通过"双离子键"固载于季鏻盐聚合物的[Rh(CO)I3]2–物种在多相乙醇羰基化中的应用

贵金属物种(Rh或Ir络合物)在均相羰基化和氢甲酰化催化过程得到了广泛的应用,但始终存在分离繁琐等问题,其均相多相化可很大程度上简化分离操作,故一直广受重视.单位点催化剂因其具有可与均相相比拟的较高金属利用率和选择性而成为均相多相化的重要研究方向之一.研究发现,在碘物种存在的情况下用于固载金属物种的配位键容易断裂,进而导致金属物种的流失,而通过离子键固载的Rh(CO)₂I₂]^–物种更加稳定,比如著名的甲醇羰基化“Acetica^TM”工艺中,Rh(CO)₂I₂]^–负一价阴离子物种是以离子键的方式固定在带有阳离子骨架的甲基化聚乙烯吡啶树脂上.与甲醇羰基化过程类似的乙醇羰基化过程是生产重要化工中间体丙酸的主要途径之一,但该过程的均相多相化始终存在着稳定性差这一关键问题.为了解决这一问题,基于之前将固载于季鏻盐聚合物的Rh(CO)I₃]^2–应用于甲醇羰基化的工作,我们将类似的季鏻盐聚合物固载Rh基催化剂Rh-TPISP用于多相乙醇羰基化过程,通过多种表征进一步证明了Rh物种和P物种结构,并提出了“双离子键”模型.P的K边XANES证明了聚合物TPISP的季鏻化阳离子骨架特征.HAADF-STEM测试表明Rh-TPISP中的Rh呈现单位点分散的状态.Rh的XPS和XANES结果证明了Rh-TPISP中Rh物种的价态介于0~+1.通过EXAFS的拟合解析给出了Rh(CO)I₃]^2–活性中心结构.由于Rh(CO)₂I₂]^–为经典的羰基化活性中心,为了进一步证明该结构的正确性,我们将Rh-TPISP的EXAFS和IR谱图与标样PPh3Et]⁺Rh(CO)₂I₂]^–对比发现:在EXAFS谱图中,Rh-TPISP中的Rh-C峰高低于PPh3Et]+Rh(CO)₂I₂]^–的Rh-C峰高,而Rh-TPISP中的Rh-I峰高高于PPh3Et]+Rh(CO)₂I₂]^–的Rh-I峰高,这就说明Rh-TPISP中Rh物种的Rh-C配位数小于2,而Rh-I配位数大于2;在IR谱图中,标样PPh3Et]+Rh(CO)₂I₂]^–中有两个羰基振动峰,与该物种的两个Rh-C配位键相符,而Rh-TPISP中的只有一个羰基振动峰,说明Rh-C配位数为1.因此,Rh-TPISP催化剂的季鏻盐骨架中的每个P物种带有一个正电荷,每个带有两个负电荷的Rh(CO)I₃]^2–通过与两个P]⁺的静电作用进行固载,形成“双离子键”结构.该催化剂在固定床乙醇羰基化过程中表现出优异的羰基化活性、选择性和稳定性.在3.5 MPa、195 oC反应近1000 h后,Rh-TPISP催化剂TOF保持在约350 h–1,丙酰基选择性为95%以上,高出所有文献报道的均相和多相乙醇羰基化活性.其较高的活性主要是因为Rh(CO)I₃]^2–比传统Rh活性相Rh(CO)₂I₂]^–具有更强的富电子性,而较高的稳定性主要是由于“双离子键”这种强静电作用比“AceticaTM”工艺中“单离子键”更有利于Rh物种的固载.故Rh-TPISP催化剂中的“双离子键”对其优异的催化性能具有极其重要的作用,对后续多相乙醇羰基化的发展具有重要意义.

Quaternary phosphonium polymer-supported dual-ionically bound [Rh(CO)I3]2–catalyst for heterogeneous ethanol carbonylation

A single-Rh-site catalyst (Rh-TPISP) that was ionically-embedded on a P(V) quaternary phospho-nium porous polymer was evaluated for heterogeneous ethanol carbonylation. The Rh(CO)I3]2– unit was proposed to be the active center of Rh-TPISP for the carbonylation reaction based on detailed Rh L3-edge X-ray absorption near edge structure (XANES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and Rh extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) analyses. As the highlight of this study, Rh-TPISP displayed distinctly higher activity for heterogeneous ethanol carbonylation than the reported catalytic systems in which Rh(CO)2I2]– is the traditional active center. A TOF of 350 h–1 was obtained for the reaction over Rh(CO)I3]2–, with >95％ propionyl selectivity at 3.5 MPa and 468 K. No deactivation was detected during a near 1000 h running test. The more electron-rich Rh cen-ter was thought to be crucial for explaining the superior activity and selectivity of Rh-TPISP, and the formation of two ionic bonds between Rh(CO)I3]2– and the cationic P(V) framework (P]+) of the polymer was suggested to play a key role in firmly immobilizing the active species to prevent Rh leaching.