Raney Ni催化生物基糠醛還原胺化合成糠胺

郭珊珊,陳 娜,魏作君,劉迎新*

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院,浙江 杭州 310014；2.浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 生物質(zhì)化工教育部重點(diǎn)實驗室,浙江 杭州 310027)

胺在聚合物、染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥和生物活性化合物的生產(chǎn)中起著重要作用[1],其中伯胺因其廣泛的衍生性近年來引起了廣泛關(guān)注[2]。眾多合成伯胺的方法中,由于醛酮來源廣泛,價格低廉,還原胺化法成為制備伯胺應(yīng)用最多的方法之一。目前,研究人員已報道了多種均相和多相催化劑用于羰基化合物的還原胺化反應(yīng)的催化合成策略。其中,均相催化劑在分離和再利用方面較困難,故開展多相催化劑的還原胺化是近年來研究的熱點(diǎn)。

近年來,隨著傳統(tǒng)化石資源的日益枯竭,開發(fā)利用可再生的生物質(zhì)能替代化石資源變得尤為重要[13]。其中生物質(zhì)木糖脫水制得的糠醛作為一種重要的平臺化合物,是胺化學(xué)可持續(xù)發(fā)展的理想選擇[14]。目前,糠醛還原胺化制備糠胺已有較多報道。為提高糠胺選擇性,研究者常常使用貴金屬催化劑。Nishimura等[15]使用聚(N-乙烯基-2-吡咯烷酮)穩(wěn)定的Ru負(fù)載羥基磷灰石(Ru-PVP/HAP)在100 ℃、0.25 MPa H2下進(jìn)行糠醛的還原胺化,糠胺產(chǎn)率為60%。Deng等[16]通過微調(diào)Nb2O5的表面酸度,發(fā)現(xiàn)在300 ℃下還原的Ru/Nb2O5催化劑在70 ℃下表現(xiàn)出良好的催化性能,糠胺產(chǎn)率為89%。結(jié)果表明,酸性位點(diǎn)在糠醛的活化過程中起著重要作用,進(jìn)而促進(jìn)糠胺的形成。Chandra等通過將Ru納米粒子負(fù)載在Ca(NH2)2上,酸處理后除去載體,制備了Ru-NP催化劑,在90 ℃、2 MPa H2下反應(yīng)2 h,獲得99%的糠胺產(chǎn)率。Chatterjee等[18]使用Rh/Al2O3作為催化劑,在80 ℃、2 MPa H2下反應(yīng)2 h,糠胺的選擇性為92%。Xin等[19]制備了Pd-NPs催化劑,在室溫下還原胺化糠醛,糠胺產(chǎn)率為97%。

表1 氫壓對糠醛還原胺化制糠胺的影響Table 1 Effect of hydrogen pressure on reductive amination of furfural to furfurylamine

表2 反應(yīng)溫度對糠醛還原胺化制糠胺的影響Table 2 Effect of reaction temperature on reductive amination of furfural to furfurylamine

盡管上述貴金屬基催化劑具有良好的活性,但催化劑成本較高。因此,開發(fā)價廉易得的非貴金屬基催化劑作用下糠醛還原胺化制糠胺工藝具有重要意義。Zhou等[20]在120 ℃、1 MPa H2條件下使用Raney Co進(jìn)行糠醛的還原胺化,糠胺產(chǎn)率98.9%,但催化劑使用量過高,不適宜工業(yè)生產(chǎn)。

糠醛還原胺化反應(yīng)中,在氨源的選擇方面,目前多為NH3和氨水,氨水能更穩(wěn)定地控制體系中氨的濃度,在還原胺化中應(yīng)用越來越廣泛。Yuan等[24]用共沉淀法制備了Ni6AlOX催化劑,在100 ℃、0.4 MPa H2下反應(yīng)5 h,糠胺收率為90%。最近,Manzoli等[25]以氨水為氨源,以具有核-殼結(jié)構(gòu)的磁性Fe3O4@SiO2-Ni為催化劑,在115 ℃、2.0 MPa H2下微波輻射下加熱3 h,糠胺收率可達(dá)100%,但催化劑制備過程繁瑣,難以大規(guī)模生產(chǎn)。

本課題組在前期工作中發(fā)現(xiàn)[26],催化劑中不同金屬對NH3和H2存在吸附能差異,Pt、Pd、Ru等貴金屬的吸附能差大于Co和Ni等非貴金屬的吸附能差,同等反應(yīng)條件下,非貴金屬催化劑用于還原胺化的催化效果更好。綜合考慮,Ni因其固有穩(wěn)定性、高活性和低成本,可作為研究的首選金屬。商業(yè)Raney Ni作為一種由帶有多孔結(jié)構(gòu)的鎳鋁合金的細(xì)小晶粒組成的多相非貴金屬催化劑,常用于醛酮等含有不飽和鍵化合物的氫化還原反應(yīng)。

綜上所述,本文從糠胺的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)角度,以氨水為氨源,選取商業(yè)Raney Ni用于糠醛還原胺化制備糠胺,考察溶劑、時間、溫度、氫氣壓力、催化劑用量等因素的影響,以期開發(fā)非貴金屬催化劑作用下高效轉(zhuǎn)化糠醛制糠胺反應(yīng)工藝。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：多釜串聯(lián)高壓反應(yīng)裝置(型號：SLM25，生產(chǎn)廠家：北京世紀(jì)森朗儀器有限公司)；氣相色譜儀(型號：Agilent 7820A，生產(chǎn)廠家：安捷倫科技有限公司)；電子分析天平(型號：BS224S，生產(chǎn)廠家：德國賽多利斯股份公司)；低速離心機(jī)(型號：SC2546，生產(chǎn)廠家：科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司)。

試劑：氨水(25%～28%)、糠醛(AR)、1,4-二氧六環(huán)(AR)、N-甲基吡咯烷酮(AR)、Raney Ni(W-2型,≤50 μm),均購自阿拉丁試劑有限公司。

1.2 糠胺的合成

在25 mL間歇式高壓反應(yīng)釜中依次加入1,4-二氧六環(huán)(10 mL)、糠醛(10 mmol)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)(200 μL)、氨水(20 mmol)和Raney Ni(0.03 g),封釜,通入H2反復(fù)吹掃5次置換出釜內(nèi)的空氣,通入2 MPa H2。升溫至130 ℃開啟攪拌,開始反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后,取樣、離心,取上層清液采用氣相色譜儀(Agilent 7820A)對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定量分析以N-甲基吡咯烷酮為內(nèi)標(biāo)物,氫火焰電離檢測器,DB-WAX極性石英毛細(xì)管色譜柱(30.0 m×320 μm×0.25 μm)]。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫壓的影響

表1為90 ℃下探究氫壓對Raney Ni催化劑上糠醛還原胺化制糠胺反應(yīng)的影響結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn),0.5 MPa H2時,糠胺選擇性較低,僅為28.1%,主要產(chǎn)物為席夫堿副產(chǎn)物(Entry 1)。隨著氫壓增大,席夫堿副產(chǎn)物含量降低,目標(biāo)產(chǎn)物糠胺選擇性增大,反映了席夫堿可以通過氫解步驟向伯胺轉(zhuǎn)化。氫壓為2 MPa時,糠胺選擇性最高,為78.6%(Entry 4)。進(jìn)一步增大氫壓,糠胺選擇性開始下降,呋喃環(huán)加氫產(chǎn)物四氫糠胺和羰基加氫副產(chǎn)物糠醇含量增加,表明高氫高壓不利于糠胺的生成。

2.2 反應(yīng)溫度的影響

在70～170 ℃考察了反應(yīng)溫度的影響,結(jié)果如表2所示。由表2可以看出,溫度對糠胺的選擇性影響較大。反應(yīng)溫度為70 ℃時,產(chǎn)物主要為席夫堿,糠胺選擇性不到20%(Entry 1)。升高溫度可以顯著提高糠胺的選擇性,在130 ℃時糠胺選擇性達(dá)到最大值(96.3%,Entry 4)。進(jìn)一步升溫對糠胺的選擇性沒有積極影響,相反,溫度的升高會導(dǎo)致糠胺直接加氫生成四氫糠胺副產(chǎn)物,同時體系中出現(xiàn)聚合物。由此可以推斷,反應(yīng)溫度低于130 ℃不足以在3 h內(nèi)將糠醛轉(zhuǎn)化為糠胺,但溫度過高會導(dǎo)致過度加氫和聚合副反應(yīng)發(fā)生。另外,隨著溫度升高,席夫堿含量降低,但沒有明顯的仲胺生成,說明席夫堿可以轉(zhuǎn)化為糠胺。綜合考慮,認(rèn)為130 ℃為適宜的反應(yīng)溫度。

2.3 物料比[n(糠醛)/n(氨水)]的影響

表3為探究糠醛/氨水(摩爾比)對糠醛還原胺化制糠胺的影響結(jié)果。保持底物10 mmol,改變氨水用量來調(diào)整n(糠醛)/n(氨水)。整個過程中,糠醛均能完全轉(zhuǎn)化,底物與氨水的摩爾比為1/1時,糠胺選擇性僅41.4%,同時存在大量席夫堿和仲胺副產(chǎn)物(Entry 1)。增加氨水用量,糠胺選擇性增大,在n(糠醛)/n(氨水)=1/2時達(dá)到最高(96.3%,Entry 3)。進(jìn)一步加大氨水用量,糠胺選擇性開始下降,且出現(xiàn)聚合物。據(jù)報道,在氨和氫存在下,席夫堿可以通過與氨反應(yīng)形成仲胺,后氫解得到伯胺[27]。這可能是過量的氨水可提高伯胺選擇性的原因。然而,過量的氨水會降低糠胺的選擇性,這可能由于NH3在金屬活性中心上的競爭性占據(jù),抑制了金屬催化劑的加氫性能,導(dǎo)致副產(chǎn)物的形成。

表3 糠醛/氨水(摩爾比)對糠醛還原胺化制糠胺的影響Table 3 Effect of furfural/ammonia (molar ratio)on reductive amination of furfural to furfurylamine

2.4 溶劑種類的影響

表4為3種極性溶劑甲醇、乙醇、異丙醇和3種非極性溶劑四氫呋喃、二甲基亞砜、1,4-二氧六環(huán)對糠醛還原胺化制糠胺的影響結(jié)果。3種極性溶劑中,糠胺選擇性順序為異丙醇>乙醇>甲醇(Entry 1～3)；非極性溶劑中,二甲基亞砜體系幾乎無糠胺生成(Entry 5)。全部反應(yīng)過程中,均存在少量副產(chǎn)物,表明溶劑對副產(chǎn)物生成無顯著影響,1,4-二氧六環(huán)中糠胺選擇性最高,在130 ℃下反應(yīng)3 h,糠胺收率96.3%(Entry 6)。

表4 溶劑對糠醛還原胺化制糠胺的影響Table 4 Effect of solvent on reductive amination of furfural to furfurylamine

2.5 反應(yīng)時間的影響

為了進(jìn)一步了解糠醛還原胺化反應(yīng),考察了130℃下的反應(yīng)動力學(xué),結(jié)果如表5所示。在反應(yīng)開始時,糠醛以極快的速率轉(zhuǎn)化,0.5 h時轉(zhuǎn)化率為99.3%,此時糠胺選擇性為35.9%,席夫堿選擇性為54.9%(Entry 1)。這可歸因于伯胺比氨具有更強(qiáng)的親核性,導(dǎo)致反應(yīng)初始形成的糠胺與剩余的糠醛立即反應(yīng)形成席夫堿[27]。隨著反應(yīng)時間延長,席夫堿含量開始降低,糠胺含量迅速增加。反應(yīng)3 h,幾乎所有席夫堿均轉(zhuǎn)化為糠胺,選擇性為96.3%(Entry 4)。在整個過程中,副產(chǎn)物仲胺的含量很低。結(jié)果表明,席夫堿中間體主要是氫解生成糠胺,其次才是席夫堿中間體加氫生成仲胺,與文獻(xiàn)報道一致[20]。此外,反應(yīng)中糠醇選擇性基本保持不變,表明羰基的氫化反應(yīng)發(fā)生在反應(yīng)的初始階段。

表5 反應(yīng)時間對糠醛還原胺化制糠胺的影響Table 5 Effect of reaction time on reductive amination of furfural to furfurylamine

綜合以上結(jié)果,總結(jié)了糠醛還原胺化反應(yīng)路徑(Scheme 1):糠醛和氨反應(yīng)預(yù)先形成亞胺中間體,隨后加氫生成糠胺。此過程中,由于羰基比氨具有更高的親核性,生成的糠胺易與糠醛反應(yīng),生成席夫堿、仲胺等副產(chǎn)物,高溫高壓下體系會生成羰基氫化反應(yīng)副產(chǎn)物四氫糠胺[10],此外,席夫堿可以通過氫解轉(zhuǎn)化為糠胺,反應(yīng)初期糠醛可以被直接加氫生成糠醇。該結(jié)果與文獻(xiàn)中描述一致。

Scheme 1

2.6 催化劑用量的影響

催化劑用量對反應(yīng)進(jìn)程有重要影響,結(jié)果如表6所示。Raney Ni用量0.01 g時糠胺選擇性僅為53.1%(Entry 1),伴隨一定比例聚合物生成。催化劑增加到0.03 g,糠胺選擇性明顯上升,為96.3%,此時副產(chǎn)物含量達(dá)到最低值(Entry 2)。繼續(xù)增加催化劑用量,目標(biāo)產(chǎn)物選擇性開始下降,副產(chǎn)物四氫糠胺含量明顯增加(Entry 6～8),表明催化劑用量過多會導(dǎo)致活性過高發(fā)生深度加氫反應(yīng),因此,Raney Ni最佳用量為0.03 g,為反應(yīng)底物糠醛質(zhì)量的3%。

表6 催化劑用量對糠醛還原胺化制糠胺的影響

2.7 催化劑表征

W-2型商用Raney Ni由Ni/Al比為1/1的Ni-Al合金制備,活化后催化劑組成為Ni含量≥90%,Al≤8%。為進(jìn)一步探索催化劑與催化性能之間的關(guān)系,用XRD對Raney Ni進(jìn)行了表征,結(jié)果如圖1所示。新Raney Ni和使用后的Raney Ni均在相同位置出現(xiàn)了3個明顯的衍射峰,為2θ=44.4°,51.8°和76.4°,分別歸屬于Ni0的(111)、(200)和(220)晶面(PDF#01-089-7128),證明Ni0是催化反應(yīng)的活性中心,與文獻(xiàn)描述一致[29]。

2θ/(°)

以氨水為氨源,以商業(yè)Raney Ni作為催化劑進(jìn)行糠醛還原胺化反應(yīng)合成糠胺。結(jié)果表明,在10 mL 1,4-二氧六環(huán)中,0.03 g Raney Ni、n(糠醛)/n(氨水)=1/2、130 ℃、2.0 MPa H2條件下反應(yīng)3 h,糠醛轉(zhuǎn)化率100%,糠胺選擇性高達(dá)96.3%。該工藝催化劑價廉易得、催化劑用量低、目標(biāo)產(chǎn)物糠胺收率高,具有廣闊的應(yīng)用前景。