图1. Ru/β分子筛催化2,4-己二烯二酸的顺反异构化 开发符合可持续发展需求的聚合物需要从生物质单体化合物出发。人们发现葡萄糖衍生cis,cis-2,4-己二烯二酸 (muconic acid，又名粘康酸)是个前景广阔的中间体，但是需要通过异构转化为trans,trans-2,4-己二烯二酸。有鉴于此，鲁汶大学Michiel Dusselier教授等报道使用原子级Ru分散的Ru-β分子筛，在乙醇溶剂中高效的将cis,cis-2,4-己二烯二酸异构化生成trans,trans-2,4-己二烯二酸，该分子异构反应能够发生完全转化，选择性>95 %。这个催化剂的Ru位点的催化反应效率达到427 mM h-1（~85 g l-1 h-1），比生物合成cis,cis-2,4-己二烯二酸的产率高1个数量级。通过将异构反应与Diels-Alder环加成反应之间的结合，打破了异构体热力学平衡的局限，以90 %的收率生成对苯二甲酸酯中间体。FTIR光谱表征，验证说明有机醇溶剂能够与Ru反应生成Ru-H物种，从而促进异构反应的发生。Ru-分子筛除了能够催化异构反应，形成的Ru-H物种也可能用于其他包含负氢的催化反应过程。在以往的大多数报道中，通常cis,cis-2,4-己二烯二酸（cc-MA）转化为trans,trans-2,4-己二烯二酸（tt-MA）的中间过程是cis,trans-2,4-己二烯二酸（ct-MA），人们最初在水中发现这种cc-MA转化为ct-MA的异构反应过程（Ea=76 kJ mol-1），该反应能够在25 ℃和pH<4发生。但是ct-MA转化为tt-MA异构反应无法发生，当反应温度达到75 ℃也无法异构化生成tt-MA，而是生成2,4-己二烯二酸酯。此外，由于2,4-己二烯二酸在水中的溶解度（15 ℃水中溶解度~1 g l-1）非常低，导致难以进行大量合成。后来，人们发现2,4-己二烯二酸在醇溶液中具有更高的溶解度（乙醇溶液中的溶解度达到~28 g l-1），而且能够以11 %的收率生成tt-MA，但是在乙醇溶液中，内酯化反应非常容易进行（2,4-己二烯二酸酯的收率达到19 %）。为了避免发生内酯化反应，人们通常将羧酸酯化，保护羧酸官能团。虽然通过羧酸酯化能够非常有效的缓解产物内酯化的副反应，但是由于2,4-己二烯二酸酯的异构能垒比2,4-己二烯二酸异构能垒更高（210 kJ mol-1 vs 76 kJ mol-1），导致2,4-己二烯二酸酯在乙醇溶液中无法自发的异构。这需要加入催化剂才可以发生异构反应。当使用Ru交换修饰分子筛，发现Ru/分子筛能够催化异构化反应，在75 ℃和120 h后，能够以100 %的转化率生成30 % tt-二甲基2,4-己二烯二酸酯。
催化剂制备以及研究Ru活性物种
优化Ru的担载量并且形成原子分散Ru，研究改变活化条件对催化剂的影响，避免Ru烧结是从分子筛催化剂得到想要的异构化反应的关键。通过离子交换过程，使用Ru(NH3)6Cl3与Cs-β分子筛进行离子交换。对比实验发现，含有H+或者Cs+离子的分子筛都没有表现催化活性。为了保证较好的Ru分散性，加入的Ru量低于强Brønsted酸位点的数目（通过吡啶吸附红外光谱表征确定强Brønsted酸位点的数量）。β分子筛具有较大的孔，并且分子筛的Si/Al比例可以调控。作者改变Si/Al的比例，调节Brønsted酸位点的数目，发现Si/Al比例为150的样品具有比较高的活性，产率达到70 %，产率比Si/Al比例12.5或者75的样品更好。此外Ru位点分布的位置同样影响异构反应产率，当使用Si/Al比为250的样品，进入分子筛内的Ru数量减少，导致相同时间的产率降低（54 %），但是Ru-B250样品与Ru-B150样品的TOF类似。对于各种不同Si/Al比例的样品，在延长反应时间后，都能够得到70 %的产率。但是由于热力学平衡问题，无法继续得到更多产率。此外，制备并研究了Ru修饰在ZSM-5、Y型、USY250分子筛的催化活性，发现这几种分子筛修饰Ru在分子异构反应中的催化活性都不如β分子筛。最合适的分子筛催化剂为0.2%Ru-B150样品，其中Ru的质量为0.2 %，B150表示β分子筛的Si/Al比例为150。 分子筛内Ru物种的结构。通过ICP-AES标定Ru的质量为0.2%Ru-B150(±5 %)，使用350 ℃的N2气流活化Ru。STEM-HAADF表征和成像测试Ru的状态，通过EDS证明Ru、Si、Al、O元素。表征结果显示Ru均匀的分布在样品内。高分辨率成像表征说明样品没有形成金属纳米粒子。通过质谱和FTIR红外光谱表征发现Ru(NH3)63+中的NH3配体发生热解离，在180 ℃开始NH3配体解离，当温度达到350 ℃时，5/6的NH3配体被去除，当温度达到450 ℃，NH3配体完全消除，并且Ru的含量开始减少。红外光谱表征结果同样显示温度达到350 ℃，N-H化学键的强度降低了5/6。因此，分子筛在200-350 ℃的N2活化过程中保留的部分NH3配体能够避免Ru烧结，Ru能够以原子状态稳定存在。通过HRTEM表征发现450 ℃的N2气氛热处理发现大量Ru纳米粒子，同样说明配体完全去除后导致Ru发生团聚。XANES和EXAFS表征结果显示，通过N2气流活化处理，Ru(NH3)6Cl3消除5个NH3配体，但是仍然使用含氧配体并且保持6配位状态，Ru的价态为Ru(III)。X射线谱的峰位置向高能量方向移动，说明配体向金属转移的电子减少。EXAFS的峰强度降低，这是相邻原子的结构无序程度增加导致。 为了能够达到工业生产的需求，需要反应具有较高的产量和更快的反应速率。同时催化剂必须具有足够的稳定性。选择乙醇作为溶剂，并且选择适中的反应温度(130-175 ℃)。当反应温度为150 ℃或175 ℃，催化剂为10 mg ml-1，产物的浓度达到300 mM。但是150 ℃或175 ℃反应能够得到的产物最大产率都非常有限，由于热力学平衡的限制，产率最高只能达到70 %。在175 ℃进行催化反应，在500 mM得到368 mA h-1，在1000 mM得到427 mM h-1，这个反应速率达到文献报道的水平。反应能够在超高的浓度进行（2 M，且产物/乙醇的比例=1:1），当反应温度为175 ℃，2 M浓度反应体系仍能够得到高产率。
反应机理
图5. 分子异构-Diels-Alder串联反应的反应动力学、反应机理作者提出了可靠的Ru-H催化异构机理。首先生成Ru-H物种，随后对2,4-己二烯二酸的C=C键插入Ru-H，进一步单键发生旋转和β-H消除，生成Ru-H和2,4-己二烯二酸酯。有机醇起到非常关键的作用，因为反应需要负氢生成Ru-H中间体。作者通过测试不同溶剂，验证反应需要在醇溶剂中才能进行，当使用乙酸乙酯、丙酮、甲苯溶剂，反应无法进行。但是，当使用甲醇、乙醇、丁醇作为溶剂，反应能够发生。而且反应的副反应生成加氢副产物，进一步说明反应的Ru-H机理。反应的速率与醇溶剂供氢的能力有关，其中反应速率为异丙醇>甲醇>乙醇。此外，通过同位素标记也验证了反应的机理为Ru-H。 由于异构反应产物的trans,trans-/cis,trans-热力学平衡比例为70:30，因此异构反应的产物需要进行异构体分离处理过程。由于trans,trans-异构体分子更容易发生Diels-Alder环加成反应，因此作者将异构反应与能够消耗trans,trans-结构的反应进行结合，从而促进cis,trans-反应物能够得到更高的转化率。在乙烯气氛下进行反应，300 mM cis,trans-结构的反应物加入0.2%Ru-B150催化剂，在175 ℃和40 bar乙烯气氛进行反应，在反应进行到4 h，97 %的cis,trans-结构反应物转化，79 %的环己烯-1,4-二羧酸二酯（选择性得到81 %）。进一步的反应温度提高至200 ℃，环己烯-1,4-二羧酸二酯产物的产率达到84 %，而且副反应产物减少。在优化后的反应条件，200 mM和100 mM的反应物浓度分别得到89 %和93 %的环己烯-1,4-二羧酸二酯收率。Khalil, I., Rigamonti, M.G., Janssens, K. et al. Atomically dispersed ruthenium hydride on beta zeolite as catalysts for the isomerization of muconates. Nat Catal 7, 921–933 (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01205-5https://www.nature.com/articles/s41929-024-01205-5
