有机硅单体合成催化机理

全球有机硅网讯：6月1日，记者从中科院过程工程研究所获悉，该所苏发兵研究员团队和华东理工大学龚学庆教授团队合作，以暴露特定晶面的亚微米级Cu2O晶体作为模型催化体系，采用实验和理论计算相结合的方法在分子原子水平，初步揭示了罗乔反应中铜催化剂的催化机理。

“有机硅作为一种小众化学产品，对大多数人来说，可能有些陌生。其实，有机硅产品的应用范围遍及我们生产生活的各个领域：航空、建筑、电子电气、纺织、汽车、机械、皮革造纸、化工轻工、金属和油漆、医药医疗等等。”苏发兵说。其中，有一种单体——二甲基二氯硅烷（简称M2）是合成有机硅产品最重要且用量最大的单体，主要作为硅橡胶、硅树脂、密封胶、塑料等的原料，约占有机硅行业单体产量的90%，它的生产技术和水平是决定有机硅工业的关键。

苏发兵介绍，目前M2单体合成的主流工艺仍然采用1941年由美国通用电气公司发现的罗乔反应。

问题在于该反应在得到M2的同时，还会生成大量其他副产物，因此提高M2的选择性和收率一直以来都是工业界和学术界长期关注的热点和难点。

“然而，到目前为止，M2选择性和收率仍不够高，主要是由于关键催化剂——Cu基催化剂效果不够理想。另一方面催化机理迄今为止尚不明确，致使高性能Cu基催化剂的研制仍主要依靠工业经验。”苏发兵说。

该团队成员纪永军副研究员和李晶博士通过模拟有机硅单体合成工艺实验，发现了具有最高M2选择性和收率的催化剂——暴露特定晶面的Cu2O立方体，之后采用理论计算揭示了性能提升的主要原因是反应物氯甲烷在{100}晶面上具有更强的解离吸附。

据悉，这项工作不仅揭示了Cu基催化剂在罗乔反应中微观尺度上的催化机理，而且提供了一种通过调控金属氧化物催化剂的暴露晶面来提高反应选择性的新理念，有助于有机硅工业中Cu基催化剂的研制和革新，相关结果发表在最新一期国际学术权威期刊《催化杂志》（Journal of Catalysis, 2018, 361, 73）上。

此外，该团队前期在Cu基催化剂设计制备上已取得系列研究进展。通过在Cu基催化剂表面掺杂纳米氧化锡，产生大量阳离子缺陷位，可提高M2选择性和收率（Journal of Catalysis, 2016, 337, 1）；设计并制备了CuO/ZnO微纳复合结构催化材料，揭示了主催化剂和助催化剂的界面协同作用机制（Journal of Catalysis,2017,348,233）；首次发现了氧化铟新型助催化剂对CuO主催化剂的促进作用（Journal of Catalysis,2017,348,110 ）。基于大量的研究结果，申请（或授权）相关发明专利27件。该团队研发的铜基催化剂制备技术已实现产业化，并应用到有机硅单体生产企业。