一步法制备六亚甲基-1，6-二氨基甲酸丁酯

张 磊， 李建国， 李子健， 杨先贵， 胡 静， 姚 洁， 王公应

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

六亚甲基-1，6-二氨基丁酯(4)是重要的化工中间体，其合成主要通过羰基化试剂与1，6-己二胺(1)反应制得。按所用羰基化试剂可分为四种方法：(1)氯代甲酸酯胺解法[1]；(2)胺氧化羰基化法[2]；(3)碳酸二甲酯胺解法[3]；(4)尿素醇解法[4]。方法(1)和方法(2)或原料成本太高，或收率太低，或催化剂价格昂贵，无工业应用价值。方法(3)以碳酸二甲酯(DMC)为羰基化试剂，副产物甲醇可回收再造DMC，实现了原料100%利用。方法(4)是以尿素为羰基化试剂，与1和丁醇一起反应制备。与方法(3)相比，方法(4)所用原料更廉价易得，且副产物可再加入到反应器中，提高原料的利用率。

尿素醇解法制备4主要分一步法[5]和两步法[6]。两步法制备4，产物选择性高，但工艺繁琐。而一步法虽然收率较高，但产物选择性不高，单程收率较低。

本文以1，尿素(2)和正丁醇(3)为原料，二氧化锆(ZrO2)为催化剂，采用一步法制备了4(Scheme 1),其结构经GC-MS确证。并对反应条件进行了优化，在最佳反应条件[1 8 g, ZrO290 mg,m(1) ∶m(2) ∶V(3)=1.00 ∶1.29 ∶18.75,于180 ℃反应1 h;于220 ℃反应3 h]下，转化率100%，收率90%。

Scheme1

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

GSH0844-00型高压釜，威海化工机械有限公司；液相色谱仪[Waters 515 HPLC pump， waters 2487紫外检测器，xTerra C-18， Ф4.6 mm×150 mm，粒径18.5 μm色谱柱；流动相：V(甲醇) ∶V(水)=6 ∶4， 1 mL·min-1;紫外检测波长210 nm]；GC6890/MSD5973型气-质联用仪(HP-5MS， 30 m×0.25 mm×0.25 μm)。

1～3，分析纯,广东省化学试剂工程技术研究中心；二氧化锆和氯化锌，分析纯，成都市科龙化工试剂厂；二氧化硅，工业级；其余所用试剂均为分析纯。

1．2 4的制备

图1 合成反应装置示意图Figure 1 Synthesis reaction device1． 控制仪； 2． 反应器； 3． 搅拌器； 4． 冷凝管； 5． 氨气吸收装置； 6． 氮气瓶； 7． 压力表

在图1的高压釜中依次加入1 8 g, 2 10．3 g, 3 150 mL及二氧化锆90 mg,搅拌下通氮气排空三次。维持1.2 MPa～1.4 MPa的釜压，于180 ℃反应1 h;于220 ℃反应3 h(开启釜上的冷凝管出口阀门，排氨)。自然降至室温，出料，离心分离得无色液体，用液相色谱分析计算1的转化率和4的收率。4的GC-MSm/z： 316, 243, 215, 198, 186, 168, 156, 143, 130, 116, 98, 86, 74, 57, 43, 30。

2 结果与讨论

2．1 反应条件优化

(1) 催化剂

1 8 g,r[m(1) ∶m(2) ∶V(3)]=1.00 ∶1.29 ∶18.75,其余反应条件同1．2，考察催化剂对反应的影响，结果见表1。由表1可见，无论有无催化剂，1都能完全转化，说明1与2的胺解反应容易进行。与不加催化剂相比，使用催化剂后，二脲明显减少，4的选择性增加。

表1 催化剂对反应的影响*Table 1 Effect of catalyst on reaction

*MgO was prepared from 300 ℃ calcination of Mg(OH)2， TiO2-SiO2was produced by sol-gel method， CaO was prepared from calcination of CaCO3；adiurea or polyurea；b1 8 g,r[m(1) ∶m(2) ∶V(3)]=1.00 ∶1.29 ∶18.75, at 220 ℃ for 5 h；cZrO2: at 170 ℃ for 5 h;dZrO2: at 220 ℃ for 5 h,r=1.00 ∶2.00 ∶18.75;eZrO2: at 220 ℃ for 5 h,r=1.00 ∶1.75 ∶18.75

从表1还可见，锆基催化剂效果较好，其中ZrO2(No．4)为催化剂时，4的收率达87%，表明催化剂的加入有利于脲的醇解反应。

1与2的胺解反应在没有催化剂的存在下能够直接反应，而醇解反应需要在有催化剂的条件下才能进行。该反应在未加催化剂条件下依然有50%以上的收率，可能是1具有一定碱性，具有催化作用，使醇解反应进行。但随着1浓度的降低，催化作用减弱，最终收率54%。当加入催化剂后，醇解反应能够继续进行，得到较高收率的4。

不同类型的催化剂对反应的作用机理不同。在酸催化作用下，2中的羰基氧与酸的配位，通过电子传递效应，生成碳正离子，其亲电性能增强；而在碱催化剂作用下，醇羟基中的氧被活化，其亲核性能增强，从而提高醇与羰基碳的反应速度[7]。因此，提高酸和碱的强度，有利于催化活性的提高。而作为催化效果最好的ZrO2，其酸碱强度都较弱。单比酸强度：Fe(NO3)3>Zn(AcO)2>ZrO2；单比碱强度[8]：CaO>MgO>ZrO2。其高催化活性可能是因为ZrO2属于酸碱两性氧化物。徐柏庆等[9]在ZrO2的CO2和NH3共吸附实验中发现吸附CO2后NH3的吸附量反而增加，而先吸附NH3后CO2的吸附量也增加。IR结果表明ZrO2表面存在相邻的Zr4+-O2-路易斯酸碱对中心，他们通过表面键诱导极化而令酸-碱相互作用加强；苯酚的吸附实验证实苯酚在ZrO2表面发生解离吸附(O-H断裂)，形成表面羟基和苯酚盐，酚羟基中的氢被活化。所以ZrO2在一定条件下有酸碱双功能催化的效果。因此推测其具有高活性的原因可能是它能同时作用于脲的羰基碳和醇的羟基，在反应过程中起了协同催化的作用。

综上所述，在1 8 g,r=1.00 ∶1.29 ∶18.75, 于220 ℃反应5 h的反应条件下，ZrO2具有最佳的催化效果。

(2) 催化剂用量

以ZrO2为催化剂，1 8 g,r=1.00 ∶1.29 ∶18.75,于220 ℃反应5 h，其余反应条件同2.1(1),考察其用量对反应的影响，结果见图2。由图2可见，ZrO2用量为40 mg时收率从未用催化剂时的56%增至76%;用量从40 mg增至90 mg时，收率从75%增至约90%;再增加用量，收率变化不大。ZrO2最佳用量为90 mg。

ZrO2/mg图2 催化剂用量对反应的影响*Figure 2 Effect of catalyst amount on reaction*1 8 g, r=1.00 ∶1.29 ∶18.75, 于220 ℃反应5 h，其余反应条件同2.1(1)

Temperature/℃图3 反应温度对反应的影响*Figure 3 Effect of reaction temperature on reaction*ZrO2 90 mg,其余同图1

(3) 反应温度

升温阶段有大量氨气产生，温度增至120 ℃后压力迅速增大，待温度升至设定值后，压力逐渐趋于平稳。但由于反应过程中需要排出氨气，所以压力是在一定范围内波动。本实验中釜内压力维持在1.2 MPa～1.4 MPa。

以ZrO2(90 mg)为催化剂，其余反应条件同2.1(2),考察反应温度对反应的影响，结果见图3(由于升温过程中反应也会进行，故图3中反应时间包含升温阶段的时间)。由图3可见，如果直接加热到反应温度，随着反应温度增加，收率逐渐增大，到220 ℃时收率最大，再升高温度收率反而有所下降；而二脲的收率却是随温度的升高一直减小，直到温度为240 ℃时二脲完全转化。可见，在较低温度下氨解反应容易进行，而脲发生醇解反应需要在较高的温度才能进行，所以温度升高，二脲逐渐减少；温度高于220 ℃后由于副反应如尿素醇解生成氨基甲酸酯、碳酸二丁酯等反应增加，导致收率下降。同时温度高于230 ℃后4也容易分解。

考虑到反应实际分两步进行，而两步法分离粗品二脲过于繁琐，本文采用一种分段反应法，即先在较低温度下反应一段时间，产物不经分离直接再迅速升温至220 ℃反应。为此考察了低温段反应温度对反应的影响，结果见图4(图4中低温段反应时间为1 h，升温至220 ℃后再反应3 h)。

Temperature/℃图4 低温段反应温度对反应的影响*Figure 4 Effect of reaction temperature in low temperature stage on reaction*ZrO2 90 mg,其余同图1

Time/h图5 反应时间对反应的影响*Figure 5 Effect of reaction time on reaction*ZrO2 90 mg,其余同图1

从图4可以看出，当低温段温度为180 ℃时，收率能达90%，与直接加热至220 ℃结果基本一致，但反应所需总时间比图3中直接加热至220 ℃少1 h。出现这种情况的原因可能是由于低温段主要发生1与2的脱氨反应，高温段则主要是2与3反应生成4；而直接升温至220 ℃时2会与3反应生成副产物，而且在高温下2本身也容易分解，所以导致一步法收率稍低，且时间较长。

(4) 反应时间

由于低温段形成二脲的过程较快，1 h后1已完全转化，所以主要考察高温段反应时间对反应的影响。ZrO290 mg，于180 ℃反应1 h后于220 ℃反应3 h,其余反应条件同2.1(2),考察反应时间对反应的影响，结果见图5。从图5中可以看出，随着反应时间的增加，收率逐渐升高，反应时间为3 h时收率达到最高(90%)；超过3 h后收率反而有所下降，而二脲的收率却是一直下降的。出现这种情况的原因可能是二脲在高温下并未完全发生第二步的醇解反应生成4， 而4在高温下会发生分解所致。

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