申请/专利权人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

申请日：2018-10-11

公开（公告）日：2021-04-13

公开（公告）号：CN109134270B

主分类号：C07C209/36(20060101)

分类号：C07C209/36(20060101);C07C211/48(20060101);C07C211/51(20060101);C07C211/52(20060101);C07C213/02(20060101);C07C215/76(20060101);C07C217/84(20060101);C07D213/74(20060101);C07D241/04(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.13#授权;2019.01.29#实质审查的生效;2019.01.04#公开

摘要：本发明公开了一种以硝基化合物为原料直接N‑甲基化反应的方法，所述方法采用Cu基催化剂和聚甲醛，可实现温和条件下的硝基化合物的直接N‑甲基化反应。

主权项：1.一种硝基化合物的直接N-甲基化反应方法，所述方法由以下反应式1表示： 其中，反应起始物芳硝基化合物中取代基R选自氢、卤素、羟基、氨基、C1至C6的烷基和C1至C6的烷氧基；所述取代基R为1个或多个；所述取代基X选自C或N；所述方法如下进行：将芳硝基化合物、多聚甲醛、碱、催化剂和溶剂加入反应器中，40～150℃反应4-24h，然后冷却至室温，用气相色谱进行检测分析；其中芳硝基化合物与多聚甲醛的摩尔比例为1:10至1:20；所述多聚甲醛为白色固体甲醛，分子量30，聚合度为12；所述催化剂为Cu-Al复合型催化剂，表面Cu组分包含Cu0、Cu+两种价态分散于Al2O3表面，其比表面积为20至60m2g；所述催化剂为Cu-Al复合型催化剂中Cu含量为55～79wt％，Al含量为11～24wt％。

全文数据：一种硝基化合物N-甲基化的反应方法技术领域本发明属于精细化工领域，涉及一种以硝基化合物为原料直接N-甲基化反应的方法，所述方法采用Cu基催化剂和聚甲醛，可实现温和条件下的硝基化合物的直接N-甲基化反应。背景技术甲基化反应在有机合成和生物过程中具有重要意义，其产物在染料、医药合成、农用化学品及精细化学品等领域占据重要地位。甲基化反应的传统合成路线主要以苯胺和N-甲基化试剂为原料。工业上，苯胺主要通过硝基苯催化加氢还原法制得，其生产总量高达苯胺产量的85％。由于芳香硝基化合物原料易得、价格便宜，因此，从硝基苯出发直接合成N-甲基苯胺和N,N-二甲基苯胺，意义更为深远。另一方面，常用的甲基化试剂，如卤甲烷、硫酸二甲酯和重氮甲烷等多为有毒、致癌化合物，亟需开发新的甲基化试剂。近年来随着环境保护意识的增强，以及“绿色化学”概念的提出，碳酸二甲酯、甲醇、甲醛以及CO2等绿色甲基化试剂逐渐引起人们的关注。以绿色甲基化试剂为碳源，从硝基苯出发，合成N-甲基苯胺和N,N-二甲基苯胺成为一条重要的合成路线，引起国内外研究者的关注。虽然有研究者实现了硝基苯到N,N-二甲基苯胺的还原，但反应条件较为苛刻，需要在较高的温度和压力下进行，对设备要求高；且催化剂存在或成本昂贵，或污染环境，或使用寿命短、难以回收储存等缺点。例如，曹勇等ChemSusChem2015,8,3029-3035采用贵金属催化剂Aurutile催化硝基化合物的N-甲基化反应，该反应中，HCOOH为碳源，H2为还原剂，高反应压力PH2＝40bar和高反应温度T＝140℃对反应装置提出了较高的要求。石峰等Chem.Sci.,2014,5,649–655.从CO2H2出发，采用CuAlOx催化剂也实现了硝基化合物的N-甲基化反应，但反应条件十分严苛，3.0MPaCO2,7.0MPaH2,170℃,48h。综上，以硝基苯为原料，开发新型高效稳定的催化剂是实现温和条件下硝基化合物直接N-甲基化反应合成路线的研究重点。发明内容针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种以硝基化合物，特别是硝基苯类化合物为反应底物，在Cu基催化剂的存在下，与聚甲醛反应以CH2On为甲基化试剂和还原剂，实现温和条件下硝基化合物的直接N-甲基化反应的方法。所述方法由以下反应式1表示：其中，反应起始物芳硝基化合物中取代基R选自氢、卤素、羟基、氨基、C1至C6的烷基和C1至C6的烷氧基；优选地为氢、氯、溴、羟基、氨基、C1至C3的烷基和C1至C3的烷氧基；更优选为氢、氯、溴、羟基、氨基、甲基、乙基、甲氧基、乙氧基。所述取代基R可以1个或多个，优选为1至3个，更优选为1个，2个或3个，更优选为1个或2个，更优选为1个。所述取代基X选自C或N。根据本发明所述的方法如下进行：将芳硝基化合物、多聚甲醛、碱、催化剂和溶剂加入反应器中，40～150℃反应4-24h，然后冷却至室温，用气相色谱进行检测分析。其中芳硝基化合物与多聚甲醛的摩尔比例为1:10至1:20。所述碱选自无机碱和有机碱，所述无机碱包括Na2CO3、NaOH、K2CO3、KOH、Cs2CO3等以及所述有机碱包括DBU、TEA、DIPEA等，优选地所述碱为Na2CO3；所述碱的用量为所述芳硝基化合物的0.5至4倍当量，优选为1至3倍当量，更优选为1.5至2倍当量。所述溶剂选自水、二甲亚砜DMSO、N,N-二甲基甲酰胺DMF、甲苯、1,4-二氧六环和四氢呋喃THF等中的一种或多种，优选为水和二甲亚砜的混合溶剂，其中H2O与DMSO的体积比为1:1。所述多聚甲醛为白色固体甲醛国药试剂，分子量30，聚合度约为12。所述催化剂为Cu-Al复合型催化剂，其比表面积为20至60m2g，优选为30至50m2g。所述催化剂为Cu-Al复合型催化剂中Cu含量为55～79wt％，Al含量为11～24wt％。所述反应温度优选为60～150℃。所述反应时间优选为5-30h，更优选为12-18h。所述Cu-Al复合型催化剂是由铜、铝金属盐共沉淀得到的Cu-Al型水滑石型复合氧化物，然后经H2还原后得到的高分散型金属Cu催化剂，该催化剂表面Cu组分包含Cu0、Cu+两种价态，分散于Al2O3表面，该材料的比表面积为38.5m2g，Cu含量为55～79wt％，Al含量为11～24wt％。所述Cu-Al复合型催化剂可以按照如下方法制备：1将Cu盐和Al盐配成混合金属盐溶液；2将NaOH和Na2CO3配制成沉淀剂溶液；3将混合金属盐溶液和沉淀剂溶液同时逐滴加入到去离子水中，在室温搅拌条件下沉淀，滴加结束后，转移到60℃油浴中老化；4老化后趁热抽滤，然后多次用去离子水洗涤、抽滤，滤饼于真空干燥箱中60℃下干燥过夜；5在H2N2气氛下于管式炉中300℃还原6h，得到所述Cu-Al复合型催化剂。有益效果本发明与现有技术相比具有如下优势：1、与传统芳硝基化合物还原、甲基化反应常用的贵金属催化剂相比，本发明以金属铜为活性组分制备的多相催化剂价格低廉、储量丰富、化学活性稳定以及易分离和回收。2、本发明采用共沉淀法制备CuAl水滑石型材料，工艺简单、成本低、制备条件容易控制，可实现大规模工业化生产。充分利用水滑石材料结构上的优点，巧妙引入Cu元素，制备出高度分散、热稳定性良好、组分间相互作用强，有较强碱性位的Cu基催化剂。3、本发明所述的以水滑石为前驱体的Cu催化剂在芳硝基化合物的直接N-甲基化反应中表现出良好的催化活性和稳定性。该催化剂对芳硝基化合物的底物适用范围广泛，无论底物是被供电子基团取代还是被吸电子基团取代，均能有效转化为目标产物，而且还原性官能团和卤素均能在反应过程中完好保留。催化剂稳定性高，循环利用五次以后活性未见明显下降。4、反应过程中以CH2On为甲基化试剂，代替了传统合成路线中有毒甲基化试剂的使用，环境友好，符合“绿色化学”概念。而且CH2On在该催化剂下可分解产氢，完成还原过程，避免了氢气的使用。操作简单，无高温高压要求，反应条件温和，更容易控制。附图说明图1为根据实施例1制备的CA-HTlcs水滑石材料的扫描电镜图；图2为根据实施例1制备的还原后Cu基催化剂的高分辨透射电镜图。具体实施方式以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。以类水滑石材料为前驱体焙烧制备的复合金属氧化物具有阴阳离子易调变、金属元素分布均匀、热稳定性高、较强的碱性以及各离子间相互作用强等优点。Cu基催化剂是常用的优良加氢催化剂，其价格低廉、可有效催化活化HCHO、CO2H2等，且在选择性加氢反应中表现出较高的选择性。拟利用水滑石结构诸多优点，将元素Cu引入水滑石材料中，合成前驱体为类水滑石结构的Cu基催化剂，以CH2On为甲基化试剂和还原剂，实现温和条件下硝基化合物的直接N-甲基化反应。在根据本发明的硝基化合物的直接N-甲基化反应的方法中，所述芳硝基化合物与多聚甲醛的摩尔比例为1:10至1:20,该比例范围，使反应体系具有合适的H2浓度，从而保证了适宜的的反应速度，在满足上述条件的前提下，可尽可能减少多聚甲醛用量。所述碱的作用主要是调节体系pH，促进多聚甲醛的解聚。所述碱选自无机碱和有机碱，所述无机碱包括Na2CO3、NaOH、K2CO3、KOH、Cs2CO3等以及所述有机碱包括DBU、TEA、DIPEA等，优选地所述碱为Na2CO3；所述碱的用量为所述芳硝基化合物的0.5至4倍当量，优选为1至3倍当量，更优选为1.5至2倍当量。当所述碱选自以上范围且用量在上述范围时，反应过程反应性最佳。所述溶剂选自水、二甲亚砜DMSO、N,N-二甲基甲酰胺DMF、甲苯、1,4-二氧六环和四氢呋喃THF等中的一种或多种，优选为水和二甲亚砜的混合溶剂，其中H2O与DMSO的体积比为1:1，在保证所有原料充分溶解的条件下，可尽可能减少用量。以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。材料表征所用仪器：透射电子显微镜：型号为H-7650，生产厂家为日本Hitachi日立公司XPS：型号为ESCALAB250Xi，生产厂家为英国ThermoScientific公司物理吸附仪：型号为ASAP2020，生产厂家为美国micrometritics公司ICP-AES：型号为5300DV，生产厂家为美国PerkinElmerOptima公司实施例1：以水滑石为前躯体的Cu基催化剂的制备将CuNO32·3H2O、AlNO33·9H2O以摩尔比2:1配制成金属离子的总浓度为1molL-1的混合金属盐溶液；将NaOH、Na2CO3以摩尔比5:1配制成配制成Na离子的总浓度为1.2molL-1的沉淀剂溶液。用滴液漏斗将金属盐溶液和沉淀剂溶液同时逐滴加入到去离子水体积与金属混合盐溶液相同中，在室温搅拌条件下沉淀，通过控制金属盐与沉淀剂的滴加速度使体系pH保持在10.0±0.2。滴加结束后，转移到60℃油浴中老化15h，体系的颜色逐渐由蓝色变为黑灰色。老化后趁热抽滤，然后多次用去离子水洗涤、抽滤，直至无Na+检测出。滤饼于真空干燥箱中60℃下干燥过夜，得到铜铝水滑石材料CA-HTlcs。于管式炉中在H2N2气氛下于管式炉中300℃还原6h，得到以水滑石为前躯体的Cu基催化剂CA。通过ICP测得该铜基催化剂中Cu含量为70.4wt％，Al含量为13.2wt％；通过XPS测得该催化剂还原后铜元素由Cu0和Cu+组成；通过N2吸附-脱附法测得该催化剂的比表面积为38.5m2g-1。图1为根据本实施例制备的CA-HTlcs水滑石材料的扫描电镜图，图2为根据本实施例制备的经过H2还原后Cu基催化剂的高分辨透射电镜图。如图1所示，样品主要由生长良好的薄片状晶粒组成，表明了水滑石材料片状结构的形成。如图2所示，金属Cu颗粒分散地分布在氧化铝表面。实施例2：Cu基催化剂催化硝基化合物的N-甲基化反应在厚壁玻璃反应管中加入6mg实施例1中制备的Cu催化剂，然后依次加入0.25mmol对硝基甲苯、150mg多聚甲醛、0.5mmolNaCO3和3mL溶剂H2ODMSO＝1:1，将反应管置于油浴中搅拌状态下130℃反应15h，冷却至室温后，用气相色谱检测分析。结果显示对硝基甲苯的转化率为100％，产物对甲基N,N-二甲基苯胺的选择性为100％。实施例3至10与实施例2操作步骤相同，改变芳硝基化合物即底物的种类，在实施例1中制备的Cu基催化剂的存在下，完成其他芳硝基化合物的N-甲基化反应，各底物生成相应甲基化产物的收率如表1所示：表1由实施例1至10的结果可以看出，根据本发明的硝基化合物的直接N-甲基化反应的方法可以有效地将多种硝基化合物底物以高收率转换为N-甲基化产物，并且根据本发明的方法经济高效，有利于大规模工业化生产。

权利要求：1.一种硝基化合物的直接N-甲基化反应方法，所述方法由以下反应式1表示：其中，反应起始物芳硝基化合物中取代基R选自氢、卤素、羟基、氨基、C1至C6的烷基和C1至C6的烷氧基；优选地为氢、氯、溴、羟基、氨基、C1至C3的烷基和C1至C3的烷氧基；更优选为氢、氯、溴、羟基、氨基、甲基、乙基、甲氧基、乙氧基；所述取代基R可以1个或多个，优选为1至3个，更优选为1个，2个或3个，更优选为1个或2个，更优选为1个；所述取代基X选自C或N；所述方法如下进行：将芳硝基化合物、多聚甲醛、碱、催化剂和溶剂加入反应器中，40～150℃反应4-24h，然后冷却至室温，用气相色谱进行检测分析；其中芳硝基化合物与多聚甲醛的摩尔比例为1:10至1:20。2.根据权利要求1所述的硝基化合物的直接N-甲基化反应方法，其特征在于，所述碱选自无机碱和有机碱，所述无机碱包括Na2CO3、NaOH、K2CO3、KOH、Cs2CO3等以及所述有机碱包括DBU、TEA、DIPEA等，优选地所述碱为Na2CO3；所述碱的用量为所述芳硝基化合物的0.5至4倍当量，优选为1至3倍当量，更优选为1.5至2倍当量。3.根据权利要求1所述的硝基化合物的直接N-甲基化反应方法，其特征在于，所述溶剂选自水、二甲亚砜DMSO、N,N-二甲基甲酰胺DMF、甲苯、1,4-二氧六环和四氢呋喃THF等中的一种或多种，优选为水和二甲亚砜的混合溶剂，其中H2O与DMSO的体积比为1:1。4.根据权利要求1所述的硝基化合物的直接N-甲基化反应方法，其特征在于，所述多聚甲醛为白色固体甲醛，分子量30，聚合度约为12。5.根据权利要求1所述的硝基化合物的直接N-甲基化反应方法，其特征在于，所述反应温度优选为60～150℃；所述反应时间优选为5-30h，更优选为12-18h。6.根据权利要求1所述的硝基化合物的直接N-甲基化反应方法，其特征在于，所述催化剂为Cu-Al复合型催化剂，其比表面积为20至60m2g，优选为30至50m2g；所述催化剂为Cu-Al复合型催化剂中Cu含量为55～79wt％，Al含量为11～24wt％；所述Cu-Al复合型催化剂表面Cu组分包含Cu0、Cu+两种价态，分散于Al2O3表面，该材料的比表面积为38.5m2g，Cu含量为55～79wt％，Al含量为11～24wt％。7.根据权利要求6所述的硝基化合物的直接N-甲基化反应方法，其特征在于，所述Cu-Al复合型催化剂可以如下制备：1将Cu盐和Al盐配成混合金属盐溶液；2将NaOH和Na2CO3配制成沉淀剂溶液；3将混合金属盐溶液和沉淀剂溶液同时逐滴加入到去离子水中，在室温搅拌条件下沉淀，滴加结束后，转移到60℃油浴中老化；4老化后趁热抽滤，然后多次用去离子水洗涤、抽滤，滤饼于真空干燥箱中60℃下干燥过夜；5在H2N2气氛下于管式炉中300℃还原6h，得到所述Cu-Al复合型催化剂。

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