药融会第169期专享会嘉宾：余焓教授 上海应用技术大学

余焓教授

今天给大家介绍是我们一种新的催化剂的理念，无机配体支撑/配位的金属催化剂。

大家在化工里面都用过催化，催化在整个人类文明进步与世界的经济发展中都扮演着非常重要的角色，它能够以一种高效绿色和经济的方式，将原材料转变为具有高附加值的化工产品和燃料，广泛的被应用于能源化工食品医药电子等各个领域，目前全世界大概有90%以上的化学生产过程都离不开催化，所以说毫不夸张地说，催化领域的每一次重大突破，都极大地改变了人类的生产与生活方式。举一个简单的例子，以合成氨的催化为例子，将我们空气中的氮气转化为氨气的合成氨的催化剂，它的重要作用，如果没有这个催化剂的话，我们将不能得到足够的氨肥，现在地球的农作物基本上就会减产一半，如果没有这么多经济作物的支撑，那可能我们的人类的人口会减少一半。

过渡金属络合物催化剂由于具有反应条件温和、反应选择性高和反应活性高以及应用范围广等特点，被广泛应用于工业界和学术界。在200多年的催化剂历史上获得了诺奖催化剂的次数都超过了二十次。

大家可以看到这样一个图片，我们原有的一个催化剂体系，在均相催化里面是用得非常多的。就是它的一个特征是什么？它的特征就是以配体和金属络合在一起，就是过渡金属络合物催化剂。这里我简单地画了这个两个具有代表性的一个体系，一个是那个烯烃复分解的一个催化剂，还有一个是钯与配体络合偶联反应催化剂，当然也有氯化钯的，但是氯化钯的话，实际上如果是把氯作为配体的话，实际上也是一种配体支撑的一个催化剂。

大家看到这个体系以后可能会有一些联想，主要是这个配体和这个金属络合在一起到底起一个什么作用？那么我们从这个体系来看，我们可以形象地把它看作一个什么？把这个有机配体可以看作是一个阴的东西。无机配体可以看作是一个阳的东西，这个就和我们中国的一个传统文化那个阴阳的一个概念可以联想起来。但实际上这个体系它的本质特征，就是有机配体的和金属络合以后，形成一个良好的电子通道，那么我们再根据这个过渡金属络合物催化剂体系这个形象的一个图像，我们就可以理解催化剂的定义，我们可以将它重新定义一下。因为我们现在所有人类的科技都是在电子的理论基础上，那我们是不是可以把这个催化剂的这个定义重新定义为一个电子的转换体，或者是电子的一个转移通道。

当然，如果我们把它这个层次往更高层面提升一点的话，我们可以把它定义为一种能量的转化器，或者是能量的转移体。那么在这个基础上，我们用一些新的角度去思考这个催化剂体系，我们就会得到一些新的启发。因为过度金属均相催化剂，这个运用的是非常广的，在我们工业上也运用的非常多，在学术圈也运用的非常多，不管是在国外的一流大学，还是在国内的大学里面用的都基本上都非常多。

所以说做均相催化的话，如果说想做出什么新意的话，基本上逃不出这个体系。那么因此我们对这个体系可以形象地称他为一个安卓系统。

但是这个体系的缺陷的话，大家也可以看到，如果要获得很好的反应选择性和催化活性，就必须反复多次合成配体，直到找到一种与金属配位能获得满意效果的配体。这个合成过程和寻找过程是非常漫长和低效的。而且就是过渡金属络合物在催化的过程中，它的催化剂是不稳定的，同时它也不宜循环利用。并且在整个生产过程中，它的成本也是比较高，污染也是非常大的。

14年我进入应用技术大学以后，因为我们的条件是比较简陋的，无论是从人力物力和财力方面，都没有办法在过渡金属络合物体系方面做出一些比较有创新性的工作，因此就放弃了这个体系。希望用另外一种思维去解决这些问题。

其实在自然界和工业生产上，四氧化三铁或者三氧化二铝这样的无机金属氧化物作为催化剂，在化工工业化上具有很多的工业催化的应用。鉴于此，我们有一个想法，是否可以用这些金属氧化物作为无机配体来代替这些有机配体，那么这样的话它的合成的话就非常简单了。我们当时想到了这个idea以后，我们就寻找一些这样无机的结构，因为我是在清华化学系的，做过博士后，并且现在也是清华化系的项目研究员。那么我当时在清华是在魏永革教授课题组，他是从1990年就开始研究这种结构。目前实验室的结构从90年到现在积累了将近2000种这样的金属氧化物结构。图中把这些武器结构分为十种的基本骨架，这里我们只画出了六种的基本骨架。

我们以这个安德森骨架为例子，它的周围是六个无机配体，那么中心金属的这个X它可以有70种金属，基本上包括了所有的过渡金属，可衍生出的催化剂超过1000种。它的这个特点是外围的这个无机配体的金属它可以变价。M他表示很多种金属，比如说我们的M如果是代表Mo的话，它可以有2，4，6这个三种变价，那么它储存的电子可以有每一种都有两个电子。这样的话，它实际上用拥有将近二十四个电子的传导能力，也就是说在我们的过渡金属周围有一个电子的蓄水池，那我们可以通过均相催化的调控调控它的电子的转移。这样的话，我们通过均相催化的方法的话，我们就能满足在氧化反应中，一个电子两个电子四个电子六个电子的这种反应的需求。

我们在17年提出了这个催化剂的新理念，实际上我们14年就已经开始了将这些催化剂用于工业化的研究。这个手性的体系，我们会在下面的这个后面的内容我们会讲到。这个骨架的cv图，我们也会在后面给出！目前这个体系实际上有十种基本的骨架，包括6个配体配位的、9个配体配位的、12个配体配位的、甚至是24个配体配位的，基本上能够将所有的元素周期表里面的能做催化的元素我们都能够进行组装进去。

目前我们在魏永革老师的这个实验室里面，这30年来积攒下来这种结构有将近2000种，我们就从17年开始，我们现在发现了大概70种金属的，都70种这个催化剂的都能够用于作为催化。实际上我们有十几种催化剂已经用应用于工业化。

我们第一个工业化的例子，偏三甲苯氧化为偏苯三酸酐。这个产品的话实际上是全球的量大概有50万吨，国内大概有20万吨左右。实际上甲基氧化有60多年的一个历史，不管是三甲基的还是PTA的，还是甲苯的氧化，它基本上都是钴锰溴的体系，它的一个缺点就是它会产生氢溴酸，以及乙酸作为溶剂会腐蚀设备，同时的话它的这个温度和这个压力也非常高，那么以偏苯三酸酐为例，它将近达到23公斤压力，以及两百三十度左右。同时反应完以后，它这个钴和锰会和那个反应产物酸络合在一起，最后形成那种黑渣，比如说一个年产几万吨的一个厂，它最后可能有上千吨的这种黑渣从那个炉子里面出来，那么我们采用我们的催化剂以后，实际上我们将它的温度降降到160度，16到18公斤压力，而且我们的反应的机理和和他不是一样的。

在我们做了三个加一氧化工业化以后，我们同时也做了另外的均三甲苯的氧化，这个产品它的这个用量是比较少的，大概是只有几百吨左右，但是这个产品它的利润非常高，它将近一吨的这个价格在18万左右。

我们第三个产品的话，实际上是一种这个新的一个材料，据我们所知的，他目前可能是用在宝马汽车上面作为储氢能源用途的。我们的催化剂都是可以重复利用的。

目前甲级的氧化，我们实际上将近三年来，基本上每年有一个2到3个产品工业化用于我们的催化剂，有的是我们帮别人开发工艺，有的实际上是别人把我们的催化剂拿过去，自己最后开发工艺。我们的重复率，有的产品只能够重复六次左右，但是有的产品的话可以到20次左右。催化剂的用量是1‰到有的，效果不是很好的，要到1%。

在我们做完甲基的氧化以后，当然甲基的话还有很多可以做成酸的，曾经我们也想做PTA，但是我们联系到新疆的一个200万吨的一个企业生产PTA的企业，但是那个总经理最后给我们答复是这个产量太大了，他们没有办法去动这个东西，所以我们展示在PTA上面没有去做甲基氧化的一些东西。

在做完甲基氧化以后，我们的客户给我们提出了能不能做到把甲基选择性氧化到醛停留在醛的阶段，甚至停留在醇的。因此我们就是在实验室里面现在做一些小试的研究，就是关于做醇到醛的，目前我们也取得了一些突破。

大家可以看到就是传统的用氧气氧化生成那个醛的这个机理，它是甲基变成苄基自由基以后，然后和氧形成一个氧自由基组合成的，最后变成一个过氧酸，最后到醛这一个步骤。

那么因此按照传统认为的机理，我们去实行从甲基的选择性的控制到醛这个步骤，是一个相当有难度的一件事情。因此甲基氧化成醛实际上是一个世界级的难题。因此甲苯氧化成苯甲醛普遍的工业上的做法是将甲基先和氯气生成苄氯，然后苄氯水解，最后到醛。但是这样就会带来一个什么？带来首先就是有氯离子进入这个体系，那导致最后的产品不能用于医药品和香精香料的领域。那么在对这个机理进行认真研究以后，我们根据我们的实验，我们也首先做了一个实验，就是用甲苯氧化成醛的，我们做了一个实验，用我们的催化剂，大概我们筛选了将近五十几种催化剂，最后发现有一种催化剂它的效果比较好。

大家可以根据这个核磁跟踪图，看到我们做甲基氧化的时候，它是先生成醇，然后醇在被氧化到了醛。那么因此我们推出了我们的机理，可能是一个醇到醛，然后再到酸的过程。

那么在初步就是根据实验的判断推测我们的机理之后，我们就采用了策略，比如说根据我们加双氧水的量，我们就可以选择性控制甲基的氧化，到醇到醛以及到酸，那么因此我们基本上在实验室里面把这个问题给克服掉了。

我们可以控制我们氧化剂的量，如果氧化剂过量的话，它全会继续氧化。但是如果我们的氧化剂的量合适的话，它就只停留在醛的阶段。

在做完我们甲基的氧化的小试实验以后，我们实验室实际上也开发了苯氧化苯酚的一些实验，目前也取得了一些不错的结果。传统的工艺它是一个三步的反应，他的副产物和污染都比较大。那么一步工艺法实际上在国外，比如在德国的话，它是目前已经工业化了，但是它的产率是比较低的，包括连云港的一家企业，它的产率都比较低，这个主要是取决于催化剂的问题，催化剂的选择性。

目前我们其中的一种催化剂，实际上能够达到80%的一个产率。

我们下面给大家介绍是一个碳氢键氧化，是被酮类化合物的我们实验室的一些小试方面的研究。我们介绍了其中是我们一种铁的催化剂，那么和别人的铁的有机铁的催化剂比较，我们的优势也是比较明显的。

大家可以看到我们做了很多底物，包括那个普遍那个乙苯氧化成苯乙酮的。

我们在做了甲基氧化、亚甲基氧化以及苯氧化层苯酚的一些研究以后，我们实验室也开展了醇的一些选择性氧化方面的研究。因为醇的选择性氧化传统在工业上我们通常采用的氧化剂，比如说铬试剂、高锰酸钾，二氧化锰，以及高碘试剂氧化钌等，这些试剂对于环境的污染是非常大的。

那么这20年来，学术界是其实一直想着用氧气和双氧水这种绿色的氧化剂，把这些传统的污染型的氧化剂给替换掉。但是这样就涉及到用到一些有机过渡金属络合物。

我们在研究里面做了控制实验室，同时我们也做了量化计算，最后我们确定是我们的铁作为活性位点。对于醇的选择性氧化，大家看到这是20年以来这个过渡金属络合物体系在学术界上发表的一些文章，包括在一些顶级化学期刊上面，实际上大家注意看到了，他的一些体系的话都是要用有机的东西。那么它的价格和这个工业都比较复杂。

我们做了一些比较，就是这几种催化剂，有机过渡金属络合物的它的成本在2000-2万/公斤，那么制备也是比较困难的。而且他没有办法循环利用，另外一个它在反应后会残留在这个产品中，所以至今就是说没有大规模运用的工业化案例。

相比较起来，我们的催化剂大概是400-600/公斤，制备也是相对简单。举例说，我们这个铁催化剂的话，我们就是硫酸铁和钼酸氨在水中一步合成，而且我们基本上可循环利用六次以上到十次，那基本上它也不会残留在产品中。

大家可以看到，这个是我们已经发表的一篇文章，关于碘的催化剂，而传统的ABX和DMP1个是1893年，一个是1983年，这个年代比较悠久，基本上有的有将近100年的历史，它的只能说为一种计量的氧化剂，在催化方面，他没办法用氧气来作为氧化剂的！

那么我们的这个催化剂的，比如说我们这种无机无机碘的催化剂，我们高碘酸加我们的钼酸铵，就把那个碘就是融进去了，而且就是它是可以用氧气作为氧化剂。

我们的和过渡金属络合物无催化剂的是不一样的。过渡金属络合物和有机配体配位以后，它实际上这种配位它是很不稳定。我们无机的结果它是非常稳定，而且它反应以后它是溶于水的。

在做醇的选择性氧化的实验以后，现在是醇氧化成醛酮，当然我们也可以选择氧化成酸，但是目前我们的文章正在审稿中！我们这个催化剂它很难在一般条件下能和别的有机物在进行反应。我们会在下面的工作中介绍我们这种醇的无机的东西和有机络合，它是需要一种高温高压的条件才能够络合上去。

在做醇的选择氧化以后，我们听到了一些甲醇，因为甲醇活化是一个很有价值的一个应用方向。比如说甲醇和胺生成甲酰胺。大家看到了传统的催化剂的话，比如说过渡金属有机配位的，那么我们是铬和无机鉬配位的，同时也将传统的有毒的铬试剂变为一种可回收利用的绿色的Cr催化剂。

在这里大家很容易的看到我们的DMF也可以用这种方法来做，但是这里面需要用到这个双氧水。实际上这个的话对于生产DMF是不合适的。我们事实上现在开发的DMF的工艺实际上直接用甲酸加我们另外一种催化剂和二甲N反应在在60度的条件下常压反应四个小时，产率是极高的，得到了我们DMF。

这个和二胺的反应，实际上这是别人的催化剂体系办不到的，只有我们的催化剂体系可以拥有这个效果，我们做这个二胺的意义实际上是我们想先做成这种二胺以后，可以去用这些中间体再进一步的反应得到我们的TDI和MDI，这样可以实现一个就是非光气法来生产mdI和TDI。目前我们有一些进展，但是还不是很满意，当然我们的催化剂就直接用甲酸做的话，目前现在还处于进一步的研究中，直接用甲酸和我们的二胺做mdI和TDI。

另外我们做完醇氧化以后，我们也做了一些醛氧化的工作，将醛氧化成酸。

在做醇氧化的过程中，我们其实发现了一些新的现象。这个现象实际上在均相催化领域也非常普遍，就是通过加添加剂来调节反应的选择性和活性。其实在均相催化剂里面加添加剂的话，基本上应该是有一个几十年的历史，但是很少人去弄清楚为什么要加添加剂。我们是首次捕捉到了添加剂和这个催化剂结合在一起的单晶结构，这应该是我们在学术界首次到了这个单机结构。

大家可以看到反应条件不变化，只是改变添加剂的量，它这个改变添加剂的种类，他能够选择性地得到全核酸，因此我们后面其实也做了一些具体的研究，包括对它的cv变化，包括对他的IDC的底钉，我们将近37种醇，分别利用这种条件都都可以分别知道醛核酸。因此我们实际上这个是准备提出的一个添加剂的一个超分子催化的一个概念，提出一个新的理念。

我们的每个催化剂都有单晶结构的同时，我们在每做一批，比如说做一个几公斤或者是几十公斤以后，都要对这个结构进行定位，单晶测，测定它的最终结构。

因为在虽然说是通过无机的方法合成的话，它的温度和这个ph值以及别的环境改变的话，它很可能不是一种某种结构出来，而是好几种结构混合着出来的。

这个也是我们实验室里面做的一个比较有意思的一个反应，苯胺的一步氧化，苯胺的直接氧化合成的橡胶防老化剂偶然分离，以前的文献报道的话，实际上有4到5步，而且它的产率是很低的，而且它的污染很大。但是我们可以用我们的其中一种催化剂，它是一步就反应得了我们的这分离的产物，而且产率非常高。

还有用我们的催化剂做一个硝化的一些反应，发现传统的工艺需要用到浓硫酸，甚至是发现硝酸的方法生成了硝基苯。但是用我们的催化剂的话，不需要用浓硫酸，而且我们的硝酸是60%的硝酸钠，就可以得到很高产业的这个硝基苯。

在做完氧化方面，其实我们最近已经开始做一些还原性的反应，我们用电催化的方法的话，实际上就是可以就是把我们的硝基的再还原成氨基。

这个地方是上水，实际上是画错了。

在这个开始的时候，别人就问我们这个东西的能不能做手性的东西。实际上现在我们在守信这个体系方面已经取得了一些进展。

我们知道这个小分子催化剂，如果脯氨酸这种手性催化剂的话，实际上工业上已经有很大的应用，但是它的一个缺点就是它的用量比较大。那么我们想对它进行一些改进，比如说我们把我们的这种具有很多电子就说反应很多电子的东西，加在这个氨基酸上面会不会带来一些改变？最后我们发现就是把这些东西加上去以后，它这个反应起到一个非常神奇的效果。

在做手性催化反应的时候，脯氨酸大概需要20~30%，但是我们的催化剂的可以达到pPM级别。同时的话它这个手性结构产物实现了翻转。所以说我们再把这些多金属氧化物加到这个小分子的手性的东西联合起来以后，它会实现一个立体上和电子上的得到非常意外的效应。

另外我们的催化剂除了用在有机合成这个领域，实际上我们用在别的领域也是也是有很大的用途。比如说石墨的提成，因为石墨从石墨矿里面出来的时候，它的这个成分是比较复杂。需要用到酸洗的工艺，比如说原料的话，每吨原料一千公斤的话，要用到氢氟酸200公斤，盐酸300公斤，硝酸100公斤，他会他会用到大量的酸，而且它要经过两遍的纯化，那么我们加入我们的催化剂以后，方案二方案三和方案四，无论是时间上、温度上以及酸的用量上，效果都有极大的提升。

年产五万吨的产能，用我们的催化剂以后可以达到年产6万吨效果。

而且最后我们纯化后的纯度，实际上基本上和原来的工艺一致，甚至我们的催化剂的量在加大的情况下，它能够达到99.98，远远超过了它原来的99.96这个纯化工艺。

目前我们已经用于500公斤的一个实验已经通过，而且我们这个催化剂基本上是可以在石墨以及可膨胀石墨里面实现一个突破性的进展。

基本上我们可以确定，利用我们的催化剂对于石墨和石墨相关的产业是一个革命性的突破。

总地来说，我们无论在学术界和工业界实力都比较有限，因此没办法和别人去竞争，所以只能做一些突破性的东西，开辟新的领域，用新思维来解决学术界和工业界的问题。
 

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