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硝基芳烃与醇还原胺化:催化剂和催化机制

杨萍 ,  刘敏节 ,  张昊 ,  郭雯婷 ,  吕朝阳 ,  刘迪

化学进展 ›› 2020, Vol. 32 ›› Issue (1) :72-83

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化学进展 ›› 2020, Vol. 32 ›› Issue (1) :72-83 DOI: 10.7536/PC190501
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硝基芳烃与醇还原胺化:催化剂和催化机制

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Reductive Amination of Nitroarenes and Alcohols: Catalyst and Catalytic Mechanism

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摘要

胺类化合物由于其化学结构和性质上的特点,在合成药物、染料和精细化学品等方面有着重要的应用。胺类化合物的合成方法很多,其中硝基芳烃与醇还原胺化反应由于可以“一锅”法将性质稳定、来源广泛的硝基芳烃、醇转化为各类胺类化合物,且无需提供额外的氢源,从而成为研究的热点。本文即以硝基芳烃与醇还原胺化反应路径为主线,从催化剂及其催化机制两方面对硝基芳烃与醇还原胺化反应的研究进展进行综述,分别对已开发的贵金属催化剂、光催化剂及一些其他类型催化剂作了介绍,重点阐述了催化剂的催化性能、底物适用范围和催化机制。尽管目前各类催化体系都已取得较大的进展,但在一定程度上依然存在着催化剂成本高,底物适应性窄,需要大量使用碱性助剂、溶剂、供氢试剂等问题。基于以上问题,本文指出硝基芳烃与醇还原胺化应重点发展绿色高效、廉价、普适性好、通用性强的催化体系;同时,还要系统地对各种催化剂的催化机制进行深入的研究,为催化体系的开发提供指导。

Abstract

Amine compounds have been widely applied in the field of pharmaceuticals, dyes and fine chemicals due to its characteristics of chemical structure and property. Many methods for the synthesis of amine compounds are available, in which the reductive amination of nitroarenes and alcohols has attracted extensive attention because nitroarenes and alcohols with the advantages of good accessibility and stable chemical properties can directly be converted to amines by one-pot method without additional hydrogen sources. The recent progress is summarized from two aspects: catalyst and catalytic mechanism based on reaction pathways of the reductive amination of nitroarenes in this article. We introduce all kinds of catalytic systems in detail such as noble metal, photocatalyst, and so on, the catalytic performance, applicability and catalytic mechanism of which are highlighted. It needs to be pointed out that these catalytic systems show varying degrees of success as well as limitations like high cost of catalyst, narrow applicable range of substrates, excessive exogenous base, additional hydrogen source and/or toxic organic solvents. Based on the above problems, it would be desirable to develop a green, efficient, inexpensive and universal catalytic system, the catalytic mechanism of various catalysts should be systematically studied to provide guidance for the development of catalytic system on the other hand.

Graphical abstract

关键词

硝基芳烃 / 醇 / 还原胺化 / 胺类化合物 / 贵金属 / 光催化剂 / 催化机制

Key words

nitrobenzenes / alcohols / reductive amination / amines / noble-metal / photocatalyst / catalytic mechanism

引用本文

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杨萍, 刘敏节, 张昊, 郭雯婷, 吕朝阳, 刘迪. 硝基芳烃与醇还原胺化:催化剂和催化机制[J]. 化学进展, 2020, 32(1): 72-83 DOI:10.7536/PC190501
Ping Yang, Minjie Liu, Hao Zhang, Wenting Guo, Chaoyang Lv, Di Liu. Reductive Amination of Nitroarenes and Alcohols: Catalyst and Catalytic Mechanism[J]. Progress in Chemistry, 2020, 32(1): 72-83 DOI:10.7536/PC190501

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Contents

1 Introduction

2 Reductive amination of nitrobenzenes and alcohols to imines

2.1 Noble-metal catalysts

2.2 Photocatalysts

2.3 Other catalysts

3 Reductive amination of nitrobenzenes and alcohols to secondary amines

3.1 Noble-metal catalysts

3.2 Photocatalysts

3.3 Other catalysts

4 Reductive amination of nitrobenzenes and alcohols to tertiary amines

4.1 Ruthenium catalysts

4.2 Gold catalysts

5 Reductive amination of nitrobenzenes and alcohols to amides

6 Conclusion and outlook

1 引言

胺可以看作是氨分子中的H被烃基取代的衍生物,是一类重要的有机中间体。胺中氮原子上有一对孤对电子,能够与大部分金属离子形成配合物,广泛应用于催化化学、配位化学以及材料学等领域[1,2,3,4]。同时,胺类化合物具有良好的生物学活性和生物相容性,在医药、农用化学品、染料和精细化学品等领域的发展过程中也占据重要的作用[5,6,7,8]。尽管胺类化合物的合成方法很多[9,10,11],但是随着人们环保、原子经济性要求的不断提高,开发简单、高效、绿色的胺类化合物合成路线依然是非常必要的。基于此,一些新兴的胺类化合物合成方法发展起来,如胺胺氧化偶联反应、胺与醇的氧化缩合反应、仲胺的氧化脱氢反应、硝基芳烃与醇的直接还原偶联等(见图1)。最近,硝基芳烃与醇直接还原偶联合成胺类化合物引起了人们的兴趣,此合成路线通过所谓的“借氢策略”实现了芳香醇脱氢、硝基芳烃转移加氢还原及醛与胺缩合的多步反应向“一锅法”的转化。这里,醇既用作烷基化试剂,也是氢源,这样就不需要提供额外的供氢试剂[12]。相对于以上的合成方法,此路线具有以下优点:原料为硝基芳烃和醇,具有性质稳定、来源广泛、价格低廉等优点,且“一锅法”的转化大大简化了实验步骤,避免了硝基化合物加氢制苯胺步骤以及由此带来的产物分离纯化过程;同时,硝基芳烃与醇还原胺化反应具有可控性,通过改变反应条件和催化体系,可以控制反应路径从而合成出不同类型的胺类化合物,包括亚胺、仲胺、叔胺和酰胺等,而其他方法只能合成出一两种胺类化合物。因此,基于以上的优势和特点,硝基芳烃与芳香醇还原胺化为胺类化合物的合成提供了简单、有效、通用的方法,已经受到越来越多研究者的关注。

本文即以硝基芳烃与醇还原胺化反应路径为脉络,从催化体系及催化机理两方面对硝基芳烃与醇的还原胺化研究进展进行综述。

2 硝基芳烃与醇还原胺化合成亚胺

如前所述,硝基芳烃与醇直接还原胺化反应可以合成出亚胺、仲胺等多种胺类化合物,其中合成亚胺路线研究最为广泛、深入。目前,用于硝基芳烃与醇还原胺化合成亚胺常见的催化剂有贵金属和光催化剂。

2.1 贵金属催化剂

硝基芳烃与醇还原偶联合成亚胺需要经过脱氢、转移加氢等步骤,而贵金属催化剂具有很强的活化氢能力,因此贵金属催化剂在该反应中被广泛应用,常用的贵金属包括Ir、Pd、Ru、Ag和Au等。

2.1.1 Ir/Pd、IrIII-AuI双金属配合物催化剂

Zanardi等[12]开发了一种双贵金属Ir/Pd配合物,在碱Cs2CO3辅助下,用于催化苯甲醇与硝基苯还原胺化。通过对催化剂的优选,确认双金属Ir/Pd配合物比单金属Pd配合物和Ir配合物具有更好的催化性能。底物普适性研究显示,除苯乙烯醇外,该催化体系对带有不同取代基的醇、硝基芳烃反应都以适中或较高的产率得到亚胺(如表1所示)。在此研究中,醇是远远过量的,在反应中既是反应物,又起到溶剂作用。随后,他们又发展了IrIII-AuI双贵金属配合物催化剂,相对于AuI配合物,金属Ir的引入有利于提高亚胺的选择性。并对配合物催化剂催化硝基芳烃与醇还原胺化的可能反应路径进行了研究[13]。如图2所示,硝基苯还原得到苯胺的两种可能的反应路径,一种是直接加氢还原,此过程涉及亚硝基和羟基中间体的顺序加氢/脱水;第二种是聚合路线,首先硝基苯经过加氢/脱水生成亚硝基和羟基中间体,中间体经发生缩合反应生成偶氮氧化合物,后经过氢化/脱水步骤得到偶氮化合物,偶氮化合物氢化生成肼,肼经过进一步加氢解离得到苯胺。最后一步反应是苯胺与醇氧化形成的醛缩聚生成相应的亚胺。设计实验结果显示,不同的催化剂对硝基苯生成苯胺的还原机制不同,其中单金属Au配合物采用直接加氢还原的路线,而含铱的单金属Ir配合物和异双金属IrIII-AuI配合物则采用聚合路线。

2.1.2 Au-Pd、Ru-Pd催化剂

Sankar等[14]制备了TiO2负载的Au-Pd和Ru-Pd双金属催化剂,结果表明这些催化剂在三甲基苯中,无碱的情况下就能催化硝基芳烃和芳族醇合成亚胺,并且双金属催化剂性能高于单金属催化剂,原因在于双金属催化剂金属之间存在电子效应和颗粒稳定效应。特别指出,无碱的反应体系使其具备了绿色环保的优点。

2.1.3 钌催化剂

2011年,Cano等[15]以浸渍法制备的Ru(OH)3-Fe3O4为催化剂,甲苯作为溶剂,在无机碱的辅助下,用于催化芳香醇与硝基芳烃的还原胺化,反应3 d得到了目标产物亚胺。碱的用量对反应具有显著的影响,带有不同取代基的苯甲醇、硝基苯均可反应获得相应的亚胺。另外,多孔碳材料负载的金属Ru也被作为催化剂催化硝基苯与苯甲醇“一锅法”合成N-亚苄基苯胺[16]。陆晓蕾等[16]主要考察了Ru负载量、碱性助剂用量和反应时间对催化活性的影响,认为Ru粒子的纳米尺寸、高度分散及碱的引入有利于反应的进行。

最近,以RuCl3作为催化剂,碱K2CO3作为助剂的催化体系也被报道[17]。该体系显示出较好的催化性能,带有不同取代基的硝基苯与芳香醇反应可获得72%~99%产率,而且反应是在无溶剂的条件下进行,从而避免了大量有机试剂的使用。

2.1.4 铑催化剂

铑配合物首次被Song等[18]引入用于催化硝基芳烃与芳香醇还原胺化反应。反应条件的考察表明,配体和碱助剂都对催化活性有很大的影响,他们认为原因是配体能够稳定催化中间体-铑的氢化物,而碱Cs2CO3能够促进醇的脱氢,并提出了可能的催化机理(图3)。

2.1.5 钯催化剂

贵金属钯催化剂在硝基芳烃与醇的还原胺化反应中也表现出较好的催化活性。Tang等[19]以PdCl2和鱼精DNA为原料制备了Pd/DNA催化剂,在碱LiOH·H2O协助下,硝基芳烃与四当量的醇能在50 ℃下反应获得中等至高产率的亚胺。反应条件温和,且水为溶剂,展现了此催化体系环保、节能的优点。另外,水滑石负载的钯催化剂(Pd/HT)也被制备用于硝基芳烃与芳香醇的还原偶联合成亚胺。和Pd/DNA相比,Pd/HT催化剂的优势为可以在无外源碱辅助情况下实现芳香醇与硝基芳烃还原胺化反应。表征结果显示这主要是由于水滑石表面富含羟基基团,这些羟基基团起到了外源碱的作用[20]。这也给了我们启示,通过对催化剂进行碱的集成,可以避免外源碱的使用,从而简化反应体系、降低了产物分离的困难和环境污染。

2.1.6 金催化剂

Cui等[21]将Au负载到Ag-Mo纳米棒上,制备出Au/Ag-Mo-NR催化剂,在碳酸钾为碱性助剂、甲苯作为溶剂、甘油作为氢源的条件下,催化硝基芳烃与芳香醇还原胺化反应。发现除了芳香醇与硝基芳烃外,对脂族醇和硝基苯的偶联也有着较好的催化活性。他们还推测了以甘油为氢源合成N-烷基苯胺的反应路径(图4)。甘油氧化形成甘油醛,苯甲醇氧化成苯甲醛,释放的氢将硝基苯还原成苯胺;苯胺与苯甲醛经缩合形成亚胺,且亚胺还能进一步被还原为仲胺。此研究特征就是采用甘油作为氢源。该方法的优点是氢的获取更加容易,有利于反应的进行,同时可以减少反应物醇的用量;缺点是需要额外引入氢源甘油,易发生副反应,增加了反应物体系复杂性和产物分离的难度。

最近,Li等以负载型金为催化剂,固定床为反应器,采用连续流动的方式取代间歇式研究了硝基芳烃与芳香醇还原胺化反应[22],发现Au/TiO2催化剂对硝基苯加氢具有很高的催化活性,而Cu/SiO2苯甲醇脱氢的反应速率比Au/TiO2高10倍,因此他们采用Au/TiO2与Cu/SiO2混装的方法,有效地增加了苯甲醛与苯胺偶联合成亚胺的反应速率,展现出了比单一催化剂更好的催化效果。Au/TiO2与Cu/SiO2之间协同催化作用如图5所示。以连续流动的方式硝基芳烃与芳香醇还原胺化反应具有很高的实用价值,相对于间歇式,连续式反应具有更高的生产效率,特别适合于大宗商品的批量生产。

2.1.7 银催化剂

2016年,Mandi等[23]通过将银纳米颗粒固定在介孔交联聚合物载体上合成了Ag-MCP-1纳米催化剂,并以甘油作为氢源,甲苯为溶剂催化硝基芳烃与芳香醇还原偶联胺化反应。该催化剂催化带有不同吸电子和给电子基团的硝基苯与苯甲醇反应均可生成目标产物亚胺,并且催化剂循环使用5次没有明显的活性损失,证明了催化剂具有良好的稳定性。

由此不难看出,尽管贵金属在硝基芳烃与醇还原胺化反应中显示出良好的催化活性和普适性,但大多情况下还需要添加碱性助剂、大量的溶剂,有时还需要外加氢源,再加上其昂贵的价格,这些大大限制了贵金属的应用。

2.2 光催化

与热催化相比,光催化具有反应条件温和的特点,避免了传统有机合成中苛刻反应条件导致的副反应等缺点,且能够在一定程度上解决合成过程所带来的环境和能源问题。同样,在硝基芳烃与芳香醇的还原胺化反应中,光催化也成为研究的热点。

TiO2由于具有廉价易得、光化学稳定性高和无毒的特点,在光催化中被广泛应用。Hirakawa等[24]使用P25 TiO2作为催化剂,在光照下(λ> 300 nm)成功地催化一系列硝基芳烃与芳香醇合成亚胺(80%~96%)。他们通过从P25 TiO2中分离出金红石型二氧化钛和锐钛矿二氧化钛的活性测试发现,金红石型二氧化钛是醇氧化和硝基芳烃还原的催化活性位,而锐钛矿型二氧化钛由于含有路易斯酸位点能够促进醛和苯胺缩合生成亚胺,因此通过锐钛矿型和金红石型二氧化钛的串联光催化反应,P25 TiO2能够有效地催化硝基芳烃与芳香醇还原胺化反应(图6)。

由于TiO2在光催化体系中具有激发波长过窄的缺陷,光敏化是拓宽TiO2激发波长范围的一种常见方法。基于此,CdS敏化TiO2被用于催化苯甲醇与硝基苯还原偶联合成亚胺[25]。光电化学研究表明,光敏剂CdS与TiO2存在非常明显的协同作用,两者之间形成的异质结能够促进电子和空穴的分离。苯甲醇的光催化氧化在CdS表面上进行,而硝基苯还原氢化合成苯胺在TiO2表面上进行,最终生成的苯甲醛和苯胺经缩合产生亚胺产物(如图7所示)。Nakai等[26]也以CdS敏化TiO2光催化剂,主要研究了底物取代基及溶剂对反应性能的影响(表2)。结果表明,苯甲醇的取代基的电子性质对光催化活性有着显著的影响,主要是由于底物取代基改变CdS光电极的平带电位,并且在非极性溶剂条件下合成的亚胺产物光催化活性高于极性溶剂。

另外,Cd XZn1- XS光催化剂也被用于催化硝基芳烃和芳香醇合成亚胺反应。Wu等[27]就采用湿化学法合成了一系列Cd XZn1- XS(0≤X≤1),在三氟甲苯为溶剂条件下,发现当X为0.78(Cd0.78Zn0.22S)时,催化剂显示了最高的催化性能。该催化剂还显示良好的稳定性,重复使用5次没有明显的活性损失。另外,他们[28]还进一步制备了具有立方尖晶石相的CdIn2S4光催化剂,该光催化剂对带有给电子和吸电子基团的取代基都能合成出相应的亚胺,但是吸电子基团比带有给电子基团的苯甲醇与硝基苯反应合成亚胺的产率要高。

基于贵金属和光催化剂各自的优势,Zhang等[29]就将贵金属和光催化剂相结合制备了Pt修饰的CdS光催化剂。Pt含量为0.03%的催化剂展示了最优的催化活性,可达到纯的CdS的2倍。他们将Pt/CdS催化剂活性增强归因于沉积的Pt可作为电子捕获位点和反应活性位点,对反应物的吸附、氧化还原及芳香醛与苯胺的偶合起到促进作用。

显然,光催化剂催化硝基芳烃与芳香醇的还原胺化反应具有反应条件温和、无需碱性助剂等优点,但仍存在一些需要解决的问题,表现在光催化剂需要有毒的重金属、制备过程相对复杂;反应过程需要使用大量的溶剂和特殊仪器;催化活性、对底物的普适性还需进一步提高。

2.3 其他类型催化剂

在催化科学中,采用廉价的金属取代贵金属催化剂是科技工作者努力的目标,Perez等[30]报道了以非贵金属CuO-Fe3O4为催化剂,甲苯作为溶剂,NaOH为碱性助剂,催化硝基苯与4当量的醇反应3 d得到亚胺。该研究尽管实现了硝基芳烃与醇的非贵金属催化,但明显存在活性低、反应时间长,碱助剂用量大、底物适用范围较窄等缺点需要克服。

基于此现状,在本课题组前期研究的基础上[31,32],我们通过热解、还原步骤制备了在活性炭原位生长的氮掺杂碳纳米管内嵌钴的催化剂(Co-N-C/CNT@AC)[33]。此非贵金属多相催化剂可以在无外源碱、无溶剂的条件下催化醇与硝基芳烃还原胺化反应。一系列的表征显示,催化剂中Co-N物种为催化活性相,而碱性N物种起到了外源碱的作用,同时碳纳米管结构保证了钴颗粒较小的尺寸和较高的分散性。催化剂的普适性研究表明,Co-N-C/CNT@AC对于催化不同取代基的硝基芳烃和芳香醇具有非常好的催化活性,但是对于脂肪醇产率较低(表3)。另外,催化剂的循环使用性能和十克规模级的放大实验结果展示了该催化剂良好的循环利用性和实用性。与其他催化体系相比,该催化剂以常规的过渡金属为活性组分,成本低廉,且不需要使用外源碱、氢供体和有机溶剂,反应体系简单,绿色环保。

在硝基芳烃与醇还原胺化反应制亚胺催化剂中,尽管贵金属催化剂显示出优异的催化性能,但价格昂贵,大多情况下需要使用复杂的有机配体、大量的外源性碱及溶剂;光催化剂虽然反应条件相对温和,往往也需要溶剂催化活性和对不同结构底物的适应性还需进一步加强。其他的廉价、高效的催化剂报道还较少。

3 硝基芳烃与醇还原胺化合成仲胺

研究发现,硝基芳烃与醇还原胺化生成亚胺过程中,亚胺还可进一步被还原得到仲胺,因此也可以硝基芳烃与醇为原料合成仲胺。仲胺的合成对催化剂催化性能有着更高的要求。

3.1 贵金属催化剂

由于贵金属具有较强的加氢和脱氢活性,在硝基芳烃与醇还原合成仲胺反应中被广泛应用。3.1.1 Ru催化剂Liu等[34]以[Ru(acac)3]为催化剂,双(二苯基膦基)乙烷(DPPE)作为配体,KHCO3为碱性助剂,在氯苯溶剂中催化硝基芳烃与醇合成仲胺。该催化体系对各种取代基硝基苯和芳香醇及脂肪醇均具有较好的催化性能。图8显示了他们推测的催化反应机理,先是醇被氧化成醛并将氢转移到Ru催化剂中得到RuH2,钌氢化物将硝基化合物还原为苯胺,然后苯胺和醛反应进一步形成中间体亚胺,借用醇氧化产生的氢在进一步将亚胺还原成仲胺。

Cui等[7]也以Ru配合物[{Ru(p-cymene)Cl2}2]为催化剂、碱K2CO3为助剂催化硝基芳烃与醇合成仲胺。他们考察了不同的配体对催化性能的影响,结果表明在不添加配体的条件下得到的产物是亚胺。当加入配体双(二苯基膦基)苯(DPPB)后,仲胺产率可达93%。在最优的反应条件下,带有不同取代基的硝基苯和芳香醇及脂肪醇均能生成相应的仲胺产物,并且甲醇、乙醇等低碳脂肪醇也可以作为还原剂和烷基化剂有效地与对甲基硝基苯反应(表4)。后来,他们[35]以相对简单的RuCl3为催化剂,三苯基膦为配体,改用甘油作为供氢试剂,在三氟甲苯中催化硝基苯和苯甲醇反应合成仲胺。以甘油作为供氢试剂的反应机理也被探讨(图9),通过GC-MS追踪和对中间产物的1H NMR分析发现,在催化剂作用下,醇氧化成醛,甘油氧化成甘油醛,同时生成Ru-H中间体,该中间体进一步将硝基苯还原为苯胺,苯胺与醛缩合生成亚胺。他们未发现甘油醛与苯胺的反应产物。紧接着Tan等[17]以RuCl3·3H2O作为催化剂,K2CO3作为外源碱,甘油作为氢源,在不使用配体的情况下,成功地通过硝基苯与三当量的醇还原胺化合成仲胺。

钌基催化剂在硝基芳烃与醇的还原胺化制仲胺中显示了优异的性能,特别是对不活泼的脂肪醇也有较好的催化作用,但催化剂以钌的配合物为主,价格昂贵,且难以回收利用,部分催化剂需以甘油为氢源。

3.1.2 金催化剂

Peng等[36]将Au负载到Fe2O3上用于催化硝基芳烃与醇还原胺化合成仲胺。他们考察了不同载体和金负载量对催化性能的影响,结果表明以Fe2O3为载体,质量分数为9.1%的Au/Fe2O3催化剂催化效果最好。Tang等[37]也开发了负载型Au催化剂。他们对不同载体进行了考察,发现TiO2优于Fe2O3。在最优的反应条件下,他们考察了带有不同吸电子和给电子基团取代的硝基芳烃与苯甲醇反应,产率范围为76%~99%,结果分析揭示底物的溶解性和空间位阻效应是影响产率的主要因素。此外,不同取代基的芳香醇或脂肪醇与硝基苯也能够以较高的产率合成出仲胺,但是脂肪醇与硝基苯反应合成的仲胺产率低于芳香醇与硝基苯合成仲胺的产率。

3.1.3 银催化剂

Liu等[38]制备了Ag/Al2O3催化剂,以二甲苯作为溶剂,在Cs2CO3辅助下,在氮气氛围中140 ℃下催化硝基芳烃与芳香醇合成仲胺。重点考察了Ag的纳米尺寸与催化活性之间的关系,结果表明具有最小粒径的Ag簇具有最高的催化活性。底物扩展实验表明,硝基苯与含给电子和吸电子取代基的苯甲醇反应能够生成相应的仲胺产物,而脂肪醇和仲醇则主要生成偶氮化合物。图10展示了硝基芳烃与醇的具体反应途径,首先,在碱的作用下银团簇催化醇氧化成醛,氢转移到银团簇形成氢化银络合物;接着,该氢化银络合物将硝基苯还原为偶氮苯,并进一步还原为苯胺;苯胺与醛反应得到亚胺中间体,最终通过使用借来的氢将亚胺还原成目标产物仲胺。

3.2 光催化剂

光催化也被用于硝基芳烃与芳香醇还原胺化合成仲胺,但由于此转化要求催化剂具有很强的氢活化性能,因此目前的光催化研究主要是通过贵金属修饰改性光催化剂为主。

Selvam等[39]就制备了Pd/TiO2催化剂,在室温下以水作为溶剂,通过紫外光照射(λ> 300 nm),“一锅法”将硝基芳烃和苯甲醇还原胺化合成出仲胺,对芳香醇和脂肪醇均显示出较好的催化效果。他们提出了如图11所示的催化反应路径:光激发TiO2形成电子-空穴对(e - /h +),催化醇氧化生成醛和H+,同时光激发电子还原Pd上的H+并产生氢化物(H-Pd),H-Pd结合可以还原硝基芳烃生成相应的苯胺。TiO2表面上的路易斯酸位点催化苯胺和醛缩合可以产生亚胺,最后亚胺被H-Pd氢化还原并转化为仲胺产物。该催化体系对芳香醇、脂肪醇显示出非常好的催化活性,适用底物范围广,且催化剂易于回收利用,循环性能好,反应条件温和。

Song等[40]也开发了Pd修饰的H1.07Ti1.73O4·H2O纳米片(Pd/Ti-NS)光催化剂,在氮气氛围下催化硝基苯与苯甲醇合成仲胺,但是底物范围仅限于芳香醇,催化活性还有待于进一步提高。

3.3 其他类型催化剂

本课题组开发的Co-N-C/CNT@AC催化剂在催化硝基芳烃与醇还原胺化合成亚胺的基础上,仅通过改变硝基芳烃与醇的摩尔配比,成功地合成出了仲胺[33]。对带有不同取代基的硝基苯和苯甲醇反应,硝基芳烃均能够完全转化,得到相应仲胺产物的产率范围为74%~86%,显示了催化剂良好的通用性。我们通过GC-MS追踪及设计实验对硝基芳烃与醇还原胺化反应机理也进行了探究。如图12所示,包括四个步骤:(Ⅰ)苯甲醇被活化释放出质子,生成苯甲醛。

(Ⅱ)硝基苯的加氢还原有两种不同的反应路径被广泛接受,途径A是通过连续加氢/脱水过程将硝基苯经羟胺中间体,还原生成苯胺;途径B包括硝基苯发生缩合反应形成偶氮化合物中间体,然后将其氢化/脱水,最终形成苯胺。通过GC-MS追踪及设计实验显示,在我们的催化体系下,硝基苯还原形成苯胺是通过途径B进行。(Ⅲ)在碱性N物种的作用下,苯胺与苯甲醛发生偶联反应得到亚胺,亚胺进一步氢化得到仲胺。(Ⅳ)仲胺继续发生烷基化反应生成相应的叔胺。

硝基芳烃与醇直接还原偶联合成仲胺的催化剂以贵金属为主,即使是光催化剂也需要贵金属改性以提升其催化性能,除了本课题组开发的Co-N-C/CNT@AC催化剂外,未见其他类型催化剂的文献报道。这些催化剂价格昂贵;同时这些催化剂要求溶剂、碱性助剂,并且底物普适性方面还需进一步提高。尽管我们开发的非贵金属催化剂Co-N-C/CNT@AC有效地解决了这些问题,但也存在反应条件相对苛刻的缺点,因此,开发更加高效、廉价、绿色、普适性高的新型催化剂是下一步研究的重点。

4 硝基芳烃与醇还原胺化合成叔胺

硝基芳烃与醇的还原偶联生成的仲胺还可以进一步发生烷基化反应得到叔胺,目前对于此步转化研究还不够深入,催化剂以贵金属为主。

4.1 钌催化剂

Feng等[41]采用Ru配合物催化硝基苯和苯甲醇还原胺化合成叔胺反应。通过对不同的Ru催化剂和配体的考察,发现Ru(CO)(H)2(PPh3)3/NHC催化效果最好。此催化体系普适性较广,对不同取代基的苯甲醇及硝基化合物具有一定催化活性,且简单的脂族醇与硝基苯反应也能获得中等收率的叔胺。

4.2 金催化剂

Peng等[36]在以Au/Fe2O3催化硝基芳烃与醇反应合成仲胺的基础上,通过延长反应时间、增大催化剂用量等方式获得叔胺产物,但是仅限于不同取代基硝基苯与苯甲醇的反应。他们通过氘代反应实验以确认苯胺氮基团上的H质子来源于苄醇的羟基质子。同样,Tang等[37]也以Au/TiO2-VS为催化剂合成仲胺的基础上,提高反应温度和催化剂用量成功地合成出叔胺化合物,且此催化体系对部分脂肪醇也有效(表5)。

5 硝基芳烃与醇还原胺化合成酰胺

醇与硝基芳烃的还原缩合除了合成亚胺、仲胺和叔胺之外,2012年Xiao等[42] 在不使用金属催化剂的情况下还采用此路线成功地合成出酰胺。反应条件优化显示,氧化试剂、碱性助剂、溶剂对此转化有着重要的影响。底物扩展实验显示,对不同取代基的苯甲醇、硝基化合物之间的反应都能获得相应的酰胺,但无脂肪醇反应数据。

需要指出的是,尽管此项研究还存在一些问题需要解决,但相对于其他的酰胺合成方法,此路线的先进性是毋庸置疑的。随着研究的不断进展,此方法会越来越完善和实用。

6 结论与展望

硝基芳烃与醇的还原胺化反应将多步反应转化为一步法,可以用于亚胺、仲胺、叔胺及酰胺合成,是一种非常理想、通用的胺类化合物合成方法。尽管这一方法取得了较为深入进展,但也存在一些不足,表现在:一是常用的催化体系以贵金属和光催化为主,贵金属催化剂虽然具有优异的催化性能,但是贵金属价格昂贵,一些金属配合物催化剂往往难以重复利用,且大多需要加入外源性碱性助剂,易导致环境污染;光催化反应条件比较温和,缺点是需要特殊设备、底物扩展范围窄,催化性能还需进一步提高。二是大多情况下需要添加大量的有机溶剂,少数催化剂还需要加入供氢试剂。三是催化体系的通用性还需进一步加强,仅有少数催化体系可通过调整反应条件合成不同类型的胺类化合物。四是对于催化硝基芳烃与芳香醇还原胺化的反应路径已较为清晰,但具体到催化剂各自的催化机理大多缺乏直接的证据,还需深入研究以为催化剂的设计提供指导。

基于以上问题,对于硝基芳烃与芳香醇还原胺化力求催化剂具备廉价、高效和“一剂多能”的特点,并且反应条件趋于温和,底物范围适用广泛,可以实现最大化原料转化率和单一化产物高选择性,同时避免有机溶剂、碱性助剂和供氢试剂的使用。此外,还要系统地研究催化反应机理,为催化剂的设计提供指导,并为后续硝基芳烃与芳香醇还原胺化的应用提供实验基础和理论依据。

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