芳香腈的制备研究进展

2020-06-04谢光勇张倩黄业迎郑浩丁爽

中南民族大学学报（自然科学版） 2020年3期

谢光勇，张倩，黄业迎，郑浩，丁爽

(中南民族大学化学与材料科学学院，武汉 30074)

芳香腈是指氰基(CN)直接与芳环或杂芳环连接的一类化合物，氰基具有很高的反应活性，可以通过环加成、霍夫曼降解、水合、水解、还原等反应转化为相应的胺类、酰胺类、羧酸类、醛类化合物[1]，从而方便地转化为有机合成的中间体，用于合成多种医药、农药、塑料、染料、涂料、树脂等，如图1所示.

图1 芳香腈的代表性反应

工业上有重要应用的芳香腈包括苯腈、苯二腈(邻、间或对苯二腈)、卤代苯腈(邻或对氯苯腈、2,4-、3,4-或2,6-二氯苯腈、氟代苯腈等)[1]、氰基吡啶(烟腈)等，广泛应用于国民经济各个领域.例如，对氯苯腈可用于合成广谱高效杀虫剂OMI-88(唑虫酰胺)[2]，对氯苯腈还可以用于合成DPP染料[3]，这种染料具有耐腐蚀、耐热、易分散等优异性能.2,6-二氯苯腈可用于合成特种工程塑料-聚芳醚腈[4]，具有耐酸碱、耐高温、耐辐射等优异性能，在飞机、轮船、汽车等制造领域有可观的应用前景.

1 芳香腈的制备方法

芳香腈是重要的精细化学品[5]，在科学研究和工业生产中具有广泛应用，其制备方法也颇受关注，1884年瑞士化学家Sandmeyer首先报道了Sandmeyer反应，成功应用于芳香腈的制备；随后百余年来开发了多种制备芳香腈的方法，这些方法大多以芳香醛、芳香酸、卤代芳烃等为原料，通过醛肟脱水、与尿素反应、氰化反应等方法制备，下面主要介绍本世纪近二十年来芳香腈的制备方法进展.

1.1 卤代芳烃氰化法

卤代芳烃氰化法是指以NaCN、K4[Fe(CN)6]、Zn(CN)2等金属氰化物为氰基供体，取代卤代烃中的卤原子，转变为腈类化合物的方法.

2004年，SCHAREINA等[6]报道了以K4[Fe(CN)6]为氰基供体，Pd(OAc)2为催化剂，在极性溶剂N-甲基吡咯烷酮中，实现了卤代芳烃的氰基化，如图2所示.

图2 K4[Fe(CN)6]为氰基供体的芳烃氰基化反应

该方法首次以K4[Fe(CN)6]为氰基供体，成功将芳基氯化物氰基化.相比于金属氰化物试剂，K4[Fe(CN)6]毒性低，操作不需要特殊的防护，与其他方法相比，K4[Fe(CN)6]对氰基的释放比较缓慢，显著提升了催化剂的生产效率.

2010年，SHEVLIN[7]报道了以Pd(OAc)2催化氯代甲苯的氰基化反应，该反应以Zn(CN)2为氰基供体，反应条件较温和，且当R为硝基(―NO2)、甲氧基(―OCH3)时，也能实现氰基化.同时还发现，加入H2SO4可使Pd(OAc)2的催化活性大幅度提升，如图3所示.

图3 Pd(OAc)2催化卤代芳烃的氰基化

2011年，USHKOV等[8]报道了以NaCN为氰基化试剂、乙腈或四氢呋喃为溶剂、Pd/t-Bu3P为催化剂，实现了溴代芳烃的氰基化，底物适应范围宽，收率最高可达99%.该催化体系只需加入0.5%～1.0%的Pd作为催化剂，即可在短时间内生成相应的产物，且所用溶剂为低沸点溶剂，可将其回收再利用，如图4所示.

图4 Pd(0)催化卤代芳烃的氰基化

由于金属氰化物为剧毒试剂，且对环境污染严重，产物分离纯化难度大，限制了该制备方法的应用范围.基于绿色化学的理念，研究者们希望通过毒性较小的氰基化试剂制备腈类化合物.

2014年，CHATTERJEE等[9]制备了一种负载于氧化锌上的纳米Pd催化剂，在不需要任何助催化剂的情况下，以K4[Fe(CN)6]为氰基供体，成功应用于卤代烷烃及卤代芳烃的氰基化，如图5所示.

图5 ZnO-Pd NPs和K4[Fe(CN)6]体系催化卤代芳烃的氰基化

该方法具有不需要任何助催化剂、操作简单、可对杂芳环进行氰基化及催化剂可再生的特点.但使用了贵金属Pd作为催化剂，且纳米Pd催化剂的制备步骤较多，不适用于芳香腈的大量制备.

1.2 由芳香醛或酰胺脱水制备腈类化合物

纳米金属氧化物颗粒具有特殊的性能，广泛应用于电子、光学和催化领域.ANANDAKUMAR等[10]合成了一种纳米CuO用于芳香醛的催化脱水制备芳香腈，产率90%以上.该反应不需要溶剂，催化剂可通过过滤回收循环使用至少4次，但需在250 W微波辐射辅助下进行反应，如图6所示.

图6 纳米CuO催化芳香醛的氰基化

2016年，GHOSH等[11]以纳米Fe3O4为催化剂、DMF为溶剂，以芳香醛为原料制备芳香腈，如图7所示.该法可适用于由脂肪醛、杂环醛制备腈类化合物，所用催化剂毒性低，但催化剂制备路线较长.

图7 纳米Fe3O4催化芳香醛的氰基化

2017年，INGALE等[12]报道了以丙三醇为溶剂、不需催化剂存在下，成功将芳香醛转化为芳香腈，如图8所示.该条件下，可实现对环上存在供电子基团、吸电子基团的芳香醛的转化，但反应时间较长.

图8 芳香醛在NH2-OH·HCl和甘油中转化为芳香腈

最近，REN等[13]合成了几种钴的三齿金属有机配合物，以三乙氧基硅烷为还原剂，实现了温和条件下由芳香酰胺合成芳香腈，如图9所示.这几种钴的配合物对底物的适应范围较宽，对―F、―NO2等强吸电子基团取代的酰胺也表现出了较高的催化活性.

图9 Co(III)的配合物催化芳香酰胺的转化

1.3 芳香胺为原料制备芳香腈

以苯胺为原料，先将苯胺重氮化，再利用Sandmeyer反应制备相应的芳香腈.Sandmeyer反应制备芳香腈时，由于氰基化试剂为不稳定的CuCN，于是研究者们致力于寻找更为稳定的氰基化试剂.

BELETSKAYA等[14]对Sandmeyer反应做了改进，在极性非质子溶剂中，以KCN或NaCN为氰基供体，代替不稳定的CuCN，常温下即可制备芳香腈，但也要在反应体系中加入催化量的CuCN，如图10所示.

图10 改进的Sandmeyer反应

2013年，TSENG等[15]合成了钌的三齿金属有机配合物，并用于脂肪伯胺及芳香伯胺催化脱氢制备腈类化合物，如图11所示.该法无需添加氧化剂、氢离子受体，且配合物对氧不敏感、反应副产物为H2.

图11 钌的配合物催化伯胺脱氢

2018年，SHEN等[16]报道了CuBr2/N-甲基咪唑催化体系，在有氧条件下催化芳香胺的氧化脱氢反应制备芳香腈，如图12所示.通过1H NMR监测反应进度时发现，N-甲基咪唑的加入可以加快反应速率、抑制水解反应及氨基的断裂.

图12 CuBr2/N-甲基咪唑体系催化芳香胺的氧化脱氢

1.4 甲基芳烃为原料制备芳香腈

2013年，TSUCHIYA等[17]首先将甲基芳烃以N-溴丁二酰亚胺(NBS)或1,3-二溴-5,5-二甲基乙内酰脲(DBDMH)处理，然后再加入催化量的过氧化苯甲酰(BPO)或偶氮二异丁腈(AIBN)作为催化剂，最后在氨水中与单质碘(I2)反应得到芳香腈，如图13所示.该制备路线中，不需要加入氰化物作为氮源，且不需要过渡金属催化反应的发生，但其产物提纯分离难度较大，操作繁琐.

图13 甲基芳烃直接氧化反应制备芳香腈

2014年，KAWAGOE等[18]先将甲基芳烃用H2O2和HBr处理，然后在水中将其加热到60 ℃(Method A)或在CCl4中用钨灯照射(Method B)，最后混合物在氨水中与碘作用，转变为芳香腈化合物，如图14所示.同时他们通过研究发现，对于不同的底物，使用Method B的收率较高.

图14 甲基芳烃一步转化反应制备芳香腈

2015年，GUO等[19]在NH4F、I2、过苯甲酸叔丁酯、氧气存在条件下，以DMSO为溶剂，在较温和的反应条件下实现了芳腈及杂环芳腈的制备，如图15所示.该方法不需要加入金属盐作为催化剂，且对杂环芳烃也有较宽的适应性.

图15 I2催化甲基芳烃氨氧化反应制备腈类化合物

1.5 甲基芳烃及其衍生物氨氧化法一步转化为芳香腈

氨氧化反应是一类重要的有机催化反应，它是指在催化剂的作用下，有机化合物中的活泼甲基与氨气、氧气(空气)作用，将原料中的甲基(―CH3)一步转化为氰基(―CN)的反应.依据反应底物结构的不同，可将其分为烷烃、烯烃、芳香烃的氨氧化反应，典型的反应实例如图16所示.

图16 典型的氨氧化反应

1.1～1.4的制备路线中，或使用了毒性大的氰基化试剂，或试剂昂贵，或合成路线长，产物分离纯化难度大、操作繁琐，不适用于大规模的工业化生产.而氨氧化法可一步合成芳香腈，反应路线短；原料价格低，产物选择性高，后处理简单；环境友好，可连续生产，适合工业化.因此，氨氧化法是目前制备腈类化合物最为经济、高效、环保的方法，而氨氧化法制备腈类化合物的核心是开发适应不同底物的高效催化剂.

2 甲基芳烃氨氧化反应制备芳香腈

氨氧化反应是指在催化剂作用下，利用氨气及空气中的氧气将有机分子中的活泼甲基(或烷基)一步转化成氰基，以制备腈类化合物的反应.氨氧化反应原料价廉、简捷易行，是由化学实验室较早走向工业化的一类催化反应.工业上最早使用氨氧化反应技术是由甲烷制备氢氰酸，最成功的例子是丙烯氨氧化制备丙烯腈技术的开发及工业化.随后，氨氧化反应的底物进一步扩展到其它烷烃和甲基芳烃.至此，氨氧化反应成为催化领域研究的热点之一.

2.1 甲基芳烃氨氧化催化剂

本课题组曾对甲基芳烃氨氧化催化剂进行了系统的介绍[20]，下面主要从催化剂载体、活性组分和助剂等方面对甲基芳烃氨氧化催化剂进行简要介绍.

2.1.1 催化剂的载体

对于未负载催化剂而言，其比表面积较小，活性位点数量也较少，导致其催化活性较低.因此，在实际应用中常将活性组分负载于载体上以提高催化剂的催化活性.随着研究的深入，发现载体会与活性组分之间相互作用，载体的孔道结构、比表面积等性质不同会改变催化剂的结构，从而对催化剂的催化性能产生极大的影响[21,22].载体的作用主要有：提高催化剂的比表面积并形成对反应有利的孔道结构；增强催化剂的机械强度；改善催化剂的热稳定性；降低催化剂的制备成本；与活性组分发生反应，形成催化活性相.

以单组分钒催化剂的制备为例，当活性组分含量较低时，活性组分以无定形态高度分散于载体的表面，在二维空间内形成单层相(monolayer phase)，此时载体对催化反应的影响最为显著.当负载量增大时，由于催化剂中活性组分的结晶能力增强，导致V2O5微晶相的形成[22].而对于氨氧化反应而言，晶相V2O5的形成使催化剂氧化性增强，容易造成原料的过度氧化，降低催化反应的收率[21].当使用不同的载体时，由于载体性质的不同，造成微晶相V2O5出现的最低负载量也存在差异.

在氨氧化反应中，载体会影响催化反应的速率以及反应进行方向，而对于某些特定的载体还可以与催化剂中的活性组分发生化学反应，形成活性物种.NIWA等[23]通过研究甲苯在V2O5/Al2O3催化剂上的氨氧化反应发现：活性相V2O4将甲苯吸附并发生脱氢氧化反应，而载体的存在，对脱氢氧化反应生成的中间体具有稳定作用，提高了催化反应的选择性，使V2O5/Al2O3催化剂的催化性能优于未负载的V2O5.负载前后，催化剂的酸碱性也会发生变化.V2O5催化甲苯的氨氧化反应研究发现：对于未负载的V2O5催化剂，主要形成Bronsted酸，而将其负载于TiO2上之后，则会额外地形成Lewis酸，提高负载量，Lewis酸形成量减少.而酸碱性的变化，会引起催化活性的变化.

用于氨氧化催化剂制备的载体有很多，如SiO2、MgF2、Al2O3、TiO2、分子筛等.目前工业上应用最广泛的氨氧化催化剂载体为SiO2.

2.1.2 催化剂的活性组分

脂肪烃的结构性质与芳烃差异较大，因此催化剂活性组分的选择差异也较大.例如，用于丙烯氨氧化的活性的成分以Mo-Bi-Ce-P的氧化物为主.而芳烃氨氧化催化剂以钒系催化剂为主，非钒系催化剂、分子筛催化剂也有应用[20].大量理论研究证明，钒系催化剂对芳烃氨氧化非常有效.2017年，DWIVEDI等[25]研究了邻氯甲苯在V2O5/Al2O3催化剂上的氨氧化反应，并提出了如图17所示的反应机理.他们发现，氨气首先吸附于VO键上，被VO氧化脱水生成亚胺物种，而邻氯甲苯分子同样吸附于VO键上，进行脱氢反应生成CH2C6H5物种后与亚胺物种作用，最后通过邻位羟基脱氢变为产物.

目前为止，钒仍是芳烃氨氧化催化剂的关键组分.钒系催化剂主要包括V-Cr体系、V-P体系、V-Ti体系、V-Bi体系、V-碱金属体系等[20]，本文主要介绍理论研究和工业应用较多的V-Cr及V-P体系的研究进展.

图17 V2O5/Al2O3催化邻氯甲苯氨氧化反应机理

2.1.2.1 V-Cr体系

关于V-Cr体系催化剂的报道有很多.DAS等[25]对4-甲基吡啶的氨氧化反应进行研究后发现，Cr的加入可以降低VO键的键能，利于催化剂表面氧的迁移，加快催化剂氧化还原过程的循环，大大提高了4-甲基吡啶的转化率.DHACHAPALLY等[26]研究了未负载的VCrO催化剂催化2-甲基吡嗪的氨氧化反应后发现，催化剂的晶相组成为晶相的CrVO4和Cr2V4O13，其中的钒为四价、五价氧化物共存，铬主要以三价氧化物存在.催化剂粒度大小可以影响催化剂比表面积、表面暴露的活性中心数量等催化剂结构及性质，从而影响催化剂的催化性能.HUANG等[27]通过水热法合成了微米级的V-Cr复合氧化物，对3,4-二氯甲苯和2,6-二氯甲苯氨氧化反应显示了较高的催化活性，反应温度显著降低.本课题组通过溶剂热反应首次合成纯的正交晶系CrVO4纳米晶相，通过溶剂可以使粒度大小在10～50 nm间进行有效调控；以该纳米CrVO4为催化剂催化2,6-二氯甲苯氨氧化反应制备2,6-二氯苯腈，在所有已报道的二元复合氧化物催化剂中显示了最高的催化活性，主要归功于它较小的粒子尺寸、较大的表面积和更多暴露的活性中心[28].

工业上一般将催化剂进行负载，对于负载型V-Cr体系催化剂，目前公认的活性中心是晶相的CrVO4，而在催化剂中加入少量的B可以提高活性组分的分散度.当催化剂的负载量在10%以上时，其晶相组成除了产生CrVO4，也会产生非化学计量的V2O5-x、CrO3+x，这会导致催化剂在催化反应中对原料发生过度氧化[29].本课题组将硅胶负载的V-Cr催化剂(VCrO/SiO2)成功应用于多种芳香烃的氨氧化反应[30-32]；研究了VCrO/SiO2催化剂催化邻二甲苯的氨氧化反应后发现：催化剂中的铬主要以三价氧化物的形式存在，钒主要以五价钒氧化物的形式存在，而铬的加入可有效抑制晶相V2O5的出现，催化剂中的钒、铬形成了无定形相的钒铬复合氧化物，提高了催化剂的催化活性及选择性[30].XIAO等[33]研究了VCrO/SiO2催化剂催化3-甲基吡啶的氨氧化反应，认为催化剂中的活性相是非晶相的V2O5和CrVO4，可以通过控制Cr的添加量调节催化剂的酸碱性，实现对催化剂催化性能的调控.

2.1.2.2 V-P体系

V-P复合氧化物(VPO)是工业上重要的催化剂，最广为人知的是其用于C4氧化制备马来酸酐的反应[34].大量研究证明，VPO也可用于芳烃氨氧化制备芳香腈[35].MARTIN等[36]对芳烃的氨氧化反应研究后认为，用于催化反应的新制的VPO催化剂，其晶相组成一般为α-VOPO4、β-VOPO4、VOHPO4、VOHPO4·H2O的一种或几种，但它们在用于催化反应后都会转变为(NH4)2[(VO)3(P2O7)2]；对于在NH4VP2O7或(NH4)2VOP2O7晶相上进行的氨氧化反应，活性中心是共边的双VO6正八面体结构[37]，VO2+是反应的活性位点；在催化反应进行时，两个相邻的VO6活性中心中的V原子，一个钒原子会由四价转变为五价，另一个钒原子则保持不变.MARTIN等[38]还发现：当催化剂中V物种的平均价态在+4以下时，催化剂对催化反应表现为活性不足，在V物种的平均价态在+4价时，催化剂的催化活性较为合适；当V物种的平均价态过高，催化剂对催化反应表现出氧化性过强，容易导致原料的深度氧化.MANOHAR等[29]则认为：在VPO复合氧化物催化剂中，V4+/V5+是催化反应的氧化还原对，V4+源于(VO)2P2O7晶相，V5+源于VOPO4晶相.DROPKA等[40]通过研究VPO催化2,6-二氯甲苯的氨氧化反应后发现，该反应对2,6-二氯甲苯的动力学行为属于一级反应.HUANG等[35,41]通过浸渍法制备了用于氯代芳烃氨氧化的VPO/SiO2催化剂，通过表征结果推测催化剂的活性组分可能是非晶态的(NH4)2(VO)3(P2O7)2.

2.1.3 催化剂的助剂

助剂是自身没有催化活性或者活性很低、但加入少量能显著改善催化剂性能(如活性、选择性、热稳定性、抗毒性等)的物质.例如，ROY[42]发现在间二甲苯氨氧化制备间苯二腈所用的V-Cr体系催化剂中，添加少量B2O3、P2O5，便可增加活性组分分散度并减少了间二甲苯的深度氧化，明显提高芳腈收率.

2.2 反应条件对芳烃氨氧化的影响

反应条件是影响催化剂催化活性的重要因素.芳烃氨氧化的反应条件主要包括：反应温度、负荷、氨气与反应底物物质的量之比(简称氨比)、空气与反应底物物质的量之比(简称空比)以及在反应混合气中加入添加剂等.

2.2.1 反应温度的影响

反应温度是影响催化剂催化活性的重要因素，且对芳烃氨氧化反应也存在较大的影响.对于不同的氧化物催化剂而言，其发挥活性的最佳反应温度也不一样，催化剂的反应温度低，说明催化剂催化活性高.当氨氧化反应温度低于最佳反应温度时，催化活性不足，不能使底物分子充分活化，催化反应表现为底物转化率较低.但反应温度过高，则可能导致催化剂结构组成的不可逆改变，反而使催化剂活性下降或完全失活；另一方面，温度过高可能会使催化剂氧化性过强，导致原料的深度氧化反应加剧，降低催化反应的选择性.

2.2.2 负荷的影响

负荷是指单位质量的催化剂在单位时间内催化底物反应的质量(单位h-1)，它体现了催化剂的生产效率，接触时间和负荷成反比.催化剂负荷过小，不仅生产效率低，也可能由于接触时间过长而导致原料深度氧化反应，使催化反应选择性降低；催化剂负荷过大，接触时间过短，可能会使原料转化率下降.

2.2.3 氨比的影响

生成一个氰基理论上需要一分子的氨气，但在芳烃的氨氧化反应中，氨的用量远远高于理论值.这是由于在高温下导致的氨的燃烧，另一部分则形成尾气.适当增加氨比，有利于催化反应中活性氨物种的生成，利于芳腈的生成.氨比过大则会导致原料转化不完全，也会导致氨的浪费.

在催化反应中，氨气与催化剂也可能存在相互作用.MARTIN等[43]发现，在未负载的VPO催化剂催化芳烃的氨氧化反应中，不仅存在芳烃将催化剂还原的过程，还存在氨气将催化剂还原的过程.CAVALLI等[44]发现TiO2负载的V2O5催化剂催化甲苯氨氧化反应时，氨比的增大会抑制原料的转化，减少产物的进一步深度氧化，提高产物的选择性.而AZIMOV等[45]研究负载的V-Sb-Bi氧化物催化剂催化甲苯和其它烷基芳烃氨氧化反应时发现：氨对整个芳烃的转化显示了活化作用，氨比的增大会提高催化剂的催化活性.

2.2.4 空比的影响

一个甲基转化为一个氰基理论上需要1.5分子的氧气(换算为空比则为7.5).对于芳烃的氨氧化反应，氧气(空气)需要远远大于理论值才能得到较好的催化效果.在氨氧化反应中，底物不是直接与气态氧作用，而是与催化剂中的[O](晶格氧)作用，消耗掉的[O]再通过气相氧进行补充，如此循环往复进行催化循环.若是底物直接与气相氧作用，则会导致破坏性氧化反应的发生.空比过小，[O]的再生受到抑制，催化循环速率下降，使催化剂的催化活性降低，原料转化不完全；空比过大，可能会造成催化剂活性过强，使原料发生过度氧化反应.

2.2.5 添加剂的影响

对于某些特定底物的氨氧化反应，在反应混合气中添加惰性气体、水蒸气等添加剂，可以显著改善反应的情况.沈等[46]发现：水蒸气的添加除了可以调节接触时间外，还可以起到及时将反应热带走、提高催化反应选择性的作用.BERNDT等[47]研究了未负载的VPO催化剂后发现，必须在混合气中添加水蒸气才能使催化剂完全转化为α-(NH4)2[(VO)3(P2O7)2]，令催化剂在催化反应中表现出较好的效果.

2.3 氨氧化反应器

氨氧化反应的原料为气态，催化剂为固态小颗粒.根据反应的物料和催化剂的运动状态，反应器可分为固定床、流化床和移动床三种.较早的氨氧化反应多釆用固定床，固定床反应器对催化剂的机械性能要求较低；氨氧化反应是强放热反应，固定床反应器散热较慢，容易对反应装置造成局部飞速升温，不利于反应温度控制.相对于固定床，流化床反应器在反应过程中原料及催化剂均处于沸腾运动状态，因此传热性能较优，但催化剂机械强度和耐磨性要求较高，对催化剂体系的选择造成了较大的困难.70年代美国Lummus公司开发出了循环式移动床反应器用于氨氧化法制备对苯二甲腈.该应器在反应过程中不通空气或氧气，反应所需的氧来自于金属氧化物催化剂的晶格氧，被还原的催化剂送入“再生器”用空气或氧气氧化，氧化物催化剂在反应器和再生器中反复进行还原和氧化反应，可实现循环使用.该反应器操作安全、原料负荷大、产物选择性高.

氨氧化反应的副产物主要是过度氧化生成的CO2、CO以及HCN.冷凝、离心、过滤、精馏等一些常用的工业分离手段即可实现产物的分离与纯化.此外，为了使反应更彻底，通常会使用过量的NH3，因此会有一定量的NH3剩余，剩余的NH3会与过度氧化产生的CO2反应生成NH4HCO3或(NH4)2CO3.尤其在氯代芳烃氨氧化中，苯环氧化脱掉的氯还会与NH3反应生成NH4Cl，因此选择反应器时还要考虑合适的分离系统.