Гидроформилирование, или оксосинтез

Гидроформилирование (оксосинтез) используется для производства альдегидов из алкенов. В присутствии органических соединений родия или кобальта происходит каталитическое присоединение водорода с раскрытием двойной связи C=C и включением в молекулу формильной группы, в результате чего образуется альдегид. Альдегиды, получаемые методом гидроформилирования, служат основой для синтеза многих других органических веществ, включая спирты, амины, карбоновые кислоты и т. д. Таким образом, гидроформилирование представляет собой один из наиболее важных технологических процессов в крупнотоннажном химическом производстве. Кроме того, гидроформилирование с катализаторами, содержащими связь металл — лиганд, используется для тонкого химического синтеза и получения более сложных продуктов хиральной структуры, в том числе фармацевтических препаратов. Хотя гидроформилирование считается одним из основных процессов гомогенного катализа, разработан ряд гетерогенных систем гидроформилирования, в которых часто применяются комплексы родия на различных промежуточных органических остовах.

Ежегодно методом гидроформилирования производятся миллионы тонн химической продукции. Большие объемы алкенов с концевой двойной связью (алкенов-1), производимые в нефтехимии, инициируют дальнейшее развитие технологии гидроформилирования в промышленных масштабах. Гидроформилированию можно подвергать большинство длинноцепочечных, разветвленных и циклических олефинов, но чаще всего этот метод используют для переработки этилена и пропилена с получением пропионового альдегида, н-бутиральдегида и изобутиральдегида. Путем гидрирования пропионового альдегида, полученного из этилена, синтезируют пластификаторы, например диэтилфталаты, и высокомолекулярные спирты, применяемые в качестве ПАВ и моющих средств. Ведется интенсивная работа по созданию катализаторов асимметричного гидроформилирования, приводящего к образованию энантиомерных альдегидов. Последние, в свою очередь, используются для получения хиральных молекул с разными функциональными группами. 

Общий механизм гидроформилирования хорошо изучен. Варьируя определенные стадии реакции, можно получать либо линейные, либо разветвленные альдегиды. В промышленности чаще находят применение линейные альдегиды; этим объясняется повышенный интерес к разработке процессов их получения. Ключевой стадией, определяющей образование линейного или разветвленного продукта, является присоединение гидридного и алкенового лигандов. Гидрид может присоединиться как ко внутреннему углероду двойной связи, так и к концевому углероду. В первом случае образуется линейный альдегид, во втором случае — разветвленный. Одним из способов стимулирования образования линейного альдегида является присоединение объемного лиганда к активному центру металлоорганического катализатора. Например, присоединение триалкилфосфина (PR3) к катализатору HCo(CO)4 значительно увеличивает соотношение линейного и разветвленного альдегида на выходе процесса.

Разработаны новые кобальт- и родийсодержащие катализаторы, образующие комплексы со специальными лигандами, а также процессы, которые позволяют проводить гидроформилирование при более низком давлении и температуре, увеличивая срок службы катализатора. Кроме того, уделяется большое внимание разработке катализаторов и процессов для регулирования регио- и энантиоселективности асимметричного гидроформилирования. В отношении скорости реакции родийсодержащие катализаторы, как правило, эффективнее кобальтсодержащих. Они позволяют вести процесс при более низких значениях температуры и давления. Тем не менее разработаны новые катализаторы на основе кобальта, которые по эффективности приближаются к намного более дорогим комплексам родия. 

Асимметричное гидроформилирование предпочтительно тем, что позволяет использовать легкодоступные алкены и синтез-газ для получения энантиомерно обогащенных альдегидов, из которых можно синтезировать энантиоспецифичные соединения с различной функциональностью. Тем не менее процесс асимметричного гидроформилирования нуждается в оптимизации. Например, требуемая селективность процесса не достигается при достаточно высокой температуре, способной обеспечить высокую скорость реакции. Для решения этой проблемы требуются металлоорганические катализаторы с лигандами, которые отличаются от используемых, например, в реакциях гидрирования. В катализаторах асимметричного гидроформилирования в качестве лигандов используются фосфины и фосфиты, дифосфиты, фосфоланы и т. д.

Помимо типа используемого каталитического комплекса, на скорость асимметричного гидроформилирования влияют температура реакции и давление CO. Эти факторы, как вместе, так и по отдельности, способны изменять кинетику реакции. Например, при асимметричном гидроформилировании стирола повышение давления CO способствует образованию разветвленных изомеров, тогда как более низкое давление CO увеличивает выход линейных изомеров. Спектроскопические методы исследования, например ИК-Фурье спектроскопия in situ и рамановская спектроскопия, полезны для изучения кинетики асимметричного гидроформилирования на металлоорганических катализаторах с новыми лигандами, а также для исследования влияния параметров процесса на его эффективность. Более полное понимание взаимосвязи между скоростью реакции и энантиоспецифичностью облегчает определение оптимальных параметров реакции для конкретного каталитического комплекса. 

Исследование влияния катализаторов и параметров реакции на эффективность процесса гидроформилирования

В случае гомогенного катализа молекулярная спектроскопия in situ дает представление о структуре имеющихся активных центров катализа, некоторые из которых могут быть неустойчивы. Измеряя смещение полос поглощения карбонильных групп родий- и кобальторганических катализаторов гидроформилирования, можно сделать ценные выводы о механизме и путях каталитических реакций. Методом спектроскопии in situ непосредственно измеряется влияние параметров реакции, таких как температура и давление, на активность и селективность катализаторов гидроформилирования. В условиях процесса гидроформилирования высокую эффективность демонстрируют алмазные датчики нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), применяемые в системах ReactIR. С помощью рамановских спектрометров ReactRamanкаталитические реакции исследуются без нарушения свойств анализируемой среды, через кварцевое окно реактора, работающего под давлением. В обоих случаях исследователь получает информацию в режиме реального времени и без нарушения параметров процесса. Рамановская спектроскопия подтвердила свою эффективность при изучении процессов гетерогенного гидроформилирования.

Имеются рабочие станции синтеза EasyMax с реакторами высокого давления объемом от 50 до 100 мл. Реакторы объемом 50 мл рассчитаны на давление до 200 бар; реакторы объемом 100 мл выдерживают максимум 60 или 100 бар. Реакторы высокого давления позволяют исследовать каталитические процессы, включая реакции гидрирования и гидроформилирования. Рабочая станция EasyMax обеспечивает эффективное автоматическое регулирование параметров реакции, необходимое при химическом синтезе, скрининге параметров и определении характеристик реакционной среды. Системы молекулярной спектроскопии in situ ReactIR и ReactRaman легко совмещаются с реакторами высокого давления EasyMax. Под автоматическим управлением программного обеспечения iC находятся температура процесса, давление, режимы перемешивания и дозирования, а также спектроскопические измерения.

• 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.
• 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.
• J. M. Dreimann, E. Kohls, H. F. W. Warmeling, M. Stein, L. F. Guo, M. Garland, T. N. Dinh, A. J. Vorholt, In-situ infrared spectroscopy as a tool for monitoring molecular catalyst for hydroformylation in continuous processes, ACS Catal., 2019, 9(5), 4308–4319.
• 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, 10–14.
• 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.
• Daniela Fuchs, Géraldine Rousseau,  Lisa Diab, Urs Gellrich, Bernhard Breit, Tandem Rhodium‐Catalyzed Hydroformylation–Hydrogenation of Alkenes by Employing a Cooperative Ligand System, Angew. Chem. 2012, 51(9), 2178–2182.
• Jaroslav Keybl, Klavs F. Jensen Microreactor System for High-Pressure Continuous Flow Homogeneous Catalysis Measurements, Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 11013–11022.
• Benjamin Hentschel, Gregor Kiedorf, Martin Gerlach, Christof Hamel, Andreas Seidel-Morgenstern, Hannsjörg Freund, Kai Sundmacher, Model-Based Identification and Experimental Validation of the Optimal Reaction Route for the Hydroformylation of 1‑Dodecene,  Ind. Eng. Chem. Res. 2015, 54, 1755−1765.

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.

С помощью системы ReactIR исследован процесс гидроформилирования децена-1 на родийорганическом катализаторе с молекулой дифосфита BiPhePhos в качестве лиганда. Особый интерес представлял анализ in situ ИК-спектров, полученных в процессе превращения прекурсора Rh(acac)(CO)₂ в активный катализатор HRh(BiPhePhos)(CO)₂. Этот активный комплекс идентифицирован как главный промежуточный продукт превращения катализатора в ходе гидроформилирования. Разрушение катализатора вследствие окисления не наблюдалось, так как связи P=O в ИК-спектрах отсутствовали. По мнению авторов, число оборотов катализатора указывает на то, что гидроформилирование, катализируемое комплексом Rh-BiPhePhos, является реакцией первого порядка по концентрации децена-1 и что скорость процесса лимитируется стадией координации олефина.

Полосы связей Rh-CO родийорганического прекурсора 2085 см^-1 и 2014 см^-1 исчезают при добавлении BiPhePhos, что указывает на замещение CO дифосфитовым лигандом. После ввода H₂ наблюдаются колебательные частоты CO, 2077 и 2017, что согласуется с опубликованными данными о гидрид-дикарбонильном комплексе Rh. При добавлении олефина наблюдается полоса C=C 1643 см^-1, которая при дальнейшем протекании гидроформилирования исчезает одновременно с появлением интенсивной полосы C=O ундецилового альдегида 1729 см^-1. Нормализация отношения интенсивности этих полос позволяет оценить степень конверсии децена-1 и рассчитать число оборотов катализатора. 

Изучение механизма реакции, селективности и активности катализатора с помощью ReactIR

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

Авторы сообщают, что гидроформилирование бутадиена до адипальдегида на родийорганическом катализаторе является одним из способов получения соединений ряда C₆, таких как адипиновая кислота и гексаметилендиамин. Чтобы улучшить выход адипальдегида, исследователи изучали механизм реакции и влияние условий процесса на активность и селективность катализатора. Для систематического исследования комплексов Rh с восемью разными лигандами авторы использовали ИК-спектроскопию in situ. По их данным, при 80 °C и давлении синтез-газа (молярный CO H₂ = 1) 14 бар соотношение лиганд/Rh, концентрация родия, концентрация бутадиена и давление синтез-газа не влияют на селективность гидроформилирования бутадиена до адипальдегида. В то же время обнаружено, что селективность сильно зависит от типа и «угла кусания» используемого лиганда. Основываясь на данных ReactIR, авторы предположили, что более низкая селективность может быть результатом образования стабильных комплексов (η³-кротил)родия.

Использование ReactIR для изучения активности и стабильности катализаторов

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

Авторы сообщают, что для получения альдегидов методом гидроформилирования алкенов ими разработаны кобальторганические катализаторы, сопоставимые по своей активности с дорогостоящими родийсодержащими катализаторами. Эти новые катионные катализаторы на основе комплекса гидридкарбонила кобальта (II) с бифосфином в сотни раз более активны, чем исходные нейтральные кобальтсодержащие катализаторы HCo (CO)₄ и HCo(CO)₃(PR₃), и работают в более мягких условиях, в частности при более низком давлении. Авторы сообщают, что в случае простых линейных алкенов региоселективность этих катализаторов по соотношению продуктов «линейные/разветвленные» (Л : Р) невысока, но в случае внутренних алкенов с алкильными разветвлениями они создают высокую региоселективность Л : Р. Кроме того, выяснилось, что новые катализаторы устойчивы к деградации и отличаются длительным сроком службы.

ИК-спектроскопия in situ в реальных условиях процесса различает несколько активных форм катионных катализаторов и позволяет судить о стабильности катализатора как функции времени. Измерения с помощью ReactIR показывают незначительные изменения в карбонильной области спектра в интервале от 33 до 96 часов. Тестирование раствора катализатора, использованного в эксперименте, показало, что он столь же эффективен для гидроформилирования гексена, как и свежий образец прекурсора.