世界上每年會生產(chǎn)出數(shù)百萬噸的乙酰衍生物，如乙酸和醋酸酐等。這些作為化學工業(yè)基石的乙酰衍生物隨后會被加工成酯類、酰胺類，并最終制備成高分子材料、藥物和其它消費品。然而，在工業(yè)上大多數(shù)乙酰類化合物是利用均相貴金屬催化劑生產(chǎn)的，主要包括銠和銥絡合物。最近，美國北卡羅來納大學教堂山分校Alexander J. M. Miller和美國伊士曼化工公司Javier M. Grajeda利用地球豐產(chǎn)的鎳與咪唑衍生的卡賓或相應的鹽絡合，用以催化甲酯的羰基化反應。其TOF超過150 h-1，TON超過1600。與目前最先進的銠催化體系（TOF為7 h-1，TON為100）相比大大提升了效率（Fig. 1A）（Fig. 1B）。下載化學加APP到你手機，更加方便，更多收獲。最初，作者選擇甲醇在丙酸甲酯溶劑中與已知的NHC配合物(IPr)Ni(CO)3進行羰基化反應。其中，選擇丙酸甲酯而非乙酸甲酯主要是確保產(chǎn)物分析的準確性。主要是由于乙酸甲酯會通過水解產(chǎn)生乙酸，因此不會發(fā)生羰基化；但對于丙酸甲酯，乙酰化只會通過羰基化過程產(chǎn)生。當作者將(IPr)Ni(CO)3和MeI在MeOH:EtCO2Me（1:1）溶液中，CO（50 bar）氛圍下，200 oC 反應15小時，可以產(chǎn)生乙酸甲酯和乙酸，總的TON值為63（Fig. 1C）。然而，作者在反應中觀察到大量的溶劑損失，這可能是由于約60%的甲醇轉(zhuǎn)化為二甲基醚副產(chǎn)物所導致的。作者認為MeOH活化掩蓋了催化劑的真實催化活性，隨后將MeOH從反應混合物中去除，并將注意力轉(zhuǎn)向直接的甲酯羰基化。當作者僅用丙酸甲酯作為底物而不使用溶劑時，則觀察到了出色的羰基化反應活性（Fig. 1D）。在0.075 mmol (IPr)Ni(CO)3（IPr是1,3-雙(2,6-二異丙基苯基)咪唑-2-亞基，催化劑負載0.036 mol%）、7.5 mmol MeI和CO（50 bar）存在下，加熱20 mL EtCO2Me至 200 oC反應15小時，可以生成13.0 mmol乙酸酐，2.0 mmol乙酸和0.5 mmol乙酸甲酯（Fig. 1E），且所有乙酰化產(chǎn)物的總TONtot為218±19。最后，作者通過對反應溫度、CO壓力、MeI濃度和IPr負載等參數(shù)進行系統(tǒng)的考察，結果表現(xiàn)出較強的溫度和MeI濃度依賴性以及CO和IPr的非線性依賴性。當使用(IPr)Ni(CO)3和1當量的游離IPr時, TONtot = 603，可使活性提高3倍。在這些反應中，酸酐的選擇性在80%以上。商業(yè)可得試劑同樣可以很好地用于該反應，為合成和分離有機金屬絡合物提供了一種方便的途徑（Fig. 1E）。使用水合乙酸鎳(II)（Ni(OAc)2?4H2O）和兩當量的游離IPr得到的TONtot為685 (25%產(chǎn)率)。當作者將催化劑Ni(OAc)2?4H2O的負載降低到0.025 mmol時，保持IPr的量不變，則可以顯著提高TONtot到 1509 （18%產(chǎn)率）。此外，空氣穩(wěn)定中穩(wěn)定的咪唑鹽IPr?HCl也可以作為卡賓前體來使用，且TONtot = 755，產(chǎn)率為27%。接下來，作者對反應的持續(xù)性進行了探索。在線壓力監(jiān)測顯示當反應壓力下降至低于30 bar時，反應會減慢。在15和30小時對反應器進行再加壓的45小時實驗中，TOFinit從32 h-1下降到22 h-1（Fig. 1G）。這種下降可能是由于丙酸甲酯和碘甲烷濃度的變化。然而，即使在45小時后，催化劑仍然活躍，經(jīng)過較長的反應時間后，乙酰化產(chǎn)物的產(chǎn)率大約翻了一倍，達到40%（TONtot = 1100）（Fig. 1E）。
緊接著，作者將新發(fā)展的反應體系與傳統(tǒng)的Ni/PPh3催化體系進行了系統(tǒng)性地比較。實驗結果表明，基于咪唑的鎳催化體系中TON值、產(chǎn)率以及TOF值均比膦與鎳配位的催化體系高出一個數(shù)量級，具有較大的優(yōu)勢（Fig. 1F）。接下來，作者使用與工業(yè)相關的酯類化合物在更大規(guī)模的反應裝置中以摩爾規(guī)模進行了所發(fā)展的鎳催化羰基化反應。實驗結果表明此轉(zhuǎn)化可以不受氫氣的影響，這大大簡化了反應裝置，且在實現(xiàn)過程中催化劑可以始終保持反應活性。此外，作者還將發(fā)展的方法與傳統(tǒng)工業(yè)中使用的貴金屬催化體系進行了對比。總體來講，在目前的條件下，咪唑/鎳體系與銠催化體系具有相當?shù)姆磻俾省?/span>緊接著，作者對此轉(zhuǎn)化進行了初步的機理探索（Fig. 2）。作者認為反應可能經(jīng)歷兩個途徑：（A）由咪唑衍生物連接的鎳催化劑催化；（B）陰離子鎳物種[Ni(CO)3I]離子與咪唑配對催化。通過機理研究，作者得出除了自由卡賓之外，質(zhì)子化或烷基化的咪唑基團也同樣具有反應活性，可以催化羰基化反應。此外，機理研究表明：1）芳基取代基是催化劑設計的關鍵；2）碘鹽的加入并不是催化過程所必須的；3）原位紅外實驗并沒有明顯的證據(jù)表明反應中形成了Ni(CO)4 (2044 cm–1)或 [Ni(CO)3I]– (1955 cm–1)（Fig. 2）（Fig. 3）。
Alexander J. M. Miller和Javier M. Grajeda聯(lián)合發(fā)展了鎳/咪唑衍生的卡賓催化體系，以遠超現(xiàn)有銠催化體系反應效率的水平實現(xiàn)了甲酯的催化羰基化，反應中TOF超過150 h-1，TON超過1600。這主要是由于NHC配體具有較強的給電子性，且與膦配體相比，NHC配體對鎳具有較高的親和性，能更好的促進CO的解離。此外，機理研究表明芳基取代基是催化劑設計的關鍵。此反應的發(fā)展為利用廉價金屬高效、規(guī)模化實現(xiàn)酯的羰基化反應提供了新的策略，拓展了新的思路。 文獻詳情：
Changho Yoo, Shrabanti Bhattacharya, Xin Yi See, Drew W. Cunningham, Sebastian Acosta-Calle, Steven T. Perri, Nathan M. West, Dawn C. Mason, Chris D. Meade, Christopher W. Osborne, Phillip W. Turner, Randall W. Kilgore, Jeff King, Jeffrey H. Cowden, Javier M. Grajeda*, Alexander J. M. Miller*. Nickel-catalyzed ester carbonylation promoted by imidazole-derived carbenes and salts. Science, 2023, 382, 815-820. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3179.
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