하이드로포밀레이션 또는 옥소 합성/공정

옥소 합성이라고도 불리는 하이드로포밀레이션은 알켄 화합물에서 알데히드를 생성하기 위해 사용됩니다. 이 반응은 유기 로듐 또는 유기 코발트 화합물을 촉매로 사용하며, C=C 결합에 수소 원자를 첨가하여 C-C 결합을 형성하고 분자에 포르밀기를 첨가하여 알데히드를 생성합니다. 하이드로포밀레이션을 통해 형성된 알데히드 화합물은 알코올, 아민, 카르복실산 등 그 외의 다양한 화합물 합성의 기초가 됩니다. 따라서 하이드로포밀레이션은 벌크 화학물질의 생산을 위해 가장 중요한 화학 합성 중 하나입니다. 또한 특정 금속 리간드 결합이 있는 촉매를 사용한 하이드로포밀레이션은 더 복잡한 정밀 화학 및 제약 분야의 카이랄(chiral) 합성에 사용됩니다. 하이드로포밀레이션은 주요 균일 촉매 Application으로 간주되지만, 다수의 이질 하이드로포밀레이션 시스템이 개발되어 있으며, 다양한 스캐폴드에서 지원되는 로듐 화합물과 연관되는 경우가 많습니다.

매년 수백만 톤의 산업용 화학물질이 하이드로포밀레이션을 통해 생산됩니다. 석유 화학 업계에서 생산한 대량의 1-알켄은 산업용 화학 공정을 위해 사용되는 광범위한 하이드로포밀레이션의 원동력이 됩니다. 가장 긴 사슬, 가지가 많은 사슬 및 순환 올레핀은 하이드로포밀레이션을 통해 만들 수 있지만, 가장 흔한 시작 화학물질은 에틸렌과 프로필렌으로 프로피온알데히드, n-부틸알데히드 및 이소부틸알데히드를 생산합니다. 에틸렌으로부터 생산되는 프로피온알데히드는 수소화하여 계면활성제 및 세척제로 사용되는 긴 탄소 사슬 알코올과 디에틸 프탈레이트 등의 가소제를 형성할 수 있습니다. 거울상 특이적 알데히드 형성으로 이어지는 비대칭 하이드로포밀레이션의 촉매를 개발하기 위해 상당한 관심과 노력을 쏟고 있습니다. 이는 결과적으로 다양한 작용기를 포함한 다양한 카이랄 특이적 분자로 전환됩니다. 

전반적인 하이드로포밀레이션 메커니즘은 잘 알려져 있으며, 메커니즘의 여러 단계는 선형 또는 가지형의 알데히드 형성으로 이어집니다. 선형 알데히드는 대부분의 산업 Application에서 선호되므로 선형 제품 형성을 강화하는 화학 분야를 발전시키는 데에 관심이 있습니다. 선형 또는 가지형 알데히드의 형성에서 중요한 단계는 수소화물 및 알켄 리간드의 삽입입니다. 수소화물은 내부 이중 결합 탄소 또는 터미널 탄소에 첨가할 수 있습니다. 전자의 경우 선형 알데히드가 형성되고, 후자의 경우 가지형 알데히드의 형성으로 이어집니다. 벌크 리간드를 중심금속에 첨가하는 것은 선형 알데히드 형성을 촉진하는 방법 중 하나입니다. 예를 들어 트리알킬포스핀 리간드(PR3)를 HCo(CO)4 촉매에 첨가하면 가지형에 대한 선형성 알데히드 형태의 비율을 크게 증가시킬 수 있습니다.

촉매의 경우 새로운 코발트 및 로듐 리간드 특이적 복합체/공정이 개발되어 더 하이드로포밀레이션이 더 낮은 압력과 온도에서도 발생할 뿐만 아니라 더 긴 촉매 수명으로 이어지게 되었습니다. 또한 비대칭 하이드로포밀레이션에서 레기오 선택성과 거울상 선택성을 제어하는 공정 및 촉매의 개발에도 상당한 노력을 기울이고 있습니다. 로듐 촉매는 코발트 촉매에 비해 일반적으로 속도의 측면에서 더욱 효과적이며 더 낮은 온도 및 압력에서 운용할 수 있습니다. 그러나 새로 개발된 유기 코발트 촉매는 훨씬 비싼 로듐 복합체와 같은 효과를 달성할 수 있습니다. 

비대칭 하이드로포밀레이션은 상당히 매력적인데, 이용하기 쉬운 알켄과 합성 가스를 사용하여 거울상 이성질체성이 강화된 알데히드를 합성하고, 여기에서 다양한 기능이 있는 거울상 이성질체 특이적 화합물을 추가로 합성할 수 있습니다. 비대칭 하이드로포밀레이션과 관련한 어려움도 있으며, 그 예로는 원하는 선택성을 달성하기에 필요한 반응 온도가 더 낮기 때문에 발생하는 반응 속도 저하가 있습니다. 이러한 문제를 최소화하기 위해 비대칭 하이드로포밀레이션은 수소화 반응 등에서 쓰이는 것과는 다른 리간드를 사용하는 유기 금속 촉매가 필요합니다. 비대칭 하이드로포밀레이션의 리간드 클래스에는 혼합 인화수소/아인산염, 이아인산염, 포스폴란 등이 있습니다.

사용되는 촉매 복합체 유형 이외에도, 비대칭 하이드로포밀레이션은 반응 온도 및 CO 압력의 영향을 받으며 둘 중 하나 또는 둘 모두가 반응 역학을 변화시킬 가능성이 있습니다. 예를 들어 스티렌의 비대칭 하이드로포밀레이션에서 더 높은 CO 압력을 사용하면 가지형 이성질체의 형성을 촉진하는 반면, 더 낮은 CO 압력은 선형 이성질체로 이어집니다. 현장 FTIR 및 라만 분광법은 새로운 리간드를 사용하는 금속 촉매를 사용하는 비대칭 하이드로포밀레이션의 역학을 조사하는 것뿐만 아니라 반응 변수가 성능 달성에 미치는 영향을 파악하는 데에도 유용한 기술입니다. 반응 속도와 거울상 이성질체 특이성 사이의 상충 관계를 더욱 완전하게 이해하는 것은 특정 촉매 복합체의 최적 반응 변수를 결정하는 데 도움이 됩니다. 

하이드로포밀레이션 촉매와 반응 조건이 반응 성능에 미치는 영향의 조사

균일 촉매의 경우 현장 분자 분광법은 존재하는 활성 반응 종에 관한 구조 정보를 제공하며, 이 중 일부는 일시적일 수 있습니다. 로듐 및 코발트 하이드로포밀레이션 촉매에서 카르보닐 밴드의 변화를 측정함으로써 메커니즘 및 촉매 경로에 대한 실질적 이해를 이끌어낼 수 있습니다. 또한 현장 분광법은 온도 및 압력과 같은 반응 변수가 하이드로포밀레이션의 활성 및 선택성에 미치는 영향을 직접 측정합니다. ReactIR 기술과 연관된 다이아몬드 감쇠전반사(ATR) 센서는 하이드로포밀레이션 반응 조건을 쉽게 처리할 수 있습니다. 라만 분광기는 압력 반응기의 석영 창을 통해 비침습적으로 촉매 반응을 측정할 수 있습니다. 두 방법 모두 반응 조건을 방해하지 않으면서 실시간으로 정보를 획득합니다. 라만 분광법은 이질 하이드로포밀레이션 반응을 조사하는 데 유용함이 입증되었습니다.

EasyMax 화학 반응기 는 50 mL ~ 100 mL의 크기 범위의 압력 용기와 함께 제공됩니다. 50 mL 용기는 최대 200 bar의 압력을 처리하며, 100 mL 용기는 60 bar 또는 100 bar의 압력을 수용합니다. 이러한 높은 압력 용기를 통해 수소화 반응 및 하이드로포밀레이션과 같은 촉매 공정의 측정이 가능합니다. EasyMax는 뛰어난 자동 반응 조건 제어를 제공하며 화학 합성, 파라미터 스크리닝 및 특성화에 이상적입니다. ReactIR 및 ReactRaman 현장 분자 분광법 기술 모두 EasyMax 고압 용기와 완벽하게 통합됩니다. iC 소프트웨어는 자동으로 반응기 온도, 압력, 혼합 및 분주 속도를 관리할 뿐만 아니라 분자 분광법의 측정을 제어합니다.

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ReactIR은 활성 촉매 종을 보여주고 주요 중간 생성물을 추적하여 역학 및 메커니즘 정보를 제공합니다

Andreas Jörke, Andreas Seidel-Morgenstern, Christof Hamel, “Rhodium-BiPhePhos catalyzed hydroformylation studied by operando FTIR spectroscopy: Catalyst activation and rate determining step”, J. Mol. Catalysis A: Chem., 2017, 426 Part A, 10-14n.

이아인산염 분자인 BiPhePhos를 리간드로 갖는 로듐 촉매에 의한 1-데켄의 하이드로포밀레이션에 ReactIR 측정을 수행하였습니다. 전구체인 Rh 화합물 Rh(acac)(CO)₂의 활성화된 HRh(BiPhePhos)(CO)₂ 촉매로의 변환에 대한 현장 IR 측정이 주요 관심대상이었습니다. 이 변환된 복합체는 하이드로포밀레이션이 진행될 때 주요 촉매 중간 생성물로 확인되었으며, 산화를 통한 촉매 분해는 P=O 결합이 IR 스펙트럼에 존재하지 않았으므로 관찰되지 않았습니다. 저자들은 회전(turn over) 빈도에 의하면 Rh-BiPhePhos 촉매 하이드로포밀레이션이 1-데켄 농도와 관련한 첫 번째 순서이며 속도 결정 단계는 올레핀 배위라고 보고했습니다.

전구체인 Rh 복합체는 2085 cm^-1 및 2014 cm^-1에서 Rh-CO 밴드를 나타내며, BiPhePhos가 투입되었을 때 이 밴드가 사라지는 것은 이아인산염 리간드에 의한 CO의 대체를 의미합니다. H₂를 투입한 후 2077 및 2017에서의 CO 진동은 Rh-하이드리도디카르보닐 복합체에 대한 문서의 과제와 일치한 것으로 관찰됩니다. 올레핀을 주입했을 때 1643 cm^-1에서 C=C 밴드가 관찰되며 하이드로포밀레이션이 진행되면서 1729 cm^-1에서 강력한 언데카날 C=O 밴드가 형성되는 것과 동시에 사라집니다. 이 밴드의 정상화 비율은 1-데켄의 전환 측정 및 회전 수의 계산을 제공합니다. 

ReactIR은 반응 경로, 촉매 선택성 및 활성에 대한 이해를 제공합니다

Si-min Yu, William Snavely, Raghunath V. Chaudhari, Bala Subramanian, “Butadiene hydroformylation to adipaldehyde with Rh-based catalysts: Insights into ligand effects”, Molec. Catalysis, 2020, 484, 110721

저자들은 유기 로듐 촉매를 통한 부타디엔에서 아디프알데히드로의 하이드로포밀레이션이 아디프산 및 헥사메틸렌디아민 등의 C₆ 화합물 생성의 옵션이라고 보고했습니다. 이러한 이유로 저자들은 반응 경로에 대한 이해를 통해 아디프알데히드 수율을 개선하고 반응 조건이 활성 및 선택성에 어떤 영향을 미치는지 확인하고자 했습니다. 서로 다른 8개 리간드가 있는 Rh 복합체들이 현장 IR 측정에서 획득한 데이터를 사용하여 체계적으로 조사되었습니다. 저자들은 80 °C 및 14 bar 합성 가스(몰 CO/H₂ = 1) 압력에서 부타디엔의 하이드로포밀레이션의 경우, 리간드/Rh 비율, 로듐 농도, 부타디엔 농도 및 합성 가스 압력은 아디프알데히드 선택성에 영향을 미치지 않는다고 보고했습니다. 그러나 선택성은 채택한 리간드의 유형 및 리간드의 바이트 각도에 크게 의존합니다. ReactIR 데이터에 기초하여 저자들은 다양한 Rh 복합체를 통해 안정한 로듐 η³-크로틸 복합체가 형성됨으로써 더 낮은 선택성을 초래할 수 있다고 제안합니다.

ReactIR는 촉매 종, 활성도 및 안정성에 대한 이해를 제공합니다

Drew M. Hood, Ryan A. Johnson, Alex E. Carpenter, Jarod M. Younker, David J. Vinyard, George G. Stanley, “Highly active cationic cobalt(II) hydroformylation catalysts”, Science, 2020, 367(6477), 542-548

저자들은 알데히드를 형성하기 위한 알켄의 하이드로포밀레이션에서 값비싼 로듐 기반 촉매에 근접한 활성도를 지닌 코발트 촉매 개발을 보고했습니다. 이 새로운 양이온 코발트(II) 비스포스핀 하이드리도카르보닐 촉매는 기존의 중성 코발트 촉매인 HCo(CO)₄ 및 HCo(CO)₃(PR₃)에 비해 수백배의 활성을 지니며, 낮은 압력과 같이 더 온화한 조건에서 작동합니다. 저자들은 단순 선형 알켄의 경우 이 촉매들이 선형 대 가지형(L:B) 레기오 선택성을 가지지만, 알킬 가지가 있는 내부 알켄의 경우 L:B 선택성이 높다고 보고했습니다. 또한 저자들은 새로운 촉매가 분해에 대한 내성이 있으며 사용 수명이 길다는 점을 발견했습니다.

실제 반응 조건 하에서의 현장 IR 측정은 몇 가지 활성 양이온 촉매 종의 존재를 확인했으며, 시간 함수로서 촉매의 안정성에 대한 이해를 제공합니다 ReactIR 측정은 33 ~ 96시간 사이 스펙트럼의 카르보닐 영역에서 거의 변화가 없습니다. 그 결과로 인한 촉매 용액을 검사하자 신선한 촉매 전구체 샘플만큼 헥센 하이드로포밀레이션에 효과적임을 발견했습니다.