CN103657727A - 一种用于氢甲酰化反应的催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于氢甲酰化反应的催化剂及其制备方法，该催化剂包括铑络合物和新型双亚膦酰胺配体，所述的催化剂是将铑络合物和双亚膦酰胺配体在溶剂中混合反应得到，金属铑与双亚膦酰胺配体的摩尔比为2∶1-1∶10。该催化剂应用于任何端位具有不饱和C-C双键结构的化合物的氢甲酰化反应，应用该催化剂可以有效提高产品中直链醛的收率，并显著延长催化剂的使用寿命。

Description

一种用于氢甲酰化反应的催化剂及其制备方法

技术领域：

本发明涉及了一种用于氢甲酰化反应的催化剂及其制备方法。

背景技术：

氢甲酰化反应又称oxo反应，是烯烃与合成气(CO+H₂)在催化剂作用下生成醛或醇的均相催化反应过程，是一类重要的合成醛基反应，所使用的原料涵盖了从C₂馏分乙烯开始一直到链长C₁₇的烃类。按照醛基的加成位置不同，氢甲酰化反应的产物有正构和异构两种，一般来讲，正构醛是工业化生产需要的，也是氢甲酰化反应的主产物。

用于氢甲酰化反应的催化剂目前为止开发了四代，第一代是羰基钴催化剂，此类催化剂的最大缺点即对反应设备的要求较高，以它为催化剂时反应需要很高的合成气压力(20-30MPa)以及较高的温度(150-200℃)，且催化剂容易分解，在连续化生产过程中需要不断补充催化剂。第二代催化剂体系是在羰基钴催化剂中添加叔膦配体，解决了催化剂容易分解流失的问题，同时与第一代催化剂相比，提高了产品中正构醛的收率。但仍然没有解决反应条件苛刻(高温、高压)的难题。第三代油溶性羰基铑膦催化剂的出现使得氢甲酰化反应能够在低温、低压的缓和条件下进行(110±10℃，1.6-3.5MPa)，降低了反应设备的投资和能耗，但只适用于短链烯烃的氢甲酰化反应，当此类催化剂在应用于长链烯烃的氢甲酰化反应时出现了铑催化剂回收困难的问题，由于铑金属价格昂贵，其回收再利用对生产成本有至关重要的影响，为解决这一问题，开发了第四代水溶性铑膦催化剂，此种催化剂的应用解决了长链烯烃催化过程中催化剂的回收问题，使得氢甲酰化反应底物拓展到C₁₂以上的长链烯烃。

目前氢甲酰化反应催化剂的形式为过渡金属铑和配体形成的络合体系，配体一般采用各种形式的膦配体，铑催化剂的使用使得反应条件温和，而合适的膦配体则决定了产物的选择性，催化剂的活性、寿命。

按照与P相连的原子不同，膦配体可以大致分为三类，第一类只含有P-P键的有机膦配体，典型的如三苯基膦，在烯丙醇氢甲酰化反应中最早使用的膦配体，有效降低了催化剂的流失率，但选择性不高，专利GB1493154提到以HRh(CO)(PPh₃)₃为催化剂，配体使用PPh₃，以苯为溶剂，正构选择率为59％。除了三苯基膦，双膦配体目前应用的较多，由于双膦本身的刚性较强，有助于产物中正构醛的生成。第二类为具有P-O键的亚磷酸酯配体，相较于有机双膦配体，亚磷酸酯配体在烯烃的氢甲酰化反应中表现出好的催化活性与选择性，而且合成较容易，专利CN101681776中使用的一系列单、双、聚合亚磷酸酯配体催化烯烃的氢甲酰化反应，得到了较好的选择性，但亚磷酸酯稳定性较差，易水解，导致催化剂体系寿命缩短。第三类是含有P-N结构的亚膦酰胺配体，在具有较高催化活性与选择性的同时，其稳定性也增强，关于亚膦酰胺配体的研究目前较少，专利CN1857776设计合成了联萘酚骨架的亚膦酰胺配体，并用其催化烯烃的氢甲酰化反应，有较高的转化率。但所涉及的反应底物较窄、仅限于烯烃类，且配体用量较大、需要达到铑摩尔数的100倍。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于氢甲酰化反应的催化剂，将一种新型双亚膦酰胺配体和铑络合物催化剂相结合，应用于氢甲酰化反应，可以有效提高产品中直链醛的收率，且此催化剂流失率低，寿命长。

本发明的另一个目的在于提供用于氢甲酰化反应的催化剂的制备方法。

为达到以上目的，本发明的技术方案如下：

本发明的催化剂体系包含铑络合物和亚膦酰胺配体，金属铑与双亚膦酰胺配体的摩尔比为2∶1-1∶10，优选1∶1-1∶5，更优选1∶2-1∶4，亚膦酰胺配体具有如下通式

其中，P与R₅的两个N-键相连，其中R₁、R₂、R₃、R₄为相同或不同的含N芳香杂环基，R₅为

优选

本发明中，所述的含N芳香杂环基为不含取代基或带有取代基的吡咯、吡唑、咪唑或吲哚，其中，带有取代基的吡咯、吡唑、咪唑或吲哚结构如下：

R为一个或多个甲基、乙基、苯基或三氟甲基，优选苯基或三氟甲基。

本发明中，所述的铑络合物是金属铑与配体基团连接的化合物，优选的铑络合物在氢甲酰化反应的溶剂中是可溶的，可以是Rh(acac)(CO)₂乙酰丙酮二羰基铑、Rh(acac)(C₂H₄)乙烯基乙酰丙酮合铑、[Rh(C₂H₄)₂Cl]₂二[二乙烯基氯化铑]、[Rh(cod)Cl]₂二[二环辛二烯氯化铑]、[Rh(CO)₂Cl]₂二[二羰基氯化铑]、RhH(CO)(PPh₃)₃三(三苯基膦)氢合羰基铑、或RhPPh₃(acac)(CO)三苯基膦乙酰丙酮羰基铑中的一种或多种，优选Rh(acac)(CO)₂(乙酰丙酮二羰基铑)或Rh H(CO)(PPh₃)₃、三(三苯基膦)氢合羰基铑)。其中acac代表乙酰丙酮、cod代表1，5-环辛二烯。

本发明的催化剂的制备方法如下：

将铑络合物和双亚膦酰胺配体在溶剂中混合反应得到的铑-膦络合溶液，该过程可由下面反应式表述：

金属铑与双亚膦酰胺配体的摩尔比为2∶1-1∶10，优选1∶1-1∶5，更优选1∶2-1∶4；金属铑在溶剂中的浓度为0.1-10mmol/L，优选0.5-4mmol/L，更优选1.5-3mmol/L；溶剂可选用与氢甲酰化反应相同的溶剂。例如溶剂选自C₅-C₂₀的脂肪烃、C₆-C₂₀的芳香烃、C₆-C₂₀的醇、C₆-C₂₀的醚中的一种或多种，优选甲苯。

所述的双亚膦酰胺配体可由膦-氯化合物和2，2-二甲基-4，5-双卤代甲基-1，3-二氧环戊烷按照摩尔比8∶1-2∶1，优选2∶1。在碱催化下，温度-70-0℃，在醚类溶剂中反应0.5-20小时得到，该过程可由下面反应式表述：

其中X可以是氯或溴，优选溴，因此所述的2，2-二甲基-4，5-双卤代甲基-1，3-二氧环戊烷是2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷或者2，2-二甲基-4，5-双氯甲基-1，3-二氧环戊烷，优选2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷。

所述的膦-氯化合物为

其中，R₁、R₂、R₃、R₄为不含取代基或带有一个或多个取代基的吡咯、吡唑、咪唑或吲哚，优选吲哚或取代吲哚，其中取代基是甲基、乙基、苯基或者三氟甲基，优选苯基或者三氟甲基，R₅为以下结构化合物：优选

R₅的制备方法是已知的，可以由单N芳香杂环基和甲醛在酸性条件下缩合制得，参考文献J.Org.Chem.1999，64，1391

联吡咯的制备反应如下：

其他结构的R₅制备方法只需将吡咯换为吡唑、咪唑、吲哚即可。

所述的碱选自正丁基锂或叔丁醇钾，碱用量为2，2-二甲基-4，5-双卤代甲基-1，3-二氧环戊烷摩尔量的1-5倍，优选1.5-3倍。

醚类溶剂可以选自四氢呋喃、苯甲醚或二氧六环中的一种或多种，用量为膦-氯化合物和2，2-二甲基-4，5-双氯代甲基-1，3-二氧环戊烷总质量的5-200倍，优选10-50倍。

通过上述反应得到的双亚膦酰胺化合物还可进行粗产品的提纯，提纯是通过减压蒸馏除去醚类溶剂，然后在甲醇、乙醇或乙酸乙酯中重结晶或者通过柱层析色谱进行分离提纯，柱层析可选用环己烷、二氯甲烷或乙酸乙酯中的任一种或多种，按适当比例混合做为展开剂。

其中膦-氯化合物的制备方法是已知的，可以由合适的N杂环芳香烃如吡啶、吲哚、联吡咯、联吲哚等与合适的三卤化磷如三氯化磷在叔胺如三乙胺存在下反应获得。可参照文献J.Org.Chem.1999，64，1391中所述得到。

上述配体中具有吲哚结构的亚膦酰胺配体是优选的，特别优选具有联氮吲哚结构的配体。如下述配体I和II。

通过以上制备方法获得的铑-膦配位催化剂应用于氢甲酰化反应，金属铑在氢甲酰化反应体系溶剂中的浓度为0.1-10mmol/L，优选0.5-4mmol/L，特别优选1.5-3mmol/L。

所述的氢甲酰化反应是端位具有C-C不饱和双键的非共轭结构的化合物(反应底物)与氢气和一氧化碳在合适的溶剂或无溶剂、温度、压力及催化剂存在下反应生成醛的过程。所述的端位具有C-C不饱和双键的非共轭结构的化合物可以是C₂-C₁₇的单烯烃，优选丙烯、丁烯、戊稀、辛烯、苯乙烯；或C₄-C₁₅单烯基羧酸酯，优选丙烯酸甲酯及油酸甲酯，C₃-C₁₅的烯醇，优选烯丙醇，C₃-C₁₅的烯醚优选乙烯基乙基醚或C₃-C₁₅的烯腈优选丙烯腈。

所述的氢甲酰化反应可以在有溶剂条件下进行，溶剂必须溶解上述铑络合物和反应底物且对氢甲酰化反应中产生的醛不具有反应性，优选的溶剂包括C₅-C₂₀的脂肪烃、C₆-C₂₀的芳香烃、C₆-C₂₀的醇或C₆-C₂₀的醚中的一种或多种，特别优选的是甲苯。优选的，对于反应溶剂，底物在该溶剂中的起始浓度为5-40wt％，更优选的，可以使用6-20wt％的浓度，最优选5-10wt％的浓度。若反应需要，也可在无溶剂条件下进行。

氢甲酰化反应的条件是温和的，有利于直链产物的生成。针对不同的底物，反应温度和压力可在较大范围内变化。温度在30-150℃，优选在35-100℃之间，反应压力在3-300bar，优选8-40bar，CO的分压一般为0.3-7bar，H₂分压一般为2.5-14bar。优选的，CO在溶剂中的浓度要高于4mmol/L。优选的，H₂∶CO摩尔比为10∶1-1∶2，更优选5∶1-1∶2，特别优选1；∶1。在上述条件下进行该反应直到大多数底物(60-99％)已经反应。反应时间为0.5-4h。

氢甲酰化反应完全后，产物与催化剂体系的分离可以通过多种方式，低沸点醛类可以通过精馏与催化剂体系分离，水溶性醛类可以通过加水萃取的方式与催化剂体系分离，分离后的催化剂体系可以重复利用，催化活性不降低。本发明的有益效果：

首先，使用本催化剂催化氢甲酰化反应，与其他催化剂相比产物中正构醛的含量显著增加(烯烃类反应底物的正构醛选择性在85％-99％、取代烯烃类反应底物的正构醛选择性在90％-97％)，副产物明显减少。催化剂中的铑与亚膦酰胺配体通过P相连，形成配位化合物，在氢甲酰化反应的过程中，CO和烯烃先后与铑配位结合，然后CO转移至烯烃，然后H2插入至烯烃端位，形成醛基后与催化剂分离，在这个循环催化过程中，决定产物中正构醛含量的是烯烃与铑配位结合的一步，烯烃可以在端位插入，也可以在中间插入。一般来讲，与铑配位的化合物体积越大，结构越拥挤，烯烃的插入就越容易在端位进行，形成正构醛。在双亚膦酰胺配体中，与P连接的基团体积较大(特别是吲哚和联吲哚)，使铑的空间结构相对拥挤，因此烯烃容易从端位插入，且双亚膦酰胺具有两个P，本身的特殊刚性结构使得两个P与铑同时配位时具有一定的空间构型，这种特殊的空间构型增加了烯烃从端位进攻的可能性，从而进一步增加了产物中正构醛的含量。

其次催化剂的寿命显著延长，氢甲酰化反应中使用的铑催化剂是循环使用的，双亚膦酰胺配体的使用除了起到增加正构醛选择性的作用外，还起到了稳定铑催化剂的作用，首先双亚膦酰胺是一种较稳定结构，在氢甲酰化反应条件以及在后续的产物分离条件下不易分解，其次在双亚膦酰胺配体中除了P以外还具有多个N原子，P、N同时都具有配位的能力，通过P、N与铑的配位，增强了铑在溶剂中的稳定性，完成氢甲酰化反应后，在后续的萃取或精馏等分离产物过程中铑的流失率大大降低，重复使用催化效果不变。

具体实施方式：为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例中，各种氢甲酰化反应产物的定量分析使用仪器为气相色谱，分析条件：

选用内标法准确定量，标准物为丙烯酸甲酯。

熔点测定使用：MPA100全自动熔点仪

核磁分析使用：Bruck 400MHz核磁共振仪

元素分析使用：Heraeus CHN-O-RAPID

催化剂体系使用的铑络合物选自H(CO)(PPh₃)₃Rh[三(三苯基膦)氢合羰基铑]或Rh(acac)(CO)₂[乙酰丙酮二羰基铑]中的一种，使用的配体选择以下结构的亚膦酰胺配体：

为进行对比，选用双膦配体异丙烯基-2，3-二羟基-1，4-双二苯基膦丁烷(DIOP)进行对比试验，DIOP结构如下：

实施例：

本发明的亚膦酰胺配体的制备过程如下：

配体A的合成：

a)膦-氯化合物的合成：

在-65℃和氩气保护下将5.2gPCl₃(38mmol)和5.1g吡咯与200ml干燥的四氢呋喃在容器中混合，向该混合物中加入11.5g三乙胺，在室温下搅拌过夜，减压过滤，滤液在60℃下蒸出四氢呋喃和三乙胺，剩余物溶解于50ml甲苯，再过滤出剩余沉淀的盐酸三乙胺，所得溶液隔绝空气低温保存。即为溶解于甲苯中的二吡咯氯化膦，收率87％。减压除去甲苯溶剂后即得到纯净的二吡咯氯化膦。

b)配体A合成：

在-50℃氩气下将3.8g(13.3mmol)2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷[百灵威试剂公司生产]和150ml干燥的四氢呋喃加入反应器中，滴加12.3ml(30.6mmol)2.5M的正丁基锂己烷溶剂，加完后在-50℃下搅拌2小时，生成沉淀。然后在-70℃下将此溶液加入到上述制备的甲苯溶液中，保持反应温度不超过-50℃，搅拌1小时，将反应液除溶剂重结晶得到配体A。将所得产品测定熔点，结果为m.p.95-97℃。核磁共振分析数据如下：¹H NMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.44-2.60(m，4H)4.25(s，2H)6.35-6.41(m，16H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.for C₂₃H₂₈N₄O₂P₂：C，60.79；H，6.21；N，12.33；Found：C，60.82；H，6.28；N，12.39。

配体B的合成：

参考配体A合成膦-氯化合物的方法合成二咪唑氯化膦。

在-50℃氩气下将3.8g(13.3mmol)2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷[百灵威试剂公司生产]和200ml干燥的四氢呋喃加入反应器中，滴加12.3ml(30.6mmol)2.5M的正丁基锂己烷溶剂，加完后在-50℃下搅拌2小时，生成沉淀。然后在-70℃下在此溶液中加入6g(30mmol)二咪唑氯化膦，保持反应温度不超过-50℃，搅拌2小时，将反应液除溶剂重结晶得到配体B。

将所得产品测定熔点，结果为m.p.101-103℃。核磁共振分析数据如下：¹HNMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.62-2.78(m，4H)4.25-4.35(m，2H)6.94-7.00(m，4H)7.36-7.42(m，4H)7.59(d，J＝6.00Hz，4H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.for C₁₉H₂₄N₈O₂P₂：C，49.78；H，5.28；N，24.44；Found：C，49.75；H，5.22；N，24.45。

配体C的合成：

参考配体A合成膦-氯化合物的方法合成二吲哚氯化膦。

在-30℃氩气下将2.6g(13.3mmol)2，2-二甲基-4，5-双氯甲基-1，3-二氧环戊烷[百灵威试剂公司生产]和250ml干燥的苯甲醚加入反应器中，滴加5.2ml(13.3mmol)2.5M的正丁基锂己烷溶剂，加完后在-30℃下搅拌5小时，生成沉淀。然后在-50℃下在此溶液加入31g(106mmol)二吲哚氯化膦，保持反应温度不超过-40℃，搅拌10小时，将反应液除溶剂重结晶得到配体C。

将所得产品测定熔点，结果为m.p.109-110℃。核磁共振分析数据如下：¹HNMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.62-2.78(m，5H)4.39-4.49(m，2H)6.64-6.71(m，7H)7.04-7.10(m，4H)7.17(td，J＝7.65，1.50Hz，4H)7.44-7.53(m，8H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.forC₃₉H₃₆N₄O₂P₂：C，71.55；H，5.54；N，8.56；Found：C，71.59；H，5.58；N，8.54。

配体D的合成：

a)联吲哚的合成

在氮气下将120ml干燥的THF加入反应容器，滴加37ml(425mmol)草酰氯，冷却至0℃后，在1小时内滴加90g(840mmol)邻甲苯胺和117ml(840mmol)三乙胺(190Ml)的THF溶液，将该混合物在0℃下搅拌2小时，然后在搅拌下升至室温，再加入600ml水和900ml乙酸乙酯，将混合物加热到100℃，将固体物滤出，用石油醚洗涤，烘干，得到N，N′-二邻甲苯基草酰胺。

在搅拌下将33.5g(859mmol)钾加到600ml叔丁醇中，混合物在50℃搅拌4小时，直到所有钾均反应完全。然后加入46g(172mmol)N，N′-二邻甲苯基草酰胺。将混合物在沙浴上加热，在88℃下使叔丁醇全部蒸出，然后加热至190℃，使得大量白色固体升华。然后升温至300℃，保持1小时，然后冷却至室温。加入300ml水，过滤出固体，加入200ml乙醇，回流，然后再次过滤出固体，用戊烷洗涤、干燥得到联吲哚。

b)膦-氯化合物的合成：

在-65℃和氩气保护下将5.2gPCl₃(38mmol)和8.8g(38mmol)联吲哚与200ml干燥的THF在容器中混合，向该混合物中加入11.5g三乙胺，在室温下搅拌过夜，减压过滤，滤液在60℃下蒸出THF和三乙胺，剩余物溶解于50ml甲苯，再过滤出剩余沉淀的盐酸三乙胺，所得溶液隔绝空气低温保存，即为溶于甲苯溶液中的联吲哚氯化膦。

c)配体D的合成：

在-50℃氩气下将3.8g(13.3mmol)2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷和250ml干燥的二氧六环加入反应器中，滴加16ml(40mmol)2.5M的正丁基锂己烷溶剂，加完后在-50℃下搅拌2小时，生成沉淀。然后再-70℃下将此溶液加入到上述制备的甲苯溶液中，保持反应温度不超过-50℃，搅拌8小时，将反应液蒸馏重结晶得到配体D。

将所得产品测定熔点，结果为m.p.87-88℃。核磁共振分析数据如下：¹HNMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)4.42-4.61(m，4H)5.08-5.21(m，6H)7.15-7.21(m，4H)7.38-7.49(m，12H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.for C₃₉H₃₂N₄O₂P₂：C，71.99；H，4.96；N，8.61；found：C，71.96；H，4.97；N，8.64。

配体E的合成：

参考配体A合成膦-氯化合物的方法分步合成1-吡咯-1-咪唑氯化膦，其中吡咯、吲哚与三氯化磷的摩尔比是1∶1∶1。

在-30℃氩气下将3.8g(13.3mmol)2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷和250ml干燥的THF加入反应器中，滴加16ml(40mmol)2.5M的正丁基锂己烷溶剂，加完后在-30℃下搅拌2小时，生成沉淀。然后再-30℃下加入1-吡咯-1-咪唑氯化膦5.3g(26.6mmol)，保持反应温度不超过-30℃，搅拌20小时，将反应液除溶剂重结晶得到配体E。

将所得产品测定熔点，结果为m.p.92-93℃。核磁共振分析数据如下：¹HNMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.53-2.69(m，4H)4.28(d，J＝5.10Hz，2H)6.40-6.47(m，8H)6.88-6.93(m，2H)7.30-7.36(m，2H)7.53(d，J＝6.00Hz，2H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.forC₂₁H₂₆N₆O₂P₂：C，55.26；H，5.74；N，18.41，found：C，55.24；H，5.73；N，18.42。

配体F的合成：

膦-氯化合物的合成：参考配体A合成膦-氯化合物的方法分步合成1-吡咯-1-吡唑氯化膦，其中吡咯、吡唑与三氯化磷的摩尔比是1∶1∶1。参考配体E合成方法合成配体F.

将所得产品测定熔点，结果为m.p.94-96℃。核磁共振分析数据如下：¹HNMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.91-3.07(m，4H)4.34-4.44(m，2H)6.48(td，J＝4.05，2.10Hz，2H)6.91-6.96(m，2H)7.32(dt，J＝11.70，1.35Hz，2H)7.60(d，J＝6.00Hz，2H)7.72(dd，J＝11.70，2.10Hz，2H)8.02(d，J＝1.80Hz，2H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.forC₁₉H₂₄N₈O₂P₂：C，49.78；H，5.28；N，24.44；found C，49.79；H，5.26；N，24.45；

配体G的合成：

在-50℃氩气下将2.6g(13.3mmol)2，2-二甲基-4，5-双氯甲基-1，3-二氧环戊烷和200ml干燥的四氢呋喃加入反应器中，滴加12.3ml(30.6mmol)2.5M的正丁基锂己烷溶剂，加完后在-50℃下搅拌2小时，生成沉淀。然后在-70℃下分别加入2.6g(13.3mmol)二吡咯氯化膦和4g(13.3mmol)二咪唑氯化膦，保持反应温度不超过-50℃，搅拌20小时，将反应液除溶剂，柱层析色谱纯化得配体G，其中柱层析展开剂为二氯甲烷和乙酸乙酯，比例1∶5。

将所得产品测定熔点，结果为m.p.97-98℃。核磁共振分析数据如下：¹HNMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.45-2.59(m，2H)2.63-2.77(m，2H)4.26-4.43(m，2H)6.35-6.41(m，8H)6.64-6.68(m，3H)6.70-6.71(m，1H)7.04-7.09(m，2H)7.17(td，J＝7.65，1.50Hz，2H)7.45-7.52(m，4H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.for C₃₁H₃₂N₄O₂P₂：C，67.14；H，5.82；N，10.10；Found：C，67.13；H，5.87；N，10.14。

配体H的合成：

a)联吡咯的合成：

在氮气保护下将干燥的吡咯13.4g(0.2mol)和甲醛0.15g(5mmol)加入到反应器，降温至0℃，加入三氟乙酸0.06g(0.5mmol)，然后升温至室温，搅拌2小时，减压蒸发掉未反应的原料，粗产物用柱层析色谱分离，展开剂为环己烷和乙酸乙酯，比例2∶1，得到较纯的联吡咯。

b)膦-氯化合物的合成：参考配体A合成膦-氯化合物的方法分步合成二联吡咯氯化膦。

c)配体H的合成：

在-20℃氩气下将3.8g(13.3mmol)2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷和200ml干燥的四氢呋喃加入反应器中，滴加12.3ml(30.6mmol)2.5M的正丁基锂己烷溶剂，加完后在-20℃下搅拌2小时，生成沉淀。然后在-20℃下加入6.3g(30mmol)二联吡咯氯化膦，保持反应温度不超过-20℃，搅拌10小时，将反应液除溶剂重结晶得到配体H。

将所得产品测定熔点，结果为m.p.89-91℃。核磁共振分析数据如下：¹HNMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.45-2.65(m，4H)3.50-3.77(m，4H)4.27(d，J＝12.00Hz，2H)6.07(dd，J＝4.65，1.35Hz，4H)6.30-6.38(m，8H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.for C₂₅H₂₈N₄O₂P₂：C，62.76；H，5.90；N，11.71；found：C，62.74；H，5.95；N，11.72。

配体I的合成：

联吡咯氯化膦和联吲哚氯化膦的合成分别参考配体D合成的第a、b步反应和配体H合成的第a、b步反应。

在-50℃氩气下将3.8g(13.3mmol)2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷和200ml干燥的四氢呋喃加入反应器中，滴加12.3ml(30.6mmol)2.5M的正丁基锂己烷溶剂，加完后在-50℃下搅拌2小时，生成沉淀。然后在-70℃下分别加入4g(13.3mmol)联吲哚氯化膦和2.8g(13.3mmol)联吡咯氯化膦，保持反应温度不超过-50℃，搅拌10小时，将反应液除溶剂柱层析色谱纯化得配体I，柱层析展开剂为二氯甲烷和乙酸乙酯，比例1∶1。

将所得产品测定熔点，结果为m.p.78-80℃。核磁共振分析数据如下：¹HNMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.55-2.83(m，2H)3.47-3.78(m，2H)4.29(none，1H)4.28-4.45(m，1H)4.49-4.68(m，1H)4.78-4.94(m，1H)5.19(s，2H)6.07(dd，J＝4.65，1.35Hz，2H)6.30-6.38(m，4H)7.15-7.21(m，2H)7.38-7.48(m，6H)。元素分析结果如下：Elementalanalysis(％)calcd.for C₃₂H₃₀N₄O₂P₂：C，68.08；H，5.36；N，9.92；found：C，68.07；H，5.32；N，9.95。

配体J、K、L、M的合成：

配体J、K、L的合成方法参照配体A的合成、配体M合成方法参照配体C的合成，反应物的配比及反应条件如表1所示。

表1：反应物配比及反应条件

备注[1]底物比例指2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷和膦-氯化合物的摩尔比。

[2]溶剂比例指四氢呋喃质量为2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷和膦-氯化合物质量总和的倍数。

配体J的分析结果如下：

熔点为：m.p.101-103℃。核磁共振分析数据如下：¹H NMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.06(s，12H)2.44-2.60(m，4H)4.21-4.31(m，2H)6.10(dd，J＝11.85，1.65Hz，4H)6.18(dt，J＝11.70，2.25Hz，4H)6.30(dd，J＝5.85，1.95Hz，4H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.forC₂₇H₃₆N₄O₂P₂：C，63.52；H，7.11；N，10.97；found：C，63.57；H，7.14；N，10.99。

配体K的分析结果如下：

熔点为：m.p.122-123℃。核磁共振分析数据如下：¹H NMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.41-2.58(m，4H)4.25(d，J＝5.70Hz，2H)6.30(ddd，J＝11.85，2.40，2.25Hz，4H)6.45(dt，J＝12.00，1.65Hz，4H)6.68(ddd，J＝6.00，2.70，1.50Hz，4H)7.13-7.19(m，5H)7.30-7.35(m，8H)7.45-7.50(m，7H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.for C₄₇H₄₄N₄O₂P₂：C，74.39；H，5.84；N，7.38；O，found C，74.33；H，5.85；N，7.34；

配体L的分析结果如下：

熔点为：m.p.99-101℃。核磁共振分析数据如下：¹H NMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.01(s，12H)2.25(s，10H)2.41-2.58(m，5H)4.26(s，2H)5.87(d，J＝12.00Hz，5H)6.06(dd，J＝6.00，1.80Hz，5H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.for C₃₁H₄₄N₄O₂P₂：C，65.71；H，7.83；N，9.89；Found C，65.73；H，7.85；N，9.85；

配体M的分析结果如下：

熔点为：m.p.67-68℃。核磁共振分析数据如下：¹H NMR(400MHz，CDCl₃)1.33(s，3H)1.49(s，3H)2.70-2.86(m，5H)4.25-4.35(m，2H)6.71(s，1H)6.74(s，2H)7.17(td，J＝7.65，1.50Hz，4H)7.42(td，J＝7.50，1.20Hz，5H)7.66(dd，J＝7.95，1.35Hz，3H)7.78(dd，J＝7.80，1.20Hz，5H)。元素分析结果如下：Elemental analysis(％)calcd.for C₄₀H₃₂F₁₂N₄O₂P₂：C，53.94；H，3.62；N，6.29；Found：C，53.98；H，3.64；N，6.25；

催化剂的制备：

将铑络合物和双亚膦酰胺配体在溶剂中室温下混合反应得到的铑-膦络合溶液，具体制备工艺条件见表2。

表2：工艺条件

备注[3]比例为Rh络合物和亚膦酰胺配体的摩尔比。[4]A-W为对比例，双膦配体配位。[5]B-O为对比例，单膦配体配位。Rh浓度mmol/L为金属铑在溶剂中的浓度。

催化剂应用实施例：

实施例1

烯丙醇的氢甲酰化反应

分别使用上述合成的催化剂A-A、A-B、A-C、B-D、B-L、A-W、B-O氢甲酰化烯丙醇，反应过程如下：

将催化剂溶液15ml加入100ml的高压釜中，用CO/H₂＝1∶1的合成气冲洗溶剂三次，然后加压至10bar，在搅拌下将高压釜加热至65℃，然后加入烯丙醇3.5ml，继续用合成气加压至12bar，在此恒压下监测气体吸收，当不再有气体吸收时，冷却高压釜并泄压，气相色谱分析所得溶液以确定产物，该反应产生4-羟基丁醛(HBA)、2-甲基-3-羟基丙醛(HMPA)、以及丙醛、丙醇、丙烷等C₃副产物。

催化结果对比如表3中结果显示，本发明的催化剂A-A至A-C、B-D、B-L均显示了好的选择性，特别是配体B-D具有超乎意料的高的HBA收率。

表3：催化结果对比

催化剂B-D与A-W寿命考察：

催化剂B-D或A-W15ml加入100ml的高压釜中，用CO/H₂＝1∶1的合成气冲洗溶剂三次，然后加压至10bar，在搅拌下将高压釜加热至65℃，然后加入烯丙醇3.5ml，继续用合成气加压至12bar，在此恒压下监测气体吸收，当不再有气体吸收时，冷却高压釜并泄压，将所得溶液用2倍量的水萃取两次，萃取后的油相返回到反应釜中，加入烯丙醇3.5ml，重新进行氢甲酰化反应，水相用气相色谱分析产物组成。按照此方法循环使用催化剂50次，气相色谱分析结果如表4所示。

表4：催化剂体系寿命考察

实施例2

丁稀氢甲酰化反应

分别使用上述合成的催化剂B-E至B-G、A-H、B-M、A-W、B-O氢甲酰化丁烯，反应过程如下：

将催化剂溶液50ml加入100ml的高压釜中，用氮气冲洗溶剂三次，然后加压至10bar，导入2.9g丁烯，在搅拌下将高压釜加热至80℃，然后用合成气(CO/H₂＝1∶1)加压至8bar，期间不断补充合成气维持反应压力8bar，当不再有气体吸收时，冷却高压釜并泄压，气相色谱分析所得溶液以确定产物。该反应产物包括正戊醛、异戊醛以及少量的C₄副产。结果如表5所示，具有双亚膦酰胺配体B-E至B-G及A-H和B-M的催化剂体系均显示出较高的正构醛收率。

表5：丁烯氢甲酰化产物分析

实施例3

丙烯酸甲酯氢甲酰化反应

将催化剂A-I10ml加入100ml的高压釜中，用氮气冲洗溶剂三次，然后加压至40bar，导入4g丙烯酸甲酯，在搅拌下将高压釜加热至100℃，然后用合成气(CO/H₂＝1∶1)加压至40bar，期间不断补充合成气维持反应压力40bar，当不再有气体吸收时，冷却高压釜并泄压，气相色谱分析所得溶液以确定产物，其中95％的4-醛基丁酸甲酯，3％的2-醛基丙酸甲酯和2％的其他副产。

实施例4

乙烯基乙基醚的氢甲酰化反应

将催化剂A-J20ml加入100ml的高压釜中，用氮气冲洗溶剂三次，然后加压至40bar，导入1.4g乙烯基乙基醚，在搅拌下将高压釜加热至50℃，然后用合成气(CO/H₂＝1∶1)加压至25bar，期间不断补充合成气维持反应压力25bar，当不再有气体吸收时，冷却高压釜并泄压，气相色谱分析所得溶液以确定产物，产物中90％的丙醛基乙基醚，5％的2-甲基乙醛基乙基醚，5％的其他副产物。

实施例5

丙烯腈的氢甲酰化反应

将配体B-K10ml加入100ml的高压釜中，用氮气冲洗溶剂三次，然后加压至40bar，导入2g丙烯腈，在搅拌下将高压釜加热至70℃，然后用合成气(CO/H₂＝1∶1)加压至15bar，期间不断补充合成气维持反应压力15bar，当不再有气体吸收时，冷却高压釜并泄压，气相色谱分析所得溶液以确定产物，产物中93％的4-醛基丁腈，4％的2-醛基丙腈，3％的其他副产物。

Claims (14)

1.一种用于氢甲酰化反应的催化剂，包括铑络合物和双亚膦酰胺配体，金属铑与双亚膦酰胺配体的摩尔比为2∶1-1∶10，优选1∶1-1∶5，更优选1∶2-1∶4，所述的双亚膦酰胺配体的通式为：

其中R₁、R₂、R₃、R₄为相同或不同的含N芳香杂环基，R₅为

优选

2.如权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述的含N芳香杂环基为不含取代基或带有取代基的吡咯、吡唑、咪唑或吲哚，其中，带有取代基的吡咯、吡唑、咪唑或吲哚结构如下：

其中，R为一个或多个甲基、乙基、苯基或三氟甲基，优选苯基或三氟甲基。

3.如权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于，所述的铑络合物选自Rh(acac)(CO)₂、Rh(acac)(C₂H₄)、[Rh(C₂H₄)₂Cl]₂、[Rh(cod)Cl]₂、[Rh(CO)₂Cl]₂、HRh(CO)(PPh₃)₃或RhPPh₃(acac)(CO)中的一种或多种，优选Rh(acac)(CO)₂或HRh(CO)(PPh₃)₃，其中，acac代表乙酰丙酮、cod代表1，5-环辛二烯。

4.如权利要求1-3中任一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于：所述的催化剂是将铑络合物和双亚膦酰胺配体在溶剂中混合反应得到的铑-膦络合溶液，金属铑与双亚膦酰胺配体的摩尔比为2∶1-1∶10，优选1∶1-1∶5，更优选1∶2-1∶4；金属铑在溶剂中的浓度为0.1-10mmol/L，优选0.5-4mmol/L，更优选1.5-3mmol/L；所述的溶剂选自C₅-C₂₀的脂肪烃、C₆-C₂₀的芳香烃、C₆-C₂₀的醇、C₆-C₂₀的醚中的一种或多种，优选甲苯；其中，所述的双亚膦酰胺配体的制备方法如下：将膦-氯化合物和2，2-二甲基-4，5-双卤代甲基-1，3-二氧环戊烷，在醚类溶剂中，温度-70-0℃，碱催化下反应0.5-20小时得到；所述的膦-氯化合物和2，2-二甲基-4，5-双卤代甲基-1，3-二氧环戊烷的摩尔比为8∶1-2∶1，优选2∶1。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的碱选自正丁基锂或叔丁醇钾，碱用量为2，2-二甲基-4，5-双卤代甲基-1，3-二氧环戊烷摩尔量的1-5倍。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的醚类溶剂选自四氢呋喃、苯甲醚或二氧六环中的一种或多种，醚类溶剂的用量为膦-氯化合物和2，2-二甲基-4，5-双卤代甲基-1，3-二氧环戊烷总质量的5-200倍，优选10-50倍。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的2，2-二甲基-4，5-双卤代甲基-1，3-二氧环戊烷是2，2-二甲基-4，5-双溴甲基-1，3-二氧环戊烷或者2，2-二甲基-4，5-双氯甲基-1，3-二氧环戊烷。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的膦-氯化合物结构为

其中，R₁、R₂、R₃、R₄为不含取代基或带有一个或多个取代基的吡咯、吡唑、咪唑或吲哚，优选吲哚或取代吲哚，其中取代基是甲基、乙基、苯基或者三氟甲基，优选苯基或三氟甲基，R₅为以下结构化合物：

优选

9.如权利要求1-3中任一项所述的催化剂或根据权利要求4-8任一项所述的催化剂的制备方法得到的催化剂的应用，其特征在于：所述的催化剂用于端位具有C-C不饱和双键的非共轭结构的化合物与氢气和一氧化碳在合适的溶剂或无溶剂、温度、压力及催化剂存在下反应生成醛的氢甲酰化反应。

10.如权利要求9所述的催化剂的应用，其特征在于，所述的端位具有C-C不饱和双键结构的化合物是C₂-C₁₇的单烯烃，优选丙烯、丁烯、戊稀、辛烯、苯乙烯；或C₄-C₁₅单烯基羧酸酯，优选丙烯酸甲酯或油酸甲酯；或C₃-C₁₅的烯醇，优选烯丙醇；或C₃-C₁₅的烯醚，优选乙烯基乙基醚；或C₃-C₁₅的烯腈，优选丙烯腈。

11.如权利要求9所述的催化剂的应用，其特征在于：选用溶剂选自C₅-C₂₀的脂肪烃、C₆-C₂₀的芳香烃、C₆-C₂₀的醇或C₆-C₂₀的醚中的一种或多种，优选甲苯。

12.如权利要求9所述的催化剂的应用，其特征在于；端位具有C-C不饱和双键的非共轭结构的化合物在溶剂中的浓度为5-40wt％，优选6-20wt％，更优选7-10wt％。

13.如权利要求9所述的催化剂的应用，其特征在于：所述的氢甲酰化反应温度在30-150℃之间，优选在35-100℃之间，反应压力为3-300bar，优选8-40bar，反应体系中氢气和一氧化碳的摩尔比为10∶1-1∶2，优选5∶1-1∶2，特别优选1∶1。

14.如权利要求9-13中任一项所述的催化剂的应用，其特征在于：催化剂中的金属铑在氢甲酰化反应体系溶剂中的浓度为0.1-10mmol/L，优选0.5-4mmol/L，更优选1.5-3mmol/L。