通过Kolbe-Schmitt反应使用聚合物离子液体催化剂催化合成水杨酸

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Catalytic synthesis of salicylic acid via the Kolbe-Schmitt reaction using a polymeric ionic liquid Catalyst

　　

王梦彤|李佳欣|孙启伟|张娟

河北科技大学化学与制药工程学院，石家庄，050018，河北，中国

摘要

水杨酸在医药、农业、工业和个人护理领域有广泛的应用。在这项研究中，开发了一种聚合物离子液体催化剂P[Chol][PeA]，用于通过CO₂和苯酚之间的Kolbe-Schmitt反应合成水杨酸。P[Chol][PeA]通过扫描电子显微镜（SEM）、能量分散光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、Brunauer–Emmett–Teller（BET）表面积分析、质子核磁共振光谱（¹H NMR）、X射线光电子光谱（XPS）、热重分析（TGA）和凝胶渗透色谱分析（GPC）进行了表征。最佳反应参数确定为：非均相催化剂P[Chol][PeA]、CO₂压力1.00 MPa、反应温度140°C、催化剂负载量5.00 wt%以及反应时间2.00小时。在这些最佳条件下，水杨酸的产率和选择性分别为51.10%和95.01%。该非均相催化剂在经过十次循环使用后仍保持其活性。此外，响应面拟合结果与实验结果一致。

引言

全球气候变化已成为人类面临的最严峻挑战之一。作为主要的温室气体，减少CO₂及其资源利用具有双重战略意义（Fan等人，2024；Liu等人，2024；Zhi等人，2023）。在这种背景下，利用CO₂作为碳源合成水杨酸的研究引起了广泛关注。水杨酸及其衍生物在多个关键领域发挥着重要作用。在制药领域，水杨酸不仅是阿司匹林合成的关键前体（You等人，2021；Huang等人，2025），还因其抗菌和抗炎特性而被用于各种外用皮肤制剂（Reynolds等人，2024；Berardesca等人，1998）（Yuan等人，2025；Zhang等人，2023）。在个人护理领域，由于水杨酸的角质溶解作用，它是痤疮治疗产品的核心成分（Suzuki等人，2018）。在工业应用中，水杨酸甲酯是一种重要的香料，其衍生物广泛用于染料的合成（Sedanova等人，2023）和紫外线吸收剂的制备（Liang和Chen，2022；Pastor-Nieto等人，2023）。在农业方面，已开发出几种衍生物作为环保型杀菌剂（Glowacz等人，2017；Li等人，2025）和植物生长调节剂（Kaya等人，2023）。此外，随着绿色化学原则的不断实施，羟基苯甲酸化合物在新兴领域（Kutraite等人，2025；Mohammad等人，2026）如可生物降解材料中的应用潜力正在不断探索。

传统的水杨酸工业合成主要依赖于传统的Kolbe-Schmitt反应。尽管这一工艺技术成熟，但它存在高温和高压CO₂、高能耗以及产生和处理含苯酚废水等缺点。相比之下，使用聚合物离子液体催化剂进行CO₂羧化反应可以高效分离和回收催化剂，从而克服了均相催化剂难以回收的瓶颈。同时，这种方法可以提高水杨酸的产率和选择性，并放宽反应条件。

水杨酸的工业生产主要采用Kolbe-Schmitt反应，该反应最早由Kolbe在1860年报道。Schmitt随后通过增加CO₂压力提高了产率（Kolbe和Lautemann，2006；Hales等人，1954）。为了解决传统工艺的缺点，包括高反应温度和高压CO₂以及高能耗问题，研究工作集中在开发新型催化剂、扩展原材料范围和优化反应系统上。Iijima等人（Iijima和Yamaguchi，2008）使用K₂CO₃作为催化剂，从苯酚和CO₂合成水杨酸，在200°C的反应温度、8.00 MPa的CO₂压力和25.00 wt%的催化剂负载量下，水杨酸的产率达到68.30%。除了苯酚，Shanthi等人（Shanthi和Palanivelu，2015）还使用间苯二酚作为起始原料和KOH作为催化剂，在超声波辅助下进行了实验，间苯二酚的产率达到65.00%。

基于其可调的活性位点和孔结构，新型固体催化剂在调节羧化反应路径和提高目标选择性方面展现出巨大潜力。Calvo-Casta?era等人（2021）成功合成了C@Fe–Al₂O₃杂化催化剂。使用苯酚作为底物，主要产物为苯甲酸（0–6%）、对羟基苯甲酸（<1%）和水杨酸（0–10%）。Koj?inovi?等人（2024）使用多种金属氧化物在210°C下催化苯氧钾，获得了43.40–49.30%的水杨酸和5.10–6.30%的4-羟基异酞酸。相比之下，当苯氧钠在90–200°C下催化1–3小时时，获得了11.40–47.80%的水杨酸、2.00–8.20%的对羟基苯甲酸以及微量的4HiPh（4-羟基异酞酸）。

此外，生物催化策略和溶剂系统的改进也有助于提高反应效率。Ohde等人（2023）报道了在水乙醇胺介质中使用CO₂脱羧酶催化间苯二酚和CO₂合成2,6-二羟基苯甲酸，通过吸附技术实现了产物的原位去除，克服了热力学限制。Mohammad等人（2024）在甲苯悬浮体系中从苯氧钠合成水杨酸。在甲苯中，苯酚与苯氧钠的摩尔比为2:1，反应温度为225°C，CO₂压力为3.00 MPa时，水杨酸的产率达到92.68%。Merzliakov等人（2025）发现，在DMSO（二甲基亚砜）溶液中，当使用钠、钾和锂的苯氧化物作为起始原料时，碱性添加剂如甲醇钠、异丙醇钠和叔丁基氨基甲酸钠可以催化反应，15.00小时后水杨酸的产率达到61.60%。Mohammad等人（2025）进一步使用生物质衍生的酚类化合物（如苯酚和2-甲基酚）的钠盐在甲苯悬浮体系中作为原料。在3.00 MPa的CO₂压力和225°C下，使用50.00 wt%的酚类化合物作为促进剂时，水杨酸的产率达到97.90%。

目前，在从CO₂合成水杨酸的催化研究中，大多数研究采用均相催化剂系统（Iijima和Yamaguchi，2008；Shanthi和Palanivelu，2015）。尽管这些系统具有广泛的底物适用性，但其均相性质使得分离困难，导致催化剂回收过程繁琐且应用成本增加。相比之下，非均相催化系统在分离和重复使用方面具有更大优势。然而，已报道的非均相催化剂系统数量有限（Calvo-Casta?era等人，2021；Koj?inovi?等人，2024），且制备过程相对复杂，需要苛刻的生产条件，这在一定程度上限制了它们的大规模应用。在这项研究中，基于绿色化学原理和离子液体化学的协同作用，开辟了可持续催化过程的新途径。越来越多的研究证明了基于IL的策略在推进绿色化学中的重要作用（Hosseinzadeh等人，2024；Fatehi，2024；Ayazi等人，2024；Valipour等人，2023），同时也促进了可回收聚合物离子液体催化剂的发展。

基于上述讨论，为了克服均相催化剂分离的困难，本研究使用氯化胆碱、4-戊烯酸和氢氧化钠作为起始原料合成了易于分离的非均相催化剂P [Chol][PeA]。为了评估其催化性能，选择了CO₂和苯酚之间的Kolbe-Schmitt反应作为水杨酸合成的模型反应。通过优化反应温度、催化剂负载量和CO₂压力等参数，进一步提高了催化效率，并且该非均相催化剂在相对温和的条件下保持了稳定的催化活性。

章节片段

实验材料

实验中使用的所有化学品均为市售产品，无需额外纯化即可获得。苯酚（C₆H₆O）、水杨酸（C₇H₆O₃）、对羟基苯甲酸（C₇H₆O₃）、4-戊烯酸（C₅H₈O₂）、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBA，C₇H₁₀N₂O₂）、甲醇（99%，CH₄O）、氯化胆碱（C₅H₁₄ClNO）、氢氧化钠（NaOH）和2,2′-偶氮二异丁腈（AIBN，C₈H₁₂N₄）均为分析纯，购自Aladdin reagent（上海）有限公司。

催化剂的制备

4-戊烯酸（1.50克），

SEM和EDS分析

使用S-4800-I扫描电子显微镜（Hitachi，日本）检查了非均相催化剂的表面形态，结果如图1所示。如图1a所示，P[Chol][PeA]表现出不规则的块状形态，表面粗糙、蓬松且多孔。这种形态增加了催化剂与反应物之间的接触面积，从而有利于反应的进行。碳（C）、氮（N）和氧（O）的元素分布图像显示...

结论

本研究报道了一种新型聚合物离子液体催化剂P[Chol][PeA]的合成及其在Kolbe–Schmitt反应中用于从苯酚和CO₂合成水杨酸的应用。系统地研究了P[Chol][PeA]的催化性能，并确定了最佳反应条件：非均相催化剂P[Chol][PeA]、CO₂压力1 MPa、反应温度140°C、催化剂用量5 wt%以及反应时间2小时。

CRediT作者贡献声明

王梦彤：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、研究、概念化。李佳欣：验证、监督、项目管理。孙启伟：验证、监督、项目管理。张娟：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：21106032）和河北省自然科学基金（编号：B2021103012）的支持。