加氢甲酰化或羰基合成/工艺

加氢甲酰化或羰基合成用于通过烯烃化合物生产醛。 该反应由有机铑或有机钴化合物催化，并将氢原子添加至C = C键，将C——C键和甲酰基形成分子，从而产生醛。 通过加氢甲酰化形成的醛化合物是合成许多其他化合物（包括醇、胺、羧酸等）的基础。 因此，加氢甲酰化构成用于生产大宗化学品的最重要化学合成之一。 另外，在手性合成更加复杂的精细化学品和药物过程中，使用将催化剂与特定金属——配体键合结合使用的加氢甲酰化。 尽管加氢甲酰化被认为是主要的均相催化应用，但已经开发出许多异质加氢甲酰化系统，这些系统通常与不同支架上承载的的铑络合物有关。

加氢甲酰化是每年生产的数百万吨工业化学品的来源。 石化工业生产的大量1——烯烃有助于推动加氢甲酰化在工业化学工艺中的广泛使用。 尽管大多数的长链、支链和环烯烃均可加氢甲酰化，但最常见的起始化学品是乙烯和丙烯，这些化学品可产生丙醛、正丁醛和异丁醛。 可将乙烯中的丙醛加氢甲酰化，以形成增塑剂，例如：用作表面活性剂和清洁剂的邻苯二甲酸二乙酯与长碳链醇。 在开发用于非对称加氢甲酰化的催化剂，从而形成对映体特异性醛方面，外界表现出了浓厚的兴趣并且付出了巨大的努力。 而这些又转化成一系列包含不同官能团的手性特异性分子。 

整个加氢甲酰化机理众所周知，该机理中的不同步骤可形成直链或支链醛。 直链醛为大多数工业应用中的首选，因此人们对于开发可促进直链产物形成的化学反应产生兴趣。 插入氢化物与烯烃配体是形成直链或支链醛的关键步骤。 可将氢化物加入到内部双键碳或末端碳原子。 前者形成直链醛，后者形成支链醛。 在金属中心添加较大的配体是促进直链醛形成的一种方法。 例如，将三烷基膦配体（PR3）添加至HCo（CO）4催化剂可明显提高所形成直链醛与支链醛的比例。

对于催化剂，科学家已经开发出了新的钴和铑配体特异性络合物/工艺，确保能够在较低的压力和温度下进行加氢甲酰化，以及延长催化剂的使用寿命。 此外，在开发控制非对称加氢甲酰化过程中的区域选择性和对映选择性的催化剂与工艺方面，科学家也付出了巨大的努力。 铑催化剂通常在速率方面更加有效，并且可以在低于钴催化剂的温度和压力下发生作用。 不过已经开发出了与更加昂贵的铑络合物的有效性相当的新有机钴催化剂。 

非对称加氢甲酰化具吸引力，采用易于获得的烯烃和合成气体合成对映体增强醛，可通过其对具有不同功能的对映体特异性化合物进一步合成。 非对称加氢甲酰化方面存在着诸多难题，例如：达到所需选择性所需的较低反应温度导致的反应速率下降。 为了最大限度减少这些问题，非对称加氢甲酰化需要使用配体不同的有机金属催化剂（例如：与加氢甲酰化反应中所用的配体不同）。 用于非对称加氢甲酰化的配体类别包括混合膦/亚磷酸酯、二亚磷酸酯、膦酸酯等。

除了使用的催化络合物类型之外，非对称加氢甲酰化还会受到反应温度和一氧化碳压力的影响，两者均有可能改变反应动力学。 例如，在苯乙烯的非对称加氢甲酰化中，使用较高的一氧化碳压力有助于形成支链异构体，而较低的一氧化碳压力则会形成直链异构体。 原位FTIR和拉曼光谱法是研究具有新型配体的金属所产生催化作用的非对称加氢甲酰化动力学，以及确定反应变量对于达到性能所产生影响的有用方法。 更全面了解反应速率和对映体特异性之间的关系有助于确定特定催化剂络合物的最佳反应变量。 

研究加氢甲酰化催化剂以及反应条件对反应性能的影响

对于均相催化剂，原位分子光谱可提供关于存在的活性反应物种（其中一些可能为瞬态）的结构信息，。 通过测量铑和钴加氢甲酰化催化剂中的羰基带位移，可以推断出对于机理和催化途径的实质性认识。 原位光谱法还可直接测量反应变量（例如：温度与压力）对于加氢甲酰化活性和选择性的影响。 与ReactIR技术相关的金刚石衰减全反射（ATR）传感器可以轻松处理加氢甲酰化反应条件。 拉曼光谱仪可以通过压力反应器中的石英窗无创测量催化反应。 无论哪一种情况，均可在不干扰反应条件的情况下实时获取信息。 拉曼光谱法已被证明对于研究异质加氢甲酰化反应很有用。

EasyMax化学反应器配备容量为50 mL至100 mL的压力容器。 50 mL容器将处理的最高压力为200 bar；100 mL容器可处理60 bar或100 bar压力。 这些高压容器可测量氢化反应和加氢甲酰化等催化过程。 EasyMax可出色地自动化控制反应条件，是化学合成、参数筛选和表征的理想选择。 ReactIR与ReactRaman原位分子光谱技术均与EasyMax高压容器无缝集成。iC软件可以自动管理反应器的温度、压力、混合和加样速率，并且可控制分子光谱测量。

• Si-min Yu, William Snavely, Raghunath V. Chaudhari, Bala Subramanian, “Butadiene hydroformylation to adipaldehyde with Rh-based catalysts: Insights into ligand effects”, Molec. Catalysis, 2020, 484, 110721
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• Sebastian Schmidt, Eszter Baráth, Christoph Larcher, Tobias Rosendahl, Peter Hofmann, “Rhodium-Catalyzed Hydroformylation of 1,3-Butadiene to Adipic Aldehyde: Revealing Selectivity and Rate-Determining Steps”, Organometallics 2015, 34, 5, 841–847
• László T. Mika, László Orha, Eddie van Driessche, Ron Garton, Katalin Zih-Perényi, István T. Horváth, “Water-Soluble-Phosphines-Assisted Cobalt Separation in Cobalt-Catalyzed Hydroformylation”, Organometallics 2013, 32, 19, 5326–5332
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ReactIR Shows Active Catalyst Species and Tracks Key Intermediates Providing Kinetic and Mechanistic Information

Andreas Jörke, Andreas Seidel-Morgenstern, Christof Hamel, “Rhodium-BiPhePhos catalyzed hydroformylation studied by operando FTIR spectroscopy: Catalyst activation and rate determining step”, J. Mol. Catalysis A: Chem., 2017, 426 Part A, 10-14n.

通过将二亚磷酸酯分子BiPhePhos作为配体的铑催化剂对1——癸烯的加氢甲酰化进行ReactIR测量。 对前体Rh化合物Rh（acac）（一氧化碳）₂向活化HRh（BiPhePhos）（一氧化碳）₂催化剂的转化进行的原位红外测量引起了人们的特别兴趣。 随着加氢甲酰化的进行，后来的络合物被确定为主要催化剂中间体，并且由于IR光谱中不存在P＝O键，因此未观察到通过氧化引起的催化剂降解。 据作者介绍，转换频率表明相对于1——癸烯浓度，Rh-BiPhePhos催化的加氢甲酰化为一级反应，速率确定步骤为烯烃配位。

前体Rh络合物在2085 cm^——1和2014 cm^——1处显示Rh——CO带，当引入BiPhePhos时这些带消失，表明用二亚磷酸酯配体替代了一氧化碳。 引入H₂后，观察到在2077和2017处的一氧化碳振动与Rh——氢二羰基络合物的文献分配一致。 注入烯烃时，观察到1643 cm^——1处的C = C带，随着加氢甲酰化的进行，并且在1729 cm^——1处形成强烈的十一醛C = O带时，该带消失。 这些带的归一化比值可提供1——癸烯的转化测量值以及周转数的计算结果。 

ReactIR Provides Insight into Reaction Pathways, Catalyst Selectivity and Activity

Si-min Yu, William Snavely, Raghunath V. Chaudhari, Bala Subramanian, “Butadiene hydroformylation to adipaldehyde with Rh-based catalysts: Insights into ligand effects”, Molec. Catalysis, 2020, 484, 110721

作者报告说，通过有机铑催化将丁二烯加氢甲酰化为己二醛是生产C₆化合物（如己二酸和六亚甲基二胺）的一种选择。 因此，他们试图通过深入了解反应路径提高己二醛的产量，以及确定反应条件对活性和选择性的影响方式。 利用从原位红外测量获得的数据对具有八个不同配体的Rh络合物进行系统研究。 据他们报告，对于在80 °C和14 bar合成气体（摩尔CO / H₂= 1）压力下进行的丁二烯加氢甲酰化，配体/ Rh比率、铑浓度、丁二烯浓度以及合成气体压力不会影响己二醛的选择性。 然而，他们发现选择性很大程度上取决于使用的配体类型以及配体的咬角。 根据ReactIR数据，他们提出较低的选择性可能由于稳定的铑η³——巴豆基络合物与各种Rh络合物的形成所致。

ReactIR Provides Insight into Catalyst Species, Activity and Stability

Drew M. Hood, Ryan A. Johnson, Alex E. Carpenter, Jarod M. Younker, David J. Vinyard, George G. Stanley, “Highly active cationic cobalt(II) hydroformylation catalysts”, Science, 2020, 367(6477), 542-548

作者报告称，通过开发用于烯烃加氢甲酰化的钴催化剂，形成具有与昂贵的铑基催化剂几乎一样活性的醛。 这些新的阳离子钴（II）双膦氢化羰基催化剂的活性是原始中性钴催化剂HCo（CO）₄和HCo（CO）₃（PR₃）的数百倍，并在较温和的条件下（例如较低的压力）工作。 他们报告称，对于简单的直链烯烃，这些催化剂具有低直链至支链（L：B）区域选择性，但是对于具有烷基支链的内部烯烃，则具有高L：B选择性。 此外，他们还发现新催化剂具有抗降解性，并且使用寿命长久。

在实际反应条件下的原位红外测量表明存在若干种活性阳离子催化剂，并且发现了催化剂的稳定性同时间的关系。 ReactIR测量结果显示，33至96小时之间光谱的羰基区内几乎没有变化。 经过对生成的催化剂溶液测试发现，其对于己烯加氢甲酰化的有效性与新鲜的催化剂前体样品相同。