综述：铑/胺催化体系在还原性氢甲酰化反应中的应用：范围、挑战与机遇

《Coordination Chemistry Reviews》：Reductive hydroformylation processes using rhodium/amine catalytic systems: scope, challenges and opportunities

本文系统评述了以铑/胺（Rh/NR3）为催化体系，在CO/H2压力下将烯烃一锅法转化为高附加值醇（Reductive Hydroformylation）的研究进展。文章深入剖析了该反应自发现以来的关键发展、机理认知、催化剂回收策略（如蒸馏、色谱、溶剂萃取、相切换及多相体系）及其在生物基原料（如霍霍巴油、甲基10-十一烯酸酯）转化中的应用。尽管该体系展现优异的活性和化学选择性，但区域选择性（线性/支链比，l/b）控制及催化剂的规模化回收仍是亟待突破的核心挑战。综述为开发高效、可持续的醇合成工艺提供了全面的路线图与未来展望。

　　

2. 还原性氢甲酰化：范围与关键机理进展

本节聚焦于在均相介质中，将烯烃通过还原性氢甲酰化直接转化为醇的里程碑式研究，特别强调了为阐明活性催化物种本质所付出的长期努力。研究普遍发现，铑/三级胺（Rh/NR₃）体系在该串联反应中表现卓越。早在1971年，Fell等人首次报道了使用Rh₂O₃与N-甲基吡咯烷（NMPine）等胺配体，在125°C和180 bar CO/H₂条件下，将1-辛烯以81%的收率转化为醇。水被证实可促进中间体醛的氢化。胺的碱性（pKa）对其效率至关重要，pKa在9-11之间的胺（如三乙胺NEt₃）通常效果更佳，而弱碱性胺（如吡啶）则无效。

对反应机理的探索贯穿始终。1974年，Jurewicz等人利用原位红外光谱，在Rh₂(CO)₄Cl₂-NEt₃体系中检测到阴离子羰基簇Rh₁₂(CO)₃₀^2?，并提出了胺配体通过增强Rh-H键的氢负离子特性来促进醛氢化的平衡模型。2017年，Fuchs团队在研究双环戊二烯（DCPD）转化为二元醇DCPD-DM的反应时，进一步提出催化活性物种是氢化物配合物HRh(NR₃)(CO)₂。与CO或PPh₃配体不同，三级胺无法进行π-反馈，使得Rh-H键更具氢负性，从而更利于醛的插入——这被认为是反应的决速步。

近年来的研究借助了更先进的表征技术。2023年，Gorbunov等人通过原位X射线吸收光谱（XAS）发现，胺配体的存在能够抑制铑形成大尺寸簇合物，促进形成核数更低的铑物种（如双核簇）。位阻较小的胺（如NEt₃、NMPine）更容易形成直接的Rh-N配位键，这类物种对醛氢化具有高活性，但可能会与烯烃竞争活性位点，从而对氢甲酰化步骤产生一定的抑制作用。这项研究清晰地揭示了胺在调控活性铑物种核数与配位环境中的关键作用。

3. 催化剂回收策略

由于铑是贵金属，发展高效的催化剂回收方法对于该技术的经济可行性与规模化应用至关重要。回收策略主要取决于催化剂在反应介质中的溶解性，分为均相与多相体系。

3.1. 均相催化剂

对于可溶的均相催化剂，回收策略多样：

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  单相体系后处理：反应在单一液相中进行，结束后通过蒸馏（适用于C₃等轻质产物）、色谱柱分离（如硅胶柱分离霍霍巴油衍生物，可循环10次）或溶剂萃取（如水萃取DCPD-DM，但可能导致铑流失）来分离产物与催化剂。
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  相切换方法：反应后通过添加物质（如CO₂）改变体系离子强度，诱导形成液-液两相，实现催化剂与产物的简易分离。例如，使用二乙基乙醇胺（Et₂N-CH₂CH₂OH）的体系，通入CO₂后，催化相与产物相分离，可循环10次，但面临铑流失与胺损失的权衡。
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  两相体系：整个过程在互不相溶的两相中进行，催化剂保留在一相，产物在另一相，反应后简单分液即可。成功案例包括：使用三乙醇胺（N(CH₂CH₂OH)₃）作为极性催化相与非极性溶剂（甲苯、十二烷）组成的两相体系；以水溶性烷醇胺（如Me₂N-CH₂CH₂OH）构成的水-有机两相体系，可实现连续流操作；以及以离子液体（如BMIM-NTf₂）与非极性溶剂（庚烷）组成的两相体系，即使使用简单的NEt₃也能高效固定铑物种，循环9次以上。

3.2. 多相体系

将催化剂固定在固体载体上，通过过滤或倾析回收，是直观的策略。

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  聚合物负载催化剂：早期工作将铑负载于含有三级胺官能团的聚合物树脂（如Dowex? MWA-1）上，用于DCPD的转化。然而，醛的存在会加剧铑浸出，且部分树脂（如Amberlite? IRA-68）可能在反应条件下发生降解。近期研究合成了含有三级胺的聚合物大配体（API-III）来固载铑，通过优化Rh:N比例，可将浸出率降至2%，并实现12次循环。
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  氧化物负载催化剂：将铑钴簇合物（如Co₂Rh₂(CO)₁₂）负载于氧化铝、二氧化硅等载体，并在反应中添加NEt₃，可获得高醇收率。更先进的策略是将聚烯丙胺或聚乙烯亚胺（PEI）接枝到二氧化硅上，并甲基化末端氨基，以此制备的催化剂（K_W）在1-辛烯转化中表现出高活性和对醇的优异选择性。

4. 在可再生原料中的应用

还原性氢甲酰化为生物基烯烃转化为高价值醇提供了极具吸引力的途径，契合可持续发展目标。

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  霍霍巴油：Becquet等人使用Rh(acac)(CO)₂/NEt₃体系，在80°C下成功将霍霍巴油酯中的烯键转化为醇，并通过硅胶色谱法实现了催化剂的10次循环，总转化数（TON）达2700。
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  甲基10-十一烯酸酯：El Mouat等人以离子液体BMIM-NTf₂和胺配体（如K-DMT或NEt₃）构成两相体系，将甲基10-十一烯酸酯（MU）高效转化为相应醇，收率高达93%，并证明了体系的可回收性。
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  从双环戊二烯到二胺：Fuchs等人开发了一条从DCPD出发，经还原性氢甲酰化得到DCPD-DM二元醇，再经钌催化胺化得到DCPD-二胺的两步路线，总收率良好，展示了该反应在合成高价值精细化学品中间体方面的潜力。

5. 结论与展望

铑/胺催化体系在还原性氢甲酰化反应中已被证明是一种强大而通用的工具，能够以高活性和化学选择性将多种烯烃（包括终端烯、内烯、芳香烯及生物基烯烃）直接转化为醇。机理研究逐渐揭示，胺配体不仅作为碱或稳定剂，更能通过形成直接的Rh-N配位键创造高氢化活性的氢化物物种，并通过空间和电子效应调控铑簇的核数，深刻影响催化性能。

然而，该领域仍面临显著挑战。区域选择性控制，即从α-烯烃高选择性生成线性醇，仍然是一个难题。催化剂的高效回收与循环利用是另一大瓶颈，尽管已有多种均相、两相及多相回收策略被开发，但如何在不牺牲活性的前提下最大限度减少贵金属流失、并实现长期稳定运行，仍需进一步优化。反应体系的固有复杂性——多种铑物种（单核、多核、阴离子簇、Rh-N配位物种）并存且相互转化——也给机理的完全解析和工艺的精确控制带来了困难。

未来的机遇在于设计新型胺配体（如大位阻或手性胺）以同时调控区域选择性和促进催化剂固定化；开发更高效、更廉价的催化剂回收与连续流工艺；以及将反应拓展至更复杂、更具挑战性的生物质衍生底物。随着对反应机理更深入的理解和新型催化体系的不断涌现，铑/胺催化的还原性氢甲酰化有望在可持续化学和绿色合成领域发挥越来越重要的作用。