选择性氨基甲酸铵结晶：一种用于均相催化伯胺合成过程中催化剂回收的创新方法

《ChemCatChem》：Selective Ammonium Carbamate Crystallization: An Innovative Approach for Catalyst Recycling in Homogeneously Catalyzed Primary Amine Synthesis

选择性铵盐碳酸盐结晶化（SACC）作为新型催化剂回收方法，成功应用于均相催化合成伯胺的醇胺化反应和氰化物氢化反应。在醇胺化中，HRuCl(CO)(PPh3)3/Xantphos催化剂通过8次循环实现总TOF 748，但水积累导致溶剂极性增加，产品得率从71%降至24%。氰化物氢化中，Ru(acac)3/Triphos/DBU催化剂表现更优，9次循环总TOF达743，仅0.6%钯泄漏，产品纯度稳定在97%。研究表明，SACC通过CO2与伯胺形成低溶解性盐实现产物与催化剂分离，但需严格去除水以维持结晶效率。

　　本研究探讨了一种新型的催化剂回收方法——选择性铵碳酸盐结晶（SACC），并将其应用于均相催化反应中，特别是在醇胺化和腈氢化反应中。均相催化在合成初级胺方面展现出高效的选择性，然而，催化剂与产物的分离难题限制了其在工业化中的广泛应用。SACC通过利用初级胺与二氧化碳之间形成无废料且可逆的盐，实现了产物的高效分离和催化剂的循环利用。这种方法在降低能耗和减少污染方面具有显著优势，同时确保了催化剂的重复使用，为工业应用提供了新的可能性。

在醇胺化反应中，研究者选择了1-辛醇作为模型底物，并采用HRuCl(CO)(PPh₃)₃/Xantphos（Cat 1）作为催化剂体系。通过SACC方法，成功实现了八次催化剂循环，总转化数（∑TON）达到了748。尽管初始反应表现出良好的性能，如98%的转化率和92%的选择性，但随着反应次数的增加，转化率和选择性逐渐下降。这主要是由于反应过程中水分的积累，增加了溶剂的极性，从而影响了产物的结晶效率。为了克服这一问题，研究者尝试通过调整结晶温度和溶剂比例来优化SACC的效率，发现当使用含水的溶剂时，产物的回收率显著下降。然而，通过引入干燥剂或改进结晶条件，可以有效减少水分对催化剂性能的影响。

在腈氢化反应中，研究者同样应用了SACC方法，但选择了不同的催化剂体系，如[Ru(2-甲基丙烯基)₂(cod)]/Triphos（Cat 2）和Ru(acac)₃/Triphos/DBU（Cat 3）。Cat 2在五次循环中表现出了较低的稳定性，主要原因是催化剂在高温和高压条件下的快速失活。相比之下，Cat 3在九次循环中保持了较高的选择性和产物纯度，最高达到98%。这表明，在没有水分产生的反应中，SACC能够更有效地实现催化剂的回收。此外，Cat 3的催化剂损失率仅为0.6%，说明其在长期循环中具有更高的稳定性。

研究发现，SACC的关键在于通过冷却结晶实现产物的分离，同时通过过滤和洗涤步骤回收催化剂。这一过程在均相催化反应中具有显著的优势，因为它避免了传统分离方法如蒸馏、萃取和吸附所带来的高能耗和污染问题。然而，为了确保SACC的高效运行，必须严格控制反应体系中的水分和氧气含量。水分的积累不仅降低了产物的回收率，还可能导致催化剂的失活。而氧气的存在则可能引发配体的氧化，进一步影响催化剂的活性。

此外，SACC在不同反应条件下的表现也有所不同。例如，在Cat 2的反应中，催化剂预形成（preformation）对于提升反应效率和选择性具有重要作用。而在Cat 3中，尽管不进行预形成，但通过添加DBU（1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯），能够有效提高催化剂的活性和选择性。DBU在无水条件下不会与二氧化碳反应，但在初级胺存在时，可以被其质子化，从而增强盐的溶解性，提高产物的纯度。

本研究还通过实验验证了SACC在不同反应条件下的适用性。例如，在Cat 1的反应中，尽管在前两次循环中获得了较高的产物回收率和纯度，但在后续循环中，由于水分的积累，产物纯度和回收率逐渐下降。因此，研究者提出在小规模反应中加入干燥剂（如MgSO₄），或在大规模连续反应中采用膜技术来去除水分，从而提高SACC的效率。这些改进措施有助于在实际工业生产中实现更高效的催化剂回收。

总体而言，SACC作为一种无废料、可逆的催化剂回收方法，在均相催化反应中展现出巨大的潜力。它不仅能够实现产物的高效分离，还能显著减少催化剂的损失，从而提高整个反应体系的经济性和环保性。此外，SACC的实施条件相对温和，适用于多种反应体系，为均相催化剂的循环利用提供了新的思路。未来的研究方向包括探索SACC在其他反应类型中的应用，如还原胺化、肟氢化或酰胺氢化反应，以及进一步优化其在不同反应条件下的表现，以实现更广泛的应用。