中国团队创新突破分子筛催化推动羰基化反应“百年老树发新枝”

中国团队创新突破分子筛催化推动羰基化反应“百年老树发新枝” - 德州扑克底池

来自中国科学院大连化学物理研究所的刘中民院士团队，在分子筛催化领域取得一项创新突破，为已有百余年历史的羰基化反应开辟了新路径。这项反应被誉为现代化学工业的“基本功”，但传统工业方法长期依赖铑、铱等贵金属及有机配体，存在体系复杂、流程繁琐、成本高昂以及催化剂与产物分离困难等问题，这些挑战在学术界和产业界备受关注。

团队另辟蹊径，继2017年成功将分子筛用于催化二甲醚羰基化反应、实现无水乙醇的大规模工业化生产后，经过持续攻关，最近与合作者共同实现了两个新反应：水参与的分子筛催化丙烯羰基化制异丁酸、乙烯羰基化制丙酸。这些反应无需金属或配体，完全由分子筛独自完成催化。同时，研究还揭示了基础规律——分子筛孔道的“门”的位置和大小会影响催化反应。

这一重要成果的论文于北京时间10月21日夜间在国际学术期刊《自然》上线发表。研究为构建能反向预测和理性设计新过程的普适性分子筛催化羰基化通用框架，提供了坚实的底层逻辑支撑。刘中民院士表示，这项研究是一次有组织的基础研究的生动实践，问题从实践中来，答案向工业中去。团队计划将实验室反应推向工艺放大，让分子筛羰基化真正走进工厂，为含氧化合物等高端化学品及新材料的高效、绿色制备打开更广阔的空间。

研究团队介绍，从醋酸、增塑剂醇到香料与医药中间体，许多产业链都建立在羰基化反应之上。该反应本质是将一氧化碳“嫁接”到烯烃分子上，生成酸、酯、醇类化合物。分子筛是一种多孔、有序的晶体材料，孔道尺寸精确到分子级别，具有精准的筛选能力，能将形状和尺寸不合适的分子“挡”在门外，因此在石油炼制、气体分离和绿色化工中发挥重要作用。

9年前，团队将分子筛成功应用于催化二甲醚羰基化反应，不仅提供了绿色制乙醇的新路线，还表明分子筛本身可以作为出色的催化剂，而非仅扮演“筛分子”的角色。受此启发，团队开始探索用分子筛催化更多羰基化反应，并尝试从具体反应中提炼通用理论框架。经过近3年攻关，团队巧妙利用分子筛的限域效应，实现了两个新反应：水参与的丙烯羰基化生成异丁酸及乙烯羰基化生成丙酸，过程中无需金属或有机配体。

研究团队发现，分子筛的限域带来多重“福利”：它推动烯烃羰基化顺利进行，同时完美抑制烯烃聚合副反应；作为固体催化剂，分子筛与产物天然分处两相，分离回收比液相体系简便，弥补了传统路线产物难分离的短板。更值得关注的是，团队从新反应中发现了基本规律：选择不同的孔道限域位点，能催化完全不同的反应过程——十元环孔口附近的活性位点催化丙烯，而八元环的活性位点则催化乙烯。这种精准的活性位点匹配机制，像“精密开关”一样实现对底物分子的特异性识别，打破传统催化剂依赖金属或配体调控的固有思维，证明孔道微环境本身就能作为控制反应路径的“核心密码”，反应的选择性催化不再只能靠反复调配方“碰”出来，而是可以由孔道的几何结构预先“定制”。在实验过程中，研究团队还用到了一种特殊的工具——德州扑克筹码，用于模拟孔道限域效应的空间分布。