2019年12月20日，阿尔伯特-爱因斯坦大学罗斯托克分校莱布尼兹研究所的Matthias Beller教授团队在《Science》在线发表名为“Direct synthesis of adipic acid esters via palladium-catalyzedcarbonylation of 1,3-dienes”的研究文章，提出了己二酸及其酯合成的替代途径，钯催化剂将一氧化碳添加到丁二烯的每个末端且不产生副产物。
针对该文章的研究成果，德国有机合成专家Thomas Schaub在《Science》在线发表了名为“Producing adipic acid without the nitrous oxide”的评论文章。Thomas Schaub认为己二酸是尼龙聚合物的单体如聚酰胺66。截至目前，己二酸通过环己酮-环己醇混合物与硝酸的氧化反应进行生产，年产量达数百万吨，同时产生大量的温室气体一氧化二氮。
丁二烯的双羰基化反应生成己二酸或其酯类可能是一种可行的替代方法，因为该方法可以避免使用硝酸和N2O的排放，且原料来源广泛。在过去的几十年里，已经有多种反应体系，不过主要是实验室规模，面临着活性不足或者选择性不足的问题，没有发展成工业过程。Yang 等人现在采用了一步法对丁二烯进行双羰基化的系统，其活性和选择性达到了前所未有的水平。
研究预览：1,3-丁二烯的直接羰基化为工业上重要的己二酸衍生物的生产提供了一种更经济、更环保的途径。然而由于区域异构羰基化和异构化的复杂反应网络，始终没有找到高选择性的实用催化剂。该团队采用了一个吡啶基取代的双齿膦配体的设计，该配体与钯配合，催化1,3-丁二烯、一氧化碳和丁醇形成己二酸二酯，选择性为97%，原子经济性为100%。该催化剂还提供了从1,2-、1,3-二烯到其他多种二酸酯和三酸酯的途径。
图文解读：丁二烯选择性双羰基化制己二酮酸或衍生物是困难的，因为它需要两个连续的和非选择性羰基化达到以戊烯酸为中间体的目标产物。在早期的研究中，该反应需要分两步进行，丁二烯羰基化反应生成3-戊二酸，然后异构化3-戊二酸羰基化反应生成均相的己二酸钴、钯或铑催化剂。由于有许多潜在的不需要的副产物如同分异构体或聚合物，这两个步骤的条件和催化剂都需要仔细选择，分别优化后的反应不相容，不能发展成高效的单步反应。
如下图所示，该催化过程存在多个挑战：(i)催化剂必须在二烯基板上促进两种不同的羰基化反应(这是以前无法实现的);(ii)线性二羰基化产物必须是选择性的形成，尽管最初形成的单羰基化中间体到末端烯烃的异构化在热力学上特别不利;(iii)其他副反应如端粒化、氢烷氧基化和共聚合必须被抑制。
参与1,3-丁二烯合成己二酸酯的反应网络
该团队试图利用碱基修饰的1,2-二[(二叔丁基膦基)]的衍生物甲基苯配体实现1,3-丁二烯的选择性二羰基化，从而用于甲基丙烯酸甲酯的批量生产。如下图所示，对该配体的初步优化研究显示，在120°C和40 单位的 CO条件下，以对甲苯磺酸为辅助催化剂制备线性己二酸二丁酯4a的活性较低，但选择性较好。
为了提高催化剂的性能，对dtbpx衍生物L2和L3进行了测试，没有观察到活性的增加。根据之前的假设，在特定的配体骨架上加入合适的碱基，应该会增加相应的钯催化系统在烷氧羰基化反应中的活性。
钯催化1,3-丁二烯二羰基化的配体优化
为了了解HeMaRaphos对钯催化剂性能的影响，该团队进行了动力学监测实验。在前半个小时，在原位混合物中观察到活泼的钯氢化物的形成。然后，进行烷氧羰基化反应，选择性地合成正丁基-3-烯酸正丁酯。该中间体在90分钟后不断积累，达到最大产量50%左右，此时停止反应可使3a从反应混合物中分离出来，同时活性催化剂也促进了烯烃异构化。由于其快速转化为线性己二酸二酯，未检测到末端烯烃正丁基戊-4-烯酸酯。
其次，对钯前体、酸、温度、压力的影响进行了详细的优化研究，进一步提高了工艺的实用性。目标产物酯的产率为88 ~ 95%，线性选择性为97%。例如，在没有额外溶剂的情况下，反应可以在>200-g的范围内进行，Pd负荷仅为0.05 mol %。
钯催化的1,2-和1,3-二烯的二羰基化反应
除了在化工产业中1,3-丁二烯的二羰基化的特殊重要性，这种方法也为精细化工生产中其他二烯的价格稳定提供了解决方法。为了展示该催化剂体系的通用性，该团队使用了15种不同的二烯烃和30多种醇合成具有高选择性和产率的对应的二酯。
尽管该研究取得了令人印象深刻的成果，但在工业生产前，这种反应仍存在一些问题如催化剂的长期稳定性、更简单有效的配体、催化剂的负荷量和贵金属的回收等。
研究总结：该团队提出了一种有效的己二酸及其酯的制备替代途径，其中钯催化剂将一氧化碳添加到丁二烯的每个末端。该工艺的原材料来源广泛、且没有副产物，改变了以前过程繁琐、使用腐蚀性硝酸和温室气体产生的路线，是一种更经济、更环保的生产工艺。
来源：网易新闻
