邻氯甲苯氨化催化剂的制备及其性能的评价

高秋敏，严 明，周飞翔，张巍伟，冯吉玉，张晓阳

(江苏瑞祥化工有限公司，江苏 扬州 225000)

邻甲苯胺是有机化工原料之一，在农药、燃料、医药、香料等行业中用途较广。工业上，邻甲苯胺是从邻硝基甲苯还原而得，主要采用混酸作为催化剂[1]，但是该方法存在生产流程复杂、腐蚀严重、产生的废酸对环境污染严重等缺点。而以构建C-N键的形式，更简单直接合成邻甲苯胺的方法成为一个值得研究课题。

近年来，过渡金属催化交叉偶联反应因简单、高效和反应条件温和等特点，已发展成为一项成熟的催化技术，被广泛应用到有机合成之中，钯催化碳-氮和碳-碳交叉偶联反应尤其引起了合成化学家的广泛关注[2]。梁文斌等[3]一锅合成了一种新型P，O型吲哚膦配体，并将其应用于钯催化的芳基氯的Suzuki-Miyaura耦合反应中，获得了较高的收率。尽管此法在选择性和产品收率上有显著效果，但钯催化剂及其配体昂贵的价格、较强的毒性以及对高毒性含磷配体的依赖、苛刻的反应条件严重制约了它在很多领域的工业化应用[4-6]。开发廉价、低毒、高效的催化体系，成为这一领域更为迫切的需求。

氮杂环卡宾作为一类仿生有机小分子催化剂在有机催化领域占有重要地位，其催化的有机反应具有反应方式独特、反应位点丰富、底物和产物结构多样等特点，氮杂环卡宾自身具有较强的亲核性，容易进攻亲电性的官能团，从而发生化学转化以构建化学键[7]。氮杂环卡宾配体可通过氮原子的取代基和骨架结构灵活调控其空间位阻及电子效应，由于其合成简单、低毒或无毒性的特性成为替代传统膦配体的良好选择，尤其是大位阻氮杂环卡宾配体。Altenhoff等[8]首次报道了利用具有大的空间位阻且构型易变的NHC配体，在室温下，催化具有大的空间位阻的不活泼氯代芳烃的Suzuki偶联反应获得了邻位二取代或三取代联苯。 Gusheng Lu等[9]设计合成了大位阻氮杂环卡宾配体的混配型镍(II)配合物，在氯代芳烃、萘甲醚和苄基型氯代烃还原交叉偶联反应中体现出较高的催化活性。

本研究以NHC配合物作为催化剂，以邻氯甲苯为原料，一步合成邻甲苯胺。考察了催化剂、溶剂选择，优化了反应条件，从而开发合成邻甲苯胺的新技术，具有良好的工业前景。

1 实 验

1.1 实验试剂与仪器

邻氯甲苯、2，6-二异丙基苯胺均为工业品；甲醇、THF、原甲酸三乙酯、二氧六环、NMP、DMF、四丁基溴化铵、叔丁醇钾均为分析纯试剂。

BRUKER ARX300型核磁共振仪，瑞士布鲁克公司；460型傅里叶变换红外光谱仪，美国Nicolet公司；GC-7800气相色谱仪，北京普瑞分析仪器公司；GCQ型气质联用仪，美国菲尼根公司。

1.2 催化剂的制备

1.2.1 N，N-二-(2，6-二-异丙苯基)乙二亚胺的合成

室温下，在100 mL三口瓶中加30 mL无水甲醇，40%乙二醛7.26 g(50 mmol)，逐滴加入2，6-二异丙基苯胺17.7 g (100 mmol)，室温搅拌12 h，产生亮黄色沉淀，过滤，无水甲醇洗涤，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)亚胺和25 mL四氢呋喃以及25 mL甲醇，冷却至0 ℃，缓慢加入3.94 g硼氢化钠使其加料速度保持温度不明显上升，搅拌直至溶液颜色变为透明。之后，向三口瓶中加入100 mL蒸馏水，搅拌1 h后，滴入3 M盐酸50 mL，溶液放热，伴有气体放出以及沉淀产生。继续搅拌1 h后，过滤，滤饼水洗，烘干得到白色固体，在三口瓶中加入制取的白色固体4.53 g(10 mmol)，35 mL原甲酸三乙酯，120 ℃下回流12 h，过滤，二氯甲烷重结晶[10-11]，得到白色固体3.3 g，收率78%。

1.2.3 NHC配合物的合成

金属化合物与SIPr·HCl的摩尔比为1.1:1，金属化合物与叔丁醇钾的摩尔比为1:1.1。在三口瓶中，N2保护下，加入一定量的金属化合物，甲醇作为溶剂[12]，75 ℃下回流，抽滤，二氯甲烷重结晶，得到白色固体。

1.3 催化剂的评价

在80 mL内衬聚四氟乙烯的高压反应釜中加入一定量的邻氯甲苯、适量的溶剂和催化剂，通氨气至一定的压力，混合物在一定温度下反应。反应完成后冷却，将催化剂离心分离后得液体混合液，得到的液体混合物用GC-MS气质联用仪定性分析产物的组成、用气相色谱仪定量分析产物的含量。以用校正因子法进行定量计算反应转化率和选择性。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的核磁表征

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 催化性能评价

2.2.1 催化剂的考察

以二氧六环为溶剂，分别考察了不同NHC金属配体在 180 ℃下反应8 h后对反应的催化作用。结果如表1所示。

表1 不同NHC金属配体对反应转化率和选择性的影响Table 1 Effect of catalysts on theo-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

从表1中可看出相对于与Fe、Ni、Co、Ru、Pd配合而成的配体催化剂，以CuCl为金属中心的配体催化剂的催化活性最大，邻氯甲苯的转化率可达71.9%。以Co、Ru为金属中心的配体催化剂的未表现出活性，而尽管以Fe、Ni、Pd为金属中心的配体催化剂的催化活性与以CuCl为金属中心的配体催化剂的催化活性相差不是很大，但是，其选择性都低于NHC-CuCl，以NHC-CuCl为催化剂获得的选择性可达62.2%，此外考虑到Pd的昂贵性，因此，选用NHC-CuCl作为本研究的催化剂。

2.2.2 溶剂的选择

考察了以NHC-CuCl为催化剂时，180 ℃下反应8 h后，溶剂对邻氯甲苯胺化反应的影响，结果见表2。

表2 溶剂对邻氯甲苯转化率(x)和产品选择性(s)的影响Table 2 Effect of solvents on the o-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

对于本催化体系，需要加入非质子极性溶剂，这类溶剂的分子具有极性，并有接受质子的倾向和程度不同的成氢键能力，并能适用于强碱参加反应。由表2可以看出，以DMSO为溶剂时，邻氯甲苯的转化率最高，但是，其产品的选择性远低于以二氧六环为溶剂时的产品选择性。而令人意外的是以DMF、NMP为溶剂时，反应并未进行，其中可能的原因是，催化剂未在溶剂中的溶解。因此综合考虑，二氧六环为适合的溶剂。

2.2.3 催化剂用量的影响

考察了以NHC-CuCl为催化剂，二氧六环为溶剂，180 ℃下反应8 h后，催化剂用量对邻氯甲苯胺化反应的影响，结果见表3。

表3 催化剂NHC-CuCl用量对邻氯甲苯转化率(x)和产品选择性(s)的影响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，随着NHC-CuCl用量的增加，邻氯甲苯的转化率逐渐降低，而其选择性呈现先增高后降低的趋势，当催化剂用量为12.5mol%时，其转化率和选择性都有明显的下降，大量副产物产生，综合考虑转化率和选择性，笔者认为，NHC-CuCl比较合适的用量为5mol%(相当于邻氯甲苯摩尔量的5%)。

2.2.4 脱酸剂的选择

考察了以NHC-CuCl为催化剂，二氧六环为溶剂，180 ℃下反应8 h后，不同脱酸剂对邻氯甲苯胺化反应的影响，结果见表4。

表4 脱酸剂对邻氯甲苯转化率(x)和产品选择性(s)的影响Table 4 Effect ofdeacidification agent on the o-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

脱酸剂的选择也是使反应能正常进行的关键因素之一。脱酸剂在反应中可使反应处于碱性条件下，有利于反应的进行。因此，我们选取了几个常用碱作为脱酸剂，由表4可以看出，只有碱性较强的KOBut作为脱酸剂时，在反应体系中表现出反应活性，而以其他3个试剂作为脱酸剂时，都并未表现出活性，这可能是由于KOBut有较强的结合质子的能力。因此，在本实验中选取KOBut作为脱酸剂较为合适。

2.3 反应产物结构表征

取4.0 MPa、180 ℃反应8 h的反应产物进行GC-MS分析。反应产物总离子流图如图1所示。

图1 反应产物GC-MS分析图Fig.1 Total ion chromatography of reaction mixtures analysis by GC-MS

图2中，a(3.750 min)的主要质谱碎片为(m/z)：39[M+，5.7%]，63(10%)，73(2.1%)，91(100%)，99(2.3%)，125(11.3%)，126(41.4%)，与标准质谱图[13]吻合。

图2 a的质谱图与其标准质谱图Fig.2 Ion chromatography spectrum of a and its standard

图3中，b(4.595 min)的主要质谱碎片为(m/z)：27[M+，2.9%]，39(6.6%)，53(5.9%)，65(2.8%)，79(11.7%)，89(6.2%)，106(100%)，与标准质谱图[13]吻合。

图3 b的质谱图与其标准质谱图Fig.3 Ion chromatography spectrum of b and its standard

3 结 论

(1)本文制备了以Fe、Ni、Co、Ru、Pd、Cu为金属中心的NHC配体催化剂。

(2)对于邻氯甲苯氨化合成邻甲苯胺的过程，NHC-CuCl具有催化活性，1，4-二氧六环是较为合适的溶剂，叔丁醇钾是合适的脱酸剂，180 ℃下催化剂用量为邻氯甲苯物质的量的5%时，反应8 h后，邻氯甲苯的转化率为71.2%，邻甲苯胺的选择性为62.2%。

(3)NHC-CuCl的出现对开发活性较低的氯代芳烃的催化走向廉价、低毒、高效提供了方向，为工业化发展提供了新途径。