十四酸异丙酯是一种广泛应用于化妆品行业的溶剂，皮肤保湿剂及渗透剂的精细化工产品。由于该类化合物的空间位阻较大，传统的生产工艺是由十四酸和异丙醇在强酸做催化剂的情况下酯化而来。除了采用无机强酸（如H₂SO₄，HF和H₃PO₄等）做催化剂外，还需要诸如甲苯，环己烷等溶剂作为带水剂使反应进行完全。然而这类工艺采用的无机酸催化剂腐蚀性强，易造成严重的设备与环境污染，且反应结束后需要经过水洗，碱中和等步骤才能将其从产品中分离出来，这与绿色化工的理念背道而驰。为了克服以上缺陷，近年来，非均相催化剂诸如树脂、支载矿物酸、杂多酸和沸石等受到了广泛关注。然而，这些催化剂同样存在着易失活、装填拆卸困难、高传质阻力等缺陷，这些都限制了该类催化剂在工业上的应用。

离子液体因为具有溶解性好，几乎没有蒸汽压，热稳定性高和结构可设计等优点，被普遍认为是绿色化学研究的代表。其中以酸性离子液体为催化剂的有机反应已经有大量的研究报道，而在这之中，以离子液体为催化剂的酯化反应是其中的研究热点之一。特别是Brønsted酸性离子液体，当作为酯化催化剂时，反应初期能充分溶解在酯化体系中形成均相，反应结束后因离子液体与产物酯不互溶而形成液液双相，通过简单的倾析回收离子液体与水的混合物，再真空干燥蒸发除水，离子液体即可再生。然而常规的单中心离子液体酸性较低，在低碳链羧酸酯的合成中可以展现较好的催化活性，如醋酸乙酯、醋酸丁酯等，然而对于空间位阻较大的酯化反应来说该类催化活性明显不足。而具有磺酸基团或双阳离子的离子液体需要引入诸如磺酸内酯，长链烷烃等基团，以增加离子液体催化剂的活性中心，使得这类催化剂合成路线复杂，提纯困难，产品收率较低。为此需开发新型高效的强酸性离子液体催化剂用于长链烷烃酯类的合成。

基于上述背景，南京大学化学化工学院吴有庭/胡兴邦课题组选用含有两个碱性N中心的1, 10-邻菲罗啉，2, 2’-联吡啶和4, 4’-联吡啶分别与H₂SO₄中和一步合成新型的梯度质子转移酸性催化剂（proton-gradient-transfer acid complexes，简称PGTACs）（如图1所示1a-3a）。该类催化剂与传统离子液体不同，它同时含有一个类似离子液体的N-H共价键和一个N…H氢键。由于含有氢键和高度对称的阳离子结构，催化剂室温下为固体，且具有较好的热稳定性。本文详细研究了此类催化剂在十四酸与异丙醇反应制备十四酸异丙酯中的催化行为。并考察了该类催化剂与产物的分离效果，发现该类催化剂能够很好地兼顾均相和非均相催化剂的优势。反应初期，该类催化剂能像均相催化剂一样溶解在体系当中，解决固体催化剂带来的强传质阻力限制问题进而高效的催化反应进行；反应结束后能够与反应体系自动分相，通过简单的液液分离即可回收催化剂，经简单除水后即可回收套用。该类催化剂能够实现反应与分离的耦合，强化了反应，是一类极具工业应用前景的新型高效催化剂。

图1. 催化剂的化学结构。

本文首先研究了不同催化剂对十四酸转化的影响，在催化剂1a添加量为2 mol%、反应温度为95 °C时，原料十四酸在480 min时转化率为79.8%。而选用同等摩尔量的1b时只能催化反应达到8.8%的十四酸转化率，远远低于催化剂1a的催化效果。这主要归因于1a比1b多一个H₂SO₄，能够提供更多的游离H⁺，从而致使1a比单酸性中心的1b具有更高的催化活性。而从哈密特函数的研究结果来看，1a的酸性远高于1b（1a=2.81，1b=4.23），但并未展现出与H₂SO₄添加量成倍的现象。这是因为当第一个H₂SO₄与阳离子的其中一个N位点作用时会形成稳定的N-H共价键，H₂SO₄上游离的H⁺被牢牢束缚，致使其可以提供催化的H⁺变少，展现的催化活性低。第一个N位点被中和之后，使得第二个N位点碱性大大减弱，再加上不可避免的位阻效应，致使第二个H₂SO₄和第二个N相作用时只能以氢键形式衔接。氢键的作用可以束缚H₂SO₄不能轻易从阳离子上脱落，但能够保证生成的复合物释放较多的H⁺，这也是为什么1a的催化活性远高于1b，而不是成倍增长的原因。

为了验证以上观点，本文还研究了H₂SO₄在添加量为1 mol%时对酯化反应的影响。研究表明，在480 min时，H₂SO₄能够促使十四酸达到75.1%的转化率，这与催化剂1a的催化结果相近，说明在含有氢键的催化剂1a中，起到主要催化作用的是形成氢键的那部分H₂SO₄。此外，实验结果还表明催化剂的阳离子结构能够影响其酸性并能够明显影响催化剂在反应中的催化活性，这在之前的报道中也被作为一项重要的影响因素来研究。例如，1a-3a对应阳离子的对称性顺序为1a<2a<3a，对称度越高，对应的酸性越低（酸性强弱顺序1a>2a>3a），同样条件下十四酸转化率为1a>2a>3a（见图2）。如采用2 mol%的2a做催化剂，95 °C反应480 min后，十四酸转化率可达76.4%，这就是因为强酸性促使2a比3a具有更高的催化活性。而换作3a做催化剂时，十四酸转化率只有36.4%。为此，改变阳离子的对称性对于调节催化剂的酸性从而影响其催化活性是一种有效地筛选高效酸性催化剂的途径。作为对比，我们也研究了两种质子型Brønsted酸性离子液体1c ([Hpy][HSO₄])和2c ([BSEt₃NH]HSO₄)的催化效果。[Hpy][HSO₄]为非腐蚀性的弱酸性离子液体，哈密特酸度仅为6.30，远小于PGTACs催化剂。本文通过添加过量1c的方式观察其在十四酸异丙酯化反应中的催化活性。从图2中可以发现，即使1c添加量为100 mol%时，其能够催化的十四酸转化率在480 min内也只达45.5%，明显小于1a的催化活性；而对于具有强酸性的离子液体2c，能实现62.0%的十四酸转化率，低于1a甚至2a的催化结果。但是这类酸性离子液体腐蚀性较强，应用前景受限。以上研究表明PGTACs催化剂较常规离子液体催化活性高、腐蚀性低，具有较高的应用价值。然而酸性对催化活性的影响并不是唯一的，还需考虑其他一些影响因素，如溶解性。众所周知强酸性的阳离子树脂本身具有较高的酸性，但由于其与反应体系不溶，存在较大的传质阻力限制，这也是一直影响固体酸催化剂工业应用的主要原因。本文也选取了一种强酸性Lewatit®K2620树脂作为催化剂用于十四酸与异丙醇的酯化反应。在与1a同等质量的添加量的情况下，强酸性树脂2d在该反应中的催化活性极低，催化效果仅略高于1b（13.6%，480 min，95 °C），这主要是有较高的传质阻力限制导致的结果。

图2. 不同催化剂对十四酸与异丙醇酯化反应的影响（反应条件：酸醇摩尔比为1:3，反应温度为95 °C，反应时间8 h；1a ([Phen-H]HSO₄(H₂SO₄)), 2a ([2Dipy-H]HSO₄(H₂SO₄)), 3a ([4Dipy-H]HSO₄(H₂SO₄)), 1b ([Phen-H]HSO₄), 1c ([Hpy]HSO₄), 2c ([BSEt₃NH]HSO₄), 1d (H₂SO₄), 2d (Lewatit® K 2620)；1a, 2a, 3a, 1b, 2c的添加量为十四酸的2 mol%，2d的添加量与1a质量相同，1c和1d的添加量分别为十四酸的100 mol%和1 mol%）。

分离回收性能是评价催化剂稳定性及可应用性的重要指标之一。本文合成的几种PGTACs催化剂在有机醇具有一定的溶解性但难溶于绝大多数脂肪酸酯。这种特殊的性质使该类催化剂在反应初期能较好的溶解在反应体系中，巧妙避开因传质阻力限制而导致低效催化的问题。当反应生成大量脂肪酸酯时，由于催化剂与脂肪酸酯的不互溶性，催化剂能够从反应体系中自动分离形成液液双相，经过简单倾析即可回收催化剂。本文的回收实验所用异丙醇是过量的，PGTACs催化剂在异丙醇中的溶解性远小于常规离子液体，只有在高温条件下才能少量溶解，这使得该类催化剂有别于其余离子液体能够在该体系中形成液液双相，实现反应与分离的耦合达到过程强化的目的。

图3. 催化剂1a在十四酸与异丙醇反应中的物理形态：a为未添加催化剂时十四酸固体与过量异丙醇的混合态；b为反应温度下加入催化剂时的相态；c为反应过程中催化剂部分溶于体系中的相态；d为反应结束后催化剂与反应体系形成的液液双相。

本文以1，10-邻菲咯啉，2，2’-联吡啶，4，4’-联吡啶和H₂SO₄为原料，通过简单的酸碱中和反应一步合成了一类梯度质子转移酸性催化剂。该类催化剂含有共价键和氢键两种形式的N-H键。独特的结构赋予该类催化剂同时兼具无机强酸催化活性高和传统离子液体与产物酯的不互溶性的双重优点。这类催化剂一方面在反应初期能够与反应体系互溶，更好的促进反应进行；另外在反应接近平衡时又能与产物自动分相，实现反应与分离的耦合。这类催化剂价格低廉、催化活性高、稳定性好、腐蚀性低且易分离回收，是一类极具工业应用前景的新型强酸催化剂。

本文以“A novel proton-gradient-transfer acid complexes as an efficient and reusable catalyst for fatty acid esterification”为题发表在Green Energy & Environment期刊，论文第一作者为南京大学化学化工学院张效敏博士，通讯作者为南京大学吴有庭教授与胡兴邦教授。