纳米人-Ni催化，再登Science！

Ni催化，再登Science！

米测技术中心纳米人 2023-11-22

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原创丨彤心未泯（米测技术中心）

编辑丨风云

研究背景

使用CO生产含有乙酰基(–C(O)CH₃)基团的有机化学品的工艺是化学工业的基础。每年会生产数百万吨乙酸、醋酐等乙酰基衍生物。这些化学工业的组成部分被精制成酯、酰胺，并最终制成聚合物材料、药品和其他消费品。

关键问题

然而，乙酰基化合物的生成仍存在以下问题：

1、现有的乙酰基催化剂价格十分昂贵

商业醇和酯羰基化是目前实践中用量最大的均相催化应用之一，大多数乙酰基是使用均相贵金属催化剂（主要是铑和铱络合物）在工业上生产的。

2、镍络合物存在解离、失活等问题

镍络合物曾被认为是有前途的均相羰基化催化剂，但其配体叔膦会在高CO压力下解离，产生剧毒且无催化活性的Ni(CO)₄。此外，促进剂MeI也会与游离膦配体反应形成鏻盐[MePR₃][I]，从而降低有效膦浓度。

新思路

有鉴于此，北卡罗来纳大学Alexander J. M. Miller和伊士曼化学公司Javier M. Grajeda等人报道可以利用丰富的镍与咪唑衍生的卡宾或相应的盐配对，催化甲酯羰基化，周转频率（TOF）超过150 h^-1，周转数（TON）超过1600，这是与最先进的铑基系统进行比较的基准，并且大大超过了已知的三苯基膦镍催化剂，后者在相同条件下的TOF ~ 7 h^-1和TON~100。

技术方案：

1、优化了反应过程，获得了高产率和选择性

作者不断地优化了羰基化反应，最终获得了可以长时稳定的催化剂，活性和选择性都大大提高。与其羰基化活性比膦基催化剂增加了20倍以上，TON、产率和TOF值提高大约一个数量级。

2、探究了连续CO输送条件下的体系放大

作者使用工业相关的酯在较大的反应器中以摩尔规模进行镍催化的羰基化，证实了催化剂在实验过程中保持活性，且提供了与铑催化剂相当的速率。

3、解析了镍催化羰基化机理

作者进行了机理研究，不仅初步了解了游离卡宾的可行性，还初步了解了质子化或烷基化咪唑基团促进高活性羰基化的可行性，并指出芳基取代基是催化剂设计中的关键特征。

技术优势：

1、开发了N-杂环卡宾（NHC）作为催化的最佳配体获得了高性能催化剂

NHC基催化剂现已取代了许多传统的膦基催化剂，由于NHC配体具有较强的给电子性质，因此与镍具有更高的结合亲和力，并且相对于膦可以更好地促进 CO解离，因此，作者制备了NHC负载的镍催化剂为起点。

2、获得了在低催化剂负载量下具有高活性的烷基酯羰基化条件

作者以NHC负载的镍催化剂，观察到纯酯向乙酰基的转化率高达60%，对应于超过1600 的周转数(TON)和超过150 h^–1的周转频率 (TOF)，对酸酐具有良好的选择性，同时保持镍和甲基的低负载量碘化物。

技术细节

反应优化

作者一开始将研究集中在丙酸甲酯(EtCO₂Me)溶剂中的甲醇(MeOH)与已知的NH 配合物(IPr)Ni(CO)₃的羰基化，选择丙酸甲酯确保准确的产品分析。结果表明在反应过程中观察到大量溶剂损失，这归因于约60%的MeOH转化为不需要的副产物二甲醚。因此，作者从反应混合物中去除了MeOH，并将注意力转向直接甲酯羰基化，观察到优异的羰基化活性，获得的TON_tot 的周转数为218±19。通过使用(IPr)Ni(CO)₃和一当量的游离IPr，活性增加了三倍，酸酐的选择性超过80%。即使45小时后，催化剂仍然具有活性；经过更长的反应时间，乙酰基产率大约翻倍，达到 40%（TON_tot=1100）。与Ni/PPh₃催化剂体系进行了比较，含LiI的咪唑衍生物，NiI₂/LiI/2IPr催化羰基化活性增加了20倍以上。咪唑基催化剂的TON、产率和TOF值比膦基催化剂高大约一个数量级。

图镍催化甲醇和甲酯羰基化反应

连续CO输送条件下的放大

接着，使用工业相关的酯在较大的反应器中以摩尔规模进行镍催化的羰基化。将1.7 mol异丁酸甲酯在0.75 mmolNi(OAc)₂·4H₂O、3.75 mmol IPr配体和75 mmol MeI存在下于200°C、连续50 bar CO条件下加热 15 小时，生成乙酰基TON_tot高达620。基于咪唑的催化剂系统不受H₂的影响，简化了设置并确认系统能够耐受含有>3% H₂的CO，证实催化剂在实验过程中保持活性。连续过程中的有效分离有助于克服工业酯羰基化中的平衡限制。通过研究表明，在目前的条件下，咪唑促进的镍体系提供了与铑催化剂相当的速率。

图机理研究

机理探究

最后，作者进行了机理研究，表明了镍/咪唑系统中至关重要的几个因素：首先，配体的身份至关重要；其次，有效催化不需要添加碘化物盐；第三，在异丁酸甲酯羰基化的操作红外光谱监测过程中，没有证据表明形成 Ni(CO)₄或[Ni(CO)₃I]^–。研究结果表明一些咪唑衍生物在催化过程中与镍结合，从而防止烷基化。作者考虑了盐连接镍的机制，结果表明发生了一些 C-C键活化。机理研究不仅初步了解了游离卡宾的可行性，还初步了解了质子化或烷基化咪唑基团促进高活性羰基化的可行性，并指出芳基取代基是催化剂设计中的关键特征。

图了解咪唑结构如何影响羰基化

展望

总之，作者通过研究表明镍催化剂体系可以利用多种咪唑衍生物，其性能水平远远超出先前带有膦配体的镍催化剂，甚至可以与贵金属催化剂相媲美。这项工作利用丰富且廉价的第一行过渡金属进行大规模羰基化反应奠定了重要的力量基础。此外，未来该方向的发展不仅需要化学方面的进步，还需要强化对机理的理解以及连续过程的开发，还需要进行迭代风险评估、技术经济分析和生命周期评估等。

参考文献：

CHANGHO YOO, et al. Nickel-catalyzed ester carbonylation promoted by imidazole-derived carbenes and salts. Science, 2023, 382(6672):815-820.

DOI: 10.1126/science.ade3179

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade3179

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