為目前工業(yè)生產(chǎn)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(jìn)一步優(yōu)化（見(jiàn)表1）。

表1 丙烯酸（酯）主要合成工藝對(duì)比

以CO為羧基源與不飽和烴發(fā)生羧化偶聯(lián)反應(yīng)，是一種新型、綠色、具有應(yīng)用潛力的丙烯酸及其衍生物合成方法，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)CO高值化利用的有效途徑。根據(jù)反應(yīng)原料和機(jī)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(xì)介紹近年來(lái)以CO為羧基源合成丙烯酸及其衍生物的研究進(jìn)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(diǎn)及其作用機(jī)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(jì)80 年代，Hoberg 等發(fā)現(xiàn)CO與烯烴可在金屬絡(luò)合物（LM）上發(fā)生偶聯(lián)羧化反應(yīng)，生成金屬雜環(huán)內(nèi)酯。當(dāng)Ni作為金屬絡(luò)合中心時(shí)，乙烯、CO與Ni 絡(luò)合物形成的鎳內(nèi)酯可以水解得到丙酸[圖2(a)]。當(dāng)使用苯乙烯代替乙烯參與上述反應(yīng)時(shí)，水解溫度為60℃得到的產(chǎn)物為飽和羧酸（苯丙酸）；水解溫度為85℃生成的產(chǎn)物為,-不飽和羧酸（肉桂酸）且收率能夠達(dá)到70%[圖2(b)]?？梢钥闯鲚^高的水解溫度能夠促進(jìn)鎳內(nèi)酯中-H 的消除，這也說(shuō)明-H 的消除是產(chǎn)物形成不飽和碳碳雙鍵的關(guān)鍵因素。因此，研究者們?cè)O(shè)想如果能夠通過(guò)條件優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)乙烯鎳內(nèi)酯的-H 消除，將有可能經(jīng)由CO與乙烯制備得到丙烯酸。此外，上述偶聯(lián)羧化反應(yīng)需要化學(xué)計(jì)量的Ni(DBU)（DBU為1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯）促進(jìn)，且在反應(yīng)結(jié)束后，體系中的Ni(DBU)無(wú)法再生。Hoberg等認(rèn)為反應(yīng)過(guò)程中-H 消除后會(huì)由Ni 向配體DBU 轉(zhuǎn)移，使得鎳絡(luò)合物失活。

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

2006年，F(xiàn)ischer等發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)調(diào)控鎳絡(luò)合物的配體類(lèi)型來(lái)促進(jìn)鎳內(nèi)酯的-H 消除。其中，雙二苯基膦類(lèi)配體[如雙(二苯膦基)甲烷，dppm]對(duì)鎳內(nèi)酯-H 消除的促進(jìn)作用最佳（圖3）。但是，鎳內(nèi)酯經(jīng)-H 消除后，容易形成穩(wěn)定的Ni-Ni二聚物，使得丙烯酸無(wú)法順利脫離。

圖3 雙二苯基膦類(lèi)配體-Ni促進(jìn)的CO2與乙烯的反應(yīng)路徑圖[12]

Graham等利用密度泛函理論（DFT）對(duì)Hoberg等提出的丙烯酸生成路徑以及催化劑失活路徑進(jìn)行了理論計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Ni催化CO與烯烴生產(chǎn)丙烯酸路經(jīng)可分為三個(gè)部分（圖4），其中-H 消除所需能量最高，這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。對(duì)催化劑失活反應(yīng)的研究表明，H 從Ni 中心轉(zhuǎn)移到DBU，必須克服150.2kJ/mol 的能壘，而且生成的產(chǎn)物相對(duì)于初始反應(yīng)物的能量為+102.6kJ/mol，從而排除了該氫轉(zhuǎn)移路徑是催化劑失活的原因。他們認(rèn)為整體反應(yīng)熱力學(xué)是導(dǎo)致該催化反應(yīng)無(wú)法順利進(jìn)行的主要原因。此外，DFT計(jì)算結(jié)果表明，鎳氧五元雜環(huán)中Ni—O的延長(zhǎng)能夠在一定程度上減弱環(huán)的應(yīng)力作用，利于-H的消除。

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

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究者們?cè)O(shè)想通過(guò)引入開(kāi)環(huán)劑誘導(dǎo)Ni—O 斷裂，進(jìn)而促進(jìn)后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行。Bruckmeier 等采用碘甲烷（MeI）對(duì)鎳氧五元雜環(huán)進(jìn)行原位甲基化處理，促進(jìn)了Ni—O的斷裂，首次成功地從鎳內(nèi)酯中解離得到丙烯酸甲酯，產(chǎn)率為33%。雖然該研究最終沒(méi)能實(shí)現(xiàn)催化循環(huán)，但是其通過(guò)原位甲基化策略突破了CO與乙烯偶聯(lián)羧化反應(yīng)過(guò)程中較具挑戰(zhàn)的兩步：實(shí)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(duì)于后續(xù)研究具有十分重要的參考價(jià)值與指導(dǎo)意義。

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

2011 年，Lee 等在Bruckmeier 等工 作的基礎(chǔ)上較為系統(tǒng)地考察了不同配體對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。結(jié)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(shí)，對(duì)應(yīng)的鎳內(nèi)酯能夠開(kāi)環(huán)生成丙烯酸甲酯；而當(dāng)雙(二苯基膦基)丁烷和吡啶作為配體時(shí)，對(duì)應(yīng)的鎳內(nèi)酯不發(fā)生反應(yīng)。這一現(xiàn)象可能與不同配體的電子和空間效應(yīng)不同有關(guān)。此外，他們認(rèn)為MeI參與的A物種的開(kāi)環(huán)過(guò)程是關(guān)鍵反應(yīng)步驟（圖6），增加MeI的比例可促進(jìn)該步驟的正向進(jìn)行，進(jìn)而提高丙烯酸甲酯產(chǎn)率。

圖6 MeI參與的鎳內(nèi)酯開(kāi)環(huán)反應(yīng)步驟及其理論計(jì)算能壘[15]

2012 年，Lejkowski 等首次 實(shí)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(gè)催化反應(yīng)循環(huán)大致可以分為三個(gè)步驟：鎳內(nèi)酯形成、開(kāi)環(huán)以及后續(xù)的丙烯酸鈉脫去。Lejkowski 等將這三個(gè)催化步驟獨(dú)立研究，分別考察了配體結(jié)構(gòu)、溶劑、反應(yīng)物分壓、開(kāi)環(huán)劑等因素對(duì)反應(yīng)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(kāi)環(huán)劑，用CO和乙烯合成出丙烯酸鈉，產(chǎn)率達(dá)到90%。他們發(fā)現(xiàn)該催化體系中鎳內(nèi)酯的形成過(guò)程需要在高分壓CO下進(jìn)行（圖7，過(guò)程A）；但對(duì)于鎳內(nèi)酯開(kāi)環(huán)過(guò)程B，高分壓CO會(huì)導(dǎo)致CO與堿生成副產(chǎn)物碳酸酯而消耗大量的BuONa，因此開(kāi)環(huán)過(guò)程B需要在低分壓CO下進(jìn)行以降低副反應(yīng)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(gè)催化循環(huán)需要在不同反應(yīng)條件下進(jìn)行，從而增加了丙烯酸鈉合成工藝的復(fù)雜性，而且催化劑的周轉(zhuǎn)數(shù)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(yīng)，應(yīng)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(yīng)機(jī)理圖[16]

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

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

隨后，Hendriksen 等以LiI 作為L(zhǎng)ewis 酸，三乙基胺作為堿，來(lái)促進(jìn)鎳內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)以及-H 消除，實(shí)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(jié)構(gòu)對(duì)催化反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)1,3-雙(二環(huán)己基膦)乙烷（dcpe）作為配體時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后混合物會(huì)變?yōu)樽仙?，說(shuō)明生成了無(wú)催化活性的[(dcpe)NiI][Ni(Ⅱ)]副產(chǎn)物，為了將Ni(Ⅱ)副產(chǎn)物還原，體系中需要額外加入鋅粉作為還原劑來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)催化反應(yīng)循環(huán)。而1,3-雙(二環(huán)己基膦)丙烷（dcpp）作為配體時(shí)，改變了Ni 絡(luò)合物中螯合環(huán)的大小和金屬配位角，使得上述類(lèi)似的Ni(Ⅱ)副產(chǎn)物的生成被抑制，此時(shí)無(wú)需還原劑的加入，整個(gè)催化反應(yīng)循環(huán)也能順利進(jìn)行。此外，他們還考察了反應(yīng)體系中乙烯和CO的分壓對(duì)反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加乙烯/CO的分壓比能促進(jìn)丙烯酸鈉的脫去從而提高TON。最終他們通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件，在無(wú)鋅粉加入情況下使得整個(gè)催化體系的TON 達(dá)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(yīng)[18]

同年，Huguet等在已有研究的基礎(chǔ)上對(duì)該反應(yīng)體系中的開(kāi)環(huán)劑、配體、溫度、壓力、溶劑等因素進(jìn)行了系統(tǒng)的考察。他們發(fā)現(xiàn)：2-氟苯酚鈉具有堿性強(qiáng)且弱親核性的性質(zhì)，既能實(shí)現(xiàn)-H消除，又能與CO共存從而避免自身發(fā)生副反應(yīng)而被消耗。在使用2-氟苯酚鈉作為開(kāi)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(yīng)溫度100°C，采用鋅粉為還原劑時(shí)，該催化體系的TON能夠達(dá)到107，產(chǎn)物為丙烯酸鈉。

經(jīng)過(guò)不斷探索與創(chuàng)新，Ni催化烯烴與CO羧化加成反應(yīng)體系有了長(zhǎng)足的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了由化學(xué)計(jì)量反應(yīng)向催化反應(yīng)的跨越。而且在此過(guò)程中研究者們作出很多富有創(chuàng)意的嘗試，這些進(jìn)步不僅促進(jìn)了該催化體系的性能提升，而且相關(guān)的思路和方法也值得其他類(lèi)似體系的研究者們參考。在此，本文對(duì)上述多種Ni促進(jìn)的乙烯與CO羧化加成反應(yīng)體系進(jìn)行了歸納總結(jié)，并對(duì)比了幾種實(shí)現(xiàn)Ni 催化的乙烯與CO羧化加成的反應(yīng)體系（見(jiàn)表2）?？梢钥吹剑贚ejkowski 等開(kāi)創(chuàng)性地以兩步法實(shí)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(chǔ)上對(duì)該反應(yīng)體系中的開(kāi)環(huán)劑、配體、還原劑、溫度、壓力、溶劑等因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，并分別實(shí)現(xiàn)了該催化體系的一鍋法反應(yīng)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(yīng)體系對(duì)比

2015 年，Jevtovikj 等報(bào)道了鎳絡(luò)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(duì)反應(yīng)路徑提出了更加詳細(xì)的分析：在鎳絡(luò)合物的催化下，含有取代基的烯烴可以通過(guò)鎳-烯烴絡(luò)合物的形式與CO發(fā)生羧化反應(yīng)生成鎳內(nèi)酯絡(luò)合物，然后離解得到鎳-不飽和羧酸鹽絡(luò)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(shí)不同的是，取代烯烴作為底物時(shí)，鎳內(nèi)酯的形成是整個(gè)催化反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。

圖10 Ni催化取代烯烴與CO2羧化反應(yīng)生成α,β-不飽和羧酸鹽的反應(yīng)機(jī)理圖[20]

1.2 鈀催化CO2與烯烴偶聯(lián)羧化

Pd與Ni性質(zhì)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(kāi)環(huán)試劑，研究了Pd(0)催化CO與乙烯的偶聯(lián)羧化反應(yīng)（圖11）。反應(yīng)需加入鋅粉作為還原劑，且TON僅有29，遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)的鎳絡(luò)合物催化劑。研究者發(fā)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程中2-氟苯酚鈉與CO生成的羧酸鹽與關(guān)鍵中間體鈀內(nèi)酯會(huì)發(fā)生副反應(yīng)生成無(wú)催化活性的Pd(Ⅱ)絡(luò)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(yīng)機(jī)理圖[21]

Manzini 等在Stieber 等研究基礎(chǔ)上，將反應(yīng)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(wú)需額外添加Zn 粉作還原劑的條件下，催化劑的TON達(dá)到了106。研究者認(rèn)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(guān)。結(jié)合上述Stieber等的研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為較低的產(chǎn)物濃度促進(jìn)了主反應(yīng)的正向進(jìn)行而降低了副反應(yīng)發(fā)生的概率，從而提高了催化反應(yīng)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(wú)需額外加入鋅粉作為還原劑。這一改進(jìn)不僅簡(jiǎn)化了丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝，還降低了其生產(chǎn)成本。

為了滿足工業(yè)化放大的需求，Manzini等對(duì)以上催化體系作了進(jìn)一步優(yōu)化。他們發(fā)現(xiàn)以[Pd(PPh)/dcpe]為催化劑時(shí)，采用酰胺作為溶劑能明顯提高反應(yīng)TON，推測(cè)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(zhì)促進(jìn)鈀內(nèi)酯的形成并抑制低聚物的形成，從而提高反應(yīng)的TON。當(dāng)使用-環(huán)己基吡咯烷酮（CHB）作為溶劑時(shí)，TON最高達(dá)到514。更重要的是，由于使用了酰胺溶劑，催化劑能夠直接經(jīng)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(duì)應(yīng)醇的沸點(diǎn)較低，因此可以采用分餾加堿化的方式進(jìn)行循環(huán)。這大大簡(jiǎn)化了其化工過(guò)程并降低了其能耗與生產(chǎn)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(yīng)的相關(guān)研究雖然未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但是其對(duì)于該反應(yīng)體系相關(guān)機(jī)理的探究具有很大價(jià)值。研究者們?yōu)榱舜蛲ǚ磻?yīng)循環(huán)中鎳內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)以及-H消除過(guò)程，進(jìn)行了包括優(yōu)化配體、更換開(kāi)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(lái)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(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的催化工藝流程，這為實(shí)現(xiàn)Pd 催化CO與乙烯偶聯(lián)羧化反應(yīng)制備丙烯酸類(lèi)衍生物的工業(yè)化邁出重要一步。

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

2 CO2與炔烴的還原羧化

炔烴相對(duì)于烯烴更活潑，理論上CO與炔烴的羧化反應(yīng)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(guān)注。與烯烴的偶聯(lián)羧化類(lèi)似，鎳絡(luò)合物也是CO與炔烴反應(yīng)制備丙烯酸衍生物體系的主要催化劑。炔烴本身具有2個(gè)不飽和度，生成的鎳內(nèi)酯無(wú)需經(jīng)歷-H 消除即可得到丙烯酸或其衍生物。且考慮到炔烴結(jié)構(gòu)的可修飾性，該反應(yīng)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(shí)，能夠生成五元鎳內(nèi)酯（產(chǎn)率為65%）。鎳內(nèi)酯經(jīng)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(yīng)活性，該反應(yīng)無(wú)需加壓或引入開(kāi)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(jìn)的CO2與2-丁炔還原羧化反應(yīng)[37]

對(duì)于該反應(yīng)路線，非對(duì)稱炔烴的產(chǎn)物會(huì)有多種同分異構(gòu)體，如何提高產(chǎn)物的區(qū)域選擇性成為一個(gè)挑戰(zhàn)。1991年，Dérien等開(kāi)發(fā)了一種使用Ni(bpy)(BF)為催化劑、(TBA)BF為電解質(zhì)、DMF 為溶劑的電化學(xué)方法，用于促進(jìn)CO與炔烴的還原羧化。在50mA恒流的單室碳/鎂電池中能夠?qū)崿F(xiàn)端炔和內(nèi)炔向,-不飽和羧酸的轉(zhuǎn)化。對(duì)于端炔，烷基取代和芳基取代對(duì)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(chǎn)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(chǎn)物中反馬氏規(guī)則的,-不飽和羧酸比例明顯提高。對(duì)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(jié)果不同，Saito等發(fā)現(xiàn)以DBU作為配體時(shí)，CO和端炔還原羧化的主要產(chǎn)物為反馬氏規(guī)則的,-不飽和羧酸（圖14）。他們認(rèn)為不同的反應(yīng)結(jié)果與配體有關(guān)：當(dāng)使用DBU 作為配體時(shí)，Ni(DBU)與炔烴之間的作用更強(qiáng)，體系中鎳活化炔烴物種f較為穩(wěn)定且濃度較高，這促進(jìn)了f與CO加成反應(yīng)的正向進(jìn)行，從而利于生成動(dòng)力學(xué)有利的中間體g，其水解后的產(chǎn)物為反馬氏規(guī)則的,-不飽和羧酸；而使用bpy作為配體時(shí)，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(dòng)力學(xué)有利的中間體c形成后會(huì)由于逆反應(yīng)的存在，無(wú)法參與進(jìn)一步的水解反應(yīng)，而熱力學(xué)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(guò)DFT 計(jì)算也進(jìn)一步證實(shí)了這種區(qū)域選擇性受熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制。

圖14 Dérien和Saito報(bào)道的Ni(0)促進(jìn)的CO2與炔烴的還原羧化反應(yīng)對(duì)比[39]

Takimoto 等通過(guò)在反應(yīng)體系中引入有機(jī)鋅試劑，能夠在溫和條件下實(shí)現(xiàn)炔烴還原羧化的同時(shí)引入另外一個(gè)有機(jī)基團(tuán)，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(dāng)使用EtZn 作為有機(jī)鋅試劑時(shí)，反應(yīng)的主要產(chǎn)物是化合物Ⅵ′（沒(méi)有發(fā)生乙基取代）。而使用其他有機(jī)鋅試劑如BuZnI 時(shí)，即使其位上有H 原子，也不會(huì)發(fā)生-H 消除，可見(jiàn)EtZn 在該反應(yīng)中具有一定的特殊性。設(shè)想機(jī)理如圖15(b)所示，當(dāng)R′為乙基時(shí)，Ⅲ′會(huì)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(lái)，Shimizu 等發(fā)現(xiàn)在體系中加入過(guò)量DBU，使其與烷基鋅形成配合物，可有效促進(jìn)轉(zhuǎn)移金屬化過(guò)程，進(jìn)而提高產(chǎn)率。

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

Aoki 等基于DBU 配體設(shè)計(jì)了型雙脒配體（圖16），并研究了其對(duì)Ni 催化CO與炔烴還原羧化制丙烯酸衍生物反應(yīng)的影響。他們發(fā)現(xiàn)配體結(jié)構(gòu)是影響產(chǎn)物區(qū)域選擇性的重要因素。當(dāng)型雙脒配體的R′是甲基或者丁基時(shí)，得到反馬氏規(guī)則產(chǎn)物（＞98%）；而R′為H時(shí)，得到的是馬氏規(guī)則產(chǎn)物。該研究通過(guò)調(diào)控配體結(jié)構(gòu)能夠讓產(chǎn)物的區(qū)域選擇性反轉(zhuǎn)，為專(zhuān)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(jié)構(gòu)[43]

2011 年，上海有機(jī)所麻生明院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一條不經(jīng)由鎳氧五元雜環(huán)中間體的反應(yīng)路徑，首次實(shí)現(xiàn)了鎳催化的CO與炔烴還原羧化反應(yīng)。在Ni(COD)（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)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(guò)還原消除得以實(shí)現(xiàn)催化循環(huán)，同時(shí)得到產(chǎn)物丙烯酸鋅鹽（圖17）。

圖17 Ni(0)催化的CO2與炔烴還原羧化機(jī)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(jī)鋅作為質(zhì)子源，可實(shí)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(yīng)，羧化產(chǎn)物幾乎全是-苯基-,-不飽和酸，區(qū)域選擇性專(zhuān)一（圖18）。但是，反應(yīng)需加入化學(xué)計(jì)量的Mn粉參與Ni物種的還原，以實(shí)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(jìn)一步對(duì)其不對(duì)稱氫化能夠得到-取代--氨基酸，這為手性-取代--氨基酸類(lèi)物質(zhì)的合成提供了一條新路徑。

圖18 醇作為質(zhì)子源參與的Ni(0)催化CO2與芳炔羧化機(jī)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(duì)Ni 絡(luò)合物結(jié)構(gòu)、配體類(lèi)型、添加劑等對(duì)反應(yīng)活性及區(qū)域選擇性的影響規(guī)律的考察對(duì)后續(xù)研究具有重要參考價(jià)值。尤其是還原劑的引入，促進(jìn)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(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。

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(yīng)，得到丙烯酸硅酯衍生物，經(jīng)進(jìn)一步酸化可得取代丙烯酸。該反應(yīng)中CO插入烯基銅物種B 生成C 物種的過(guò)程需要較高的反應(yīng)溫度（65℃)，而其他化學(xué)反應(yīng)過(guò)程均能在室溫條件下進(jìn)行，因此可以判定該反應(yīng)過(guò)程是整個(gè)催化反應(yīng)的決速步驟（圖19）。

圖19 IMesCuF催化CO2與炔烴的還原羧化反應(yīng)機(jī)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(yīng)中CO的插入是通過(guò)取代烯烴上的烷基鋁物種實(shí)現(xiàn)的，所以整個(gè)反應(yīng)的區(qū)域選擇性僅由烷基鋁化或氫鋁化過(guò)程決定。而烷基鋁化或氫鋁化過(guò)程中的區(qū)域和立體選擇性能夠通過(guò)選擇不同類(lèi)型的催化劑實(shí)現(xiàn)，因此經(jīng)由烷基鋁化或氫鋁化以及后續(xù)的羧化能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)物,-不飽和羧酸的構(gòu)型調(diào)控。該團(tuán)隊(duì)還使用IPrCuCl 作為催化劑催化CO與炔酰胺的烷基化羧化反應(yīng)，在溫和條件下一鍋法能夠合成出不對(duì)稱丙烯酸衍生物,-脫氫氨基酸。

2003 年，Six首次報(bào)道了Ti(OPr)促進(jìn)的CO與炔烴的還原羧化反應(yīng)，不過(guò)Ti(OPr)需要先在低溫下與格氏試劑發(fā)生轉(zhuǎn)金屬化生成-環(huán)戊烯鈦催化物種。與Ni(COD)催化機(jī)制類(lèi)似，鈦氧五元雜環(huán)是該過(guò)程的關(guān)鍵中間體，對(duì)其進(jìn)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(qū)體，也實(shí)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(rèn)為該催化反應(yīng)的循環(huán)經(jīng)炔烴加氫鈦化、轉(zhuǎn)金屬化、CO羧化以及酸化水解四步完成，而沒(méi)有形成鈦氧雜環(huán)中間體（圖21）。

圖20 Ti(OiPr)4促進(jìn)的CO2與炔烴還原羧化反應(yīng)機(jī)理[49]

圖21 Cp2TiCl2催化CO2與炔烴的還原羧化反應(yīng)機(jī)理圖[50]

與CuH物種類(lèi)似，F(xiàn)eH物種也可催化CO與炔烴制丙烯酸類(lèi)化合物的反應(yīng)。Santhoshkumar等使用FeCl與EtMgBr 作用得到FeH 催化活性物種，經(jīng)由與Cu 催化相似的炔烴加氫、CO插入、轉(zhuǎn)金屬化、酸化過(guò)程，最終得到產(chǎn)物,-不飽和羧酸。該方法使用無(wú)毒易得的FeCl作為催化劑前體，且反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)物收率高，區(qū)域選擇性專(zhuān)一。

此外，Co作為金屬絡(luò)合中心也可用于催化CO與炔烴的還原羧化反應(yīng)。使用CoI(dppf)作為催化劑，加入鋅粉作為還原劑時(shí)，該催化體系能經(jīng)由鈷氧五元環(huán)中間體得到-鋅化丙烯酸鹽，該物質(zhì)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(lèi)化合物。

3 CO2與聯(lián)烯的偶聯(lián)羧化反應(yīng)

聯(lián)烯與炔烴碳碳三鍵的性質(zhì)類(lèi)似，由于其結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)連續(xù)不飽和鍵，理論上聯(lián)烯能夠參與兩個(gè)分子的加成反應(yīng)，這使得其與CO還原羧化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)具有更高的可調(diào)控性。Takimoto 等報(bào)道了Ni(COD)促進(jìn)的CO與聯(lián)烯、芳基醛的三元偶聯(lián)反應(yīng)，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(lèi)衍生物。Tani 等以Cu 絡(luò)合物為催化劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述CO與聯(lián)烯硅羧化反應(yīng)的催化循環(huán)。與Cu 催化的CO與炔烴還原羧化反應(yīng)過(guò)程類(lèi)似，C—Cu 鍵的形成及后續(xù)CO插入是反應(yīng)的關(guān)鍵。另外，通過(guò)改變配體可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)區(qū)域選擇性的調(diào)控，使用大位阻的Me-DuPhos 作為配體，產(chǎn)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(duì)Cu絡(luò)合物催化聯(lián)烯硅羧化反應(yīng)的影響[55]

過(guò)渡金屬絡(luò)合物催化不飽和烴（烯烴、炔烴和聯(lián)烯）與CO羧化反應(yīng)的相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)展了幾十年，期間研究者們開(kāi)發(fā)了多種過(guò)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(jié)果來(lái)看，該反應(yīng)體系主要有兩種反應(yīng)路徑：①金屬中心M與不飽和烴和CO形成內(nèi)酯中間體（M），再經(jīng)由開(kāi)環(huán)、脫氫、置換等步驟生成目標(biāo)產(chǎn)物；②金屬配合物與不飽和烴形成M—C鍵得到鏈?zhǔn)街虚g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(nèi)酯[Ni(Ⅱ)、Pd(Ⅱ)和Co(Ⅲ)]的能力，而后續(xù)該中間體開(kāi)環(huán)的難易程度對(duì)其催化性能有著決定性的影響。對(duì)于具有多種氧化態(tài)的Ti，就目前研究結(jié)果來(lái)看，Ti(Ⅱ)物種能夠生成鈦內(nèi)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(duì)于Cu(Ⅰ)和Fe(Ⅱ)這類(lèi)催化中心，由于無(wú)法再失去兩個(gè)電子，因此無(wú)法與不飽和烴和CO形成內(nèi)酯，發(fā)生的是與Ti(Ⅲ)物種類(lèi)似的反應(yīng)路徑。因此，本文作者推測(cè)在該體系中，催化劑金屬中心的電子得失能力對(duì)催化反應(yīng)路徑存在一定的影響。

此外，不同結(jié)構(gòu)的不飽和烴，與CO羧化后的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)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(yīng)用前景的工藝路線。如果該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)放大，將會(huì)在產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO高值化轉(zhuǎn)化，助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。對(duì)于炔烴以及聯(lián)烯與CO的羧化體系，由于產(chǎn)物存在區(qū)域與立體選擇性，在獲得高催化活性的同時(shí)，如何提高產(chǎn)物的選擇性將成為日后研究的重點(diǎn)。如果能夠經(jīng)由該路徑實(shí)現(xiàn)不飽和烴向高區(qū)域選擇性羧化產(chǎn)物的高效轉(zhuǎn)化，那么對(duì)于相關(guān)精細(xì)化學(xué)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(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了CO與不飽和烴為原料通過(guò)羧化反應(yīng)制備丙烯酸及衍生物的研究進(jìn)展。該路線的開(kāi)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(chǎn)路線，也為許多高附加值精細(xì)化學(xué)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(duì)于CO與烯烴的偶聯(lián)羧化路線，鎳氧五元內(nèi)酯中間體的形成及-H 消除是反應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵步驟和難點(diǎn)，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(jìn)一步突破的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。炔烴和聯(lián)烯為原料時(shí)，雖無(wú)需經(jīng)歷-H 消除過(guò)程，但同樣存在催化劑的循環(huán)問(wèn)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(yīng)參數(shù)等方面仍需進(jìn)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(shí)現(xiàn)了由化學(xué)計(jì)量反應(yīng)向催化反應(yīng)的跨越，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。相信隨著催化機(jī)理的深入探究、催化劑設(shè)計(jì)與優(yōu)化等研究工作的不斷推進(jìn)，該合成路線有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，助力綠色低碳化工產(chǎn)業(yè)體系的建立以及我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。