多相雙金屬 Pt-Sn/γ-Al2O3催化的胺 N-烷基化反應(yīng)合成仲胺和叔胺
赫 巍, 何松波, 孫承林, 吳凱凱, 王連弟, 余正坤*
中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 遼寧大連 116023
摘要: 基于借氫策略、醇為烷基化試劑的胺的 N-烷基化反應(yīng)是合成胺類化合物的綠色途徑. 在無(wú)外加氫源條件下, 多相雙金屬Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑可高效催化醇為烷基化試劑的伯 (仲) 胺的 N-烷基化反應(yīng)合成仲 (叔) 胺, 反應(yīng)副產(chǎn)物為水與極少量亞胺.催化體系的底物適應(yīng)性好, 目標(biāo)產(chǎn)物收率高; 催化劑可以循環(huán)使用, 具有潛在的工業(yè)化應(yīng)用前景.
關(guān)鍵詞: 鉑; 錫; 氧化鋁; 負(fù)載型催化劑; 借氫策略; 多相催化; N-烷基化; 胺; 醇
中圖分類號(hào): O643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 0253-9837(2012)04-0717-06
胺是重要的有機(jī)合成原料和中間體, 廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品與染料工業(yè)等領(lǐng)域[1]. 制備有機(jī)胺的方法很多, 其中較傳統(tǒng)的方法是鹵代烴與氨、伯胺或仲胺的烴化反應(yīng)[2]. 雖然該法工藝簡(jiǎn)單, 但鹵代烴多數(shù)有毒, 并且在反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的鹵化氫需要用大量的堿吸收, 由此產(chǎn)生大量的無(wú)機(jī)鹽等三廢物質(zhì).另外一種常用的方法是從醇出發(fā), 經(jīng)過(guò)脫氫形成醛或酮, 后者與伯胺縮合成亞胺, 再經(jīng) H2催化還原來(lái)制備仲胺的三步工藝[3]. 其中醛或酮是由醇氧化而來(lái), 原料成本高, 并且加氫時(shí)需要較高的 H2壓力, 存在安全風(fēng)險(xiǎn).
近年來(lái), 以醇為烷基化試劑的胺 N-烷基化反應(yīng)開(kāi)始受到關(guān)注[4~7]. 這類反應(yīng)的副產(chǎn)物是水, 催化過(guò)程具有很高的原子經(jīng)濟(jì)性; 同時(shí)大多數(shù)醇毒性很低,有利于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用. 然而, 由于大多數(shù)醇的親電性較弱, 通常很難與胺發(fā)生親電取代反應(yīng). 因此,找到一種有效的活化醇的方法成為人們關(guān)注的焦點(diǎn), 借氫策略的應(yīng)用很好地解決了這一難題. 即, 醇在催化劑作用下先脫氫, 生成相應(yīng)的醛或酮, 后者與伯胺縮合、脫水生成亞胺, 再經(jīng)催化加氫還原生成相應(yīng)的仲胺或叔胺[8](見(jiàn)圖式 1). 1981 年, 文獻(xiàn)[9,10]以 RhH(PPh3)4與 RuCl2(PPh3)3配合物為催化劑, 首次在均相條件下催化醇為烷基化試劑的胺 N-烷基化反應(yīng)生成仲胺或叔胺, 但反應(yīng)條件相對(duì)苛刻. 隨著研究的深入, 不斷出現(xiàn)反應(yīng)條件溫和的催化體系.
多相催化劑具有易于分離回收、可以循環(huán)使用的特點(diǎn), 可顯著降低生產(chǎn)成本. 因此, 有必要發(fā)展一種以醇為烷基化試劑的胺 N-烷基化合成高一級(jí)胺的多相催化體系. 近年來(lái)出現(xiàn)的具有代表性的相關(guān)多 相 催 化 體 系 有 Mizuno 研 究 組[25,26]的Ru(OH)x/TiO2催 化 體 系 ; Beller 研 究 組[27,28]的Ru/Fe3O4催化體系; 石峰研究組[29~31]的 Ag/Mo 催化體系. 曹勇研究組[32~36]的納米 Au 多相催化體系等. 可見(jiàn), 基于借氫策略、多相催化的醇為烷基化試劑的胺 N-烷基化反應(yīng)已經(jīng)發(fā)展成為極具應(yīng)用前景的合成仲胺與叔胺的綠色途徑.
最近, 我們首次以 Pt-Sn/γ-Al2O3為催化劑, 基于借氫策略, 一鍋法由醇分別與伯胺和仲胺反應(yīng)生成相應(yīng)的仲胺和叔胺[37,38]. 基于此, 本文著重考察了 Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑中活性組分擔(dān)載量對(duì)其活性的影響, 并考察了溶劑、反應(yīng)溫度、取代基效應(yīng)等對(duì)反應(yīng)的影響以及催化劑的循環(huán)使用性能.
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 催化劑的制備
采用絡(luò)合真空浸漬法制備鉑錫催化劑[39,40]. 稱取一定量 H2PtCl6·6H2O, SnCl2·2H2O 配制成浸漬液并浸漬 γ-Al2O3. 經(jīng)過(guò)浸漬后的樣品于 120oC 干燥12 h, 520oC 焙燒 8 h, 最后在 470oC 管式爐中用純H2(99.99%) 還原 4 h, 即制得 Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑.其中 Pt 負(fù)載量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 為 0.5%, Pt:Sn 摩爾比為1:1~1:11. 改變浸漬液的組成成分 , 如加入 KCl 溶液, 同上法制得 Pt-Sn-K/γ-Al2O3催化劑[40].
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
所用的醇、胺以及溶劑等均為分析純, 其中溶劑按傳統(tǒng)方法干燥后使用. 產(chǎn)品分析在 Agilent 6890型氣相色譜儀上進(jìn)行, 操作條件為: 進(jìn)樣器 280oC,檢測(cè)器 280oC; 柱溫 50oC 保持 2 min, 然后以 20oC/min 程 序 升 溫 至 280oC 保 持 10 min; N21.0ml/min, 空氣 400 ml/min, H240 ml/min, 分流比 25:1.1H 和13C{1H} NMR 分析在 Bruker-DRX-400 型核磁共振儀上進(jìn)行 (TMS 為內(nèi)標(biāo), DMSO-d6或 CDCl3為氘代溶劑).
1.3 醇與胺的反應(yīng)
以芐醇 (1a) 與苯胺 (2a) 的反應(yīng)作為模型反應(yīng)進(jìn)行研究 (見(jiàn)圖式 2). 具體實(shí)驗(yàn)步驟如下: 在 15 ml
可密封反應(yīng)管中, 加入 1a (108 mg, 1 mmol), 2a (93mg, 1 mmol), Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑 (98 mg, Pt:Sn 摩爾比為 1:3), 鄰二甲苯 (5 ml) 和用于攪拌的磁子.N2置換反應(yīng)體系后, 反應(yīng)管密封. 油浴加熱至 145oC, 攪拌反應(yīng) 8 h. 氣相色譜分析可知, 苯胺轉(zhuǎn)化完全, 反應(yīng)混合物經(jīng)離心得到催化劑, 用于下一次反應(yīng). 硅膠柱層析分離純化 (沖洗劑為 30~60oC, 石油醚:乙酸乙酯 = 20:1 (體積比); 產(chǎn)物 Rf= 0.6) 得到N-苯基芐胺 (3a), 產(chǎn)物經(jīng)核磁共振波譜確認(rèn), 分離收率 97%.
2 結(jié)果與討論
2.1 催化劑的篩選
多相催化劑的活性一般與其活性組分種類、擔(dān)載量及載體有關(guān). 以 1a 與 2a 的反應(yīng)作為模型反應(yīng)進(jìn) 行 研 究 ( 圖 式 2), 本 文 系 統(tǒng) 考 察 了 Pt-Sn-K/γ-Al2O3催化劑中上述因素對(duì)其性能的影響, 結(jié)果列于表 1. 可以看出, 以單金屬的 PtCl2或 Pt/γ-Al2O3為催化劑時(shí), 沒(méi)有活性或活性很低 (試驗(yàn) 1, 2). Sn的加入使得 Pt/γ-Al2O3的活性顯著提高, 且隨著催化劑中金屬配比的變化而變化 (試驗(yàn) 3~9).
如圖 1 所示, 隨著催化劑中 Sn/Pt 摩爾比含量的增大, 產(chǎn)物 3a 的收率明顯提高; 當(dāng) Sn /Pt 摩爾比為 3 時(shí), 產(chǎn)物收率達(dá)最高 (97%); 繼續(xù)增大催化劑中
Sn/Pt 比, 產(chǎn)物收率反而略有下降. 這可能是因?yàn)樾纬闪?nbsp;Pt-Sn 合金, 或過(guò)多的 Sn 影響了活性金屬 Pt在催化劑表面的分散[37~40]. 另外, 當(dāng)催化劑用量為0.10% (摩爾分?jǐn)?shù)) Pt 時(shí), 3a 收率僅為 65%, 至 0.50%Pt 時(shí)為 97%, 與 0.25% Pt 時(shí)的接近 (實(shí)驗(yàn) 10, 11), 可見(jiàn)適宜催化劑用量為 0.25% Pt. 本文還考察了不同載體對(duì)催化劑活性的影響, 發(fā)現(xiàn) Pt-Sn/TiO2催化劑的活性不及 Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑的 (實(shí)驗(yàn) 12). 催化劑 Pt-Sn-K/γ-Al2O3(X) 與 Pt-Sn-K/γ-Al2O3(XI) 相比可知, 酸性相對(duì)較弱的催化劑表現(xiàn)出相對(duì)較高的催化活性 (實(shí)驗(yàn) 13,14).
2.2 溶劑效應(yīng)
以 Pt-Sn/γ-Al2O3(IV) 為催化劑, 分別在不同溶劑中進(jìn)行 1a 與 2a 的反應(yīng), 在 145oC 攪拌 8 h, 結(jié)果列于表 2. 可以看出, 在極性溶劑中反應(yīng)效果不好,在水中更是沒(méi)有反應(yīng)發(fā)生. 以非極性甲苯為溶劑產(chǎn)物 3a 的收率中等, 而在鄰二甲苯中產(chǎn)物收率達(dá)97%. 可見(jiàn), 以鄰二甲苯為溶劑較為適宜.
2.3 溫度效應(yīng)
以 Pt-Sn/γ-Al2O3(IV) 為催化劑 , 1a 與 2a 分別在不同溫度下反應(yīng) 8 h, 結(jié)果示于圖 2. 可以看出, 在較低溫反應(yīng)時(shí)產(chǎn)物收率較低; 隨著反應(yīng)溫度的升高,目標(biāo)產(chǎn)物收率逐漸升高, 至 145oC 時(shí)產(chǎn)物收率達(dá)到97%. 繼續(xù)升高溫度產(chǎn)物收率升高幅度不大. 綜合考慮反應(yīng)溫度以 145oC 為宜.
2.4 取代基效應(yīng)
取代基是否有明顯的電子效應(yīng), 可由取代基團(tuán)的取代基常數(shù)值 σ 與反應(yīng)產(chǎn)物收率之間的關(guān)系進(jìn)
即對(duì)甲氧基的供電子性最強(qiáng), 對(duì)硝基的吸電子性最強(qiáng). 以含不同取代基的芳胺 2 與芐醇 1a 反應(yīng) (反應(yīng)式 (1)), 含不同取代基的芐醇 1 與苯胺 2a 反應(yīng)(反應(yīng)式 (2)), 得到相應(yīng)仲胺產(chǎn)物 3 的收率, 結(jié)果示于圖 3. 可以看出, 隨著取代基常數(shù) σ 的增大, 相應(yīng)產(chǎn)物 3 收率變化趨勢(shì)不明顯. 只有當(dāng)取代基為 p-F時(shí), 目標(biāo)產(chǎn)物的生成受到明顯抑制. 特別是對(duì)硝基與其它取代基有較大差別, 對(duì)硝基芐醇與苯胺反應(yīng)的主產(chǎn)物為相應(yīng)的亞胺 (p-NO2-C6H4CH=NPh).
2.5 催化劑循環(huán)使用性能
考察了 Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑 (IV) 在 1a 與 2a反應(yīng)中的循環(huán)使用性能. 反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)離心分離出催化劑, 并分別用乙醚 (5 ml × 2)、正己烷 (1 ml × 3)洗滌后, 在 60oC 減壓干燥, 再用于下一次反應(yīng). 結(jié)果示于圖 4. 可以看出, 催化劑循環(huán)使用前 3 次, 活
性基本沒(méi)有變化; 至第 4, 5 次時(shí), 反應(yīng) 8 h 后活性明顯 下 降 , 延 長(zhǎng) 反 應(yīng) 時(shí) 間 產(chǎn) 物 收 率 依 然 可 達(dá)94%~95%. ICP 發(fā)射光譜 (ICP-OES) 檢測(cè)結(jié)果表明,在循環(huán)使用過(guò)程中催化劑中金屬 Pt 不流失. 循環(huán)使用后期活性降低可能是因?yàn)榧{米 Pt 粒子在反應(yīng)過(guò)程發(fā)生聚集, 使其分散度降低所致[37].
2.6 機(jī)理探討
以 Pt-Sn/γ-Al2O3(IV) 為催化劑, 催化醇為烷基
化試劑的胺 N-烷基化反應(yīng)過(guò)程中始終伴隨有少許亞胺生成. 我們以苯甲醇 1a 與苯胺 2a 的反應(yīng)作為模型進(jìn)行研究 (見(jiàn)圖式 2), 在反應(yīng) 3 h, 5 h 和 8 h 后分別取樣進(jìn)行氣相色譜分析. 結(jié)果顯示, 在不同反應(yīng)時(shí)間, 相應(yīng)的亞胺與仲胺產(chǎn)物的比例沒(méi)有明顯變化 (4:3a = 3:97), 進(jìn)一步表明反應(yīng)過(guò)程中存在亞胺中間體. 利用苯甲醛與苯胺縮合反應(yīng)生成的亞胺與芐醇在最優(yōu)條件下反應(yīng) 24 h, 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中 31% 為 3a;HNMR 譜結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)液中還有~31% 的醛. 這說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中醇首先脫氫生成醛, 然后原位形成的氫物種將亞胺還原成對(duì)應(yīng)的胺.
2.7 仲胺與叔胺的合成
在優(yōu)化的反應(yīng)條件下, 伯胺或仲胺與伯醇或仲醇分別反應(yīng)生成相應(yīng)的仲胺或叔胺產(chǎn)物 (見(jiàn)圖式 3).苯胺 (2a) 苯環(huán)上的取代基對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的生成沒(méi)有明顯的影響 (圖式 3, 3a~3g), 產(chǎn)物分離收率達(dá)到94%~97%. 環(huán)己胺也可用于反應(yīng)中, 但產(chǎn)物 3h 收率只有 80%, 可能是環(huán)己胺沸點(diǎn)較低而使得反應(yīng)不完全所致. 芐醇苯環(huán)上也可以帶取代基, 如 3i. 當(dāng)仲醇用于反應(yīng)時(shí), 產(chǎn)物的收率有所降低 (圖式 3, 3j 和3k). 使用烷基伯胺和仲胺與醇反應(yīng)時(shí), 分別得到仲胺 3l (97%) 與叔胺產(chǎn)物 3m (97%) 和 3n (96%). 然而, 當(dāng)芐醇苯環(huán)上帶有強(qiáng)吸電子取代基硝基時(shí), 未得到 N-烷基化產(chǎn)物, 只生成對(duì)應(yīng)的亞胺 4 (64%). 這可能是由于此亞胺在反應(yīng)條件下較穩(wěn)定, 不易催化氫化還原為對(duì)應(yīng)的仲胺所致.
3 結(jié)論
多相雙金屬 Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑, 對(duì)基于借氫策略、以醇為烷基化試劑的伯胺 N-烷基化反應(yīng)具有極高的催化活性, 與文獻(xiàn)報(bào)道最好的均相過(guò)渡金屬配合物催化劑的相當(dāng). 該催化劑體系具有好的底物適應(yīng)性, Pt-Sn/γ-Al2O3催化劑經(jīng)簡(jiǎn)單處理可分離回收, 循環(huán)使用多次后仍有較高活性. 此催化劑可能在仲胺及叔胺的生產(chǎn)中具有潛在的應(yīng)用前景.
參 考 文 獻(xiàn)
1 Brown B R. The Organic Chemistry of Aliphatic NitrogenCompounds. New York: Oxford University Press, 1994
2 Salvatore R N, Yoon C H, Jung K W. Tetrahedron, 2001,57: 7785
3 長(zhǎng)谷川祥志, 西村徹, 廣田敦史 (Hasegawa S, Nishimura T,Hirota A). CN 101 331 109. 2008
4 Hamid M H S A, Slatford P A, Williams J M J. Adv SynthCatal, 2007, 349: 1555
5 Watson A J A, Williams J M J. Science, 2010, 329: 635
6 Guillena G, Ramón D J, Yus M. Chem Rev, 2010, 110: 1611
7 Suzuki T. Chem Rev, 2011, 111: 1825
8 Hamid M H S A, Williams J M J. Tetrahedron Lett, 2007,48: 8263
9 Grigg R, Mitchell T R B, Sutthivaiyakit S, Tongpenyai T. JChem Soc, Chem Commun, 1981: 611
10 Watanabe Y, Tsuji Y, Ohsugi Y. Tetrahedron Lett, 1981, 22:2667
11 Fujita K, Li Z, Ozeki N, Yamaguchi R. Tetrahedron Lett,2003, 44: 2687
12 Fujita K-I, Yamaguchi R. Synlett, 2005, 4: 560
13 Fujita K-I, Enoki Y, Yamaguchi R. Org Synth, 2006, 83:217
14 Fujita K-I, Enoki Y, Yamaguchi R. Tetrahedron, 2008, 64:1943
15 Yamaguchi R, Kawagoe S, Asai C, Fujita K-I. Org Lett,2008, 10: 181
16 Tillack A, Hollmann D, Michalik D, Beller M. TetrahedronLett, 2006, 47: 8881
17 Hollmann D, Tillack A, Michalk D, Jackstell R, Beller M.Chem Asian J, 2007, 2: 403
18 B hn S, Imm S, Mevius K, Neubert L, Tillack A, WilliamsJ M J, Beller M. Chem Eur J, 2010, 16: 3590
19 Hamid M H S A, Williams J M J. Chem Commun, 2007: 725
20 Hamid M H S A, Allen C L, Lamb G W, Maxwell A C,Maytum H C, Watson A J A, Williams J M J. J Am ChemSoc, 2009, 131: 1766
21 Saidi O, Blacker A J, Farah M M, Marsden S P, Williams JM J. Chem Commun, 2010: 1541
22 Waston A J A, Maxwell A C, Williams J M J. J Org Chem,2011, 76: 2328
23 Shi F, Tse M K, Cui X J, G rdes D, Michalik D, Thurow K,Deng Y Q, Beller M. Angew Chem, Int Ed, 2009, 48: 5912
24 Fratt E F, Frazza E J. J Am Chem Soc, 1954, 76: 6174
25 He J L, Kim J W, Yamaguchi K, Mizuno N. Angew Chem,Int Ed, 2009, 48: 9888
26 Yamaguchi K, He J L, Oishi T, Mizuno N. Chem Eur J,2010, 16: 7199
27 Shi F, Tse M K, Pohl M-M, Brückner A, Zhang S, Beller M.Angew Chem, Int Ed, 2007, 46: 8866
28 Shi F, Tse M K, Zhou S L, Pohi M M, Radnik J, Hübner S,J hnisch K, Brückner A, Beller M. J Am Chem Soc, 2009,131: 1775
29 Zhang Y, Qi X J, Cui X J, Shi F, Deng Y Q. TetrahedronLett, 2011, 52: 1334
30 Cui X J, Zhang Y, Shi F, Deng Y Q. Chem Eur J, 2011, 17:1021
31 Cui X J, Shi F, Tse M K, G rdes D, Thurow K, Beller M,Deng Y Q. Adv Synth Catal, 2009, 351: 2949
32 Sun H, Su F Z, Ni J, Cao Y, He H Y, Fan K N. AngewChem, Int Ed, 2009, 48: 4390
33 He L, Wang L C, Sun H, Ni J, Cao Y, He H Y, Fan K N.Angew Chem, Int Ed, 2009, 48: 9538
34 He L, Lou X B, Ni J, Liu Y M, Cao Y, He H Y, Fan K N.Chem Eur J, 2010, 16: 13965
35 Lou X B, He L, Qian Y, Liu Y M, Cao Y, Fan K N. AdvSynth Catal, 2011, 353: 281
36 Tang C H, He L, Liu Y M, Cao Y, He H Y, Fan K N. ChemEur J, 2011, 17: 7172
37 He W, Wang L D, Sun C L, Wu K K, He S B, Chen J P, WuP, Yu Z K. Chem Eur J, 2011, 17: 13308
38 Wang L D, He W, Wu K K, He S B, Sun C L, Yu Z K. Tet-rahedron Lett, 2011, 52: 7103
39 何松波, 賴玉龍, 畢文君, 楊旭, 榮欣, 孫承林. 催化學(xué)報(bào)(He S B, Lai Y L, Bi W J, Yang X, Rong X, Sun Ch L. ChinJ Catal), 2010, 31: 435
40 He S B, Sun C L, Bai Z W, Dai X H, Wang B. Appl CatalA, 2009, 356: 88
來(lái)源：中國(guó)化學(xué)試劑網(wǎng)
