1996年BP- Amoco公司实现了铱-碘络合催化羰基合成用于醋酸工业生产,这就是所谓的“ Cativa”工艺(图2-20),Maitlis等研究对比了铑、铱催化甲醇羰基化的反应机理,发现铱-碘络合催化羰基合成的催化活性物种和催化循环与铑-碘络合催化的很类似。
铱-碘催化羰基合成的催化循环与铑/碘催化的也有明显差异。CH3I对[Ir(CO)2I2]-的氧化加成,研究发现要比对[Rh(CO)2I2]-的氧化加成快约150倍;而对接下来的迁移插入反应,[MeRh(CO)2I3]-却要比[MeIr(CO)2I3]-快105~106倍。也就是说,铱催化甲醇羰基化的催化循环中,氧化加成不再是慢反应,迁移插入反应才是速控步骤。铱催化循环的迁移插入反应,包含一个碘负离子(I-)从[CH3Ir(CO)2I3]-中解离出来,一个CO进入配位,以及甲基迁移。这里最慢的反应步骤是中间体Ⅱ→Ⅲ的转化,其中包括碘负离子(I-)的解离和CO进入配位。而甲基向顺式邻位的CO配体迁移,是极其迅速的。
于是,铱-碘催化羰基合成的反应动力学方程便是:
r=k·[Ir]·[CO]/[I-]
即羰化反应速率r与铱催化剂浓度和CO浓度成正比,与碘负离子浓度成反比。
从铱-碘催化羰基合成的反应动力学方程r=k·[Ir]·[CO]/[I-]可以预见,能够在中间体Ⅱ→Ⅲ转化这一步协助除去碘化物的物种,就可以作为促进剂或助催化剂使用。研究指出,比较好的促进剂或助催化剂有两类金属化合物:一类是锌、镉、汞、镓和铟的单纯的碘化物;另一类是钨、钌、铼和锇的羰基-碘配合物。
表2-19列出了部分添加剂对甲醇羰基合成反应速率的影响。
表2-19 各种添加剂对甲醇羰基合成反应速率的影响
编号 | 添加剂 | 对[Ir]摩尔比 | STY/[mol/(L·h)] |
1 | 空白对比试验 | 0:1 | 8.2 |
2 | n-Bu4 NI | 1:1 | 2.7 |
3 | LiI | 1:1 | 4.3 |
4 | Ru(CO)4I2 | 5:1 | 21.6 |
5 | Os(CO)4I2 | 5:1 | 18.6 |
6 | CdI2 | 5:1 | 14.7 |
7 | InI3 | 5:1 | 14.8 |
8 | InI3/Ru(CO)4I2 | 5:1:1 | 19.4 |
9 | Ru(CO)4I2 | 1:0(无铱) | 0 |
实验表明,加入非金属化合物添加剂n-Bu4 NI,原有的催化活性反而受到严重的减弱;在金属化合物添加剂中,Ru(CO)4I2作为铱-碘催化剂体系的促进剂,其效果最好。研究认为,Ru(CO)4I2等金属促进剂直接参与到催化循环反应之中,形成一个助催化次级循环:
助催化次级循环中,溶剂化的金属促进剂M(CO)xIy(solv)有助于降低迁移插入反应的活化位垒,使[MeIr(CO)2I3]-更容易解离出I-,并促进CO进入替补与之配位,从而使铱催化羰基合成的整个催化循环过程速度得以提高。实验指出,在铱催化甲醇羰化合成醋酸反应体系中,添加醋酸甲酯可以显著地加速反应,且添加量可以很高。在如图2-21所示的助催化次级循环中,使离子态的金属促进剂[M(CO)xIy+1]-[H+]恢复到其初始态M(CO)xIy(solv),采用醋酸甲酯比使用甲醇更为有利,这样不会因为消除碘负离子而给体系造成过多的水含量。考虑到醋酸甲酯参与的有机反应平衡,铱催化羰基合成的反应动力学方程就变为:
r=k·[Ir]·[CO]·[MeOAc]
由方程式可见,羰基化反应速率r与铱催化剂浓度、CO浓度和醋酸甲酯浓度成正比。数据表明,采用铱催化羰基合成醋酸甲酯浓度所能达到的最好的催化反应速率2.0×103molHAc/(mol Ir/h)。
塞拉尼斯公司报道,在使用均相铱催化剂进行醋酸羰基合成的羰化反应体系中,加入少量含有吡啶环的交联聚合物,催化活性有明显改善,羰化反应速率一般能提高50%左右。数据表明,采用铱催化剂进行醋酸羰基合成所能达到的最好的羰化反应速率,以周转率[TON,单位为molHAc/(mol Ir/h)]表达时,基本上与铑催化剂的相当。
采用铱催化剂进行醋酸羰基合成,其优点在于:
i.催化剂所使用的贵金属铱和钌,价格相对而言比金属铑要便宜得多;
ii.作为助催化剂的碘甲烷的使用量,不像铑催化剂羰化反应体系中使用的那么多;
iii.铱催化剂的浓度能维持较高水平,合成釜的时空产率较高;
iv.合成釜水浓度维持较低水平,有利于减少投资,并且大大减少蒸汽消耗。
但采用铱催化剂进行羰基合成,也有如下一些不足之处:
i.催化剂体系的组成比较复杂,各组成成分之间的相互依存性很强,故各组成成分之间的配比更要严格控制。
ii.液体反应组分接触到的设备和管线中的重金属离子、碱金属和碱土金属离子以及易于季盐化的含氮、磷原子基团的配体都有可能使铱催化剂的催化活性迅速降低,甚至失活。原因是他们会产生碘负离子,故把它们统称为离子污染物。采用铱催化剂进行羰基合成,很重要的一项操作规程,就是要严格控制这些离子污染物在反应体系中的存在量。大家都知道,在铱催化剂的催化循环过程中,必须要有碘负离子的参与,但其量不能多。有文献报道,碘负离子的浓度应保持在500×10-6以下,最好是在250×10-6以下。而在铑催化剂的羰基化反应体系中,基本上不存在所谓离子污染物影响之类的问题。