塑料和药品的原料生产，必须用贵金属催化吗？

超市里随处可见的瓶装水，瓶身是轻便的塑料材质；家里柔软的PVC电线外皮、墙面涂料的成膜助剂；甚至香水里的果香分子、常用止痛药的中间体——这些看似毫不相干的东西，背后都有着同一种核心化工反应：羰基化。

最近，中国科学院大连化学物理研究所的团队在《自然》（Nature）发表了一项重要进展：他们用常见的多孔材料分子筛，实现了无贵金属、无额外配体的烯烃羰基化反应。这条全新的催化路线，能不能撼动沿用百年的传统工艺？

羰基化就是给有机分子做一道加法——接上一个碳原子和一个氧原子组成的羰基。羰基化是个大家族，其中工业体量最大的一支，叫烯烃氢甲酰化，烯烃分子和合成气在催化剂作用下反应生成醛类物质。

醛加氢之后就能变成醇，其中最主流的产品就是丁辛醇。我们熟悉的PVC塑料之所以能从硬脆的树脂变成柔韧的成品，靠的就是丁辛醇制成的增塑剂；除此之外，丁辛醇还能用来生产涂料溶剂、表面活性剂，是医药、日化行业离不开的基础原料。

任何一点催化剂成本的下降，都会沿着产业链层层传导，最终悄悄摊薄我们身边无数工业品的生产成本。

烯烃氢甲酰化反应是目前化工

行业中体量最大的均相催化过程，

通过将烯烃转化为醛类的物质，

为下游诸多过程提供原料。

图片来源：Nat Catal 7, 666–677 (2024).

一百多年来，工业氢甲酰化的核心催化剂，始终绕不开铑、铱这类铂族贵金属。尤其是铑，凭借极高的催化活性和优秀的产物选择性，成了全球工业装置里的“主力军”。但它的缺点也和优点一样突出：太贵了。

铑在地壳里的含量比黄金还稀少，属于实打实的稀缺资源，价格常年居高不下。

铑是一种稀有的贵金属材料，

主要以铑催化剂应用于化学、石油、玻璃等领域。

图片来源：百度百科

光有金属中心还不够，就像技术再好的工人，也得有称手的工具和合身的工作服。铑金属的外面，必须包裹一层有机配体。

配体的作用有两个：一是让金属催化剂能均匀溶解在反应液里，和原料充分接触，不然金属沉在容器底部，根本碰不到反应物；二是像个精准的“调节器”，精细控制反应的方向，让产物尽量是我们想要的结构，减少副反应造成的浪费。

但优质的含磷配体合成难度高、价格不菲，不少还带有毒性，从生产到后续废弃处理，都要额外增加成本和环保负担。

更头疼的是后续回收。传统工艺属于均相催化，催化剂完全溶解在反应液里，就像糖融进了水里。反应结束后，要把这么昂贵的铑催化剂完整地从产物里“捞”出来，难度可想而知。

配体合成要钱、贵金属回收损耗也要钱，这两座大山压了行业几十年。全球的科研人员一直在寻找更简单、更经济、更绿色的替代方案。

这次大连化物所团队用到的分子筛，其实不算什么新奇黑科技。很多食品、药品包装里的干燥剂，就有分子筛家族的成员。它是一类内部长满规则小孔的晶体材料，孔径小到分子级别。

A型分子筛（左）、X型和Y型分子筛（右）的晶体结构。

它们具有筛分分子、吸附、离子交换和催化作用。

图片来源：百度百科

你可以把它想象成一栋布满标准门洞的建筑：只有身材尺寸刚好的分子，才能钻进门里；尺寸不对的，直接被挡在外面。这种靠孔道大小筛选分子、约束反应的特性，就是化工里常说的“择形催化”。

大连化物所的团队，正是盯上了分子筛的这个空间约束本事。他们选了一种叫FER的分子筛，它的内部刚好有两种不同尺寸的孔口：小一点的8元环，和大一点的10元环。

FER分子筛的孔道结构与酸性位点分布。

图片来源：Nature (2026).

把烯烃和一氧化碳通进去之后，狭小的孔道会把反应分子牢牢固定在合适的位置上。这样一来，反应自然更容易朝着我们想要的方向走，还能顺便抑制烯烃聚合之类的副反应。

更省心的是，分子筛是固体，反应原料和产物是液体或气体。反应结束后，只要简单过滤一下，就能把催化剂完整收回来，完全不用传统工艺里复杂的分离步骤。

而这项研究最核心的突破，还不止于此。过去行业的固有认知是，羰基化反应的选择性必须靠配体来调控，但这次的研究证明：不用配体，靠分子筛孔道本身的几何结构和化学环境，也能精准调控反应。

乙烯羰基化的活性位点为FER分子筛8元环的T2-O5位，

丙烯羰基化的活性位点为FER分子筛10元

环孔口附近的T1和T3位。

图片来源：Nature (2026).

团队发现，FER分子筛的两个“门洞”，分工居然不一样：10元环的孔口附近，活性位点更适合丙烯分子，催化生成异丁酸；8元环的孔道内部，则更适配更小的乙烯分子，催化生成丙酸。

相当于不用换催化剂、不用加添加剂，只靠孔道本身的 “天然开关”，就能切换反应路径。在5兆帕的反应压力下，丙酸的选择性能到80%，异丁酸的选择性超过95%。从实验室数据来看，这套体系的表现相当优秀。

这项研究的价值，要分成两个层面客观看待。

它打破了“烯烃羰基化必须依赖金属 - 配体均相体系”的固有认知，证明分子筛的孔道限域环境，可以替代传统配体的调控作用，为催化研究开辟了一条全新的思路。无配体的固体催化剂体系，理论上能大幅简化产物分离流程，减少贵金属消耗和有毒配体带来的环保压力，完全契合绿色化工的发展方向。

大连化物所之前用分子筛催化二甲醚羰基化制无水乙醇，

从基础研究到真正工业化，花了好多年迭代。

图片来源：新华网

但我们也必须清晰地看到它的边界：这依然是一项实验室尺度的基础研究突破。论文里的所有性能数据，都来自实验室的小试装置。

从克级的实验室反应釜，到吨级的工业装置，传热、传质的规律会发生本质变化；分子筛长期运行会不会快速积碳失活、再生性能是否稳定，都需要更长周期的测试；连续生产中的产物分离能耗、原料气杂质对催化剂寿命的影响，也都得靠中试装置一步步摸索验证。

刘中民院士在会议室向媒体介绍升级催化剂的研究进展。

图片来源：新华网

这项进展的意义，不是 “明天就能买到更便宜的塑料瓶”。它更像化工行业百年迭代里的一块新路标：羰基化这条沿用了上百年的经典反应路线，除了贵金属加配体的老路，还有全新的催化逻辑可以探索。

降低对稀缺贵金属的依赖、减少有毒化学品的使用，是全球化工行业长期努力的方向。分子筛这条新路线，给这个方向添了一种充满潜力的可能。