【科研论文科普解读】

  羰基化反应是现代精细化工的核心基础反应，堪称化工领域的“万能基石”。简单来说，这项反应能将一氧化碳与烯烃分子结合，转化为酸、酯、醇类等高价值化学品，我们日常接触的醋酸、塑料增塑剂、高端香料、医药中间体等产品的生产，几乎都离不开它。自被发现以来，羰基化反应历经百年发展，早已深度融入化工产业链，但传统技术始终存在难以破解的行业瓶颈。

  近日，中国科学院大连化物所刘中民院士团队取得新突破，开辟出无金属、无配体的分子筛催化新路线，相关成果10月21日发表于国际顶刊《自然》，为百年羰基化反应带来颠覆性革新。

水参与的丙烯羰基化生成异丁酸及乙烯羰基化生成丙酸反应示意图（大连化物所供图）

  传统羰基化反应的“先天短板”

  百年来，工业界主流的羰基化生产工艺，始终依赖铑、铱等稀有贵金属催化剂，同时需要搭配复杂的有机配体调控反应进程。这套成熟的工艺虽然能实现规模化生产，但与生俱来的诸多短板，长期制约着化工行业绿色、低成本发展。

  从生产成本来看，铑、铱等贵金属储量稀少、价格昂贵，直接推高了催化剂制备和工业生产的核心成本；从反应体系来看，贵金属与有机配体组成的催化体系结构复杂，反应流程繁琐，对生产设备、反应条件的要求极为严苛；从后续工序来看，传统工艺为液相催化体系，催化剂与反应产物充分混合、难以彻底分离，不仅会造成贵金属催化剂流失、重复利用率低，还会影响产物纯度，增加后续提纯、废液处理的工序成本与环保压力。

  多年来，行业内始终未能跳出“贵金属+配体”的固有框架，只能通过微调配方、优化工艺小幅改善生产效率，无法从根源上解决成本高、流程繁、分离难、污染大的痛点，这也成为制约高端含氧化合物化学品规模化、绿色化生产的核心难题。

  分子筛独挑大梁，实现无金属催化新反应

  针对传统工艺的行业痛点，大连化物所刘中民院士团队立足多年工业化研究积累，跳出传统催化思维，开辟了全新的分子筛催化羰基化技术路线，首次实现了水参与的丙烯羰基化制异丁酸、乙烯羰基化制丙酸两类全新反应，彻底摆脱了贵金属和有机配体的依赖。

  此次突破并非偶然，而是团队长期技术沉淀的成果。早在2017年，该团队就将分子筛成功应用于二甲醚羰基化反应，实现了无水乙醇的大规模工业化生产，不仅打造了绿色制乙醇新路径，更证实了分子筛不只是单纯的“分子筛选材料”，更是性能优异的固体催化剂，为本次攻关奠定了坚实基础。在此基础上，团队历经近三年专项攻关，精准利用分子筛独特的孔道限域效应，攻克了无金属催化的核心技术难题。

  相较于传统工艺，新路线的优势十分突出。首先，彻底摒弃贵金属与有机配体，大幅降低催化剂成本和生产门槛，催化体系简单稳定、安全性更高；其次，分子筛作为多孔有序晶体材料，凭借精准的分子级孔道结构，在驱动羰基化反应高效进行的同时，能精准抑制烯烃聚合等无效副反应，大幅提升反应选择性和原料利用率；最后，该体系为固液两相体系，固体分子筛催化剂与液态产物天然分离，解决了传统工艺催化剂与产物难分离、催化剂流失的核心短板，回收复用简便，大幅简化工业生产流程。

  解锁分子筛催化的“结构密码”，引领精准化工新时代

  值得关注的是，团队在研究中发现了一项基本规律。选择不同的孔道限域位点，能够催化完全不同的反应过程：十元环孔口附近的活性位点可以催化丙烯，而八元环的活性位点则可以催化乙烯。这种精准的活性位点匹配机制，不仅像“精密开关”一样实现了对底物分子特异性识别，打破了传统催化剂依赖金属或配体调控的固有思维；还证明了孔道微环境本身就能作为控制反应路径的“核心密码”，反应的选择性催化不再只能靠反复调配方“碰”出来，而是可以由孔道的几何结构预先“指定”。

  该研究为后续构建能够反向预测和理性设计新过程的普适性的分子筛催化羰基化通用框架，提供了坚实的底层逻辑支撑。这项研究本身，也是一次有组织的基础研究的生动践行，问题从实践中来，答案向工业中去。沿着这条链条，团队将把实验室里的反应推向工艺放大，让分子筛羰基化真正走进工厂，为未来含氧化合物等各类高端化学品及新材料的高效、绿色制备打开更广阔的空间。(光明网记者宋雅娟)