近日，南方科技大学张绪穆、陈根强团队设计、合成了一种基于氧杂螺环骨架的双亚膦酸酯配体O-SDPhite（L27），该催化体系在烯烃的氢甲酰化中可以获得高达17,620,000的转化数(TON)。值得注意的是，在混合丁烯的异构化-氢甲酰化中，Rh/L27获得了优异的区域选择性和产率，超过了目前商业化的配体BiPhephos，这表明O-SDPhite在化学工业中具有及其重要的应用价值。该工作发表以“Robust, scalable, and highly selective spirocyclic catalysts for industrial hydroformylation and isomerization-hydroformylation”为题发表在Science Advances上（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado9607）。
氢甲酰化是工业中最重要且规模最大的均相催化反应之一。自1938年奥托·罗伦（Otto Roelen）发现该反应以来，已经开发了几种著名的商业化工艺，如BASF-Oxo工艺、Shell工艺、LP Oxo工艺以及Ruhrchemie/Rhône-Poulenc （RCH/RP）工艺。每年通过这种转化生成的醛类物质超过1000万吨，其中超过600万吨用于邻苯二甲酸酯增塑剂行业，年收入约为100亿美元（图1A）。除了用于邻苯二甲酸酯增塑剂的醛缩合路线外，醛的氧化或氧化酯化产品还广泛用于通过Fischer酯化或与多元醇的酯交换反应合成多元醇酯（POEs）（图1A）。POEs广泛应用于汽车和制冷剂润滑油、化妆品等领域，市场价值约为50亿美元。因此，发展一种可以催化丙烯或Raffinate II/III的高活性和高选择性的线性氢甲酰化体系具有重大的学术和工业价值。
图1. 氢甲酰化和异构化-氢甲酰化的工业应用和该领域的代表性配体 (A) 氢甲酰化和异构化-氢甲酰化的工业应用. (B) 氢甲酰化和异构化-氢甲酰化领域的代表性配体. (C) 螺环双亚磷酸酯配体在氢甲酰化和异构化-氢甲酰化中的应用
螺环骨架如SPINOL在不对称催化中表现出优异的性能，然而，它们在烯烃氢甲酰化中却很少被探索。张绪穆小组此前已经报道了结构独特的二酚O-SPINOL及相关的O-SpiroPAP、O-SDP、O-SIPHOX配体在不对称催化中的应用。引入氧原子大大增加了O-SPINOL中两个酚羟基之间的距离，导致所产生配体的咬合角更大。因此，他们设想O-SPINOL的双亚磷酸酯或双亚磷酸酯类似物在氢甲酰化条件下将产生更大的咬合角和更高的直链/支链比（l/b）。基于Biphephos和四膦酸酯（TBTP）配体的成功案例，在O-SPINOL的邻位引入空间位阻大的叔丁基将进一步提高配体的速度、选择性和稳定性（图1C）。
首先，作者以1-辛烯为模型底物筛选出最优反应条件，并在此条件下，进一步考察了O-SDPhite在不同烯烃底物氢甲酰化中的普适性和局限性（图2）。值得注意的是，在底物与催化剂（S/C）比例为20,000,000的放大实验中，1l的转化率为88.1%，产率为84.6%，并保持了极高的区域选择性（TON=17,620,000，平均TOF=244,722 h-1）。
图2. 铑催化的烯烃的氢甲酰化反应
如图1A所示，丙烯或混合丁烯的氢甲酰化是陶氏和庄信万丰 LP OxoSM 技术中生产正丁醛和正戊醛的重要步骤。混合丁烯价格低廉且来源丰富，可以轻松从甲醇制烯烃（MTO）工厂、费托合成（FT）工厂和乙烯低聚反应获得。混合丁烯的异构化-氢甲酰化（ISO-HF）具有挑战性，因为(Z)-丁烯和(E)-丁烯的反应性很低，在生产线性醛之前需要将双键异构化到端位。首先作者研究了O-SDPhite（L27）与基准配体Biphephos（L21）对丙烯的氢甲酰化。L27得到了40.8的l/b比和88.9%的产率，在反应性以及线性选择性方面均优于Biphephos（L21）（图3，条目1）。接下来，作者对丁烯和混合丁烯进行了测试，并在该项实验中加入了基于SPINOL的二磷酸盐L28进行比较。结果发现，O-SDPhite（L27）在催化混合碳四的实验中，无论在收率还是选择性方面均好于其他两个配体（L21 & L28）。值得注意的是，对于Raffinate III，正戊醛（2w）的产率高达80%（图3，条目4）。这对于后续的羟醛缩合生成2-丙基-2-庚烯醛非常方便，因为L27几乎抑制了无用的异戊醛的生成，从而简化了后续纯化工序，进一步节约生产成本，符合新质生产力理念。
图3. 丙烯和丁烯的氢甲酰化或异构化-氢甲酰化反应.
在展示了Rh/L27催化剂在半连续（semi-batch）氢甲酰化反应中相对于Rh/L21催化剂的显著优势后，作者在三个连续搅拌釜反应器（CSTRs）（每个5.0升）串联系统中进行了工业案例研究。再次将基准配体L21与L27在Raffinate III的异构化-氢甲酰化（ISO-HF）中进行了比较。如图4A所示，在连续操作41天（984小时）的稳定状态下，Rh/L27体系表现出前所未有的高区域选择性（平均l/b比为38.3）和72.3%的正戊醛平均产率，总共生产了404公斤正戊醛。相比之下，L21的l/b比仅为14.7，31天（744小时）内仅生产了282公斤正戊醛，平均醛产率为68.5%，表明Rh/L27体系具有更高的稳定性和区域选择性。
图4. 混合碳四烯烃的连续流异构化-氢甲酰化反应. (A) 混合碳四烯烃的连续流异构化-氢甲酰化反应结果. (B) 反应装置示意图.
总结：南方科技大学张绪穆、陈根强团队开发了一种基于氧杂螺环双亚膦酸酯配体O-SDPhite（L27）的高活性和高效催化体系，并将其应用于烯烃的氢甲酰化（HF）和异构化-氢甲酰化（ISO-HF）中。值得注意的是，在混合丁烯（精馏残液）的ISO-HF中，Rh/L27获得了优异的区域选择性和产率，这表明O-SDPhite在化学工业中具有及其重要的潜在应用价值。该项工作近日发表在Science Advances上，南方科技大学张绪穆教授和陈根强副教授为共同通讯作者，高级研究学者宗岩和深圳职业技术大学张润通教授为共同第一作者。该项工作得到了国家科技部重点研发计划（低碳烃的催化羰基化反应研究，2023YFA1507500）经费的大力支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado9607