烯烃氢甲酰化反应研究进展

王兴永，吴青，毕娇娇，雷帅，傅送保

烯烃氢甲酰化反应研究进展

王兴永1，吴青2，毕娇娇1，雷帅1，傅送保1

（1. 中海油炼油化工科学研究院，北京 102209； 2. 中国海洋石油集团有限公司科技发展部，北京 100029）

烯烃氢甲酰化反应是现代化工工业中最重要的均相催化反应之一，本文简要介绍了氢甲酰化工艺的发展历程；综述了近年来氢甲酰化配体的研究进展，主要介绍单齿膦配体、双齿膦配体、三齿膦配体、四齿膦配体的结构以及在氢甲酰化反应中的表现。

烯烃；氢甲酰化反应；膦配体

氢甲酰化反应 （Hydroformlation） 又称OXO反应，是指烯烃与合成气 （H2和CO） 在过渡金属催化下生成醛或醇类化合物的反应。醛类化合物可以进一步转化为醇、酸、酯、Aldol缩合产物和缩醛等化合物，这些化合物被广泛用于医药、农药、香料、洗涤剂、增塑剂、表面活性剂等。

本文简要回顾了氢甲酰化工艺的发展历史，并系统综述了近几年氢甲酰化反应中单膦配体、双膦配体、三膦配体、四膦配体的研究进展 （包括手性膦配体），更早的研究工作可参见相关综述文献。

1 氢甲酰化反应的发展历史

第一代氢甲酰化催化工艺 （BASF、ICI、Ruhrchemie工艺） 以Co2（CO）8为催化剂，在氢甲酰化反应条件下，Co2（CO）8在反应体系中首先转化成活性催化物种HCo（CO）4。由于HCo（CO）4极易分解，为保证活性物种的稳定性，需要维持较高的合成气气压 （20~30 MPa），因此第一代氢甲酰化催化工艺称为“高压钴法”。

随着研究的深入，壳牌公司的Slaugh和Mullineaux等利用膦配体代替CO，提出了配体改性的“低压钴法”，膦配体的利用使得氢甲酰化反应中正构醛的选择性增高。

20世纪50年代中期，铑催化剂在氢甲酰化反应中的优异性能被逐渐发现。美国联合碳化物公司 （Union Carbide Corporation） 利用HRh（CO） （PPh3）3实现了氢甲酰化的工业化，称为“低压铑法”。

20世纪80年代，罗纳普朗克公司和鲁尔公司 （RCH/RP工艺） 成功开发了水溶性催化剂HRh（CO）（TPPTS）3，通过水溶性配体的配位作用将金属铑固定在水相中，并且产物可以通过简单的方式与催化体系分离。

目前已经实现工业化的氢甲酰化工艺有十几种，传统的羰基钴催化剂体系因高温高压低选择性逐渐失去优势，羰基铑-膦催化体系逐渐成为工艺优化和改进的热点。

2 膦配体的进展

氢甲酰化反应中，膦配体通过电子效应和空间位阻效应来影响反应的催化活性、化学选择性和区域选择性，为了对配体的立体效应进行定性研究， White等根据配体的单晶数据引入了“固体角”的概念。对于双膦配体，Casey和Whiteker利用“咬角 （βn）”来衡量它们的空间位阻大小情况 （见图1）。

图1 圆锥角、固体角和咬角

2.1 单齿膦配体

三苯基膦和三苯基膦三间磺酸钠是较早实现工业应用的单膦配体。van Leeuwen等发现联苯一侧芳环上的取代基对三苯基膦类配体的空间位阻影响较小 （见图2）。

与膦配体相比，亚膦酸酯类配体具有较弱的σ给电子能力和较强的π接受电子的能力，能够促进中心金属与CO的解离。Bajaj等发现大位阻的单三（1-萘基）亚膦酸酯3 （见图2） 在乙酸乙烯酯的氢甲酰化反应中表现出很高的活性和选择性，该反应TOF值为11 520 h-1，支链选择性可以达到99%，醛的产率为93%。在配体4参与的氢甲酰化反应中，乙酸乙烯酯的b/l >99，苯乙烯的b/l=5，1-辛烯的l/b仅为1.8。

图2 单齿膦配体

Tan等发现手性单膦化合物5和6既可以作为氢甲酰化反应配体，又可以与底物相互作用起到类似导向基团的作用，这大大提高了反应速度并得到优异的区域选择性 （见图3）。

图3 起导向作用的单齿膦配体

含脒类结构的单齿膦化合物也是较好的氢甲酰化配体 （见图4）。

图4 含脒类结n构的单齿膦配体

Urrutigoïty等发现配体7参与1-辛烯的氢甲酰化反应中l/b为3.0，苯乙烯b/l为15.7。含胍类结构的单齿膦配体8可以通过氢键与含羧基的烯烃底物相互作用，因此3-丁烯酸的l/b可以达到50，而非相互作用的1-辛烯的l/b仅为3。Breit等发现在配体9和配体10的共同作用下，铑催化的烯烃氢甲酰化反应可以一步得到醇类化合物，反应的l/b最高为99，醇的产率可以达到99%。

含N-P键的化合物因为氮原子的多取代性可以比含O-P键的化合物具有更大的位阻，因而具有更好的选择性（见图5）。Pàmies等合成了一系列二芳基亚膦酰胺化合物11和胺基二芳基膦化合物12，在芳基烯烃的氢甲酰化反应中，支链醛的选择性可以达到99%，对映选择性达到46%。对于膦脲类和亚磷酰脲类单磷配体13，在苯乙烯的氢甲酰化反应中支链的选择性可以达到96.4%，对映选择性为46.4。

图5 含N-P结构的单齿膦配体

Reek等2利用超分子自组装技术合成了笼状手性单膦化合物14 （见图6），该化合物在苯乙烯不对称氢甲酰化反应中b/l可以达到98∶2。而利用Zn（II）TPP单元和m-PPy3通过自组装构建超分子单膦化合物15，该配体在苯乙烯的氢甲酰化反应中同样具有极好的反应活性 （转换率>99%） 和化学选择性（醛的产率>99%）。

图6 笼状单齿膦配体

Börner等发现单齿亚膦酰胺化合物16 （见图7） 在甲基油酸酯的氢甲酰化反应中化学选择性高达99%。

以咪唑盐为母体的单膦配体17参与的氢甲酰化反映中，配体17a对1-辛烯的区域选择性仅为1.6，而水相中17b对2-甲基苯乙烯的支链选择性最高为86%。亚膦酰胺配体18对苯乙烯支链的选择性为82%，对映选择性为37%。

图7 其他一些单齿膦配体

2.2 双齿膦配体

目前，双齿膦配体已被广泛的应用到氢甲酰化反应中，其中具有代表性的双齿膦配体有Bisbi系列、Xantphos系列和双亚膦酸酯Biphephos系列（见图8）。

Bisbi系列双齿膦配体中，Zhang等发现NaPhos参与的氢胺甲基化反应可以一步构建取代苯丙胺化合物，该反应具有极好的化学选择性和区域选择性，直链产物可以达到96%。Vorholt等利用双亚膦酸酯配体Biphephos和卡宾化合物实现了末端烯烃的氢甲酰化/酮醇缩合反应一锅法得到α-羟基酮类化合物（l/b > 99）。Breit等利用双亚膦酸酯配体Biphephos实现了双烯丙基叠氮化合物的双氢甲酰化反应合成二醛类化合物，并利用此方法合成 （+）-lupinine 和（+）-epiquinamide 天然产物。

图8 被广泛使用的双齿膦配体

2.2.1 双膦配体

双-3,4-二氮膦杂环戊烷（Bisdiazaphos）是由Klosin和Landis等发展的具有多手性中心双膦配体 （见图9）。

图9 手性Bisdiazaphos配体

Stahl等发现配体 （S,S）-BisDiazaphos对N-乙烯基羧酸酰胺、乙烯基醚、烯丙基氨基甲酸酯的氢甲酰化反应具有优秀的区域选择性（b/l >50∶1）和对映选择性（97%~99% ee）。Clarke等发现 （R,R,S）-BisDiazaphos参与N,N-二乙基丙烯酸酯的氢甲酰化反应的对映选择性可以达到82%。

Buchwald等发现手性双膦配体21（见图10） 参与的1,1-二取代烯烃的氢甲酰化反应中区域选择性可以达到91%，立体选择性最优达到93%。Zhang等发现双膦配体（BIBOPs）参与的氢甲酰化反应中，乙烯酸酯的b/l最高达到415，er最高为95∶5；烯丙基化合物er值为93.3∶6.7。

图10 手性双齿膦配体

Liu等合成了宽咬角的双膦配体23和相似的离子型配体24（见图11），研究发现离子型双膦配体24能增加催化剂对CO的解离能力，即便在高温下配体24仍具有优异的化学选择性。

图11 宽咬角双齿膦配体

Reek等合成了超分子DIMPhos系列双膦配体 （见图12）。此类配体可以增加能与氢键相互作用的阴离子烯烃的区域选择性。van Leeuwen等3利用Zn-RMCs作为模板剂与单膦配体通过自组装得到超分子双膦化合物，该化合物与金属铑络合得到的催化剂26在1-辛烯氢甲酰化反应中l/b为13。

图12 超分子结构的双齿膦配体

2.2.2 双亚膦酸酯类配体

与膦配体相比，亚膦酸酯类配体 （如图13） 具有较弱的σ给电子能力和较强的π接受电子的能力，能够促进金属中心的CO解离，并表现出更好的催化活性。

图13 双亚膦酸酯类配体

Selent等合成了二醇取代的双亚膦酸酯类配体31（见图13），该配体在1-辛烯氢甲酰化反应中l/b值达到124，非端位2-戊烯的区域选择性也达到了99%。

Hofmann等合成了一系列双亚膦酸酯类配体33，在1,3-丁二烯的双氢甲酰化合成1,6-己二醛的反应中配体33a的区域选择性达到50%（见图14）。

图14 双亚膦酸酯类配体

Vidal-Ferran等合成了一系列含有聚醚链的双亚膦酸酯配体34（见图15），该类配体的醚链结构具有类似冠醚的性质，在碱金属盐调节下可以很好的控制氢甲酰化反应的区域选择性和对映选择性。

图15 碱金属调节的冠醚类配体

以杯芳烃为骨架的半球形双亚膦酸酯35（见图16）也是较好的氢甲酰化反应配体，该配体参与的1-辛烯氢甲酰化反应的l/b值最高可以达到122.6。

具有超分子结构的双亚膦酸酯配体36在2-烯基苯甲酸的氢甲酰化反应中得到了优异的化学选择性和区域选择性（最高达到100%），羧基取代非端烯化合物的支链选择性也能达到98%。

图16 杯芳烃类和超分子类双亚磷酸酯配体

2.2.3 双亚膦酰胺类配体

亚膦酰胺类配体具有较弱的σ-给电子能力和较强的π-接受电子能力，比类似结构的双膦配体具有更高的反应活性。van Leeuwen等发现亚膦酰胺和亚膦酸酯具有类似的电子性质，但吡咯取代的亚膦酰胺配体37（见图 17）具有更强的配位性和更优异的选择性4，对于1-己烯的l/b可以达到110，TOF值可以达到10×103h-1。

图17 膦胺类和亚磷酰胺类配体

2.3 三齿膦配体

与双齿膦配体相比，三齿膦配体具有更好的配位性，它能与金属铑形成A和B两种配位形式 （见图18），这能有效增加金属中心膦的浓度，因此在氢甲酰化反应中具有更好的选择性［5］。

图18 三齿膦配体

2.4 四齿膦配体

为了获得更高的氢甲酰化选择性，科研工作者设计合成了一系列四齿膦配体。张绪穆等设计合成了一系列四齿膦配体（见图19）。四齿膦配体（左）在1-己烯的氢甲酰化反应中l/b可以达到125.9；四齿亚膦酸酯类配体（右）在1-己烯的氢甲酰化反应中l/b为90，直链醛的产率为98.9%，1-辛烯的l/b为86，2-辛烯的l/b为16。

图19 四齿膦配体

3 结 论

氢甲酰化反应经历了近80年的发展已经成为当今世界最重要的均相催化反应之一。近些年，氢甲酰化反应在催化体系的改进和配体的合成方面取得了很多成就。我国在氢甲酰化反应方面起步较晚，且严重依赖国外技术。突破国际上专利封锁，开发出具有自主知识产权且稳定、高效、高选择性的氢甲酰化配体成为当前我国氢甲酰化工业急需解决的问题。值得庆幸的是，我国无论是在工业应用还是在实验室研究方面均取得了一定进步，通过引进国外技术进行消化吸收与自主知识创新并举，定能实现我国氢甲酰化工业质的飞跃。

［1］ Tolman, C. A. Steric effects of phosphorus ligands in organometallic chemistry and homogeneous catalysis［J］. Chemical Reviews，1977, 77: 313-348.

［2］Bellini, R.; Chikkali, S. H.; Berthon-Gelloz, G.; Reek, J. N. H. Supramolecular Control of Ligand Coordination and Implications in Hydroformylation Reactions［J］. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50: 7342-7345.

［3］Ponsico, S.; Gulyas, H.; Martinez-Belmonte, M.; Escudero-Adan, E. C.; Freixa, Z.; van, L. P. W. N. M. Zn（II） Robson macrocycles as templates for chelating diphosphines［J］. Dalton Trans，2011, 40: 10686-10697.

［4］Jia, X.; Wang, Z.; Xia, C.; Ding, K. Spiroketal-Based Phosphorus Ligands for Highly Regioselective Hydroformylation of Terminal and Internal Olefins［J］. Chemistry – A European Journal, 2012, 18: 15288-15295.

［5］Yu, S.; Zhang, X.; Yan, Y.; Cai, C.; Dai, L.; Zhang, X. Synthesis and Application of Tetraphosphane Ligands in Rhodium-Catalyzed Hydroformylation of Terminal Olefins: High Regioselectivity at High Temperature［J］. Chem. - Eur. J. 2010, 16: 4938-4943.

Research Progress of Olefin Hydroformylation

1,2,1,1,1

（1. CNOOC Refining & Chemical Research Institute，Beijing 102209，China; 2. CNOOC Technology Development Department，Beijing 100029，China）

Hydroformylation of olefins is one of the most important homogeneous catalytic reactions in modern industry.In this paper,the development history of hydroformylation process was introduced,and the research progress of hydroformylation ligands in recent years was reviewed. At last, thestructures of monodentate phosphine ligands, bidentate phosphine ligands, tridentate phosphine ligands, tetradentate phosphine ligands and their performance in hydroformylation reaction were discussed.

olefin; hydroformylation; phosphine ligand

2019-10-24

王兴永（1987-），男，中级工程师，理学博士，山东省枣庄市人，2017年毕业于清华大学化学专业，研究方向：烯烃氢甲酰化技术开发。

傅送保（1967-），男，教授级高级工程师，博士，研究方向：烯烃综合利用。

TQ 426.94

A

1004-0935（2020）01-0065-05