高秋敏，嚴 明，周飛翔，張巍偉，馮吉玉，張曉陽

(江蘇瑞祥化工有限公司，江蘇 揚州 225000)

鄰甲苯胺是有機化工原料之一，在農(nóng)藥、燃料、醫(yī)藥、香料等行業(yè)中用途較廣。工業(yè)上，鄰甲苯胺是從鄰硝基甲苯還原而得，主要采用混酸作為催化劑[1]，但是該方法存在生產(chǎn)流程復雜、腐蝕嚴重、產(chǎn)生的廢酸對環(huán)境污染嚴重等缺點。而以構(gòu)建C-N鍵的形式，更簡單直接合成鄰甲苯胺的方法成為一個值得研究課題。

近年來，過渡金屬催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)因簡單、高效和反應(yīng)條件溫和等特點，已發(fā)展成為一項成熟的催化技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到有機合成之中，鈀催化碳-氮和碳-碳交叉偶聯(lián)反應(yīng)尤其引起了合成化學家的廣泛關(guān)注[2]。梁文斌等[3]一鍋合成了一種新型P，O型吲哚膦配體，并將其應(yīng)用于鈀催化的芳基氯的Suzuki-Miyaura耦合反應(yīng)中，獲得了較高的收率。盡管此法在選擇性和產(chǎn)品收率上有顯著效果，但鈀催化劑及其配體昂貴的價格、較強的毒性以及對高毒性含磷配體的依賴、苛刻的反應(yīng)條件嚴重制約了它在很多領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用[4-6]。開發(fā)廉價、低毒、高效的催化體系，成為這一領(lǐng)域更為迫切的需求。

氮雜環(huán)卡賓作為一類仿生有機小分子催化劑在有機催化領(lǐng)域占有重要地位，其催化的有機反應(yīng)具有反應(yīng)方式獨特、反應(yīng)位點豐富、底物和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)多樣等特點，氮雜環(huán)卡賓自身具有較強的親核性，容易進攻親電性的官能團，從而發(fā)生化學轉(zhuǎn)化以構(gòu)建化學鍵[7]。氮雜環(huán)卡賓配體可通過氮原子的取代基和骨架結(jié)構(gòu)靈活調(diào)控其空間位阻及電子效應(yīng)，由于其合成簡單、低毒或無毒性的特性成為替代傳統(tǒng)膦配體的良好選擇，尤其是大位阻氮雜環(huán)卡賓配體。Altenhoff等[8]首次報道了利用具有大的空間位阻且構(gòu)型易變的NHC配體，在室溫下，催化具有大的空間位阻的不活潑氯代芳烴的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)獲得了鄰位二取代或三取代聯(lián)苯。 Gusheng Lu等[9]設(shè)計合成了大位阻氮雜環(huán)卡賓配體的混配型鎳(II)配合物，在氯代芳烴、萘甲醚和芐基型氯代烴還原交叉偶聯(lián)反應(yīng)中體現(xiàn)出較高的催化活性。

本研究以NHC配合物作為催化劑，以鄰氯甲苯為原料，一步合成鄰甲苯胺。考察了催化劑、溶劑選擇，優(yōu)化了反應(yīng)條件，從而開發(fā)合成鄰甲苯胺的新技術(shù)，具有良好的工業(yè)前景。

1 實 驗

1.1 實驗試劑與儀器

鄰氯甲苯、2，6-二異丙基苯胺均為工業(yè)品；甲醇、THF、原甲酸三乙酯、二氧六環(huán)、NMP、DMF、四丁基溴化銨、叔丁醇鉀均為分析純試劑。

BRUKER ARX300型核磁共振儀，瑞士布魯克公司；460型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Nicolet公司；GC-7800氣相色譜儀，北京普瑞分析儀器公司；GCQ型氣質(zhì)聯(lián)用儀，美國菲尼根公司。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 N，N-二-(2，6-二-異丙苯基)乙二亞胺的合成

室溫下，在100 mL三口瓶中加30 mL無水甲醇，40%乙二醛7.26 g(50 mmol)，逐滴加入2，6-二異丙基苯胺17.7 g (100 mmol)，室溫攪拌12 h，產(chǎn)生亮黃色沉淀，過濾，無水甲醇洗滌，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)亞胺和25 mL四氫呋喃以及25 mL甲醇，冷卻至0 ℃，緩慢加入3.94 g硼氫化鈉使其加料速度保持溫度不明顯上升，攪拌直至溶液顏色變?yōu)橥该?。之后，向三口瓶中加?00 mL蒸餾水，攪拌1 h后，滴入3 M鹽酸50 mL，溶液放熱，伴有氣體放出以及沉淀產(chǎn)生。繼續(xù)攪拌1 h后，過濾，濾餅水洗，烘干得到白色固體，在三口瓶中加入制取的白色固體4.53 g(10 mmol)，35 mL原甲酸三乙酯，120 ℃下回流12 h，過濾，二氯甲烷重結(jié)晶[10-11]，得到白色固體3.3 g，收率78%。

1.2.3 NHC配合物的合成

金屬化合物與SIPr·HCl的摩爾比為1.1:1，金屬化合物與叔丁醇鉀的摩爾比為1:1.1。在三口瓶中，N2保護下，加入一定量的金屬化合物，甲醇作為溶劑[12]，75 ℃下回流，抽濾，二氯甲烷重結(jié)晶，得到白色固體。

1.3 催化劑的評價

在80 mL內(nèi)襯聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜中加入一定量的鄰氯甲苯、適量的溶劑和催化劑，通氨氣至一定的壓力，混合物在一定溫度下反應(yīng)。反應(yīng)完成后冷卻，將催化劑離心分離后得液體混合液，得到的液體混合物用GC-MS氣質(zhì)聯(lián)用儀定性分析產(chǎn)物的組成、用氣相色譜儀定量分析產(chǎn)物的含量。以用校正因子法進行定量計算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的核磁表征

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 催化性能評價

2.2.1 催化劑的考察

以二氧六環(huán)為溶劑，分別考察了不同NHC金屬配體在 180 ℃下反應(yīng)8 h后對反應(yīng)的催化作用。結(jié)果如表1所示。

表1 不同NHC金屬配體對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響Table 1 Effect of catalysts on theo-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

從表1中可看出相對于與Fe、Ni、Co、Ru、Pd配合而成的配體催化劑，以CuCl為金屬中心的配體催化劑的催化活性最大，鄰氯甲苯的轉(zhuǎn)化率可達71.9%。以Co、Ru為金屬中心的配體催化劑的未表現(xiàn)出活性，而盡管以Fe、Ni、Pd為金屬中心的配體催化劑的催化活性與以CuCl為金屬中心的配體催化劑的催化活性相差不是很大，但是，其選擇性都低于NHC-CuCl，以NHC-CuCl為催化劑獲得的選擇性可達62.2%，此外考慮到Pd的昂貴性，因此，選用NHC-CuCl作為本研究的催化劑。

2.2.2 溶劑的選擇

考察了以NHC-CuCl為催化劑時，180 ℃下反應(yīng)8 h后，溶劑對鄰氯甲苯胺化反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

表2 溶劑對鄰氯甲苯轉(zhuǎn)化率(x)和產(chǎn)品選擇性(s)的影響Table 2 Effect of solvents on the o-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

對于本催化體系，需要加入非質(zhì)子極性溶劑，這類溶劑的分子具有極性，并有接受質(zhì)子的傾向和程度不同的成氫鍵能力，并能適用于強堿參加反應(yīng)。由表2可以看出，以DMSO為溶劑時，鄰氯甲苯的轉(zhuǎn)化率最高，但是，其產(chǎn)品的選擇性遠低于以二氧六環(huán)為溶劑時的產(chǎn)品選擇性。而令人意外的是以DMF、NMP為溶劑時，反應(yīng)并未進行，其中可能的原因是，催化劑未在溶劑中的溶解。因此綜合考慮，二氧六環(huán)為適合的溶劑。

2.2.3 催化劑用量的影響

考察了以NHC-CuCl為催化劑，二氧六環(huán)為溶劑，180 ℃下反應(yīng)8 h后，催化劑用量對鄰氯甲苯胺化反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3。

表3 催化劑NHC-CuCl用量對鄰氯甲苯轉(zhuǎn)化率(x)和產(chǎn)品選擇性(s)的影響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，隨著NHC-CuCl用量的增加，鄰氯甲苯的轉(zhuǎn)化率逐漸降低，而其選擇性呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，當催化劑用量為12.5mol%時，其轉(zhuǎn)化率和選擇性都有明顯的下降，大量副產(chǎn)物產(chǎn)生，綜合考慮轉(zhuǎn)化率和選擇性，筆者認為，NHC-CuCl比較合適的用量為5mol%(相當于鄰氯甲苯摩爾量的5%)。

2.2.4 脫酸劑的選擇

考察了以NHC-CuCl為催化劑，二氧六環(huán)為溶劑，180 ℃下反應(yīng)8 h后，不同脫酸劑對鄰氯甲苯胺化反應(yīng)的影響，結(jié)果見表4。

表4 脫酸劑對鄰氯甲苯轉(zhuǎn)化率(x)和產(chǎn)品選擇性(s)的影響Table 4 Effect ofdeacidification agent on the o-chlorotoluene conversion(x)and product selectivity(s)

脫酸劑的選擇也是使反應(yīng)能正常進行的關(guān)鍵因素之一。脫酸劑在反應(yīng)中可使反應(yīng)處于堿性條件下，有利于反應(yīng)的進行。因此，我們選取了幾個常用堿作為脫酸劑，由表4可以看出，只有堿性較強的KOBut作為脫酸劑時，在反應(yīng)體系中表現(xiàn)出反應(yīng)活性，而以其他3個試劑作為脫酸劑時，都并未表現(xiàn)出活性，這可能是由于KOBut有較強的結(jié)合質(zhì)子的能力。因此，在本實驗中選取KOBut作為脫酸劑較為合適。

2.3 反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

取4.0 MPa、180 ℃反應(yīng)8 h的反應(yīng)產(chǎn)物進行GC-MS分析。反應(yīng)產(chǎn)物總離子流圖如圖1所示。

圖1 反應(yīng)產(chǎn)物GC-MS分析圖Fig.1 Total ion chromatography of reaction mixtures analysis by GC-MS

圖2中，a(3.750 min)的主要質(zhì)譜碎片為(m/z)：39[M+，5.7%]，63(10%)，73(2.1%)，91(100%)，99(2.3%)，125(11.3%)，126(41.4%)，與標準質(zhì)譜圖[13]吻合。

圖2 a的質(zhì)譜圖與其標準質(zhì)譜圖Fig.2 Ion chromatography spectrum of a and its standard

圖3中，b(4.595 min)的主要質(zhì)譜碎片為(m/z)：27[M+，2.9%]，39(6.6%)，53(5.9%)，65(2.8%)，79(11.7%)，89(6.2%)，106(100%)，與標準質(zhì)譜圖[13]吻合。

圖3 b的質(zhì)譜圖與其標準質(zhì)譜圖Fig.3 Ion chromatography spectrum of b and its standard

3 結(jié) 論

(1)本文制備了以Fe、Ni、Co、Ru、Pd、Cu為金屬中心的NHC配體催化劑。

(2)對于鄰氯甲苯氨化合成鄰甲苯胺的過程，NHC-CuCl具有催化活性，1，4-二氧六環(huán)是較為合適的溶劑，叔丁醇鉀是合適的脫酸劑，180 ℃下催化劑用量為鄰氯甲苯物質(zhì)的量的5%時，反應(yīng)8 h后，鄰氯甲苯的轉(zhuǎn)化率為71.2%，鄰甲苯胺的選擇性為62.2%。

(3)NHC-CuCl的出現(xiàn)對開發(fā)活性較低的氯代芳烴的催化走向廉價、低毒、高效提供了方向，為工業(yè)化發(fā)展提供了新途徑。