醋酸镱催化异佛尔酮二胺甲氧羰基化反应

谭学峰，王 越，李建国，胡晓佳，王公应

（1. 中国科学院 成都有机化学研究所，四川 成都 610041；2. 中国科学院 研究生院，北京 100049）

醋酸镱催化异佛尔酮二胺甲氧羰基化反应

谭学峰1，2，王 越1，李建国1，胡晓佳1，王公应1

（1. 中国科学院 成都有机化学研究所，四川 成都 610041；2. 中国科学院 研究生院，北京 100049）

在常压、无溶剂条件下，研究了以异佛尔酮二胺（IPDA）和碳酸二甲酯（DMC）为原料合成异佛尔酮二氨基甲酸甲酯（IPDC）的甲氧羰基化反应。考察了多种金属醋酸盐的催化活性，实验结果表明，稀土金属醋酸盐的Lewis酸性越强，IPDC的收率和选择性越高，其中醋酸镱的活性最高。以醋酸镱为催化剂考察了反应温度、原料配比、催化剂用量和反应时间对甲氧羰基化反应的影响，得到最优的反应条件：反应温度90 ℃、反应时间6 h、n（DMC）∶n（IPDA）=4、n（催化剂）∶n（IPDA）=0.025，在此条件下，IPDA转化率为94.3%，IPDC收率为54.2%，IPDC选择性为57.5%。探讨了甲氧羰基化反应的可能机理，醋酸镱催化IPDA与DMC的甲氧羰基化历程符合SN2亲核取代反应机理。

异佛尔酮二胺；碳酸二甲酯；异佛尔酮二氨基甲酸甲酯；甲氧羰基化；醋酸镱催化剂

异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）是一种具有优异力学性能和耐老化性能的高端异氰酸酯［1］，主要应用于汽车面漆、火箭推进剂、防腐蚀涂料、光固化涂料和黏合剂等领域［2］。IPDI的传统生产工艺为光气法，光气的剧毒性给生产及环境安全带来巨大隐患［3-4］，所以异氰酸酯的清洁生产技术［5］一直是科研工作者致力研发的方向。目前，氨基甲酸酯热分解法［6］是最有产业应用前景的非光气合成技术，该路线所需关键中间体氨基甲酸酯主要通过硝基还原羰基化［7］、胺氧化羰基化［8］、脲醇解［9］及胺与碳酸二甲酯（DMC）的甲氧羰基化反应等制得。其中甲氧羰基化法具有反应条件温和、产品品质高等优点，适用于各类胺的转化，副产的甲醇可重新用于DMC生产［10］，过程零排放，符合化工清洁生产的发展要求。

异佛尔酮二氨基甲酸甲酯（IPDC）是热分解合成IPDI的关键原料。IPDC由原料异佛尔酮二胺（IPDA）与DMC经甲氧羰基化反应得到。由于IPDA与DMC的反应过程同时存在甲氧羰基化反应和甲基化反应，因此选择适合的催化体系对于制备IPDC至关重要。目前用于DMC胺解合成IPDC的催化剂主要为醇钠［11-12］，该类催化剂腐蚀性强，且必须在无水等苛刻条件下进行，后处理步骤还需用酸中和，既增加了成本又造成了腐蚀污染。而用于该体系的Lewis酸型催化剂的报道很少，但在相似体系的研究报道［13-15］中，Lewis酸型催化剂显示出良好的活性。

本工作以金属醋酸盐类Lewis酸为催化剂，在常压、无溶剂的条件下，研究了IPDA与DMC的甲氧羰基化反应的活性和选择性；并以醋酸镱为催化剂，考察了反应温度、原料配比、催化剂用量和反应时间等因素对甲氧羰基化反应的影响。

1 实验部分

1.1 试剂

IPDA（顺反异构混合物）：纯度大于99.0%，日本东京化成工业株式会社；DMC：纯度99.5%，山东石油大学胜华股份公司，4A分子筛除水；三水合醋酸铅：分析纯，重庆北碚化学试剂厂；醋酸铅：将三水合醋酸铅在110 ℃下真空干燥5 h得到［13］；四水合醋酸钇：纯度99.99%，Alfa-Aesar公司；醋酸镱：纯度99.9%，Alfa-Aesar公司；其余试剂均为分析纯。

1.2 甲氧羰基化反应

准确称取一定量的IPDA、DMC和催化剂，添加到装有回流冷凝柱的100 mL三颈圆底烧瓶中，通入N2置换空气。在磁力搅拌下，用油浴升温至恒定温度进行反应。过程中继续通入N2，用水封方式保持体系压力与环境压力相同。反应结束后，将体系冷却至室温，取样进行气相色谱分析。

1.3 分析方法

反应液的定性分析采用惠普公司HP6890/5973型气质联用仪，色谱柱为HP-5，柱温由150 ℃升至280 ℃。反应液的定量分析采用上海精密科学仪器有限公司GC112A型气相色谱仪，色谱柱为SUPELCO 25316 SPBTM-5，规格为15 m×0.53 mm×0.5 µm；色谱柱初始温度155 ℃，以40 ℃/min速率升至240 ℃；检测器温度270 ℃；采用内标法定量，内标物为正十六烷。

2 结果与讨论

2.1 反应历程分析

以三水合醋酸铅为催化剂催化IPDA与DMC进行甲氧羰基化反应，将反应液进行GC-MS分析，反应液的GC谱图见图1。

图1 反应液的GC谱图Fig.1 GC of the reaction solution.

结合MS分析结果可知，A1和A2为原料IPDA的顺反异构体，B1和B2为IPDA的单甲基化产物，C1和C2是主反应中间体（单边甲氧羰基化产物），D1和D2及E1和E2分别为该中间体的一甲基和二甲基取代物；F1和F2为目标产物IPDC的顺反异构体。据此可知IPDA的甲氧羰基化路线（见图2）。IPDA先与DMC进行单边的甲氧羰基化反应，生成中间体C1和C2，中间体C1和C2继续与DMC反应得到IPDC。反应过程中IPDA，C1，C2中的氨基均可能发生不同程度的甲基化反应。由此可见，该反应过程同时存在甲氧羰基化的串联反应和甲基化的并行反应，必须选择适合的催化剂，在保证活性的前提下抑制甲基化反应，提高甲氧羰基化反应的选择性。

图2 甲氧羰基化路线Fig.2 Routes of the methoxycarbonylation.

2.2 催化剂的筛选

分别以不同的金属醋酸盐为催化剂，对IPDA与DMC的甲氧羰基化过程进行考察，实验结果见表1。由表1可见，在不加催化剂时，甲氧羰基化反应可自发进行，但反应速率缓慢，4 h后IPDA转化率仅为14.8%，IPDC选择性也只有3.5%。加入金属醋酸盐催化剂后，除Sb（CH3COO）3催化剂基本无活性外，体系反应速率普遍加快，表明金属醋酸盐对该甲氧羰基化反应具有明显的催化活性。从反应结果可看出，对于相同的金属醋酸盐催化剂，有无结晶水对其活性无影响，这是因为少量结晶水对反应体系的极性影响不大。由表1还可见，稀土金属醋酸盐的催化效果与其金属离子的Lewis酸性有一定的关联性。几种稀土金属离子的Lewis酸性强弱的顺序［16］为：La3+＜Ce3+＜Y3+＜Yb3+＜Sc3+，从La3+到Yb3+，其Lewis酸性逐渐增强，对应于醋酸盐的活性也越来越高。Sc3+的酸性虽强于Yb3+，但其醋酸盐的催化活性反而较低，这可能是因为过强的Lewis酸性反而会抑制甲氧羰基化反应的进行。由表1可见，醋酸镱、四水合醋酸钇、醋酸铅及三水合醋酸铅都具有较高的催化活性，但考虑到含铅类化合物通常毒性很大，同时四水合醋酸钇的催化活性没有醋酸镱的催化活性高，所以选择醋酸镱为催化剂。

表1 金属醋酸盐催化剂对甲氧羰基化反应的催化活性Table 1 The catalytic activity of metal acetates for the methoxycarbonylation

实验过程中还考察了不同阴离子的镱类化合物的催化效果，实验结果见表2。由表2可见，各种镱类化合物在反应体系中的分散状态不同，其中醋酸镱可完全溶解在体系中，呈无色透明状，因此其活性也最高；而使用其他镱类化合物时，体系均出现不同程度的浑浊，表明该镱类化合物未能完全溶解。由此可见，当加入量相同时，镱类化合物在体系中的溶解度对其催化活性影响非常大。因此，本实验选择醋酸镱为催化剂进行条件实验考察。

表2 不同镱类化合物催化剂对甲氧羰基化反应的催化活性Table 2 The catalytic activity of different ytterbium compounds for the methoxycarbonylation

2.3 反应温度的影响

反应过程中DMC始终过量，所以常压时体系的反应温度在DMC沸点（90 ℃）附近进行考察。反应温度对甲氧羰基化反应的影响见图3。由图3可见，当反应温度低于90 ℃时，随反应温度的升高，IPDA转化率、IPDC的收率和选择性均增大；当反应温度高于90 ℃后，IPDA转化率、IPDC的收率和选择性变化不大。因此，选择反应温度为90℃较适宜。

2.4 原料配比的影响

原料配比对甲氧羰基化反应的影响见图4。由图4可见，随DMC用量的增加，IPDA转化率、IPDC的收率和选择性均增大，这是因为适当过量的DMC有利于形成更多的活性位，有利于甲氧羰基化反应的进行；当n（DMC）∶n（IPDA）＝4时，IPDC收率达到最大值；之后继续增加DMC用量，IPDC收率下降，此时过量的DMC降低了IPDA和催化剂的浓度，使分子接触活性中心位的几率减小。因此，选择n（DMC）∶n（IPDA）=4较适宜。

图4 原料配比对甲氧羰基化反应的影响Fig.4 Effect of n(DMC)∶n(IPDA) on the methoxycarbonylation.Reaction conditions：90 ℃，n(Yb(CH3COO)3)∶n(IPDA)=0.025，4 h.

2.5 催化剂用量的影响

醋酸镱催化剂用量对甲氧羰基化反应的影响见图5。

图5 催化剂用量对甲氧羰基化反应的影响Fig.5 Effect of n(Yb(CH3COO)3)∶n(IPDA) on the methoxycarbonylation.Reaction conditions：90 ℃，n(DMC)∶n(IPDA)=4，4 h.

由图5可见，当n（醋酸镱）∶n（IPDA）＜0.025时，随醋酸镱用量的增加，活性位不断增多，有利于甲氧羰基化反应的进行，因此，IPDA转化率、IPDC的收率和选择性均增大；当n（醋酸镱）∶n（IPDA）＞0.025时，随醋酸镱用量的增加，IPDA转化率继续增大，但IPDC的收率和选择性均有所下降，表明过多的催化剂加剧了甲基化副反应的进行，降低了目标产物IPDC的选择性。因此，选择n（醋酸镱）∶n（IPDA）=0.025较适宜。

2.6 反应时间的影响

反应时间对甲氧羰基化反应的影响见图6。由图6可见，反应初期，随反应时间的延长，IPDA转化率、IPDC的收率和选择性均增大；当反应时间为6 h时，IPDA转化率达到最大值，之后基本在最大值附近波动，但IPDC的收率和选择性逐渐减小，表明过长的反应时间容易使生成的IPDC发生逆反应，导致IPDC收率下降。因此，选择反应时间为6 h较适宜。此时，IPDA的转化率为94.3%，IPDC收率为54.2%，IPDC选择性57.5%。

图7 醋酸镱催化甲氧羰基化反应机理的推测Fig.7 Supposed mechanism of the methoxycarbonylation on Yb(CH3COO)3.

图6 反应时间对甲氧羰基化反应的影响Fig.6 Effect of reaction time on the methoxycarbonylation.Reaction conditions：90 ℃，n(DMC)∶n(IPDA)=4，n(Yb(CH3COO)3)∶n(IPDA)=0.025.

3 反应机理

根据相关文献［13，17］及实验情况推测醋酸镱催化IPDA与DMC的甲氧羰基化反应的机理见图7。

首先由亲电的Yb3+进攻DMC上的羰基氧，增加了羰基极性，使得氨基更容易进攻羰基碳，从而发生SN2亲核取代反应，生成单边甲氧羰基化中间体C1和C2。因为IPDA分子中的两个氨基具有不对称性，所以中间体有两种。中间体C1和C2的另一端氨基继续进攻被Yb3+活化的羰基碳，经历相似的取代历程，生成目标产物IPDC。

4 结论

（1）IPDA与DMC的反应同时存在甲氧羰基化的串联反应和甲基化的并行反应，甲氧羰基化的产物为IPDC，甲基化产物包括IPDA的单甲基化产物、单边氨基甲酸甲酯的一甲基化和二甲基化产物。

（2）在一定范围内，稀土金属醋酸盐Lewis酸性越强，其催化IPDA与DMC的甲氧羰基化反应的活性越高，其中醋酸镱的催化效果最好。过强的Lewis酸性对甲氧羰基化反应有所抑制。当加入量相同时，镱类化合物在体系中的溶解度对其活性的影响很大。

（3） 以醋酸镱为催化剂催化IPDA与DMC甲氧羰基化反应的适宜条件为：反应温度90 ℃、n（DMC）∶n（IPDA）=4、n（催化剂）∶n（IPDA）=0.025、反应时间6 h。在此条件下，IPDA转化率可达94.3%，IPDC收率为54.2%，IPDC选择性为57.5%。

（4）醋酸镱催化甲氧羰基化历程符合SN2亲核取代反应机理。

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Methoxycarbonylation of Isophorone Diamine Catalyzed by Ytterbium Acetate

Tan Xuefeng1，2，Wang Yue1，Li Jianguo1，Hu Xiaojia1，Wang Gongying1
（1. Chengdu Institute of Organic Chemistry，Chinese Academy of Science，Chengdu Sichuan 610041，China；2. Graduate School of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China）

The solvent-free catalytic methoxycarbonylation of isophorone diamine(IPDA)with dimethyl carbonate(DMC) to methylN-(3-{［(methoxycarbonyl)amino］methyl}-3，5，5-trimethylcyclohexyl) carbamate(IPDC) under atmospheric pressure was studied. The catalytic activity of various metal acetates for the methoxycarbonylation was investigated. It was found that the stronger the Lewis acidity of rare earth metal acetates，the higher the yield and selectivity of IPDC within a certain range. Among the various metal acetates，ytterbium acetate showed the highest catalytic activity for the methoxycarbonylation. The effects of reaction temperature，mole ratio between the reactants，catalyst dosage and reaction time on the methoxycarbonylation were discussed. Under the optimal conditions：reaction temperature 90 ℃，n(DMC)∶n(IPDA) 4，n(catalyst)∶n(IPDA) 0.025 and reaction time 6 h，the conversion of IPDA，and the yield and selectivity of IPDC are 94.3%，54.2% and 57.5%，respectively. A possible reaction mechanism of the methoxycarbonylation in the presence of ytterbium acetate was proposed， which is a SN2 nucleophilic substitution.

isophorone diamine；dimethyl carbonate；methylN-(3-{［(methoxycarbonyl)amino］methyl}- 3，5，5-trimethylcyclohexyl) carbamate；methoxycarbonylation；ytterbium acetate catalyst

1000 - 8144（2012）09 - 1011 - 06

TQ 426

A

2012 - 03 - 02；［修改稿日期］2012 - 06 - 29。

谭学峰（1986—），男，陕西省岐山县人，硕士生，电话 13568876470，电邮 txfkobe@126.com。联系人：王越，电话028 - 85250005，电邮 ywang@cioc.ac.cn。

（编辑 李明辉）