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另辟蹊径,科学家让分子筛“独自”催化丨科技前线

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▲科研人员实现分子筛催化烯烃羰基化新反应(部分内容由AI生成,视频来源:中国科学院大连化学物理研究所)

羰基化反应发展至今已百余年,但工业上主流方法依然依赖铑、铱等贵金属及有机配体修饰,存在体系复杂、流程繁琐、成本高昂以及催化剂与产物分离困难等挑战。

近日,中国科学院大连化学物理研究所等合作开辟了另一条路线,不用金属不用配体,让分子筛“独自”完成催化。该方法实现了水参与的分子筛催化丙烯羰基化制异丁酸、乙烯羰基化制丙酸两个新的反应,并从中发现了基础规律。

01

是分子筛,也是催化剂

羰基化反应,是现代化学工业的“基础”。从醋酸、增塑剂醇,到香料与医药中间体,一条条产业链都搭建在这个反应上面。简单来说,羰基化反应,是将一氧化碳“嫁接”到烯烃分子上,生成酸、酯、醇类化合物的过程。

分子筛是一种多孔、有序的晶体材料,孔道尺寸精确到分子级别,具有精准的孔道筛选能力,能将形状和尺寸不合适的分子“挡”在门外,在石油炼制、气体分离和绿色化工中发挥着重要作用。

02

分子筛催化显优势

团队经过多年攻关,巧妙利用分子筛的限域效应,成功实现了两个分子筛催化的新反应:水参与的丙烯羰基化生成异丁酸及乙烯羰基化生成丙酸,反应过程不需要金属,也不需要有机配体。


▲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

研究发现,分子筛的限域带来多重利好。分子筛在推动烯烃羰基化顺利进行的同时,还抑制了烯烃聚合的副反应。此外,作为固体催化剂,分子筛与产物天然分处两相,分离回收远比液相体系简便,补上了传统路线产物难分离的短板。

03

发现新规律

团队通过研究新反应,发现了其中共同的基本规律:分子筛孔道的“门”在哪里、“门”多大,都会影响催化的反应。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“碰”出来的配方,而是可以由孔道的几何结构预先“指定”。

该研究为后续构建普适性分子筛催化羰基化通用框架,提供了底层逻辑支撑。未来,分子筛羰基化或将真正走进工厂,为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。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11183-2

来源:中国科学院大连化学物理研究所

责任编辑:曹旸

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