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沸石孔道里的铑:工业第一反应换上"多相"新芯

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沸石孔道里的铑:工业第一反应换上"多相"新芯

氢甲酰化是工业有机金属催化中最重要的反应之一,长期依赖含膦配体的均相铑催化剂。西班牙瓦伦西亚理工大学 Corma 团队 10 月 14 日在《自然》发表论文:把 Rh³⁺ 稳定在 MFI 沸石的孔道里,多相催化也能跑长链烯烃的氢甲酰化,直链选择性更高。

均相铑催化剂:铑溶解在反应体系里,配合昂贵且有一定毒性的膦配体,活性和区域选择性都很好,但产物与催化剂混在一起,分离和回收是笔长期成本。 瓦伦西亚理工大学的 Avelino Corma 与 Patricia Concepción 团队在 10 月 14 日的《自然》上给出了另一条路。KRh@MFI:把铑送进 MFI 型沸石的骨架孔道里,靠沸石的晶体环境把活性物种稳定住。沸石在这里不只是"载体"——它的正弦形孔道提供了灵活的配位环境,还能通过空间限域调节反应物和中间体的吸附,从而影响反应走向。

图1:KRh@MFI 结构——Rh³⁺ 稳定在 MFI 沸石的正弦形孔道内

图1:KRh@MFI 结构——Rh³⁺ 稳定在 MFI 沸石的正弦形孔道内

论文的关键是稳定住 Rh³⁺。此前团队已发现,低温乙烯氢甲酰化中 Rh³⁺ 的本征活性高于常见的 Rh⁺。新工作进一步证明:限域在 MFI 孔道里的 Rh⁺ 和 Rh³⁺ 都能催化长链直链 α-烯烃的氢甲酰化,但 Rh³⁺ 对目标反应的本征选择性更高,对竞争的"双键异构化"副反应选择性更低,直链醛与支链醛的比值(l/b)因此更优。密度泛函理论(DFT
)计算给出了同样的图景:沸石骨架内的 Rh³⁺ 在热力学和动力学上都更有利于生成直链产物。

图2:传统均相铑催化(左)与 KRh@MFI 多相催化(右)的组织方式对比

图2:传统均相铑催化(左)与 KRh@MFI 多相催化(右)的组织方式对比

多相催化的诱惑在于分离:反应结束,催化剂是固体,产物是液体,分开就行,还能重复用。Corma 团队的工作把"媲美均相的活性与选择性"和"多相的可分离、可回收"往一起推。

图3:选择性的来源——氢甲酰化与双键异构化两条竞争路径,DFT 给出直链路径更低的能垒

图3:选择性的来源——氢甲酰化与双键异构化两条竞争路径,DFT 给出直链路径更低的能垒

对工业界,这意味着更少的贵金属损耗、更简的流程;对催化领域,它示范了一条理性设计路径——不是试错烧炉子,而是按"价态-孔道-选择性"的关系去设计活性位点。 ---

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