鄰氯甲苯氨化催化劑的制備及其性能的評價

高秋敏，嚴 明，周飛翔，張巍偉，馮吉玉，張曉陽

(江蘇瑞祥化工有限公司，江蘇 揚州 225000)

鄰甲苯胺是有機化工原料之一，在農藥、燃料、醫藥、香料等行業中用途較廣。工業上，鄰甲苯胺是從鄰硝基甲苯還原而得，主要采用混酸作為催化劑[1]，但是該方法存在生產流程復雜、腐蝕嚴重、產生的廢酸對環境污染嚴重等缺點。而以構建C-N鍵的形式，更簡單直接合成鄰甲苯胺的方法成為一個值得研究課題。

近年來，過渡金屬催化交叉偶聯反應因簡單、高效和反應條件溫和等特點，已發展成為一項成熟的催化技術，被廣泛應用到有機合成之中，鈀催化碳-氮和碳-碳交叉偶聯反應尤其引起了合成化學家的廣泛關注[2]。梁文斌等[3]一鍋合成了一種新型P，O型吲哚膦配體，并將其應用于鈀催化的芳基氯的Suzuki-Miyaura耦合反應中，獲得了較高的收率。盡管此法在選擇性和產品收率上有顯著效果，但鈀催化劑及其配體昂貴的價格、較強的毒性以及對高毒性含磷配體的依賴、苛刻的反應條件嚴重制約了它在很多領域的工業化應用[4-6]。開發廉價、低毒、高效的催化體系，成為這一領域更為迫切的需求。

氮雜環卡賓作為一類仿生有機小分子催化劑在有機催化領域占有重要地位，其催化的有機反應具有反應方式獨特、反應位點豐富、底物和產物結構多樣等特點，氮雜環卡賓自身具有較強的親核性，容易進攻親電性的官能團，從而發生化學轉化以構建化學鍵[7]。氮雜環卡賓配體可通過氮原子的取代基和骨架結構靈活調控其空間位阻及電子效應，由于其合成簡單、低毒或無毒性的特性成為替代傳統膦配體的良好選擇，尤其是大位阻氮雜環卡賓配體。Altenhoff等[8]首次報道了利用具有大的空間位阻且構型易變的NHC配體，在室溫下，催化具有大的空間位阻的不活潑氯代芳烴的Suzuki偶聯反應獲得了鄰位二取代或三取代聯苯。 Gusheng Lu等[9]設計合成了大位阻氮雜環卡賓配體的混配型鎳(II)配合物，在氯代芳烴、萘甲醚和芐基型氯代烴還原交叉偶聯反應中體現出較高的催化活性。

本研究以NHC配合物作為催化劑，以鄰氯甲苯為原料，一步合成鄰甲苯胺。考察了催化劑、溶劑選擇，優化了反應條件，從而開發合成鄰甲苯胺的新技術，具有良好的工業前景。

1 實 驗

1.1 實驗試劑與儀器

鄰氯甲苯、2，6-二異丙基苯胺均為工業品；甲醇、THF、原甲酸三乙酯、二氧六環、NMP、DMF、四丁基溴化銨、叔丁醇鉀均為分析純試劑。

BRUKER ARX300型核磁共振儀，瑞士布魯克公司；460型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Nicolet公司；GC-7800氣相色譜儀，北京普瑞分析儀器公司；GCQ型氣質聯用儀，美國菲尼根公司。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 N，N-二-(2，6-二-異丙苯基)乙二亞胺的合成

室溫下，在100 mL三口瓶中加30 mL無水甲醇，40%乙二醛7.26 g(50 mmol)，逐滴加入2，6-二異丙基苯胺17.7 g (100 mmol)，室溫攪拌12 h，產生亮黃色沉淀，過濾，無水甲醇洗滌，烘干。收率80%。

1.2.2 SIPr·HCl的合成

在三口瓶中加入7.24 g(20 mmol)亞胺和25 mL四氫呋喃以及25 mL甲醇，冷卻至0 ℃，緩慢加入3.94 g硼氫化鈉使其加料速度保持溫度不明顯上升，攪拌直至溶液顏色變為透明。之后，向三口瓶中加入100 mL蒸餾水，攪拌1 h后，滴入3 M鹽酸50 mL，溶液放熱，伴有氣體放出以及沉淀產生。繼續攪拌1 h后，過濾，濾餅水洗，烘干得到白色固體，在三口瓶中加入制取的白色固體4.53 g(10 mmol)，35 mL原甲酸三乙酯，120 ℃下回流12 h，過濾，二氯甲烷重結晶[10-11]，得到白色固體3.3 g，收率78%。

1.2.3 NHC配合物的合成

金屬化合物與SIPr·HCl的摩爾比為1.1:1，金屬化合物與叔丁醇鉀的摩爾比為1:1.1。在三口瓶中，N2保護下，加入一定量的金屬化合物，甲醇作為溶劑[12]，75 ℃下回流，抽濾，二氯甲烷重結晶，得到白色固體。

1.3 催化劑的評價

在80 mL內襯聚四氟乙烯的高壓反應釜中加入一定量的鄰氯甲苯、適量的溶劑和催化劑，通氨氣至一定的壓力，混合物在一定溫度下反應。反應完成后冷卻，將催化劑離心分離后得液體混合液，得到的液體混合物用GC-MS氣質聯用儀定性分析產物的組成、用氣相色譜儀定量分析產物的含量。以用校正因子法進行定量計算反應轉化率和選擇性。

2 結果與討論

2.1 催化劑的核磁表征

1H NMR(DMSO，500 MHz)： δ ppm 1.20(d，J=6.8 Hz，12H)，1.36(d，J=6.6 Hz，12H)，4.55(s，4H)，7.43(d，J=7.8 Hz，4H)，7.55(t，J=7.7 Hz，2H)，9.52(s，1H)；13C NMR(DMSO，500 MHz)：δ ppm 23.34，24.97，28.31，53.69，124.85，129.87，131.13，146.14，160.13；Anal. Calcd(%)for C27H39N2·HCl：C，75.87；H，9.13；N，6.56。

1H NMR(CDCl3，500 MHz)： δ ppm 1.34(d，J=6.9 Hz，12H)，1.36(d，J=6.9Hz，12H)，3.06(m，4H)，4.02(s，4H)，7.25(d，J= 6.5 Hz，4H)7.40(t，J=7.8 Hz，2H)；13C NMR(CDCl3，500 MHz)：δ ppm 23.91，25.47，28.93，53.74，124.58，129.90，134.37，146.64，203.22；Anal. Calcd(%)for C27H38N2·CuCl：C，66.01；H，7.76；N，5.71。

2.2 催化性能評價

2.2.1 催化劑的考察

以二氧六環為溶劑，分別考察了不同NHC金屬配體在 180 ℃下反應8 h后對反應的催化作用。結果如表1所示。

表1 不同NHC金屬配體對反應轉化率和選擇性的影響Table 1 Effect of catalysts on theo-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

從表1中可看出相對于與Fe、Ni、Co、Ru、Pd配合而成的配體催化劑，以CuCl為金屬中心的配體催化劑的催化活性最大，鄰氯甲苯的轉化率可達71.9%。以Co、Ru為金屬中心的配體催化劑的未表現出活性，而盡管以Fe、Ni、Pd為金屬中心的配體催化劑的催化活性與以CuCl為金屬中心的配體催化劑的催化活性相差不是很大，但是，其選擇性都低于NHC-CuCl，以NHC-CuCl為催化劑獲得的選擇性可達62.2%，此外考慮到Pd的昂貴性，因此，選用NHC-CuCl作為本研究的催化劑。

2.2.2 溶劑的選擇

考察了以NHC-CuCl為催化劑時，180 ℃下反應8 h后，溶劑對鄰氯甲苯胺化反應的影響，結果見表2。

表2 溶劑對鄰氯甲苯轉化率(x)和產品選擇性(s)的影響Table 2 Effect of solvents on the o-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

對于本催化體系，需要加入非質子極性溶劑，這類溶劑的分子具有極性，并有接受質子的傾向和程度不同的成氫鍵能力，并能適用于強堿參加反應。由表2可以看出，以DMSO為溶劑時，鄰氯甲苯的轉化率最高，但是，其產品的選擇性遠低于以二氧六環為溶劑時的產品選擇性。而令人意外的是以DMF、NMP為溶劑時，反應并未進行，其中可能的原因是，催化劑未在溶劑中的溶解。因此綜合考慮，二氧六環為適合的溶劑。

2.2.3 催化劑用量的影響

考察了以NHC-CuCl為催化劑，二氧六環為溶劑，180 ℃下反應8 h后，催化劑用量對鄰氯甲苯胺化反應的影響，結果見表3。

表3 催化劑NHC-CuCl用量對鄰氯甲苯轉化率(x)和產品選擇性(s)的影響Table 3 Effect of amount of catalyst NHC-CuCl on the o-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

由表3可以看出，隨著NHC-CuCl用量的增加，鄰氯甲苯的轉化率逐漸降低，而其選擇性呈現先增高后降低的趨勢，當催化劑用量為12.5mol%時，其轉化率和選擇性都有明顯的下降，大量副產物產生，綜合考慮轉化率和選擇性，筆者認為，NHC-CuCl比較合適的用量為5mol%(相當于鄰氯甲苯摩爾量的5%)。

2.2.4 脫酸劑的選擇

考察了以NHC-CuCl為催化劑，二氧六環為溶劑，180 ℃下反應8 h后，不同脫酸劑對鄰氯甲苯胺化反應的影響，結果見表4。

表4 脫酸劑對鄰氯甲苯轉化率(x)和產品選擇性(s)的影響Table 4 Effect ofdeacidification agent on the o-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

脫酸劑的選擇也是使反應能正常進行的關鍵因素之一。脫酸劑在反應中可使反應處于堿性條件下，有利于反應的進行。因此，我們選取了幾個常用堿作為脫酸劑，由表4可以看出，只有堿性較強的KOBut作為脫酸劑時，在反應體系中表現出反應活性，而以其他3個試劑作為脫酸劑時，都并未表現出活性，這可能是由于KOBut有較強的結合質子的能力。因此，在本實驗中選取KOBut作為脫酸劑較為合適。

2.3 反應產物結構表征

取4.0 MPa、180 ℃反應8 h的反應產物進行GC-MS分析。反應產物總離子流圖如圖1所示。

圖1 反應產物GC-MS分析圖Fig.1 Total ion chromatography of reaction mixtures analysis by GC-MS

圖2中，a(3.750 min)的主要質譜碎片為(m/z)：39[M+，5.7%]，63(10%)，73(2.1%)，91(100%)，99(2.3%)，125(11.3%)，126(41.4%)，與標準質譜圖[13]吻合。

圖2 a的質譜圖與其標準質譜圖Fig.2 Ion chromatography spectrum of a and its standard

圖3中，b(4.595 min)的主要質譜碎片為(m/z)：27[M+，2.9%]，39(6.6%)，53(5.9%)，65(2.8%)，79(11.7%)，89(6.2%)，106(100%)，與標準質譜圖[13]吻合。

圖3 b的質譜圖與其標準質譜圖Fig.3 Ion chromatography spectrum of b and its standard

3 結 論

(1)本文制備了以Fe、Ni、Co、Ru、Pd、Cu為金屬中心的NHC配體催化劑。

(2)對于鄰氯甲苯氨化合成鄰甲苯胺的過程，NHC-CuCl具有催化活性，1，4-二氧六環是較為合適的溶劑，叔丁醇鉀是合適的脫酸劑，180 ℃下催化劑用量為鄰氯甲苯物質的量的5%時，反應8 h后，鄰氯甲苯的轉化率為71.2%，鄰甲苯胺的選擇性為62.2%。

(3)NHC-CuCl的出現對開發活性較低的氯代芳烴的催化走向廉價、低毒、高效提供了方向，為工業化發展提供了新途徑。