苯甲腈非均相加氢制备苄胺的研究进展

欧阳帆，胡锦波，刘迎新

（浙江工业大学药学院，浙江 杭州 310014)

苄胺是一类重要的精细化工中间体，广泛用于医药、农药和染料等化学品的制备[1]，如作为药物中间体合成磺胺米隆[2]；同时在合成人造树脂、抗腐蚀抑制剂、功能性添加剂、橡胶和塑料固化的熟化剂（稳定剂）等方面也应用广泛[3]。苄胺的制备方法主要有卤代物氨解法[4]、还原胺化法[5]与腈加氢法[6]。与其他几种方法相比，通过设计合适的催化体系将苯甲腈选择性催化氢化为苄胺是一种最直接、原子利用率最高的方法。

图1 显示了苄胺和各级胺形成的普遍接受的机制：首先苯甲腈（1）加H2得到亚胺中间体2，然后进一步加氢还原为所需产物苄胺（3）。由于亚胺中间体2 具有高反应活性，易发生副反应，与苄胺反应生成中间体4，再经过脱氨生成N-苄亚甲基苄胺（5），5 还原得到二苄胺（6），从而使苯甲腈选择性制苄胺变得困难。此外，在贵金属催化剂参与下，苄胺还可发生氢解反应生成甲苯（7）[6]。因此影响苯甲腈加氢制苄胺的关键因素是高活性、高选择性的加氢催化剂。

目前，非均相催化剂是用于苯甲腈加氢制苄胺的主要催化剂。本文按照贵金属催化剂、非贵金属催化剂、双金属催化剂进行分类，综述近年来非均相催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺的研究进展，重点阐述金属组分、催化剂载体、氢源、添加剂等因素对催化性能的影响，总结催化反应机理，并对其未来发展进行展望。

1 贵金属催化剂

用于苯甲腈加氢制苄胺的贵金属催化剂主要以Pd、Pt、Ru 等作为催化剂的活性金属组分，这些金属在苯甲腈加氢制苄胺的反应中往往具有出色的催化效果，在温和条件下即可取得较高的收率。

1.1 Pd 基催化剂

Pd 基催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺可在酸性体系下进行。如Tomar 等[7]利用甲酸作为氢源和酸性添加剂，Pd/Al2O3催化剂催化对位取代的苯甲腈加氢还原成苄胺。异丙醇作为溶剂，室温下反应8 h 即可得到99%的苄胺收率。还探讨了甲酸作为氢源参与反应的机制，并提出阳离子反应机理，如图2 所示。

Hegedüs 等[8]报道了Pd/C 催化剂在温和的条件下（30 ℃，0.6 MPa）催化苯甲腈加氢制苄胺。使用互不相溶的H2O 与CH2Cl2作为反应溶剂，并引入酸性添加剂磷酸二氢钠，有效提高了Pd/C 催化剂的选择性（95%）。引入酸性添加剂也可作为一种提高苄胺选择性的方法。

Yoshida 等[9]以H2O 作为共溶剂，添加到Pd/Al2O3与加压CO2的催化体系中催化苯甲腈加氢制苄胺，并详细研究了其反应特征，发现目标产物苄胺可与CO2反应形成氨基甲酸盐，从而脱离反应体系，避免进一步发生副反应。但随着研究的进行，发现氨基甲酸盐可能堆积在催化剂表面，导致催化剂失活。另一方面，逆水煤气变换反应可产生CO，而CO 在金属表面的吸附也是导致催化剂失活的原因之一。由于氨基甲酸盐易溶于水，因此在一定程度上加水可减少其在催化剂表面的吸附，从而避免催化剂失活。

Liu 等[10]研究发现，负载在纳米金刚石石墨烯（ND@G）载体上的钯单原子和钯团簇对苯甲腈加氢产物的选择性完全不同。将钯金属负载在缺陷丰富的纳米金刚石石墨烯载体上制成原子级分散的钯单原子催化剂Pd1/ND@G 和平均由3 个钯原子构成的钯团簇催化剂Pdn/ND@G，将这两种催化剂用于苯甲腈催化加氢时，发现反应产物的选择性与催化剂的结构密切相关。Pd1/ND@G 催化剂优先生成二苄胺，而Pdn/ND@G 催化剂对苄胺具有高选择性。

与甲酸和氢气作为氢源不同，Schäfer 等[11]报道了一种原位生成氢气的Pd/C-Al-H2O 催化体系，用于腈类化合物和硝基化合物催化氢化制备各种伯胺类化合物的工艺。该工艺使用水作为溶剂，通过水与商业铝粉反应生成的氢气作为氢源用于催化氢化。商业铝粉制氢安全、廉价，水在该体系中作为溶剂具有绿色环保、成本低廉等优点。在Pd/C-Al-H2O 催化体系用于苯甲腈催化氢化的实验中发现，水作为溶剂，苯甲腈在50 ℃下反应1 h，苄胺收率达100%。

1.2 Ru 基催化剂

Ru 基催化剂在碱性体系中催化苯甲腈加氢制苄胺效果更好。Muratsugu 等[12]研制了Ru/KAlu C 催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺。Ru/K-Alu C 催化剂在70 ℃、常压下催化氢化苯甲腈，反应82 h，苯甲腈转化率可达99%，苄胺的选择性高达93%。钾的掺杂使载体的路易斯碱性位点增加，从而增强了催化剂的整体碱性。通过密度泛函理论（DFT）研究Ru 催化剂上腈的活化行为。结果表明，腈吸附在Ru 金属表面加氢形成氮化物中间体，该中间体更易加氢生成伯胺，同时碱性载体有利于形成氮化物中间体。

1.3 Pt 基催化剂

Pt 基催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺的研究较少。Rezaei 等[13]开发了一种易于回收的聚柠檬酸（PC）功能化磁性碳纳米管，负载Pt（II）金属制成MWCNT/MA@PC/Pt(II)催化剂用于苯甲腈的加氢制苄胺。通过Fe3O4对多壁碳纳米管（MWCNT）的表面进行修饰，使催化剂具有磁性，易于从反应混合物中分离。聚柠檬酸用于提高催化剂的负载能力。Pt 络合物与MWCNT/MA@PC 偶联形成MWCNT/MA@PC/Pt（II）。使用硼氢化钠作为氢源，以水作溶剂，在95 ℃下催化苯甲腈反应30 min，即可得到96%的苄胺收率。且该催化剂携带磁性，回收方便，重复使用5 次后，催化性能无明显下降。

综上所述，贵金属催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺的反应催化效果较好，反应条件也较为温和。但由于其价格高昂且自然界中含量稀少，在工业规模中的应用受到较大限制。

2 非贵金属催化剂

与贵金属相比，非贵金属在催化苯甲腈加氢生成苄胺方面的催化活性相对较弱，对苄胺的选择性也相对较差。常用的非贵金属催化剂活性金属组分包括Ni、Co、Cu、Fe 等，其中以Ni、Co 催化剂为主。

2.1 Ni 基催化剂

早期研究常用雷尼镍催化剂催化苯甲腈加氢制苄胺。Wu 等[14]以雷尼镍为催化剂，使用硼氢化钾作为还原剂，在无水乙醇中催化还原腈类化合物，合成伯胺。选用苯甲腈作为模板反应，发现当苯甲腈与硼氢化钾摩尔比为1:4 时，苄胺的收率可达到82%。将该工艺用于各种脂肪族和芳香族腈类化合物催化加氢，均可得到较好的对应伯胺收率。该方法具有简便、高效、易操作、伯胺选择性较高等优点。但雷尼镍存在机械强度较差、空气中易自燃、难回收处理且易造成环境污染等问题。

为克服雷尼镍催化剂的缺点，设计负载型镍催化剂是一种可行的方法。Cao 等[15-16]研制了一种层状双层氢氧化物（LDH）涂层的镍基核壳纳米颗粒Ni@mSiO2@LDH 催化剂用于苯甲腈加氢还原。通过煅烧或水合调节催化剂的结构和酸碱特性可以控制其选择性。在无氨无碱的条件下，该Ni@mSiO2@LDH 催化剂在100 ℃、2 MPa 氢压下反应3 h，苄胺收率为76.1%。为提高伯胺收率，进一步研制了NiMgAlO-op 催化剂，发现当镁铝摩尔比为3:1 时催化剂的碱性最强，催化性能最好。在无氨无碱条件下，100 ℃、4 MPa 氢压，反应2 h，苄胺收率高达90%。因此，设计双功能镍基催化剂用于苯甲腈绿色加氢工艺是有效的。

Konnerth 等[17]研制了嵌入咪唑基离子液体（ILs）中的镍纳米粒子（NPs）催化剂，用于苯甲腈为模型底物的腈加氢反应。嵌入咪唑基离子液体中的镍纳米颗粒被证明是一种双功能催化剂，具有催化活性和碱性，用于苯甲腈选择性加氢制苄胺时，可在90 ℃、2.5 MPa 氢压的条件下，不添加任何的氨或碱，苯甲胺的收率达80%。但是，在无氨无碱的绿色工艺下镍基催化剂催化苯甲腈制苄胺的研究中，苄胺收率普遍不高，有待继续深入研究。

2.2 Co 基催化剂

Shen 等[18]研制了一种金属有机骨架（MOF）衍生的氮掺杂碳钴基催化剂Co@NC，可在无氨无碱的绿色条件下将邻甲基苯甲腈选择性催化氢化为邻甲基苄胺，其中异丙醇既作为溶剂又作为氢源。催化反应在80 ℃的N2气氛中进行，反应48 h，邻甲基苄胺收率达99%。在反应过程中，腈和异丙醇被吸附在催化剂表面，催化剂上氮衍生的路易斯碱性位点促进了异丙醇的质子转移。更重要的是，改变异丙醇溶剂的体积即可改变催化剂的选择性。向反应体系中加入1 mL 异丙醇，腈加氢形成伯胺；加入4 mL 异丙醇，腈加氢形成仲胺。进行底物拓展实验，发现该催化剂对各种腈类化合物均适用。且催化剂循环使用4 次后，未观察到催化性能显著降低。

Jagadeesh 等[19]研制出一种基于对苯二甲酸的MOFs 结构的钴颗粒催化剂MOF@C-800，可以有效实现苯甲腈加氢制苄胺。反应在120 ℃、2.5 MPa 氢气、0.5 MPa 氨气、甲苯溶液中进行，反应15 h 苄胺收率为96%。该催化剂底物适用性良好，多种杂环腈、芳香腈以及烯丙基腈均以优异的选择性转化为相应伯胺。此外，催化剂循环使用5 次，催化活性未出现显著下降。

Mitsudome 等[20]研制了一种纳米Co2P 催化剂，并将其负载在水滑石上用于苯甲腈加氢制苄胺。纳米Co2P 对苯甲腈加氢表现出空气稳定性和极高的活性，在4 MPa H2、130 ℃、1.2 mL 氨水的条件下，苄胺收率为93%。同时，该催化剂具有广泛的适用性，对于各种腈类化合物催化加氢制伯胺均可得到较高的收率。磷合金化可以增加费米能级附近Co 的d 电子密度，促进吸附在催化剂表面H2的活化，从而使活化的腈很容易与纳米Co2P 表面的活化氢反应生成伯胺。

2.3 Fe 基催化剂

Chandrashekhar 等[21]研制了二氧化硅负载的Fe/Fe-O 纳米颗粒催化剂用于催化苯甲腈加氢制苄胺。研究发现，Fe/Fe-O@SiO2催化剂中的铁纳米颗粒外围覆盖一层非晶氧化铁超薄外壳，具有明显的核壳结构。Fe/Fe-O@SiO2催化剂对于苯甲腈加氢反应表现出高化学选择性，在120 ℃、5 MPa 氢气、0.5～0.7 MPa 氨气、异丙醇溶剂中反应24 h 可得到89%的苄胺收率。催化剂底物适用范围极广，用于芳香族、杂环和脂肪族腈催化加氢，包括工业相关的脂肪腈加氢，均可得到较高收率的相应伯胺。

2.4 Cu 基催化剂

Burri 等[22]报道了负载在氧化镁上的铜催化剂用于苯甲腈连续流气相加氢制苄胺。在240 ℃和0.1 MPa 的氢气压力下，在固定床中增大气体的流速，停留时间为4.44 s 时，苄胺的选择性约为70%；停留时间降低到2.29 s 后，苄胺的选择性增加到100%，但苯甲腈在该反应条件下仅转化50%～60%。在苯甲腈气相催化氢化中，反应物和产物在催化剂表面停留很短的时间；而在液相间歇过程中，停留数小时。研究认为，由于接触时间短，苄胺在与最初形成的亚胺在相互作用之前便从催化剂表面脱附，即亚胺氢化为苄胺的速率高于亚胺和苄胺的缩合速率。

虽然使用铜基催化剂时苯甲腈加氢的转化率不高，但其对于苄胺的高选择性引起了科研人员的注意。Guo 等[23]在不同温度下热解PCN-222(Cu) MOF 得到一系列Cu@NC-ZrO2-T（T 为热解温度）催化剂，用于苯甲腈加氢制苄胺。通过表征研究发现，热解温度对催化剂结构影响很大，热解温度为700 ℃时制得的Cu@NC-ZrO2-700 催化剂对反应催化性能最好。以氨硼烷作为氢源，60 ℃下在甲醇溶液中反应3 h，苯甲腈转化率为95%，苄胺选择性高达100%。推测可能由于Cu@NC-ZrO2-700 催化剂的铜纳米颗粒的粒径与Cu-Nx 中心的含量都非常合适，故催化性能最好。对Cu@NC-ZrO2-700 催化剂进行循环实验发现，经过5 次循环使用，其催化性能无明显下降。

近几年，通过对非贵金属催化剂的深入研究，研制了许多双功能非贵金属催化剂用于苯甲腈制苄胺绿色加氢工艺，可在无氨无碱的条件下取得较高的苄胺收率。更多的非贵金属被开发用于苯甲腈加氢制苄胺的研究，如Cu、Fe 等非贵金属，并取得很好的效果。目前，苯甲腈加氢的研究热点将聚焦在开发更温和、更绿色的非贵金属催化剂。

3 双金属催化剂

通过添加第二金属对活性金属进行修饰和调节，以提高催化剂对苯甲腈加氢制苄胺的催化活性是行之有效的方法。如Pd 具有催化氨硼烷脱氢和腈加氢还原的双重作用，而Co 具有催化腈选择性加氢合成伯胺的作用。

Göksu 等[24-25]将Co-Pd 合金纳米颗粒负载在氧化石墨烯上制成双金属催化剂rGO-Co30Pd70用于苯甲腈加氢制苄胺反应。使用透视电子显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）等对rGO-Co30Pd70催化剂进行表征研究，发现Co-Pd 合金纳米颗粒的平均粒径为3.5 nm。对催化剂进行XRD 表征结果证明，Co 和Pd 形成了合金结构。使用该催化剂，氨硼烷作为氢供体，在温和条件下，在水与甲醇体积比为7:3 的混合溶剂中进行苯甲腈加氢制苄胺，仅需10 min，苄胺收率可达99%。随后，将Co 替换为Ni 研制了负载在石墨烯上的G-NiPdNPs 双金属催化剂，用于室温下水-甲醇混合溶液中，氨硼烷作为氢源催化苯甲腈选择性加氢还原制苄胺，反应仅需10 min，可取得99%的苄胺收率。通过测试一系列芳香族和脂肪族腈类化合物，发现在较短反应时间（5～30 min）内均以优异的转化率还原为相应的伯胺。贵金属与非贵金属组合形成双金属催化剂用于苯甲腈加氢取得成果后，研究人员又将目光投向非贵金属与非贵金属组合的双金属催化剂。

Yu 等[26]合成了一系列石墨烯（G）负载的尺寸和形状可控的CuNi 合金纳米颗粒催化剂。在室温下，以氨硼烷为氢源，甲醇为溶剂，将GCu36Ni64NPs 催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺，反应30 min，即可得到97%的苄胺收率。底物拓展实验发现，该催化剂具有优秀的催化性能和适用性，用于各种芳香腈类化合物时，伯胺收率均大于97%。

双金属催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺的研究中多为贵金属-非贵金属组合，利用非贵金属修饰催化性能较好的贵金属，并取得了令人满意的结果。然而贵金属受限于价格和储量，无法在工业化应用中得到广泛使用。非贵金属A-非贵金属B 组合的双金属催化剂，用于苯甲腈加氢制苄胺的研究也取得了一定的成果。

4 总结

表1 是近年来非均相催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺的研究汇总。由表1 可知，不同活性金属、不同载体对苯甲腈加氢制苄胺均有影响。贵金属催化剂可在温和、无氨无碱的绿色条件下得到较高的苄胺收率，而非贵金属催化剂通常需要较为苛刻的条件，并在氨或碱的存在下才能取得较好的苄胺收率。通过催化剂改性以引入碱性位点，可提高无氨无碱的绿色条件下的苄胺收率。双金属催化剂用于苯甲腈加氢制苄胺同样取得了令人满意的结果，有望成为今后研究的热点。

5 展望

在苯甲腈加氢制苄胺的反应中，提高苄胺选择性的关键在于制备高效稳定的催化剂和研发绿色高效的催化体系。贵金属在该反应中具有明显优势，但是贵金属价格昂贵，储量低，难以应用于工业化生产。因此，设计高选择性、高稳定性的非贵金属催化剂并开发绿色高效的催化体系用于苯甲腈加氢制苄胺，结合计算机理论模拟建立理论模型是未来重要的研究方向。