《Journal of Catalysis》：Aspects of the promoting ability for P-aryl-substituted diphosphine derivatives of alkanes and cycloalkanes in Pd-catalyzed methoxycarbonylation of alkene compounds
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Nadezhda T. Sevostyanova | Sergey A. Batashev | Ilya E. Nifant’ev | Vladimir V. Bagrov
“Himreaktivdiagnostika”研究与生产中心（Chemreaktivdiagnostics
Nadezhda T. Sevostyanova | Sergey A. Batashev | Ilya E. Nifant’ev | Vladimir V. Bagrov
“Himreaktivdiagnostika”研究与生产中心（Chemreaktivdiagnostics），隶属于以L.N.托尔斯泰命名的图拉国立师范大学（联邦国家预算高等教育机构），地址：列宁大街125号，300026图拉，图拉州，俄罗斯
摘要 本文研究了有机磷化合物在Pd(OAc)2 /对甲苯磺酸催化体系中促进环己烯和1-辛烯甲氧基羰基化反应的能力。这两种反应均具有区域选择性，产物产率可达到97.6%，且反应条件较为温和。通过非经验性的ab initio 方法计算了二膦与钯中心形成的复合物中的天然咬角。研究发现，该角度较大是提高反应速率和目标产物产率的关键因素。然而，在模型环己烯反应中，当使用中间咬角值的钯-二膦复合物时，获得了最高的转化率（TOF）。研究表明，二膦的相对促进活性不仅受其自身结构影响，还受烯烃结构的影响。显然，二膦中P原子上的Ph取代基含有供电子的p-MeO基团，这导致其活性低于其类似物；尽管如此，取代基在P原子上的供电子和受电子效应对甲氧基羰基化反应参数的影响仍存在不确定性。
引言 烯烃与醇和CO的甲氧基羰基化反应为合成多种酯类产物提供了途径——这些酯类产物可作为聚酯、聚酰胺和聚氨酯的单体[1]、[2]，也可用于润滑剂成分[3]以及生物活性物质（如芳基取代羧酸的内酯和酯类[4]、[5]、[6]）的合成。这些反应的潜力主要源于其原子效率以及可再生原料的利用。然而，实际工业中应用此类反应的案例较为罕见。目前唯一大规模采用甲氧基羰基化步骤的工艺是使用Lucite公司的Alpha-技术通过C2 途径合成甲基丙烯酸甲酯[7]。该工艺的第一阶段为乙烯的甲氧基羰基化，采用均相催化体系Pd2 (dba)3 /1,2-dtbpx/MSA（其中dba为二苯基乙酮；1,2-dtbpx为二膦促进剂；MSA为甲磺酸）在80?°C和1.0 MPa的CO/乙烯混合物压力下进行，甲基丙酸甲酯的选择性超过99.9%[7]。
在甲氧基羰基化催化体系中，有机磷化合物的促进作用在于维持钯复合物在反应试剂作用下形成的氧化还原介质中的稳定性。已知Pd(II)在CO和伯醇或仲醇的作用下会被还原为Pd(0)。当反应体系中缺乏有机磷促进剂时，会不可逆地生成钯黑。通过更换不同的促进剂，可以调节甲氧基羰基化的区域选择性，从而获得线性或支链产物[9]。
近年来，人们普遍接受Pd催化的烯烃甲氧基羰基化反应采用氢化物机制[4]、[9]、[10]、[11]、[12]。强质子酸的主要作用是参与生成氢化物Pd形式，这些氢化物是该催化循环中的关键中间体。然而，强质子酸具有腐蚀性，并会引发烯烃的异构化，从而降低目标线性酯的产率。因此，人们尝试用水、H2 或路易斯酸等添加剂替代强质子酸来催化甲氧基羰基化反应[10]。尽管如此，目前仍以包含强质子酸的均相催化体系最为活跃[9]、[11]。
甲氧基羰基化反应在工业上的应用受限，原因包括催化钯复合物的不稳定性以及钯黑的生成。此外，随着烯烃分子量的增加或C=C键从烃链末端移除，烯烃的活性降低；同时，使用Pd-磷催化剂时通常会生成异构酯（尽管甲氧基羰基化反应通常具有区域选择性，主要生成线性产物[9]、[10]、[11]）。因此，人们仍在寻找更高效、更具选择性的催化剂。过去几十年在这方面取得了一些进展[9]、[10]、[11]。例如，提出了非均相催化剂，这类催化剂由于回收和产物分离更为简便而更适合工业应用[9]。不过，这些催化剂的活性通常低于均相体系，且在某些情况下仍需要添加与均相体系相同的有机磷促进剂和/或强质子酸[12]、[13]、[14]、[15]。
近年来，高产率的甲氧基羰基化反应主要通过使用含有芳香族片段的三丁基取代二膦的Pd催化体系实现[7]、[8]、[9]、[10]、[11]，尤其是上述的1,2-dtbpx[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[16]。然而，三丁基取代二膦往往不稳定，在酸性介质中加热时可能发生季铵化（转化为阳离子形式）、氧化或分解[17]。相比之下，较少研究的反应是由含有芳基取代基的环烷基二膦衍生物作为促进剂的Pd体系催化的。这类二膦比三丁基取代二膦更稳定。例如，丁烷或双环辛烷的二膦衍生物就是可行的选择。
因此，烯烃甲氧基羰基化催化体系较为复杂，反应受多种因素影响，这些因素可能与催化前体和催化复合物中配体的供电子/受电子性质有关。这表明需要深入研究以确定最佳催化体系组成和反应条件。一个重要的科学任务是阐明催化复合物组成与其活性之间的关系，特别是明确二膦配体对Pd体系催化性质的立体和电子效应。完成这一任务需结合对反应机理的科学解释。本研究以环己烯的甲氧基羰基化反应（反应式（1）为例，该反应生成单酯甲基环己烷羧酸甲酯（MCC）作为研究模型。
从工业应用的角度来看，了解Pd-二膦复合物在整个反应过程中的活性变化规律至关重要，尤其是当反应达到较高转化率时。因此，需要根据目标产物的产率来评估促进剂的效能，包括在生成异构酯的线性烯烃甲氧基羰基化反应中也是如此。本文对反应（1）以及生成线性产物甲基香叶酸甲酯（MP）的1-辛烯甲氧基羰基化反应（反应式（2）进行了此类评估。
章节摘录 化学品 使用的化学品包括：Ar（≥99.99%体积分数，Arton公司，俄罗斯）和CO（99.0%，Mostehgaz公司，俄罗斯）。
使用的其他化学品包括：环己烯（99.0%）、甲醇（≥99.8%）、1-辛烯（97.0%）、邻二甲苯（98%）、Pd(OAc)2 （99.9%）、对甲苯磺酸一水合物（TsOH?H2 O，≥98.5%）和PPh3 （99.0%，Sigma-Aldrich公司）。
甲苯在Na/苯甲酮混合物中回流后，于氩气保护下蒸馏。
本研究中使用的二膦L1–L11（见图2）是通过以下方法制备的：L1 [18]、L2、L3 [19]
结果与讨论 在之前的模型反应（1）中，测试了多种有机二膦（包括C4 –C8 烷烃和环烷烃衍生物），并与Pd(OAc)2 和TsOH?H2 O结合使用。结果表明，二膦L6–L11的活性最高（见图2）。图S1–S10展示了MCC的积累曲线
结论 研究了Pd(OAc)2 /P促进剂/TsOH?H2 O体系催化的环己烯和1-辛烯甲氧基羰基化反应。通过量子化学计算和对二膦（PPh3 ）等促进剂的综合评估，发现二膦与钯中心形成的复合物中较大的天然咬角是提高反应速率和目标产物产率的关键因素。
CRediT作者贡献声明 Nadezhda T. Sevostyanova： 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、资源协调、方法论设计、实验设计、资金申请、数据分析、概念构思。Sergey A. Batashev： 软件开发、实验设计、数据分析。Ilya E. Nifant’ev： 初稿撰写、项目监督、资源协调、方法论设计、资金申请、数据管理。Vladimir V. Bagrov： 实验实施。
利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
