双羰基化合成丁二酸（酯）的研究进展

赵 简 ，孙 腾 ，李建国 ，杨先贵 *，王公应

（1.中国科学院成都有机化学研究所，四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049）

丁二酸又名琥珀酸，是一种重要的有机化工原料及中间体。丁二酸及其衍生物在合成塑料、橡胶、染料、香料、涂料、医药、农药和食品等工业中应用很广泛，如合成生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）[1-3]。PBS材料具有优异的力学性能和耐热性能，高度顺应世界和国家对环保可降解政策的引导和发展，因此丁二酸具有较好的市场前景[4]。

目前丁二酸的合成方法主要有生物法[5,6]（生物转化法、生物发酵法）、化学法（石蜡氧化法[7]、催化加氢法[8]）和电化学电解法[9]。其中，生物法很具有发展前景，但生产成本有待降低；石蜡氧化法虽然工艺较成熟，但是产率和纯度都很低，且存在污染。丁二酸在我国的生产起步较晚，前些年我国丁二酸及其衍生产品很多需要进口，近年来随着国内以微生物发酵为基础的丁二酸生产工艺的研发与进步，该情况开始改善。国内市场上生产丁二酸的企业有十余家，多数以石油基为主要生产原料，属高能耗、高物耗、高水资源消耗和高污染的低端产业，且生产规模较小，生产能力相对较低，单线产能最高也仅维持在千余吨左右，这种生产与研发现状极大地限制了丁二酸的大规模应用[10]。

羰基化反应具有对“原子经济性”反应的高选择性和对环境的友好性，可充分利用资源和保护环境，符合绿色化学发展趋势，备受学术界及工业界青睐[11,12]。双羰基化反应是通过催化的方法在化合物分子中引入两个羰基而成为含氧化合物的一类反应[13]。利用乙炔或环氧化物进行双羰基化反应合成丁二酸（酯）符合国家可持续发展的要求，具有良好的发展前景。

自20世纪50年代以来，人们发展了众多贵金属催化体系催化羰基化反应，都取得了良好的催化效果，但是贵金属价格较高，人们渐渐开始寻找简单的非贵金属催化剂代替贵金属催化剂[11]。本文对丁二酸、丁烯二酸、丁二酸二丁酯和丁烯二酸二丁酯等系列双羰基化产品的研究情况进行了综述。

1 乙炔两步法双羰基化合成丁二酸（酯）

乙炔可以通过两步法羰基化合成丁二酸（酯），其反应式为：

乙炔羰基化法制丙烯酸（酯）是合成丙烯酸的重要方法，1939年，Walter Reppe等首先采用Ni(CO)4催化C2H2、CO和H2O合成了丙烯酸[14]，见反应式 （1），之后人们对乙炔羰基化法合成丙烯酸（酯）的研究取得了良好的进展。20世纪60年代，Walter Reppe等[15-17]以丙烯酸及其低级同系物为原料，以Ni、Fe和Co的硫代氰基化合物为催化体系，得到了丁二酸，见反应式（2），他们研究发现活性最好的催化剂为 K2[NiⅠ(CN)3]和 K2[NiⅡ(CN)4]。 他们将282g CH2=CH-COONa、280g K2CO350g K2[NiⅠ(CN)3]加入至1170g H2O中搅拌，在15MPa的压力下加入CO，然后将高压釜加热至150℃，反应24h后，经过蒸馏回收最终得到65g丁二酸。该反应伴随有副反应发生，反应中会产生多余的CO2和H2。他们还发现：可以以乙炔作为原料合成丁二酸，K2[NiⅠ(CN)3]和K2[NiⅡ(CN)4]能够同时催化乙炔合成丙烯酸（反应式（1））和丙烯酸合成丁二酸（反应式（2））两步羰基化反应，且无需分离作为第一步反应产物的丙烯酸。

2 乙炔双羰基化合成丁二酸(酯)催化剂的研究

20世纪70年代，Chiyuki Fujii等[18,19]采用Pd活性组分-氨基酸催化体系，以C2H2和CO为原料，以醇类为溶剂，在常温常压下进行3h双羰基化反应直接合成了丁烯二酸和丁烯二酸酯，产物中顺丁烯二酸二甲酯占90%，反丁烯二酸二甲酯占5%。其反应式为：

随后人们以钯基催化剂为主催化剂，以金属盐和酸为助剂，对C2H2和CO双羰基化一步合成丁二酸（酯）的催化剂展开了研究，结果如表1所示。

表1 乙炔羰基化合成丁二酸（酯）的钯基催化体系

20世纪80年代，许松岩、聂宗武等[20-22]采用PdCl2-FeCl3催化体系，以丁醇为介质，探索研究了温度、压力以及助剂对合成丁烯二酸二丁酯的反应的影响，研究发现：当催化剂仅用PdCl2单组份时，Pd会很快析出，所得产物极少，催化剂无法循环利用，当加入助剂H2SO4时，能有效地抑制CO2的生成，并可增加丁烯二酸二丁酯的生成量；反应在常压和60℃下进行时所得丁烯二酸二丁酯的产率为14(gPdCl2·h)，收率为 74%，而在 0.6MPa和 80℃下进行时获得的丁烯二酸二丁酯的产率平均为125g/(gPdCl2·h)，收率平均为 84%。

20世纪 90年代，Bruk等[23,24]采用PdBr2-LiBr-CH3CN催化体系，在40℃和101kPa的条件下，乙炔羰基化合成了丁二酸酐，乙炔的转化率约70%，但此种方法反应速度较慢，还有2,5-呋喃酮、乙烯等副产物产生，后续分离处理较难。

2001年，Jinheng Li等[25-27]用二恶烷和水混合做溶剂，以PdCl2和CuCl2为催化剂体系对末端炔烃进行羰基化反应，以高产率获得了马来酸酐。反应式如下：

他们研究了助剂对反应的影响，结果表明：①在没有助剂（例如CuCl2），只用PdCl2作为催化剂的情况下，反应可以平稳进行，但是速率和产率在一定程度上降低，苯乙炔可以在14h后完全转化为酸酐，反应结束后，催化剂变成黑色固体粉末，X射线晶体学显该黑色粉末为黑色的Pd单质；②当常温常压下， 催化剂为 PdCl2（0.056mmol），CuCl2（10mmol），溶剂为二恶烷（w(H2O)=0.3%）时，向混合物中加入5mmol苯乙炔时，反应能够顺利进行，且马来酸酐收率达到98%；③当使用PdCl2和CuCl2作为催化剂时，其它末端乙炔也能够以优异的产率顺利地转化成相应的马来酸酐；因此，在由PdCl2催化的末端炔烃双羰基化反应中，助剂不是必要的，但它可以影响反应的产率和速率。

2003年，Bartolo Gabriele等[28-31]使用 PdI2或 PdI2/KI作为催化体系，一步完成了末端芳基乙炔的氢烷氧基羰基化反应，合成顺丁烯二酸及顺丁烯二酸酐。他们在60～80℃下，以水和二恶烷为溶剂，加入催化剂 PdI2和 KI，在 V(CO):V(空气):V(CO2)=4:1:10的比例下通入气体混合反应，得到顺丁烯二酸酐收率为48%～96%。

3 环氧化合物双羰基化合成丁二酸（酯）

由于分子内环张力的存在，环氧化物具有很高的反应活性，环氧化物双羰基化合成丁二酸（酯）的反应式如下：

环氧化物先羰基化合成内酯，再由内酯羰基化合成丁二酸酐，最初研究表明：这两步需要不同的催化剂来完成[32-34]。2006 年，John 等[35,36]研究发现：催化剂[(ClTPP)Al(THF)2]+[Co(CO)4]-（ClTPP=内消旋-四(4-氯苯基)卟啉;THF=四氢呋喃）对该两个阶段都有良好的催化作用，于是成功实现了环氧化物一锅法双羰基化合成丁二酸酐，并对催化剂和底物的比例进行了优化，使得1～2mmol的环氧化物在90℃条件下在3h内几乎完全转化，丁二酸酐的收率可以达到98%。

2013年，Allen等[37,38]采用连续流动系统，将环氧乙烷与一氧化碳在至少一种路易斯酸与过渡金属羰基配合物的羧基化催化剂如[(ClTPP)Al(THF)2]+[Co(CO)4]-的作用下进行双重羰基化得到了琥珀酸酐，并通过结晶将琥珀酸酐从产物流中分离出来，余下的催化剂循环到反应物流中。他们将环氧乙烷、二恶烷和催化剂及CO在压力为1448kPa、温度为100℃的混合器中混合，然后调节压力为1482kPa，温度为50℃，原料物流进入反应器，产物物流在1378kPa的压力和90℃的温度下离开反应器，闪蒸罐回收的气体中含有体积分数约3%的二恶烷，21%的CO，34%的甲烷和42%的CO2，出口溶液包含质量分数25%的琥珀酸酐。他们研究发现：产物的分离可以通过多种分离手段完成，包括但不限于固液，气液和液-液分离技术。分离过程分为全部分离和部分分离：全部分离可使几乎全部反应催化剂保留在再循环物料流中；部分分离可使占反应产物约0%～100%的酸酐产物分离出来，其余未分离的酸酐随溶剂和催化剂一起参与再循环。

4 双羰基化合成丁二酸(酯)机理的研究

20世纪80年代，许松岩、聂宗武等[21]对乙炔在PdCl2-FeCl3催化体系下羰基化合成丁二酸二丁酯的反应进行了动力学和机理的讨论。他们通过分别考察CO、C2H2和O2的浓度、H2SO4的添加量和催化剂PdCl2的浓度对反应速度的影响，得到了以下动力学方程：

其中：r表示总反应速率，L/min；V表示气体体积，L；t表示反应时间，min；K 表示速率常数，mol/(L(min)。

20世纪 70年代，Chiusoil等[39]采用 PdCl2-硫脲体系催化乙炔羰基合成丁烯二酸二甲酯和Mekhryahova等[40]采用Pd-膦体系催化合成丁烯二酸酯时，均提出了单核反应机理，但该反应机理不能解释产物中出现顺反异构物的现象。聂宗武等提出的双核成键模型可以很好地解释产物的构成以及动力学实验结果，其认为，PdCl2溶液在CO气氛中可形成不稳定的PdⅠ(CO)Cl络合物[41]，此络合物在酸性介质中可形成双核的[Pd2(CO)2Cl4]2-不稳定络合物，并与C2H2络合形成具有四面体的 “跨栏”式构型(μ2-η2)的中间物(I)，由于部分(I)发生分子间歧化反应而形成“拱桥”式(Ⅱ)与“交叉”式(Ⅲ)中间物；由(Ⅰ)和(Ⅱ)可得顺式产物，由(Ⅲ)可得反式产物。 机理如下：

图1 乙炔催化羰基合成丁烯二酸二丁酯的机理

20世纪90年代，Bruk等[24,35]研究了乙炔在PdBr2-LiBr-CH3CN催化体系下羰基化合成丁二酸酐的反应机理，研究发现：在反应体系中，除琥珀酸酐之外，还产生了较少量的马来酸酐、琥珀酸、马来酸、富马酸和丙烯酸和极少量的丙酸、2-(5)-呋喃酮和乙烯。他们借助专门设计的计算机程序和计算机生成机制的进本反应库，采用假设演绎方法来研究形成马来酸酐和琥珀酸的可能机制，其鉴别实验主要是通过两个路线：(1)对可能的有机中间体的反应性进行原位研究；(2)通过动力学同位素效应研究和同位素交换反应的研究，从而揭示产生不同的反应之间的动力学关系产品；并在利用原位红外光谱对中间体进行表征时发现，Pd的氧化态发生了变化，由PdⅡ变成了PdⅠ，催化的活性物质是PdⅠ氢复合物；并通过核磁共振谱图发现：在乙炔羰基化反应体系中存在钯氢化物络合物，而且氢化物配合物的产生最可能是来自于由乙炔的氧化羰基化产生马来酸酐或马来酸和富马酸的过程；他们综合推测的可能的反应机理如下：

图2 乙炔羰基化合成丁二酸酸酐的机理研究

2006年，John等[35,36]对环氧化合物双羰基化合成丁二酸酐进行了催化剂及机理的研究，采用催化剂[(ClTPP)Al(THF)2]+[Co(CO)4]-实现了两步羰基化的连续反应，他们通过原位红外光谱研究了该催化剂与环氧化物双羰基化的机理（图3），其揭示了两个羰基化阶段是连续的且不重叠的，使得环氧化物羰基化在中间体β-内酯消耗之前完成。

图3 环氧化物双羰基化的机理研究

他们分别对两个阶段的机理进行了研究，通过原位红外光谱监测PO的羰基化时，观察到在反应过程中γ-丁内酯的形成速率恒定，表明该速率在环氧化物中为零级，又通过原位红外光谱研究了γ-丁内酯向丁二酸酐的羰基化过程，发现反应速率对整个络合物的浓度具有一阶依赖性。他们发现，不同的溶剂对两阶段的速率影响很大，环氧羰基化速率主要取决于溶剂的给电子能力，而内酯羰基化速率强烈依赖于溶剂的给电子能力和极性[42]。

5 总结与展望

目前，丁二酸（酯）主要是通过石蜡氧化法和催化加氢法进行工业化生产得到，原料大多来源于石油资源。羰基化反应具有高效率、低消耗和低排放的优点，能够达到可持续发展所要求的生产工艺过程绿色化和资源利用最大化，尤其是利用乙炔双羰基化制丁二酸（酯）可充分利用我国煤资源丰富的优势，弥补我国石油资源短缺，为我们提供了一个新的思路。尽管人们对双羰基化合成丁二酸（酯）的催化剂进行了一些探索研究，但仍存在一些问题，催化剂成本高、催化剂选择性不高、催化剂寿命和催化剂与产物分离困难等等，今后仍需设计开发高活性、高选择性和普适性的催化剂体系，并良好实现双羰基化合成丁二酸（酯）的工业化。