催化與工業無機化學

孟山都法與 Cativa 法

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醋是稀乙酸,而乙酸是工業中最常用的大宗化學品之一——每年有數十億千克用於製造塑膠、油漆和黏合劑。製造它最優雅的辦法,是取甲醇(最簡單的醇,就是 CH3OH)並往上縫一個一氧化碳分子:CH3OH 加 CO 生成 CH3COOH。來自廉價 CO 的那一個碳,把一個一碳的醇變成了一個二碳的酸。有兩個著名的均相催化工藝幹這件事——使用銠的孟山都法,以及它的後繼者、使用銥的 Cativa 法。

兩個工藝都是由標準有機金屬步驟搭起來的教科書式均相催化,而且都需要碘化物助催化劑才能運轉。概要如下:甲醇先與碘化物反應生成碘甲烷 CH3I,這才是真正的底物。碘甲烷對金屬中心發生氧化加成,把一個甲基和一個碘負放到金屬上;接著一個一氧化碳配體透過遷移插入插進金屬—甲基鍵,搭出一個金屬—乙醯基;還原消除釋放出乙醯碘,它與水反應生成乙酸並把碘負交還回來,使催化劑再生。孟山都法在 1970 年代問世,用的是銠配合物。後來的 Cativa 法由 BP 在 1990 年代商業化,把銠換成了銥。銥給出一個更快、更結實的催化劑,它對水的容忍度更低(從而削減了蒸餾的能耗),浪費更少原料,所用金屬也比銠便宜。

這兩個工藝作為「漸進式、真實世界的催化劑改良」和「綠色化學經濟學」的生動案例而重要。化學幾乎沒變——還是氧化加成、CO 插入、還原消除那套骨架——可僅僅把金屬從銠換成銥,就帶來了更好的選擇性、更少的副產物、更低的能耗和更便宜的金屬,在這種規模下這值一大筆錢。它乾淨地證明了:催化研究並不只是發明全新的反應,也包括精煉一個既有循環的金屬與配體。一個誠實的提醒:二者在原理上原子經濟性都很出色(甲醇和 CO 的幾乎每個原子都進了產物),但它們依賴腐蝕性的碘化物助催化劑和苛刻的工程,所以這裡的「綠色」指的是廢物與能耗,而不是沒有危害。

BP 的 Cativa 工廠透過把甲醇和一氧化碳送過溶解態的銥催化劑(配碘化物助催化劑)來製造工業乙酸——與較老的銠—孟山都法是同一套「縫上一個碳」的化學,只是更便宜、更乾淨。

一個 CO 分子把一碳的甲醇變成二碳的乙酸——把銠換成銥,則讓它更划算。

兩種催化劑都不是直接作用於甲醇——碘化物助催化劑先把它轉化成碘甲烷,才是真正加到金屬上去的物種。去掉碘化物,循環就停了,這提醒我們助催化劑不是可有可無的附件。

又稱
methanol carbonylationacetic acid synthesis甲醇羰基化甲醇羰基化