《自然》：巧制正丁醛，新型多相催化體系立大功

《中國科學報》4月25日從中國科學院山西煤炭化學研究所（以下簡稱山西煤化所）獲悉，該所研究員曹直團隊與中科合成油技術股份有限公司合作，首次在多相催化劑上實現了丙烯氫甲酰化超高區域選擇性制取正丁醛。因正丁醛下游產品涉及多個工業門類與眾多化工產品，因此該研究成果將對全球千萬噸級別的烯烴氫甲酰化工藝技術產生重大影響。

相關研究成果發表在國際期刊《自然》上，山西煤化所為論文第一完成單位。

氫甲酰化反應能將基本化工原料（如烯烴、一氧化碳和氫氣）轉化為醛，是烯烴高值轉化利用的重要途徑。全球每年有超過1000萬噸的烯烴通過該反應路徑實現了高值轉化，是規模最大的均相催化過程之一。其中，銠催化的丙烯氫甲酰化占全部產能的70%以上。

然而，由于銠絡合物催化劑與原料和產物處于同一相態，反應后催化劑分離與循環使用中不可避免地伴隨著銠的流失。近年來，銠價格大幅攀升，從2016年至2020年狂漲20倍，已成為最貴的貴金屬，銠的流失成為難以承受之重。

對此，業界一直在尋求有效的解決方案。科研團隊耗時五年，研發了新型多相“銠-分子篩”負載型催化體系，首次實現了多相催化劑上丙烯氫甲酰化大于99%超高區域選擇性制取出正丁醛，并且醛類產物總選擇性也高于99%，催化劑轉化頻率超過6500 h^-1，超越了迄今為止報道的所有多相催化劑和絕大部分的均相催化劑。

曹直介紹說，選擇性是目標產品在總產物中的占比，代表著有效性；轉化頻率是每個金屬銠原子在一小時內轉化烯烴原料的量，代表著效率。這兩項指標的大幅提升在工業生產中意味著產品分離過程中能耗和催化劑用量的降低，考慮到巨大的工業體量，在大規模生產中意味著巨大的經濟利益。

理論上，該研究挑戰了熱力學上不利的“反馬氏加成”，并拓展了經典分子篩孔道擇形概念的外延。曹直介紹道，新型催化劑體系為丙烯氫甲酰化工業生產中存在的巨大挑戰提供了新的解決思路與方法，也契合均相催化多相化的學科發展趨勢。

該論文得到了審稿人的高度評價。審稿意見稱這種催化劑實現的高區域選擇性是“令人贊嘆的”，是“目前報道的其他任何負載型催化劑都達不到的水平”。

不僅如此，該催化劑還具有很高的反應活性——這對工業應用來說非常重要。傳統均相分子催化劑通常是溶解在溶液中進行反應，因此在催化劑回收和循環使用方面面臨巨大的挑戰。這種新性負載型催化劑體系為取代傳統分子催化劑提供了可能性，有望解決上述問題，具有重大意義。

相關論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07342-y