CO2直接羧基化制備芳香酸研究進展

王文濤，田士東，薛其才，張 媚，寇永利，聶穎穎，張生軍，鄭化安

(陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司 國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西 西安 710065)

CO2直接羧基化制備芳香酸研究進展

王文濤，田士東，薛其才，張 媚，寇永利，聶穎穎，張生軍，鄭化安

(陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司 國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西 西安 710065)

芳香酸是一類重要的、用途廣泛的精細化學品，目前大多數芳香酸的生產過程會涉及氧化反應或多步反應，存在副產物多、原子經濟性差、成本高和環(huán)境不友好等缺點。理論上，芳香酸可以由CO2和相應的芳香化合物通過C-H直接羧基化得到。相比于傳統(tǒng)方法，CO2直接羧化法具有反應流程短、原料成本低、操作簡便、綠色高效等優(yōu)點。本文主要從催化劑角度綜述了近年來C-H直接羧化制備芳香酸的研究進展，詳細介紹了路易斯酸性、過渡金屬配合物以及有機/無機堿催化劑的研究進展和發(fā)展趨勢。

芳香酸；CO2；直接羧化；催化劑

二氧化碳(CO2)是參與自然界"CO2-有機碳-碳酸鹽"循環(huán)的組分，其正常循環(huán)是全球生態(tài)環(huán)境平衡的關鍵因素。然而，近年來化石能源大量消耗導致了大氣中CO2濃度激增。數據顯示，2013年大氣中CO2的平均濃度已接近400 ppm，比工業(yè)革命前增加了約40%。CO2的過量排放已經造成了一系列嚴重的環(huán)境、社會和經濟問題[1-3]。因此，如何高效、綠色、經濟地封存和利用CO2成為了各國研究和開發(fā)的熱點。在眾多CO2利用方式中，化學利用把CO2轉化為化學品，不僅起到減少CO2總量的作用，更是通過化學過程實現了經濟上的增值，有望成為一條有競爭力的、可持續(xù)發(fā)展的CO2利用方式[4-5]。

芳香酸是一類非常重要的化工產品，廣泛用于醫(yī)藥、農藥、染料、涂料、增塑劑、香料和食品防腐劑等精細化學品的生產。目前，大多數芳香酸的生產往往涉及多步反應及氧化反應，存在副產物多、原子利用率低、成本高和環(huán)境污染等缺點[6-8]。理論上講，芳烴和CO2可以在催化劑作用下直接羧基化得到芳香酸，但是由于CO2極強的熱力學穩(wěn)定性和動力學惰性，CO2高效羧基化仍然是極具挑戰(zhàn)的課題，截止目前實現大規(guī)模工業(yè)化生產的也僅有水楊酸。令人高興的是，近年來研究者利用路易斯酸、過渡金屬配合物、堿等來活化CO2分子，并將活化的CO2與具有較高C-H鍵活化程度的有機金屬化合物、烯、炔和芳烴反應來制備羧基化合物，已經取得了許多重要的進展[9-10]。

本文主要從催化劑發(fā)展角度評述CO2直接與C-H鍵羧基化制備芳香酸的研究進展，重點闡述所用催化劑及催化反應機理的研究進展，在此基礎上提出了該領域今后有待開展的研究工作。

1 路易斯酸型催化劑

19世紀末，Friedel和Crafts[11]就發(fā)現在強路易斯酸AlCl3存在下，CO2和苯可以反應生成苯甲酸，但轉化率很低，且伴隨大量副產物二苯甲酮的生成。直到2002年，Olah等[12]人報道了Al2Cl6/Al體系可在較溫和條件下實現多種芳香酸的高選擇性合成，通過控制反應條件還可以避免二苯甲酮生成；作者還嘗試了不同取代基的芳烴和CO2的反應，結果表明該反應對烷基、鹵素等多種官能團耐受性良好，且產率都在40%以上，其他路易斯酸如TiCl4、FeCl3、FeBr3、GaCl3、Ga(OTf)3等也具有催化反應，但效果均不如AlCl3理想。DFT研究表明(如圖1所示)，反應機理可能是一個CO2分子和三個AlCl3分子先形成環(huán)狀配合物，之后CO2-AlCl3配合物作為親電試劑與芳烴反應生成Ar-CO2Al2Cl5，伴隨著C-H鍵的斷裂和HCl的生成，最后水解得到芳香酸。目前為止，Al的作用機制還不十分明確，但作者認為Al的引入是反應成功的關鍵，Al能及時消耗掉反應生成的HCl并生成AlCl3進一步參與反應，極大的促進了反應的進行。

圖1 AlCl3存在條件下苯與CO2反應可能的機理[12]

此后，Munshi等[13]人研究了甲苯和CO2在AlCl3存在條件下生成4-甲基苯甲酸的反應，發(fā)現反應物的加入順序對結果影響很大，在加入甲苯之前預先將CO2用AlCl3活化形成反應活性高的AlCl3-CO2加合物是提高反應產率的關鍵步驟；進一步研究發(fā)現含氟溶劑和堿可以有效促進該反應，因為含氟溶劑和堿可以增加反應物溶解度和促進AlCl3的原位再生[14]。此外，Munshi等[15]人還從動力學的角度深入研究了該反應。

雖然AlCl3在芳烴和CO2羧基化反應中取得了令人滿意的產率，但AlCl3極易在空氣中潮解增加了設備成本和操作難度。為克服此不足，Cheng等[16]人將AlCl3負載到γ-Al2O3載體上(負載量72.36%)，在甲苯羧基化反應中負載催化劑取得了相當于純AlCl3效果73.34%的好結果，27Al MAS NMR研究證實AlCl3是通過-O-Al2Cl5形式固定到載體上(如圖2所示)，該負載催化劑對水汽不敏感，且可以再生。

圖2 AlCl3負載、去活化和再生過程示意圖[16]

此外，Suzuki等[17]研究了AlBr3存在條件下，CO2與萘、蒽和菲的羧化反應，結果表明在CO2壓力3.0 MPa、反應溫度40 ℃條件下得到了產率分別為43%、20%和34%的1-萘酸、9-蒽酸和9-菲酸，且無副產物。Nemoto等[18]利用Me2AlCl替代AlCl3，研究了CO2與1-取代吲哚和吡咯之間的羧基化反應，也取得了令人滿意的結果。

AlCl3/Al體系為CO2直接羧化制備芳香酸工業(yè)化提供了可能，但它仍存在酸用量大、強酸對設備腐蝕嚴重以及Al遇水有爆炸隱患等缺點，需進一步優(yōu)化。2010年，Hattori等[19]發(fā)現在AlBr3中添加等摩爾量的R3SiCl可以顯著提高羧化反應效率和選擇性，降低反應壓力和縮短反應時間，此外還發(fā)現AlBr3/R3SiCl體系還能用于鹵代苯、萘和聯(lián)苯的羧化。上述研究解決了Al遇水容易爆炸的問題，但R3SiCl價格相對昂貴，也難以大規(guī)模工業(yè)應用。程振明等[20]發(fā)現用氯鋁酸離子液體可以取代AlCl3/Al體系，他們以咪唑型氯鋁酸離子液體為催化劑研究了CO2和鄰二甲苯的反應，考察了氯鋁酸鹽離子液體種類及用量、反應溫度、CO2壓力以及活化預處理等工藝條件對收率的影響，發(fā)現離子液體添加量(摩爾量)僅為AlCl3體系最佳用量44%時就能起到很好的效果，此時2,3-二甲基苯甲酸產率可以達到75%。作者認為與常規(guī)有機分子溶劑相比，離子液體中陰、陽離子可以形成特殊的溶液結構增加了其與CO2分子之間的作用力，從而有利于提高CO2溶解度，促進反應進行。

2 過渡金屬催化劑

圖3 [(IPr)AuOH]催化雜環(huán)芳烴直接C-H羧化機理[2]

1984年，Fujiwara[21]首次報道了Pd催化CO2和芳烴C-H直接羧基化的反應，以Pd(NO3)2或Pd(OAc)2為催化劑，苯、苯甲醚、呋喃、噻吩等芳香化合物在150 ℃條件下與3 MPa的CO2反應20 h可以得到相應的芳香酸，但產率較低。此后，過渡金屬催化C-H鍵直接羧化領域發(fā)展較為緩慢，直到近幾年取得了重大進展。2010年，Nolan等人[2]報道了金卡賓[Au(IPr)OH]在室溫下(20 ℃)能實現多氟代芳環(huán)、多氯代芳環(huán)或雜芳環(huán)化合物的C-H鍵羧化。該反應是質子解離機理，成功的關鍵在于Au的NHC絡合物具有強堿性(pKa(DMSO)= 30.3)，可以奪取中等酸性C-H鍵上的H，從而活化了C-H鍵，具體機理如圖3所示。同期，Larrosa等人[2]也報道了Au的絡合物可以高效催化缺電子芳烴C-H直接羧化反應，如三氟甲苯在tBu3PAuCl/Ag2O/K2CO3/PivOH催化體系中甚至實現了100%的高選擇性合成。

隨后，Nolan[2]又發(fā)現銅的氮雜卡賓絡合物[Cu(IPr)X](X= OH, Cl)也能使噁唑化合物發(fā)生C-H直接羧化，堿性化合物CsOH的引入對反應有很好的促進作用，反應機理與[Au(IPr)OH]體系類似。Hou[2]也報道了同樣的Cu-IPr絡合物實現苯并噁唑類化合物的直接羧基化，以大位阻的NHC為配體，KOtBu為堿的體系反應效果最佳，叔膦和氮配體的反應體系效果大大降低，此外銅價態(tài)也對反應具有顯著的影響，一價銅活性最好，二價銅如Cu(OAc)2、Cu(OTf)2、CuCl2等的催化活性則較低。該體系對于取代苯并噁唑類化合物(pKa=24.8)都能取得較好的收率，但是對于C-H鍵酸性稍弱的雜環(huán)芳烴如苯并呋喃(pKa=33.2)、苯并噻唑(pKa=27.3)就只能得到極少量的產物。2012年，Hou等人[26]進一步發(fā)現1,2,3-三唑-5-甲基銅(I)配合物([(TPr)CuCl])在苯并噁唑和苯并噻唑的C-H直接羧化反應中表現出更高的催化活性。

除Au、Cu和Pd配合物外，2011年Iwasawa等人[27]首次報道了Rh催化([Rh(coe)2Cl]2，coe = 環(huán)辛烯)下芳基C-H鍵直接羧化，在甲基化試劑AlMe2(OMe)存在條件下，多種取代2-苯基吡啶、1-苯基吡唑可在常壓下發(fā)生羧化反應生成相應的芳香酸，且產率可達到88%。在催化過程中，LnRhI-Me被認為是關鍵中間體，LnRhI-Me插入C-H鍵形成RhIII中間體同時活化C-H鍵，之后經歷還原消去反應脫甲基生成親核的RhI中間體并與CO2反應，最后與MeAlX2作用完成轉金屬化，實現催化循環(huán)(圖4)。隨后，Iwasawa[28]將coe配體用1,2-雙(二環(huán)己基膦基)乙烷替代(即AlMe1.5(OEt)1.5)，發(fā)現替代后的催化劑可用于催化簡單芳烴如苯及取代苯的C-H鍵與CO2直接羧化反應。

圖4 Rh催化C-H直接羧化可能的機理[27]

3 其他

盡管AlCl3和過渡金屬配合物在芳烴C-H直接羧化方面表現出了很好的催化活性和底物適應性，但是這些試劑仍存在著化學活性高難以儲存和操作、制備困難、價格昂貴等諸多缺點。目前，C-H直接羧化制芳香酸領域符合工業(yè)生產要求的案例僅有水楊酸一個，因此開發(fā)低成本、操作簡便的C-H直接羧化法仍是該領域最急需解決的難題。

圖5 LiOtBu介導的吲哚直接羧化機理[29]

2010年，Hu等人[29]報道了苯并咪唑、苯并噁唑、苯并噻唑等芳香雜環(huán)在過量Cs2CO3存在下可以發(fā)生C-H直接羧化反應，且該反應有很好的官能團容忍度和高的轉化率。作者認為反應歷程可能是在Cs2CO3存在下C-H鍵脫氫形成C-Cs鍵和CsHCO3，然后Ar-Cs和CO2反應生成羧化產物(圖5)。Kobayashi等人[30]發(fā)現強堿LiOtBu可以很好的介導吲哚C3-H的羧化反應，LiOtBu加入量對反應至關重要，作者認為具體的反應機理如圖5所示。

最近， Nature報告了斯坦福大學Matthew Kanan團隊的最新研究成果(圖6)，他們發(fā)現在200～350℃含有銫或鉀陽離子的熔鹽中，碳酸根離子可以去質子化酸性非常弱的C-H鍵(pKa>40)，生成碳中心親核體，然后碳中心親核體再與CO2反應形成羧酸鹽，利用該法他們合成了具有重要用途的呋喃-2,5-二羧酸(FDCA)[31]，該成果有望開辟CO2制羧基化合物工業(yè)化的新方法。

圖6 碳酸鹽促進的C-H直接羧化及其在FDCA合成中的應用[31]

4 結束語

隨著全球范圍內CO2過量排放導致的負面效應日益加深，CO2利用已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展議題中一個不可回避的話題。將CO2作為C1資源進行化工利用是解決其過量排放的關鍵環(huán)節(jié)。在眾多化學利用途徑中，CO2與C-H直接反應具有原子經濟性高、反應步驟短等優(yōu)勢而備受重視，到目前為止人們已經發(fā)展了路易斯酸類、過渡金屬配合物以及有機/無機堿等類型的催化劑。其中，路易斯酸類催化劑(主要是AlCl3)具有活性高、價格低等優(yōu)勢，但反應需要在高壓下進行，且催化劑用量大、在空氣中易潮解、對設備腐蝕嚴重。過渡金屬(Cu、Au、Rh、Pd)催化劑可以在溫和條件下實現C-H鍵直接羧化，底物適應性、轉化率和區(qū)域選擇性結果也令人滿意，但該類反應由于需要在堿協(xié)同作用下去質子，故而需要底物C-H鍵具有相對較強的酸性，當底物的C-H鍵酸性較低時，反應很難進行。有機/無機堿具有催化活性高、成本低、操作簡便等優(yōu)勢，是一類很有發(fā)展前途的催化劑，但它同樣需要底物C-H鍵具有相對較強的酸性，反應條件與過渡金屬催化相比較為苛刻。總之，過去的二十年中在C-H直接羧化領域取得了許多非常重要的進展，但仍未能獲得滿足工業(yè)化生產的理想催化劑。開發(fā)底物適應性更廣、活性更高、制備簡單、成本低、反應條件溫和的催化劑依然是該領域需要重點突破的瓶頸問題。近期，基于納米技術的CO2光/電催化轉化取得了很大的進展[32-33]，有望為CO2與C-H鍵直接羧化提供新的思路。

[1] Bakker D; Watson A. Global change: A piece in the CO2jigsaw[J].Nature, 2001, 410(6830): 765-766.

[2] Abelson P H. Limiting Atmospheric CO2[J].Science, 2000, 289(5483): 1293-1293.

[3] Espinal L, Poster D L, Wong-Ng W, et al. Measurement, standards, and data needs for CO2capture materials: A critical review[J].Environmental Science & Technology, 2013, 47(21): 11960-11975.

[4] Huang C H, Tan C S. A Review: CO2Utilization[J].Aerosol and Air Quality Research, 2014, 14(2): 480-499.

[5] Iijima T, Yamaguchi T. K2CO3-catalyzed direct synthesis of salicylic acid from phenol and supercritical CO2[J]. Applied Catalysis A-General, 2008, 345(1): 12-17.

[6] Pinkus A G, Gopalan. R. Studies on the mechanism of acid catalyzed bromination of a hinhdred alkyl aryl ketone: 2, 4, 6-Trimethylacetophenone. rate dependence on bromine concentration [J]. Journal of the American Chemical Society, 1984, 106(9): 2630 -2633.

[7] Partenheimer W. Methodology and scope of metal/bromide autoxidation of hydrocarbons [J]. Catalysis Today, 1995, 23(2): 69-158.

[8] Kmannepalli L, Pentlavalli S, Kottapalli K R,et al. An improved process for selective liquid-phase air oxidation of toluene [J]. Catalysis Letters, 2002, 81(3): 223-232.

[9] Liu Q, Wu L, Jackstell R, et al. Using carbon dioxide as a building block in organic synthesis [J]. Nature Communications, 2015, 6: 5933.

[10] Liu A H, Yu B, He L N. Catalytic conversion of carbon dioxide to carboxylic acid derivatives [J]. Greenhouse Gas Science Technology, 2015, 5(1):17-33.

[11] Li J J. Name Reactions[M]. Springer, 2009, pp 234-237.

[12] Olah G A, Torok B, Joschek J P, et al. Efficient Chemoselective Carboxylation of Aromatics to Arylcarboxylic Acids with a Superelectrophilically Activated Carbon Dioxide-Al2Cl6/Al System [J]. Journal of the American Chemical Society, 2002, 124(6): 11379-11391.

[13] Munshi P, Beckman E J. Effect of incubation of CO2and Lewis acid on the generation of toluic acid from toluene and CO2[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2008, 48(2): 1059-1062.

[14] Munshi P, Beckman E J, Padmanabhan S. Combined influence of fluorinated solvent and base in Friedel?Crafts reaction of toluene and CO2[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(14): 6678-6682.

[15] Sarve A N, Ganeshpure P A, Munshi P. Carboxylation of toluene by CO2generating p-toluic acid: A kinetic look [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(14): 5174-5180.

[16] Cheng Z, Gu M. Carboxylation of Toluene with CO2over Dimeric AlCl3Immobilized on Alumina [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(24): 9992-9998.

[17] Suzuki Y, Hattori T, Okuzawa T, et al. Lewis acid mediated carboxylation of fused aromatic compounds with carbon dioxide [J]. Chemistry Letters, 2002, 31(1): 102-103.

[18] Nemoto K, Onozawa S, Egusa N, et al. Carboxylation of indoles and pyrroles with CO2in the presence of dialkylaluminum halides [J]. Tetrahedron Letters, 2009, 50(31): 4512-4514.

[19] Nemoto K, Yoshida H, Egusa N, et al. Direct carboxylation of arenes and halobenzenes with CO2by the combined use of AlBr3and R3SiCl [J]. Journal of Organic Chemistry, 2010, 75(22): 7855-7862.

[20] 仙明明, 顧淼飛, 張海飛，等. 氯鋁酸鹽離子液體催化鄰二甲苯與的羧化反應研究 [J]. 華東理工大學學報(自然科學版), 2014, 40(2):147-152.

[21] Sugimoto H, Kawata I, Taniguchi H, et al. Palladium-catalyzed carboxylation of aromatic compounds with carbon dioxide [J]. Journal of Organometallic Chemistry, 1984, 266(3): C44-C46.

[22] Boogaerts I I F, Nolan S P. Carboxylation of C?H bonds using N-heterocyclic carbene gold(I) complexes [J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(132): 8858-8859.

[23] Lu P, Boorman T C, Slawin A M Z, et al. Gold(I)-Mediated C-H Activation of Arenes [J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(16): 5580-5581.

[24] Boogaerts I I F,Fortman G C, Furst M R L, et al. Carboxylation of N-H/C-H bonds using Nheterocyclic carbene copper(I) complexes [J]. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 49(46): 8674-8677.

[25] Zhang L, Cheng J, Ohishi T, et al. Copper-catalyzed direct carboxylation of C-H bonds with carbon dioxide [J]. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 49(46): 8670-8673.

[26] Inomata H, Ogata K, Fukuzawa S-I, et al. Direct C-H carboxylation with carbon dioxide using 1,2,3-triazol-5-ylidene copper(I) complexes [J]. Organic Letters, 2012, 14(15): 3986-3989.

[27] Mizuno H, Takaya J, Iwasawa N. Rhodium(I)-catalyzed direct carboxylation of arenes with CO2via chelation-assisted C-H bond activation [J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(5): 1251-1253.

[28] Suga T, Mizuno H, Takaya J, et al. Direct carboxylation of simple arenes with CO2through a rhodium-catalyzed C-H bond activation [J]. Chemical Communications, 2014, 50: 14360-14363.

[29] Vechorkin O, Hirt N, Hu X. Carbon Dioxide as the C1 Source for Direct C-H Functionalization of Aromatic Heterocycles [J]. Organic Letters, 2010, 12(15): 3567-3569.

[30] Yoo W J, Capdevila M G, Du X, et al. Base-Mediated Carboxylation of Unprotected Indole Derivatives with Carbon Dioxide [J]. Organic Letters, 2012, 14(20): 5326-5329.

[31] Banerjee A, Dick G R, Yoshino T. Carbon dioxide utilization via carbonate-promoted C-H carboxylation [J].Nature, 2016, 531(7593): 215-219.

[32] Wang W H; Himeda Y; Muckerman J T, et al. CO2Hydrogenation to Formate and Methanol as an Alternative to Photo- and Electrochemical CO2Reduction [J]. Chemical Reviews, 2015, 115(23): 12936-12973.

[33] Yang M Q, Xu Y J. Photocatalytic conversion of CO2over graphene-based composites: current status and future perspective [J]. Nanoscale Horizons, 2016, 1(3): 185-200.

(本文文獻格式：王文濤，田士東，薛其才，等.CO2直接羧基化制備芳香酸研究進展[J].山東化工，2017，46(10)：62-66.)

Research Progress on the Preparation of Aromatic Acids by Carboxylation with CO2

WangWentao,TianShidong,XueQicai,ZhangMei,KouYongli,NieYingying,ZhangShengjun,ZhengHuaan

(State Energy Key Lab of Clean Coal Grading Conversion, ShaanxiCoal and Chemical Technology Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710065, China)

Aromatic acids are important fine chemicals that have found wide applications, and their preparations always involve oxidation reaction and other multi-step organic syntheses procedures, which enduring a lot of problems such as by-product, low yield, low atom-economy, equipment corrosion and acid wastewater. In principle, aromatic acids can be constructed through straightforward carboxylation of aromatic C-H bonds with CO2, which has great advantages of short process, easy control, little flow path, investment saving, environmentally friendly and high yield etc. This review summarizes the updated advances in the catalytic C-H carboxylation of CO2into carboxylic acid derivatives, mainly focusing on the related catalysts, for example, lewis acid catalyst, transition metal complexes and organic/inorganic bases.

aromatic acids；CO2；straightforward carboxylation；catalysts

2017-03-08

陜西省工業(yè)科技攻關項目(2016GY-216)；陜西省“科技新星”項目(2015KJXX-85)

王文濤( 1983—) ，河南焦作人，博士，主要從事納米催化研究。

O625.5；O643.36

A

1008-021X(2017)10-0062-05