氫甲酰化（氧代工藝）oxo synthesis

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什麼是氫甲酰化？

氫甲酰化，也稱為羰基合成，是一種化學反應，涉及將一氧化碳（CO）和氫（H₂）添加到不飽和化合物（通常是烯烴或炔炔）中。該反應由過渡金屬配合物（例如銠或鈷）催化，導致醛或醛衍生物的形成。

氫甲酰化透過形成醛化合物在化學合成中發揮關鍵作用，醛化合物是生產醇、胺和羧酸等各種化合物的組成部分。這個過程在原料化學品的合成中具有重要意義，使其成為基本的化學反應。

此外，氫甲酰化還應用於複雜精細化學品和藥物的手性合成。利用具有特定金屬-配體鍵的催化劑來實現這一目標，從而能夠合成更複雜的化合物。儘管氫甲酰化主要與均相催化有關，但非均相氫甲酰化系統也取得了進步。值得注意的是，為此目的開發了支撐在不同支架上的銠配合物。

氫甲酰化是每年生產數百萬噸工業化學品的來源。石化工業生產的大量 1-烯烴有助於推動氫甲酰化在工業化學製程中的廣泛使用。雖然大多數長鏈、支鏈和環狀烯烴都可以氫甲酰化，但最常見的起始化學物質是乙烯和丙烯，它們會產生丙醛、正丁醛和異丁醛。乙烯中的丙醛可以氫化形成增塑劑，例如鄰苯二甲酸二乙酯和用作表面活性劑和洗滌劑的長碳鏈醇。人們對開發用於不對稱氫甲酰化的催化劑產生相當大的興趣和努力，從而形成對映異構體特異性醛。這些反過來又被轉化為一系列含有不同官能團的手性特異性分子。

什麼是氫甲酰化機制？

氫甲酰化過程涉及幾個步驟，導致線性或支鏈醛的形成。在大多數工業應用中，線性醛是首選，這促使人們探索提高其產量的方法。形成這兩種醛的關鍵步驟是插入氫化物和烯烴配體。氫化物可以添加到雙鍵內的碳原子或末端碳原子中。當氫化物添加到內部雙鍵碳中時，會形成線性醛，而添加到末端碳中會產生支鏈醛。

為了促進線性醛的形成，一種方法是將較大的配體引入金屬中心。例如，將三烷基膦配體（PR₃）摻入 HCo（CO）₄ 催化劑中可顯著增加產生的直鏈醛與支鏈醛的比例。此策略有助於促進預期結果並優化特定應用的氫甲酰化過程。關於催化劑，已經開發出新的鈷和銠配體特異性配合物/工藝，使氫甲酰化能夠在較低的壓力和溫度下發生，並產生更長的催化劑壽命。

此外，在開發控制不對稱氫甲酰化中的區域選擇性和對映選擇性的催化劑和工藝方面付出了巨大的努力。銠催化劑在速率方面通常更有效，並且可以在比鈷催化劑更低的溫度和壓力下運行。然而，已經開發出更新的有機碳酸催化劑，可以接近成本高得多的銠配合物的有效性。

什麼是不對稱氫甲酰化？

不對稱氫甲酰化利用容易獲得的烯烴和合成氣來合成對映體增強醛，從中可以進一步合成具有各種官能團的對映特異性化合物。不對稱氫甲酰化存在相關挑戰，例如由於達到所需選擇性所需的反應溫度較低而導致反應速率降低。為了盡量減少這些問題，不對稱氫甲酰化需要有機金屬催化劑，其配體與氫化反應中使用的配體不同。不對稱氫甲酰化的配體類別包括混合膦/亞磷酸鹽、二膦酸鹽、膦類等。

除了所使用的催化複合物類型外，不對稱氫甲酰化還受到反應溫度和 CO 壓力的影響，其中一種或兩者可能會改變反應動力學。例如，在苯乙烯的不對稱氫甲酰化中，使用較高的 CO 壓力有利於支鏈異構體的形成，而較低的 CO 壓力則產生線性異構體。原位 FTIR 和拉曼光譜是研究由具有新型配體的金屬催化的不對稱氫甲酰化動力學以及確定反應變量對所實現性能的影響的有用技術。更全面地了解反應速率和對映特異性之間的權衡有助於確定特定催化劑複合物的最佳反應變數。

串聯氫甲酰化/氫化

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氫甲酰化反應技術

原位 FTIR 和拉曼光譜

研究氫甲酰化催化劑及其反應條件對反應性能的影響

對於均相催化劑，原位分子光譜提供了有關存在的活性反應物質的結構信息，其中一些可能是瞬態的。通過測量銠和鈷氫甲酰化催化劑中的羰基帶位移，可以推斷出對其機制和催化途徑的實質性見解。原位光譜還直接測量溫度和壓力等反應變量對氫甲酰化活性和選擇性的影響。與 ATR-FTIR 技術相關的金剛石衰減全反射率（ATR）感測器可輕鬆處理氫甲酰化反應條件。拉曼光譜儀可以通過壓力反應器中的石英窗口非侵入性地測量催化反應。無論哪種情況，信息都是實時獲得的，而不會干擾反應條件。拉曼光譜已被證明可用於研究非均相氫甲酰化反應。

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帶壓力容器的自動化實驗室反應器

氫甲酰化反應通常涉及對反應條件的精確控制，例如溫度、壓力和反應時間。自動化化學反應器系統可對這些參數進行準確可靠的控制，確保結果一致且可重複。羰基合成可能具有高度放熱性，需要有效的熱管理。自動化反應器配備了先進的溫度控制機構，如夾套反應器或內部熱交換器，以保持最佳反應條件並防止過熱。

使用自動化反應堆可以更好地進行過程監控和數據采集。集成傳感器和探頭能夠實時測量關鍵反應參數，如壓力、溫度和氣體流量。這些數據可以被記錄和分析，從而促進流程優化和故障排除。此外，自動化透過自動化各種任務（例如進料試劑、啟動反應和採樣）來簡化整體工作流程。這減少了人為錯誤，提高了效率，並透過最大限度地減少接觸有害物質來增強安全性。

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應用範例

工業中氫甲酰化的例子

銠-雙苯磷催化氫甲酰化 Operando FTIR 光譜研究：催化劑活化和速率測定步驟

ReactIR 顯示活性催化劑種類並追蹤提供動力學和機理資訊的關鍵中間體

Andreas Jörke、Andreas Seidel-Morgenstern、Christof Hamel，“通過操作 FTIR 光譜研究的銠-雙磷催化氫甲酰化：催化劑活化和速率決定步驟”，J. Mol. 催化 A：化學，2017 年，426 A 部分，10-14n。

ReactIR 測量是通過以二亞磷酸鹽分子 BiPhePhos 作為配體的銠催化劑對 1-癸烯的氫甲酰化進行的。前體 Rh 化合物 Rh（acac）（CO）₂ 轉化為活化的 HRh（BiPhePhos）（CO）₂ 催化劑的原位紅外測量特別令人感興趣。隨著氫甲酰化的進行，這種後來的絡合物被確定為主要催化劑中間體，並且由於紅外光譜中不存在 P=O 鍵，因此未觀察到催化劑通過氧化降解。作者報告說，周轉頻率表明 Rh-BiPhePhos 催化的氫甲酰化相對於 1-癸烯濃度是一級的，而速率決定步驟是烯烴配位。

前體 Rh 複合物在 2085 ^cm-1 和 2014 ^cm-1 處表現出 Rh-CO 條帶，當引入 BiPhePhos 時，這些條帶消失，表明二磷酸配體取代了 CO。引入 H₂ 後，觀察到 2077 年和 2017 年的 CO 振動與 Rh-氫二羰基配合物的文獻分配一致。當注入烯烴時，觀察到 1643 ^cm-1 處的 C=C 帶，隨著氫甲酰化與 1729 ^cm-1 處強烈的非十度 C=O 帶的形成同時進行，該帶消失。這些頻段的歸一化比率提供了 1-癸烯的轉換測量和周轉數的計算。

Rh催化丁二烯氫甲酰化為二醛

ReactIR 提供對反應途徑、催化劑選擇性和活性的洞察

Si-min Yu、William Snavely、Raghunath V. Chaudhari、Bala Subramanian，“用 Rh 基催化劑將丁二烯氫甲酰化為二丙醛：對配體效應的洞察”，Molec。催化， 2020， 484， 110721

作者報告說，通過有機銨催化丁二烯氫甲酰化為二丙醛是生產 C₆ 化合物（例如己二酸和六亞甲基二胺）的一種選擇。出於這個原因，他們試圖通過深入了解反應途徑並確定反應條件如何影響活性和選擇性來提高脂醛產率。使用從原位紅外測量中獲得的數據系統地研究了具有八種不同配體的 Rh 配合物。他們報告說，對於丁二烯在 80 °C 和 14 bar 合成氣（摩爾 CO/H₂ = 1）壓力下的氫甲酰化，配體/Rh 比、銠濃度、丁二烯濃度和合成氣壓力不會影響脂醛選擇性。然而，他們發現選擇性在很大程度上取決於所使用的配體類型和配體的咬合角度。根據 ReactIR 數據，他們提出較低的選擇性可能是由於與各種 Rh 配合物形成穩定的銠η³-克羅チル配合物造成的。

新型鈷氫甲酰化催化劑

ReactIR 提供對催化劑種類、活性和穩定性的洞察

Drew M. Hood、Ryan A. Johnson、Alex E. Carpenter、Jarod M. Younker、David J. Vinyard、George G. Stanley，“高活性陽離子鈷（II）氫甲酰化催化劑”，科學，2020,367（6477），542-548

作者報告了鈷催化劑的開發，用於烯烴的氫甲酰化形成醛，其活性幾乎與昂貴的銠基催化劑一樣。這些新型陽離子鈷（II）雙膦氫化羰基催化劑的活性是原始中性鈷催化劑HCo（CO）₄ 和HCo（CO）₃（PR₃）的數百倍，並且在較低壓力等較溫和的條件下運行。他們報告說，對於簡單的線性烯烴，這些催化劑具有較低的線性到支鏈（L：B）區域選擇性，但對於具有烷基支鏈的內部烯烴具有較高的 L：B 選擇性。此外，他們發現新催化劑具有抗降解性並且具有較長的可用壽命。

實際反應條件下的原位紅外測量揭示了幾種活性陽離子催化劑的存在，並提供了對催化劑隨時間變化的穩定性的見解。ReactIR 測量顯示，光譜的羰基區域在 33 至 96 小時內幾乎沒有變化。對所得催化劑溶液進行了測試，發現對己烯氫甲酰化與新鮮催化劑前體樣品一樣有效。

引文和參考文獻

氫甲酰化反應期刊文章

以下是科學出版物中精選的氫甲酰化反應研究。

Si-min Yu、William Snavely、Raghunath V. Chaudhari、Bala Subramanian，“用 Rh 基催化劑將丁二烯氫甲酰化為二丙醛：對配體效應的洞察”，Molec。催化， 2020， 484， 110721
Drew M. Hood、Ryan A. Johnson、Alex E. Carpenter、Jarod M. Younker、David J. Vinyard、George G. Stanley，“高活性陽離子鈷（II）氫甲酰化催化劑”，科學，2020,367（6477），542-548
JM Dreimann、E. Kohls、HFW Warmeling、M. Stein、LF Guo、M. Garland、TN Dinh、AJ Vorholt，“原位紅外光譜作為監測連續過程中氫甲酰化分子催化劑的工具”，ACS Catal.， 2019,9（5），4308–4319
Andreas Jörke、Andreas Seidel-Morgenstern、Christof Hamel，“通過操作 FTIR 光譜研究的銠-雙磷催化氫甲酰化：催化劑活化和速率決定步驟”，J. Mol. 催化 A：化學，2017 年，426 A 部分，10-14
亨切爾，B.、基多夫，G.、格拉赫，M.、哈梅爾，C.、塞德爾-摩根斯特恩，A.、弗洛因德，H. 和桑德馬赫，K. （2015）。基於模型的 1-十二烯氫甲酰化最佳反應路線的鑑定和實驗驗證。 工業與工程化學研究， 54（6），1755-1765。https://doi.org/10.1021/ie504388t
Sebastian Schmidt、Eszter Baráth、Christoph Larcher、Tobias Rosendahl、Peter Hofmann，“銠催化的 1,3-丁二烯氫甲酰化為己二醛：揭示選擇性和速率決定步驟”，有機金屬學 2015， 34， 5， 841–847
László T. Mika、László Orha、Eddie van Driessche、Ron Garton、Katalin Zih-Perényi、István T. Horváth，“鈷催化氫甲酰化中的水溶性膦輔助鈷分離”，有機金屬學 2013， 32， 19， 5326–5332
馬克特，J.、布倫施，Y.、蒙克爾特，T.、基多夫，G.、貝洱，A.、哈梅爾，C. 和塞德爾-摩根斯特恩，A. （2013）。分析熱相形多組分溶劑體系中 Rh 催化的 1-十二烯氫甲酰化反應網絡。 應用催化 A-一般， 462–463、287–295。https://doi.org/10.1016/j.apcata.2013.04.005
Daniela Fuchs、Géraldine Rousseau、 Lisa Diab、Urs Gellrich、Bernhard Breit，“串聯銠催化氫甲酰化-通過採用協同配體系統氫化烯烴”，Angew。化學 2012， 51（9）， 2178-2182
Jaroslav Keybl 和 Klavs F. Jensen，“用於高壓連續流均相催化測量的微反應器系統”，Ind. Eng. Chem. Res. 2011， 50， 11013–11022
Benjamin Hentschel， Gregor Kiedorf， Martin Gerlach， Christof Hamel， Andreas Seidel-Morgenstern， Hannsjörg Freund， Kai Sundmacher， “基於模型的鑑定和實驗驗證 1-十二烯氫甲酰化最佳反應路線”， Ind. Eng. Chem. Res. 2015， 54， 1755−1765
高橋 K.、山下 M. 和野崎 K. （2012）。使用 Rh/Ru 雙催化劑或 Ru 單組分催化劑將烯烴串聯氫甲酰化/氫化為普通醇。 美國化學會雜誌， 134（45）， 18746–18757。https://doi.org/10.1021/ja307998h

傅立葉轉換紅外線(FTIR) & 拉曼光譜儀 (Raman)

In-situ FTIR and Raman spectrometers enable real-time monitoring to provide critical information to optimize chemical compounds.

化學合成反應器

使用具有內置自動化工具的化學合成反應器提高實驗室的分析效率。

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氫甲酰化反應的過程是怎樣的？

氫甲酰化反應，也稱為羰基過程，是一種重要的工業過程，用於從烯烴（烯烴）合成醛。該過程涉及烯烴與一氧化碳（CO）和氫氣（H₂）在催化劑（通常是過渡金屬絡合物）存在下反應。

氫甲酰化的一般過程可以分為幾個步驟來描述。首先，烯烴底物與催化劑反應形成金屬-烯烴絡合物。這一步通常是可逆的，並控制反應的速率。使用的催化劑可能有所不同，但常用的催化劑包括基於鈷、銠和銥的催化劑。接下來，金屬-烯烴絡合物經歷一系列反應，包括 CO 和 H₂ 分子的插入。CO 的插入形成金屬-羰基配合物，而 H₂ 的插入導致金屬-氫化物配合物的形成。這些步驟對於後續的轉型至關重要。在下一步中，金屬-羰基絡合物與金屬-氫化物絡合物相互作用，導致醛產物的形成。此步驟涉及金屬氫化物基團遷移到羰基碳，從而產生所需的醛。這種遷移的具體途徑和機制取決於反應條件和催化劑的性質。最後，醛產物從催化劑中釋放出來，催化劑恢復到原來的狀態，為下一個反應循環做好準備。透過氫甲酰化產生的醛是用於各個行業的寶貴中間體，包括洗滌劑、塑膠和藥品的生產。

氫甲酰化反應的條件是什麼？

氫甲酰化反應需要特定的條件才能實現烯烴高效、選擇性地轉化為醛。條件可能會根據具體反應和期望結果而有所不同，但以下參數在氫甲酰化中起著至關重要的作用：

溫度： 氫甲酰化反應通常發生在高溫下，通常在攝氏 80 至 200 度之間。最佳溫度取決於所使用的特定催化劑和底物。
壓：反應在高壓條件下進行，以確保一氧化碳（CO）和氫氣（H₂）氣體的有效溶解。典型壓力範圍從幾個大氣壓到幾十個大氣壓。
催化劑： 催化劑對於促進氫甲酰化反應至關重要。常用的催化劑包括過渡金屬配合物，如銠、鈷和銥配合物。催化劑的選擇取決於特定的底物和所需的反應選擇性。
溶劑：氫甲酰化反應通常在溶劑中進行，以促進反應物的混合並保持均勻的反應混合物。常見的溶劑包括極性有機溶劑，如醇或醚。
CO和H₂比率：一氧化碳與氫氣的比例是控制氫甲酰化反應選擇性的重要因素。改變 CO：H₂ 比率可以控制產品中的線性與支鏈醛比率。
配體：配體通常與催化劑結合使用以改變其反應性和選擇性。配體可以影響催化劑的區域選擇性、立體化學和穩定性，從而影響反應結果。
反應時間： 氫甲酰化所需的反應時間可能因具體底物和反應條件而異。反應通常持續數小時以達到所需的轉化率和選擇性。

值得注意的是，具體條件可能會根據反應系統、催化劑、底物和所需產物的不同而有所不同。這些條件的最佳化對於在氫甲酰化反應中實現高產率和所需的選擇性至關重要。

氫甲酰化使用哪些催化劑？

氫甲酰化催化劑的選擇對於決定反應的效率、選擇性和整體成功至關重要。氫甲酰化反應中常用的幾種催化劑，包括：

銠基催化劑：銠催化劑因其高活性和選擇性而廣泛用於氫甲酰化。銠催化劑的例子包括 RhCl（_{PPh 3}）₃ （稱為威爾金森催化劑）及其衍生物。這些催化劑表現出優異的區域選擇性，有利於線性醛的形成。
鈷基催化劑： 鈷催化劑是氫甲酰化反應的另一種常見選擇。值得注意的是，Co₂（CO）₈，稱為四羰基鈷，是一種流行的鈷催化劑。與銠催化劑相比，鈷催化劑更具成本效益，儘管它們通常表現出較低的選擇性。
銥基催化劑： 銥配合物在氫甲酰化反應中顯示出有希望的催化活性。[Ir（COD）（PCy₃）Cl]（COD = 1,5-環辛二烯，PCy₃ = 三環己基膦）等催化劑已被用於高效的氫甲酰化過程。
釕基催化劑： 釕配合物因其在氫甲酰化反應中的潛力而受到關注。RuHCl（CO）（_{PPh 3}）₃ 等催化劑在某些氫甲酰化反應中表現出良好的選擇性。
鎳基催化劑： 鎳催化劑已被研究用於氫甲酰化，特別是在利基應用中。鎳羰基配合物，例如 Ni（CO）4，已用於特定的氫甲酰化過程。

這些催化劑可以通過加入各種配體（例如膦、亞磷酸鹽或亞磷酸鹽）來進行修飾，以微調其反應性和選擇性。配體在控制反應的區域選擇性和改變催化劑的性質方面發揮著至關重要的作用。催化劑的選擇取決於所需產品、底物、反應條件和成本考慮等因素。優化催化劑選擇和反應條件對於在氫甲酰化過程中實現高產率、所需的選擇性和經濟可行性至關重要。

氫甲酰化反應是放熱的嗎？

氫甲酰化反應本質上通常是放熱的，這意味著它們在反應過程中釋放熱量。氫甲酰化反應的放熱性可歸因於發生的化學轉變，其中涉及化學鍵的斷裂和形成。氫甲酰化的放熱性質可以透過檢查所涉及的鍵能來理解。烯烴中相對較弱的π鍵的斷裂以及醛和中間金屬配合物中更強的σ鍵的形成釋放能量。這種能量以熱量的形式釋放出來，導致反應系統的整體溫度升高。

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