醇胺氧化偶聯合成亞胺固體催化劑研究進展*

陳福山，李文豪，鄧志超,舒 俊,劉 潔,徐章燕，楊 濤，，程春明

(1.九江學院 江西省生態化工工程技術研究中心，江西 九江 332005；2. 浙江工業大學 催化研究所，杭州 310014；3. 江西嘉陶無機材料有限公司,江西 九江 332000)

0 引 言

亞胺，俗稱席夫堿，是羰基(醛羰基或酮羰基)上的氧原子被氮原子所取代后形成的一類有機化合物，通式是R1R2C=NR3，其中R1、R2和R3可以是烴基或氫，是一種通用的藥物、生物活性分子合成及精細化工中間體。在亞胺中的C=N鍵在有機反應中可以被用作還原、加成、環化及聚合等反應[1]。亞胺傳統的合成方法是由羰基化合物與伯胺縮合而成。在許多情況下，這個過程需要路易斯酸催化劑、脫水劑及不穩定的醛。羰基化合物與氨也能生成亞胺，但這種亞胺極不穩定，常在生成的同時發生聚合反應。因此，從綠色化學的角度，這種方法的規模化應用受到諸多的限制[2-3]。

過去幾十年里，許多研究者希望用多相催化氧化的方法，“一鍋”直接合成亞胺，因為這種方法原料易得，減少了能源消耗及廢物排放，簡化了操作和純化步驟。偶聯合成亞胺是一種原子利用率高、環境友好的亞胺合成策略，是最有希望工業化的路線之一[4-7]。醇與胺交叉氧化偶聯合成亞胺，一般是醇先氧化生成醛，然后再與胺發生縮合生成亞胺。在這類反應中，常見的固體催化劑主要分成貴金屬基、非貴金屬基兩種。本文主要對醇胺氧化偶聯合成亞胺的固體催化劑的最新研究進行了較為詳細的綜述。

1 貴金屬基催化劑

貴金屬基催化劑主要有Pd、Au、Ru、Ag、Pt幾個系列，它們催化醇胺氧化偶聯的催化性能見表1所示。固體Pd基催化劑雖然對于芳香醇和胺合成亞胺活性較低，但是對于難氧化的脂肪醇和非貴金屬相比卻有較高的催化活性，而且部分體系可以在無氧環境中進行氧化偶聯，但產物主要為仲胺[8-10]。固體Au基催化劑對載體的酸堿性和Au納米顆粒的尺寸有較高的要求，部分體系為了提高催化性能但需要堿的加入，這對產品后處理增加了很大的困難，不符合綠色化學的宗旨[11-18]。Ru基固體催化劑對醇胺偶聯中的胺有較高的催化氧化能力，容易生成副產品腈類[19-21]。此外，其它貴金屬(如Ag、Pt及Ir等)基催化劑也分別被用于醇與胺氧化偶聯合成亞胺，但文獻報道相對較少。Al2O3負載的Ag納米顆粒在氧氣或無氧氣氛中對醇與伯胺的氧化偶聯合成亞胺有較好的催化作用，但在氫氣氣氛中生成的亞胺又被還原成仲胺[22-23]。Pt-Sn/γ-Al2O3，Ir/CeO2也對醇胺氧化偶聯合成亞胺也具有一定的活性[24-25]。貴金屬基催化劑由于價格昂貴，苛刻的反應條件，亞胺的選擇性低，大部分需要外加堿，因此在工業化應用中受到諸多限制。

表1 不同貴金屬固體催化劑催化醇胺氧化偶聯合成亞胺催化性能比較

2 非貴金屬基催化劑

非貴金屬(Mn、Ce、Fe等)由于價格低廉，容易獲得，可以直接制備成其金屬氧化物催化劑，也可以作為載體負載其它活性組分。金屬氧化物由于其具有酸堿性和氧化還原性質，是多相催化領域應用最為廣泛的催化劑種類之一。它們催化醇胺氧化偶聯的催化性能見表2所示。

圖1 醇氧化的機理[26]

圖2 亞胺合成的機理[27]

利用價格低廉且毒性較低的Mn基氧化物主要采用沉淀法等制備，易于規模化生成，這些優點為進一步研究提供了重要源動力。醇胺交叉氧化偶聯合成亞胺分兩步進行，如圖1和2所示。第一步醇氧化成相應的醛，符合Mars van Krevelen機理，是整個反應的慢反應，是速率決定步驟(圖1)。Suib等首先報道了OMS-2中的Mn4+把醇氧化成相應的羰基化合物中間體，同時Mn4+被還原成Mn2+，羰基化合物中間體快速去質子化生成相應的醛，Mn2+再被吸附在錳氧化物的氧空位的分子氧氧化成Mn4+，形成的晶格氧在氫質子的協助下再被釋放出，再形成氧空位[26]；第二步原位生成的羰基在OMS-2的路易斯酸催化作用下，發生親核加成，再脫水生成亞胺(圖2)[27]。通過制備不同晶型、摻雜，負載發現Mn4+、Mn3+及Mn2 +的分布，晶體結構、酸性、低溫還原性及不穩定晶格氧是高催化活性的關鍵因素。

圖3 苯甲醇氧化可能的機理[28]

圖4 CeO2催化醇與胺合成亞胺的反應機理[29]

在眾多的金屬氧化物中，CeO2具有酸堿性和氧化還原性的雙功能特點。和錳氧化物相比CeO2基催化劑具有優異的低溫催化活性，這是錳氧化物不具備的。活性氧種類、較高濃度的氧空位、Ce3+/Ce4+比率是CeO2高催化活性的重要因素[29-33]。

對于固體Fe基催化劑來說，其部分催化氧化性能類似于貴金屬(如Pt基)固體催化劑，可以在無氧環境中進行氧化脫氫，但這種催化劑制備方法和非金屬氧化物相比較為繁瑣，但也為貴金屬催化劑的取代開辟一個方向[29,34-35]。

對于Al基固體催化劑，其催化氧化活性不僅與酸性位有關，而且也與其堿性位有關，一般來說堿性位是醇活化的反應中心[36,18]。

表2 不同非貴金屬固體催化劑催化醇胺氧化偶聯合成亞胺催化性能比較

3 結 語

醇胺需氧氧化偶聯合成亞胺是一種原子利用率高、環境友好的亞胺合成策略。通過對新型催化體系的不斷探索，反應條件趨于溫和，底物適用范圍不斷擴大，簡化了催化劑制備程序。貴金屬基催化劑由于價格昂貴，苛刻的反應條件，亞胺的選擇性低，大部分需要外加堿，因此在工業化應用中受到諸多限制。一些廉價的非貴金屬催化劑的發展有效地降低了成本，但催化效率普遍不高。此外，對于催化機理，大多是基于實驗結果的推測，缺少直接的證據。和發達國家相比，我國對綠色化學和綠色化工的倡導及相關政策的實施相對較晚。近年來我國化學工業快速發展引起了明顯的環境問題，因此綠色化學的發展顯得尤為重要，其在節約原料、防止污染、保障人們健康與安全方面發揮了顯著的作用，但要實現綠色化學的最終目標，還需大力開發綠色的合成工藝，這對研究者的工作提出了更高的要求。就亞胺的綠色合成而言，采用環境友好的、可持續的及廉價的空氣(氧氣)為綠色氧化劑，進行醇胺氧化偶聯合成亞胺是我們發展的目標。為了實現這個目標，需要進一步發展廉價的、綠色的及高效的醇胺需氧氧化偶聯亞胺的催化體系，例如非貴金屬氧化物，例如負載或摻雜的非貴金屬氧化物(如錳氧化物)；需要研究克服需氧氧化過程不易放大的缺點；需要研究以水為溶劑或無溶劑的非貴金屬催化體系；需要研究需氧氧化合成亞胺的催化機理，理清反應路徑，從而為探索新型高效的催化劑提供理論指導。