Nature Chemistry：新的封闭循环！用醇和CO2酯化芳香烃的最新进展

 通讯作者：Matthew W. Kanan

 通讯单位：斯坦福大学

研究背景

将CO₂插入烃的C-H键可以产生羧酸及其衍生物（例如酯、酰胺和腈）。该反应不仅为二氧化碳提供了绿色可持续用途，还有望提供优于当前羧酸生产路线的新合成路线。然而，用CO₂对烃类进行官能化面临显著的热力学和动力学障碍。例如，芳烃与CO₂的酯化反应略微放热，但在熵方面不利，导致在任何温度下均为正ΔG°和低平衡转化率（图1a）。此外，烃的C-H键在均裂和异裂时都需要较高的能量，而C-H键的活化又必须在C-C键形成之前发生。

以往，研究人员使用符合化学计量比的试剂将碳氢化合物和二氧化碳转化为羧酸盐（即C-H羧化反应），以提供驱动力并克服动力学障碍。特别的是，使用n-BuLi和t-BuOK，Al⁰和AlCl₃或AlMe_1.5(OEt)_1.5进行苯的C-H羧化以形成苯甲酸酯。尽管通过这些方法生产的苯甲酸盐可以通过酸质子化并使用常规化学方法转化为羧酸衍生物，但这些羧化试剂价格昂贵，并产生很多废弃物。有研究表明，在Cs⁺或K⁺羧酸盐组成的反应介质中，CO₃^2-可作为在中等温度(200-350°C)下C-H羧化的碱性促进剂。含CO₃^2-的碱金属羧酸盐在该温度范围内显示出显著的碱性，并允许非酸性C-H键的羧化（在有机溶剂中pK_a> 40），该化学方法对于将单羧酸酯转化为二羧酸酯最有效，其中单羧酸酯用作底物和反应介质。此外，向Cs₂CO₃中加入羧酸铯共盐（例如异丁酸铯）可以在高温下发生苯的羧化反应。虽然这种方法避免了强有机碱或路易斯酸的使用，但是共盐在反应条件下部分分解并且使产物分离更复杂。此外，该反应对单/二/三羧化没有选择性。

成果简介

斯坦福大学的Matthew W. Kanan教授使用由碱金属碳酸盐组成的固体碱（M₂CO₃，其中M⁺=K⁺或Cs⁺）分散在介孔载体上，可以将芳烃、二氧化碳和醇转化为芳香酯。为了克服C-H键羧化反应的限制，作者构筑了一个反应循环，通过使用固体碱形式的M₂CO₃促进烃C-H羧化，然后使用CO₂和醇的组合将所得羧酸盐转化为可分离的酯，并伴随M₂CO₃的再生（图1b）。由于净转化是用CO₂和醇进行烃酯化，因此循环中的这两步仍然受限于由ΔG°决定的低平衡转化率。然而，使用固体载体有利于产物分离和反应物再循环。此外，用吸附剂去除副产物中的水，能进一步提高酯化反应的转化率。该工作以“A closed cycle for esterifying aromatic hydrocarbons with CO₂ and alcohol”为题，在2019年8月发表在Nature Chemistry上。

研究亮点

1. CO₃^2-促进C-H羧化，烃底物被负载的M₂CO₃去质子化并与CO₂反应形成负载的羧酸盐(RCO₂M); 

2. 通过甲基化及RCO₂M与甲醇和CO₂的反应形成可分离的甲酯，同时伴随M₂CO₃的再生。

图文导读

 图1 使用CO₂和甲醇酯化苯的封闭循环。a)芳烃衍生化的封闭两步循环，不消耗化学计量的试剂; ΔG°和ΔH°分别是苯与CO₂和MeOH的酯化反应的标准自由能变化和标准焓变；b)使用分散在介孔TiO₂(M₂CO₃/TiO₂)上的碳酸酯进行烃酯化。                      

如图1b所示，在第一步中，负载的M₂CO₃使苯去质子化，形成碳负离子，其与CO₂快速反应以产生与表面结合的苯甲酸盐。在第二步中，与表面结合的苯甲酸盐与MeOH和CO₂反应，形成挥发性甲酯并再生M₂CO₃/TiO₂。

 图2 M₂CO₃/TiO₂的表征和模型。a)单分散、介孔TiO₂球（左）和Cs₂CO₃/TiO₂(1×)（右）的SEM图像；b)高度简化的M₂CO₃/TiO₂(1×)模型；c)碳酸盐负载的Cs₂CO₃/TiO₂的pXRD(λ=0.496944 Å)图与碳酸盐负载量的关系图；d）Cs₂CO₃/TiO₂的红外光谱与碳酸盐负载量的关系；e)K₂¹³CO₃/TiO₂的固态¹³C NMR谱与碳酸盐负载量的关系。

通过浸渍法将K₂CO₃或Cs₂CO₃分散在TiO₂上。图2a扫描电子显微镜(SEM)表明TiO₂粒径尺寸为~800 nm，负载Cs₂CO₃后形貌没有明显的变化，并且在TiO₂载体表面没有看到大的Cs₂CO₃颗粒；在低负载量下，M₂CO₃是无定形的，并均匀分散，使得大部分CO₃^2-被暴露在表面并螯合成M⁺阳离子（M⁺=Cs⁺或K⁺）。M₂CO₃的较大结晶域仅在较高负载量(2-3×)下形成。在低负载量(1×)下，负载的Cs₂CO₃基本上是无定形的，与块状结晶Cs₂CO₃相关的峰直到更高的负载量（2-3×）才出现。图d中在1,560和1,340 cm^-1处的这对峰被指定为双齿CO₃^2-或对称性更低的类似表面物质，在较高负载量下，位于1,380 cm^-1的单峰来自块状、对称配位的CO₃^2-。图2e观察到两种不同的CO₃^2-物种，167 ppm处的宽共振峰来自无序的表面CO₃^2-，而170 ppm处的更尖锐共振峰来自块状CO₃^2-。

 图3 K和Cs₂CO₃/TiO₂(1×)的羧化、挥发和循环。a)在各种温度(T)和压力(p)下苯羧化（左表）和挥发（右表）的初始优化结果；b)K₂CO₃/TiO₂(1×)、Cs₂CO₃/TiO₂(1×)和单独TiO₂的循环结果；c)Cs₂CO₃/TiO₂(1×)对其他简单芳烃的酯化产率（显示的产率是五个循环的平均值）。   

图3a显示，在380℃的温度下，在M₂CO₃/TiO₂(1×)上观察到苯羧化产物，在体相M₂CO₃上未观察到苯羧化产物。使用MeOH/CO₂形成苯甲酸甲酯或H₂O/CO₂形成苯甲酸，可以实现表面结合的苯甲酸酯的挥发。图3b表明，M₂CO₃/TiO₂(1×)具有非常好的稳定性，但单独的TiO₂在一个循环后失活。图3c显示Cs₂CO₃/TiO₂(1×)还可以促进除苯之外的其他简单芳烃的酯化，例如联苯和萘。

图4 机理研究。a)在不存在CO₂的情况下，M₂CO₃/TiO₂催化苯氢/氘(H/D)的交换试验；b)通过分子间竞争实验测量苯C-H羧化的KIE值；c)由C₆H₆和C₆D₆的1：1、1：2和1：4混合物（380℃; 0.5小时）的碳酸盐促进的羧化获得的蛋白质与氘代产物的比率；d)提出的机制具有不可逆的苯去质子化，与氢/氘交换和KIE实验一致。

如图4a所示，在Cs₂CO₃/TiO₂(1×)存在下，C₄H₆和C₆D₆的1：1混合物在400℃下经12小时反应后完全混合。这表明碳酸盐在高温下能可逆地使苯去质子化。在各种比例的C₄H₆和C₆D₆存在下，380℃下进行0.5小时的羧化反应。分析表明K₂CO₃/TiO₂和Cs₂CO₃/TiO₂的动力学同位素效应(KIE)值分别为1.8和1.5，这表明相比于CO₂参与反应的情形，C-H去质子化的动力学缓慢；当羧化在高于380℃的温度下进行，或者持续时间超过0.5 h时，苯甲酸盐产物的氢/氘发生变化，但是C₆H₆/C₆D₆反应物保持不变。这表明在苯羧化上形成的苯甲酸盐和碳酸盐的混合物是动态的，移动的苯甲酸盐阴离子在反应过程中经历可逆的质子化/去质子化和羧化/脱羧（可逆的邻苯二甲酸酯形成）。

总结与展望

目前，大量芳族酯以烃为原料进行有氧氧化，然后进行酸催化酯化的两步法合成。在氧化反应的驱动力下，这些转化基本上伴随着能量释放，但控制这些反应的产物选择性并提高抗腐蚀性仍有难度。进一步推进羧化/甲基化反应的工业应用需要开发更有效的方法，例如除水，使反应物体积最小，并进一步调节固体碱材料，以加快决速反应步骤。

文献链接

A closed cycle for esterifying aromatic hydrocarbons with CO₂ and alcohol (Nature Chemistry，2019，DOI: 10.1038/s41557-019-0313-y)

文献链接：

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供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 景少很白

主编丨张哲旭