氫甲酰化是當今化學工業中最常用的大規模均相催化反應之一，將烯烴、氫、一氧化碳轉化為醛及相關化學品，年產量超過1000萬噸。多年來，傳統的工業催化劑體系儘管表現出優秀的催化性能，但也一直面臨不小的挑戰。歷史上第一種氫甲酰化催化劑是鈷配合物HCo(CO)4，由Otto Roelen於1938年意外發現，使用這種催化劑要求高壓，CO分壓需隨著溫度升高而急劇增加以抑制催化劑的分解。後來開發的含膦配體鈷催化劑HCo(CO)3(PR3)能在較低的壓力下催化反應，然而較強的Co-CO鍵大大影響了催化速度，因此需要更高反應溫度和超高催化劑濃度，同時還會產生更多的副反應。上世紀70年代初期，活性要比鈷催化劑高出數百倍的銠催化劑問世，後來成為工業標準的銠-膦催化劑HRh(CO)(PPh3)2不但活性高，而且還能在相當低的壓力下工作。但這種催化劑也有不盡人意之處，除了Rh的高成本和低儲量問題，由於PPh3配體容易解離，需要使用過量的PPh3以保持催化劑性能。
圖1. 工業氫甲酰化催化劑與新型陽離子Co(II)雙膦體系的比較。圖片來源：Science
美國路易斯安那州立大學George G. Stanley教授（點擊查看介紹）課題組曾報道過一種高活性、高選擇性的含四膦配體的陽離子銠催化劑，其中膦配體橋連並螯合兩個銠中心（Science, 1993, 260, 1784–1788；J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 11180–11181）。該催化劑對1-己烯的氫甲酰化反應具有優良的活性和選擇性，但遺憾的是，該銠催化劑容易降解失活。近日，該課題組把視線從銠催化劑轉回了最初的鈷催化劑，不同於之前的中性鈷（I）配合物催化劑，他們新開發的陽離子鈷（II）雙膦配合物（[HCo(CO)n(P2)]+）在較低壓力下顯示出更高的活性，其活性已接近當前工業上應用的貴金屬銠催化劑。這種帶正電的氫甲酰化催化劑具有以下優勢：（1）活性高、反應快，且可以催化帶支鏈內烯的氫甲酰化；（2）不需要高壓和太高的溫度；（3）更穩定，且不需要過量配體和催化劑；（4）TOF較高，副反應少；（5）成本遠低於銠催化劑。相關成果發表在
Science 上。 George Stanley教授（右）。圖片來源：Louisiana State University
在溫和條件下，單金屬催化劑前體[Co(acac)(DPPBz)](BF4)的氫甲酰化活性要比二鈷配合物更高。圖3顯示了溫度和壓力對其催化1-己烯氫甲酰化的影響。在50 bar H2：CO（1：1）下，隨著溫度的升高，催化劑活性增加，但當溫度升高至170 °C時，催化劑開始分解。作者於是在160 ℃下，增加H2：CO壓力，發現活性逐漸增加，初始TOF從52.5 min-1（30 bar）增加到103.2 min-1（90 bar）。這種陽離子Co(II)催化劑具有較高的烯烴異構化活性，與Co(I)催化劑體系類似。醛產物較低的線性/支鏈（L：B）選擇性表明，陽離子鈷催化劑可以與異構化形成的內烯配位並將其氫甲酰化。
圖2. 文中所用的鈷催化劑前體和膦配體結構。圖片來源：Science
圖3. [Co(acac)(DPPBz)](BF4)催化1-己烯氫甲酰化的溫度和壓力依賴性研究。圖片來源：Science
使用富電子的雙膦配體（如depe），可得到在較低至中等的壓力下活性更高的陽離子Co(II)氫甲酰化催化劑。在標準條件下，將催化劑[Co(acac)(depe)](BF4)在140 °C、34 bar H2：CO（1：1）下活化5 min，然後將高壓釜的溫度和壓力降至100 °C和10 bar，再注入1-己烯以引發催化反應。1 h後，發現到醛的轉化（TOs）為68，29 h後為619，其中醛的L：B選擇性為0.8，烯烴異構化率為15.1％且未檢測到烷烴或醇的生成。這種陽離子Co(II)雙膦催化劑比近來報道的另一種廉價金屬鐵催化劑H2Fe(CO)2(PPh3)2快得多（J. Am. Chem. Soc.,
2018, 140, 4430–4439）。作者還在工業條件下使用1-己烯和Co(I)模型催化劑以及PBu3進行催化反應，來比較陽離子Co(II)雙膦催化劑與中性的Co(I)催化劑體系，結果表明陽離子Co(II)-DPPBz催化劑比典型的含膦配體中性Co(I)催化劑體系快至少30至60倍。
圖4. 不同鈷和銠催化劑參與的3,3-二甲基丁烯的氫甲酰化。圖片來源：Science
接下來，作者比較了四種不同的陽離子Co(II)雙膦催化劑和兩種Rh-膦催化劑催化3,3-二甲基丁烯氫甲酰化的性能（圖4）。其中，Rh-聯苯酚膦（biphenphos）催化劑是活性和選擇性最高的氫甲酰化催化劑之一，但易發生亞磷酸酯降解反應，催化劑壽命縮短。基於強σ-供體的乙基取代的雙膦配體（depe和DEPBz）的陽離子鈷催化劑活性比基於另外兩種雙膦配體的鈷催化劑更高一些。與銠催化劑相比，它們的速率常數kobs也能達到銠催化劑的十分之一左右；考慮到鈷催化劑的反應在較高的溫度和壓力下進行，因此相同條件下這些鈷催化劑的速率常數可能在銠催化劑的約二十分之一左右。儘管活性仍有不小差距，但銠的價格要比鈷高至少4000倍，這麼看來似乎活性20倍的差距也沒有那麼難以接受。
儘管在3,3-二甲基丁烯這種較簡單端烯類底物上活性略遜一籌，但對於更難氫甲酰化的帶支鏈內烯，這種陽離子Co(II)雙膦催化劑體系卻表現出了更好的催化性能。圖5展示了HCo(CO)4、[HCo(CO)x(depe)](BF4)、Rh:PPh3（1：400）和Rh:biphenphos（1：3）催化幾種帶支鏈內烯氫甲酰化的結果。中性Co(I)催化劑HCo(CO)4具有最高的活性，但是要求在90 bar的高壓下工作，在較低壓力下會緩慢分解。陽離子Co(II)雙膦催化劑[Co:depe]+的活性幾乎與HCo(CO)4相同，但其工作壓力僅為30 bar，在較高的壓力和溫度下運行，速度會大大加快。相比之下，Rh-膦催化劑對於帶支鏈內烯的催化性能較差。
圖5. 帶支鏈內烯的氫甲酰化。圖片來源：Science
穩定性是判斷催化劑體系整體質量的關鍵。作為例證，[Co(acac)(depe)](BF4)在160 °C、50 bar H2：CO（1：1）條件下反應14天（336 h），平均TOF為59.5 min-1。而且值得注意的是，該催化劑在336 h後仍具有不錯的活性，穩定性優異。作者還進行了原位傅立葉變換紅外（FTIR）（圖6）來深入研究催化過程，發現19電子（19e-）中間體可能在催化中起重要作用。最後，作者提出了這類陽離子Co(II)雙膦催化劑的可能機理（圖7）。基本反應步驟與已知氫甲酰化催化劑的反應步驟大體相同：烯烴配位、氫化物遷移插入形成烷基以及CO與烷基遷移插入形成類酰基物種。
圖6. [Co(acac)(depe)](BF4)的原位FTIR研究。圖片來源：Science
圖7. 可能的氫甲酰化機理。圖片來源：Science
總結
近50多年來，基於鈷的氫甲酰化催化劑研究較少，整個氫甲酰化工藝也鮮有較大突破。George Stanley教授課題組報道的這種陽離子Co(II)雙膦氫甲酰化催化劑，活性接近當前工業上使用的價格高昂的銠催化劑，無需高壓和高溫，穩定性高，且能夠實現帶支鏈內烯的氫甲酰化，工業應用前景光明，可以說是氫甲酰化工藝50年來的最大突破。Stanley教授說道：“最佳的銠催化劑僅比這種陽離子鈷雙膦催化劑快約20倍，但價格卻貴成千上萬倍”……銠催化劑一般需要高溫高壓，而這種陽離子鈷雙膦催化劑可以在中等壓力下催化反應，“是一種能效更高的技術”。[1]
Highly active cationic cobalt(II) hydroformylation catalysts
Drew M. Hood1, Ryan A. Johnson1, Alex E. Carpenter, Jarod M. Younker, David J. Vinyard, George G. Stanley
Science, 2020, 367, 542-548, DOI: 10.1126/science.aaw7742
導師介紹
George G. Stanley
https://www.x-mol.com/university/faculty/4589
1. Study Finds First Major Discovery in Hydroformylation in 50 Years
https://www.lsu.edu/science/news_events/cos-news-events/2020/january/stanley-aaas-cobalt.php
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