作者：Xingchao Dai, and Feng Shi *等
單位：Lanzhou Institute of Chemical Physics
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/C8OB03091J
背景介紹
N-烷基胺是一類重要的精細(xì)化工中間體，廣泛應(yīng)用于染料、藥物、農(nóng)藥、表面活性劑、橡膠助劑等的合成并且需求量大。到目前為止，已經(jīng)發(fā)展了許多的N-烷基胺類化合物的合成方法，例如Hofmann 烷基化、Buchwald-Hartwig 反應(yīng)、Ullmann 偶聯(lián)反應(yīng)、烯烴的氫胺化反應(yīng)、烯烴氫胺甲基化反應(yīng)、還原胺化反應(yīng)、胺醇烷基化反應(yīng)等。相比較而言，胺醇烷基化的方法由于使用廉價(jià)的醇作為原料且反應(yīng)的唯一副產(chǎn)物是水，更加符合原子經(jīng)濟(jì)和綠色化學(xué)的要求。催化機(jī)理本質(zhì)上都是親核取代(SN2 and SN1)，或者是借氫機(jī)理（BH）。一般來說親核取代類型的醇胺反應(yīng)需要Π電子活潑的醇類，比如：芐醇。非活化的醇一般可以通過應(yīng)用借氫機(jī)理（BH）完成取代。醇在催化劑作用下先脫氫生成相應(yīng)的醛或酮。醛或者酮再與伯胺縮合、脫水生成亞胺。最后，亞胺經(jīng)催化加氫生成相應(yīng)的仲胺或叔胺。多相鎳進(jìn)行催化醇胺化反應(yīng)時(shí)，通過控制Ni顆粒的大小和存在形式可以使其反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)到80%左右。除了簡單的鎳以外，負(fù)載型催化劑也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。原位還原NiO/θ-Al2O3的方法制備了Ni /θ-Al2O3催化劑，在無任何添加劑的條件下，各種底物都能夠很好地反應(yīng)，目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率為74%-99%。DFT 計(jì)算表明催化反應(yīng)過程中，在化學(xué)吸附的H-供體分子可以強(qiáng)烈改變醇和胺中的—OH 和—NH 鍵斷裂的情況下，催化劑表面的吸附氨可以改變決速中間體和過渡態(tài)從而影響總體活性。圖1 Ni/Al2O3催化各種醇與NH3的胺化反應(yīng)雙金屬催化劑由于其具有協(xié)同催化活化的優(yōu)勢，也被應(yīng)用于胺醇烷基化反應(yīng)。以共沉淀法制備的NiCuFeOx為催化劑，用于氨氣或胺與醇的N-烷基化，在不加有機(jī)配體和堿的情況下，該方法能夠以中等至優(yōu)異的產(chǎn)率合成各種不同結(jié)構(gòu)的N-烷基胺，而且該催化劑還能夠?qū)崿F(xiàn)富有挑戰(zhàn)性的氨氣和醇制備伯胺的反應(yīng)。此外，該催化劑具有磁性使其易于與反應(yīng)混合物分離，并且可以回收并重復(fù)使用5 次沒有明顯的失活。Cu 催化劑對2-氨基乙醇反應(yīng)合成吡嗪的催化性能。在300 ℃反應(yīng)的產(chǎn)率僅僅只有6%，并且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Cu 催化劑迅速失活。CuO、Cr2O3和SiO2組成的負(fù)載型催化劑上脂肪族伯醇與二甲胺的烷基化反應(yīng)。在220-235 ℃下反應(yīng)時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率可高達(dá)95% 。圖4 二甲胺與脂肪醇CuO-Cr2O3-SiO2催化的N-烷基化反應(yīng)鈀黑催化的芐醇或烯丙醇與正己胺的N-烷基化反應(yīng)在110 ℃反應(yīng)，能夠以98%的收率得到N-正己基芐胺。此外，該催化體系也能夠用于N-取代吡咯的合成。一些其他的負(fù)載鈀催化劑，例如Pd /C、Pd ( OH)2 /C、Pd /K-OMS-2 分子篩催化劑也應(yīng)用于胺和醇N-烷基化反應(yīng)。在單一負(fù)載鈀催化劑基礎(chǔ)上引入第二組分能夠顯著提高其催化活性不同金屬( PdxMy /Al2O3，其中M = Bi，Cu，F(xiàn)e，Ga，In，Pb，Sn 或Zn)作為第二組分對醇胺化反應(yīng)的催化性能具有影響。研究結(jié)果表明：單一金屬Pd 上，胺的吸附和活化優(yōu)于醇的吸附和活化。然而，這種趨勢在PdZn 雙金屬上反轉(zhuǎn)，醇優(yōu)先吸附和活化，因此實(shí)現(xiàn)選擇性N-烷基化。并且PdZn /Al2O3催化劑在不同結(jié)構(gòu)的胺和醇的反應(yīng)中展現(xiàn)出了較高的催化活性、選擇性和底物普適性。例如正辛醇和仲胺反應(yīng)制備叔胺的轉(zhuǎn)化率為92%，選擇性大于99% 。圖6 PdZn /Al2O3催化正辛醇和仲胺進(jìn)行N-烷基化Pt /TiO2可以進(jìn)行光催化胺與醇的N-烷基化反應(yīng)。在室溫條件下，哌啶和甲醇反應(yīng)能夠以93. 4%的收率獲得N-甲基哌啶。在不需要堿和其他添加劑的情況下，Co2Ｒh2 /C催化的醇與胺的單-N-烷基化反應(yīng)和雙-N-烷基化反應(yīng)中，各種底物都能夠很順利反應(yīng)，并且以較高的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物。此外，該反應(yīng)可以將光學(xué)純的1-苯乙基-1-胺轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的仲胺，收率為84%-87%，對映體選擇性大94%。以MnO2為催化劑，聚合物負(fù)載的氰基硼氫化物(PSCBH) 為還原劑的醇胺化反應(yīng)。例如，二丁胺與苯甲醇反應(yīng)合成叔胺的產(chǎn)率高達(dá)80%。Fe3O4催化的芳香胺與芐醇單烷基化反應(yīng)。例如以叔丁醇鉀為堿，4-吡啶胺和2-嘧啶胺與苯甲醇反應(yīng)的產(chǎn)率都高達(dá)99%。圖10 Fe3O4催化的苯甲醇與芳香雜環(huán)胺的N-烷基化Au /ZrO2對該反應(yīng)是一個(gè)高效的催化劑，其中苯胺的轉(zhuǎn)化率86%，仲胺的選擇性高達(dá)94%，將Au /ZrO2催化劑應(yīng)用于桃金娘烯醇與苯胺的烷基化反應(yīng)。圖11 Au /ZrO2催化桃金娘烯醇與苯胺的N-烷基化Ｒu /Fe3O4催化的芐醇和磺酰胺的N-烷基化反應(yīng)中，不同結(jié)構(gòu)的磺酰胺包括雜環(huán)的磺酰胺都能夠很好地反應(yīng)，目標(biāo)產(chǎn)物的收率都大于80%。亞納米尺寸的Ag /Al2O3催化的苯甲醇與苯胺的N-烷基化反應(yīng)。以路易斯酸FeCl3·6H2O 為助劑，其產(chǎn)率高達(dá)94%。研究表明苯胺選擇性N-烷基化所需的四個(gè)重要因素分別是:(1) 具有弱金屬-氫鍵能的金屬(即Ag);(2)較小尺寸的銀簇;(3)具有酸性和堿性位點(diǎn)的載體(即Al2O3);(4) 具有高Lewis 的添加劑酸度(即FeⅢ鹽)。圖13 Ag /Al2O3催化的苯甲醇與苯胺的N-烷基化非金屬多相催化劑也可以應(yīng)用于醇胺化反應(yīng)。具有活性結(jié)構(gòu)明確的碳基催化劑，應(yīng)用于醇與胺類的N-烷基化的反應(yīng)。該工作具有催化劑制備簡單，底物普適性好，產(chǎn)物收率高等優(yōu)點(diǎn)。在胺醇烷基化多相催化催化體系中已經(jīng)涵蓋貴金屬、非貴金屬、以及非金屬體系；底物范圍涵蓋了各種不同結(jié)構(gòu)的芳香族胺、脂肪族胺、磺酰胺、亞磺酰胺、氨氣以及伯醇、仲醇以及生物質(zhì)醇。甚至在不加堿和配體的條件下，部分結(jié)構(gòu)的底物也能夠很好地反應(yīng)。總體來看，多相催化的醇胺化反應(yīng)已經(jīng)成為N-烷基化胺清潔、高效合成的有效手段。雖然取得了以上的進(jìn)展，但是還存在一些問題亟待解決：- 部分大宗的化工原料的N-烷基化反應(yīng)還沒有很好地實(shí)現(xiàn)以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。例如，作為一類基礎(chǔ)的大宗化工產(chǎn)品，尿素及其衍生物的烷基化研究值得關(guān)注，但是迄今該類反應(yīng)仍然沒有得到很好的實(shí)現(xiàn)。另外，由多元醇胺化制備多元胺如乙二胺、丁二胺和己二胺等重要基礎(chǔ)化工原料仍然缺乏高效的催化體系。
- 目前已有的高效反應(yīng)催化體系往往涉及貴金屬、助劑、添加劑等昂貴或復(fù)雜催化體系的使用，如何創(chuàng)制高效、經(jīng)濟(jì)、綠色的多相催化劑，實(shí)現(xiàn)溫和條件下醇胺化反應(yīng)仍將是本領(lǐng)域需要長期關(guān)注的問題。
- 針對生物質(zhì)醇催化轉(zhuǎn)化，如何構(gòu)建合適的催化體系，實(shí)現(xiàn)其選擇性轉(zhuǎn)化為高附加值的胺類精細(xì)化學(xué)品也是該領(lǐng)域值得關(guān)注的一個(gè)方向。
- 通過表征技術(shù)揭示催化劑制備方法、活性結(jié)構(gòu)和醇胺化性能之間的基本關(guān)系，將有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)出高性能催化劑，滿足工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。
