王爱琴等Green Chem.：调节亚胺交换和加氢活性高选择性二醛还原胺化制二胺

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第一作者和单位：齐海峰，大连化学物理研究所

通讯作者和单位：王爱琴，刘菲，大连化学物理研究所
原文链接：https://doi.org/10.1039/D0GC02280B
关键词：亚胺交换，还原胺化，二醛，二胺。


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生物基伯二胺是可再生生物基聚合物的重要组成部分，但由于二胺合成过程高度敏感，易发生聚合，其合成仍具有挑战性。本文中，我们开发了一种通过亲核烷基胺来保护二醛和Co/ZrO2催化剂调节亚胺交换和加氢活性来抑制聚合的新策略。通过这种策略，在H2和NH3下将生物质衍生的2,5-二甲酰基呋喃（DFF）还原胺化，成功合成了潜在聚合物单体2,5-二甲胺基呋喃（BAMF），用于生产新型聚酰胺和聚脲，其选择性高达95％。该策略适用于其他生物质衍生的二醛还原胺化，从而为生物基二胺单体的合成铺平了道路


背景介绍


伯二胺是一类重要的有机氮化合物，可用作合成药物和农药，还被广泛用作生产聚酰胺和聚脲的单体。但目前二胺的生产主要来源于石油，故可降解和可再生塑料的关注日益增加，因此发展生物基二胺具有非常大的优势。在各种潜在的生物基二胺单体中，2,5-二甲氨基呋喃（BAMF）是最有潜在应用价值的二胺之一，因为它可以合成具有独特功能的新型生物基可降解聚合物。理论上，BAMF可以由木质纤维素产生的重要平台化合物分子5-羟甲基糠醛（HMF）通过在H2和NH3气氛下进行还原胺化而制得（图1）。不幸的是，由于二胺与二醛容易聚合，因此，目前合成BAMF的产率远远不能令人满意。

图1.HMF合成BAMF的不同路径


研究目标


基于醛还原胺化的反应机理，首先醛与氨气反应形成亚胺，而亚胺是生成伯胺的一个重要中间体。而在二醛还原胺化生成伯二胺之前，伯二亚胺的中间体易于缩合成低聚物。为了抑制这些副反应的发生，伯二亚胺的浓度必须保持在很低的水平，且必须限制二醛的高反应性。考虑烷基胺比氨气更具有亲核性，且亚胺交换反应是可逆的，我们设想通过使用烷基胺作为二醛的保护剂和过渡金属催化剂作为调节剂来调节胺化和加氢活性（图1b），抑制二醛和二胺之间的高反应性，从而实现二胺的高产率。


图文精读


表1.不同负载型催化剂催化DFF还原胺化a


我们首先考察了不同有机胺与二甲酰基呋喃的反应活性，发现短链的脂肪胺如丙胺，丁胺可以在室温下快速与二甲酰基呋喃反应，定量的获得了仲二亚胺，说明了短链伯胺可以快速保护二醛醛基。相反的，长链的脂肪胺如油胺或者仲胺不能够快速保护醛基。优化得到合适保护剂丁胺之后，我们进一步评价了不同过渡金属基催化剂还原胺化制备二甲胺基呋喃的活性。令人高兴的是，过度金属Co和Ni催化剂表现出优异的活性和选择性，特别是Co/ZrO2催化剂获得了目前为止最高的二甲胺基呋喃（2a）产率，高达95%（表1）。并且从表中可以发现，载体的性质如氧化还原性或酸碱性，都没有显著的影响催化性能。同时，H2-TPR（图2a）， HRTEM（图2b）和in-situ XRD（图3）都表明了Co被还原成金属态的钴，且均匀分散在载体上。不同于Co和Ni，Cu在二甲酰基呋喃还原胺化反应中没有任何活性。同时，和Co，Ni完全不同的是，除了Ru之外的贵金属Pd, Pt, Ir和Rh，都不具有二甲胺基呋喃选择性，相反的，它们更优先于加氢仲二胺。这些结果表明，贵金属加氢性能优于仲二亚胺与NH3的亚胺交换反应。

图2. Co/ZrO2催化剂的H2-TPR和HRTEM图

图3. Co/ZrO2催化剂的原位XRD

除了丁胺保护醛基，催化剂调节亚胺交换和加氢能力是另一个控制反应选择性的重要因素。表1清晰显示了不同催化剂对二甲胺基呋喃选择性的显著不同，这可能与它们调节亚胺交换和加氢能力不同有关。为了进一步理解这一反应过程，我们分别研究了Co/ZrO2和Pd/ZrO2的反应动力学曲线（图4）。当使用Co/ZrO2作为催化剂时，仲二亚胺6a（丁胺和二甲酰基呋喃脱水获得）在反应初期是一个主要的中间产物，紧接着和NH3进行亚胺交换生成伯亚胺和伯二亚胺，一旦伯亚胺和伯二亚胺生成，快速被加氢生成相应的中间产物7a和目标产物伯二胺2a。在整个反应过程中，只有少量的3a生成，说明仲亚胺和仲二亚胺加氢被成功抑制。然而不同于Co/ZrO2，Pd/ZrO2催化剂表现出不一样的动力学过程。由于Pd较强的加氢能力，一旦仲二亚胺生成，立刻被加氢生成相应的仲二胺4a，完全阻止了亚胺交换反应的进行。因此，Co/ZrO2催化剂高选择性的原因可能归因于其合适的亚胺交换和加氢的调节能力。

图4(a) Co/ZrO2 (b) Pd/ZrO2反应动力学曲线（反应条件：30 mg催化剂，0.25mmol DFF，0.75mmol丁胺，3 g 甲醇， 0.6 MPa NH3，2MPa H2，373 K， 正十二烷作为内标）

为了进一步理解Co/ZrO2催化剂对亚胺交换和加氢性能的调节能力，我们测试了催化剂对于H2和NH3的吸附热。由图5可知，Co/ZrO2和Pd/ZrO2都对NH3表现出强的吸附能力，这归因于ZrO2载体对NH3的强吸附能力。然而，Co/ZrO2和Pd/ZrO2对氢气表现出不同的吸附能力，Pd/ZrO2对氢气的吸附能力和吸附量都大于Co/ZrO2催化剂。更重要的是，当先预吸附NH3饱和后，Co/ZrO2对H2吸附并不明显，而Pd/ZrO2仍然表现出较强的H2吸附。这个结果表明了Co对H2较弱的吸附，更有利于6a和NH3的亚胺交换。需要指出的是，Co/ZrO2对H2的弱吸附并不代表其不能催化亚胺加氢。相反的，Co/ZrO2对H2的弱吸附保证了亚胺的加氢而仲亚胺不加氢。

图5. Co/ZrO2, Pd/ZrO2和ZrO2对H2和NH3的吸附热。

基于以上结果，我们提出了一个可能的反应机理，如图6所示。首先，过量的丁胺快速与二甲酰基呋喃1a反应，生成仲二亚胺6a，这样可以抑制缩合以及聚合等一些副反应的发生。接着，6a和8a之间在NH3存在条件下，进行着可逆的亚胺交换反应，促进伯二亚胺8a缓慢生成。一旦8a生成，就会被快速加氢生成目标产物二甲胺基呋喃。在整个反应过程中，并未检测到高反应活性的8a（图5），表明8a加氢速率很快。8a浓度近乎为零避免了其与产物2a的缩合副反应。需要强调的是，丁胺相比NH3更具亲核性，这不仅保证了二甲酰基呋喃优先于丁胺反应，也保证了接下来的亚胺交换反应缓慢进行。另一方面，Co/ZrO2催化剂对NH3的强吸附，保证了体积较大的仲二亚胺优先进行亚胺交换反应而不发生加氢反应，同时，生成的伯二亚胺可以快速加氢生成目标产物。显然，二甲胺基呋喃的高选择性主要依赖于亚胺交换和加氢反应的协调，归因于丁胺和过渡金属Co催化剂的巧妙应用策略。

图6. Co/ZrO2催化二甲酰基呋喃还原胺化反应机理

此外，该方法可以拓展一系列二醛的还原胺化。如表2所示，芳香和环烷二醛可以还原胺化生成相应的伯二胺，且产率较高。更重要的是，脂肪族二醛如1,6-己二醛可以选择性还原胺化得到60%左右的1.6-己二胺产率。

表 2. Co/ZrO2催化不同二醛还原胺化


心得与展望


课题选择初衷在于，醛的还原胺化研究较为成熟，而二醛还原胺化制二胺的挑战性较大，因为二醛，二胺以及中间产物二亚胺都易发生聚合或自聚。在实验初期，通过一步法还原胺化二醛制二胺产率较低，因此我们发展了这种短链有机胺保护醛基策略，并缓慢释放出亚胺再加氢得到目标产物，阻止了反应过程中二醛，二胺及二亚胺的相互聚合或自聚。所以，科研没有一蹴而就，需不断摸索，发现问题，解决问题。


课题组介绍



张涛研究员2007年2月至2017年2月任中科院大连化学物理研究所所长，2013年当选中国科学院院士，2016年12月起任中国科学院副院长、党组成员。长期从事化学化工领域的研究，近期主要致力于无毒推进剂催化分解技术、生物质催化转化、单原子催化和纳米催化等方面的研究。在基础研究方面，张涛团队2008年在国际上首次发现纤维素一步法催化转化制乙二醇的新反应，开辟了生物质转化新路线；2011年提出了“单原子催化”新概念，现已成为学术界研究前沿。在应用研究方面，负责研制的新型催化剂广泛应用于我国石油化工等领域。曾三次以第一完成人获国家技术发明二等奖；曾获中国科学院“参加突出贡献者”称号，是“首批新世纪百千万人才工程国家级人选”；2003年获国家自然科学杰出青年基金；2008年获中国催化青年奖；2009年获全国“五一劳动奖章”、周光召基金会“应用科学奖”和中国科学院杰出科技成就奖；2016年获何梁何利科技进步化学奖；2018年获首届“中国科学材料·创新奖，同年当选为发展中国家院士；2020年当选加拿大工程院院士。

王爱琴研究员，1986-1993年就读于大连理工大学石油化工系，分别获学士和硕士学位。之后到大连化物所工作，并于2001年获得大连化物所博士学位。曾先后到香港城市大学、台湾大学从事博士后研究。2009年被聘为大连化物所研究员。现任大连化物所首席研究员，催化基础国家重点实验室兼聘研究员，航天催化与新材料应用基础研究组组长。长期从事高分散金属催化研究，主要研究方向包括纳米催化、单原子催化、生物质转化等，担任《催化学报》编委，Sustainable Energy and Fuels顾问委员会委员，发表SCI论文300余篇。2009年获中国科学院杰出科技成就奖（主要完成人）。承担国家科技部重点研发计划、中科院战略科技先导专项、国家自然科学基金等多项课题。

刘菲副研究员，1979年生于辽宁本溪。2005年于法国蒙彼利埃大学化学系获得学士学位，2007年和2010年于法国普瓦捷大学获得硕士和博士学位，主要从事利用激活在超强酸中的超级电子从而开发新的含氟生物活性化合物。2010年 - 2011年在法国贡比涅技术大学/有机和无机化学研究所做博士后，利用甘油、醋酸等介质制备高分子复合材料。2011年-2013年在法国国家科研中心CNRS 和法企Rhodia 博士后奖学金资助下在法国普瓦捷大学材料化学与催化实验室做博士后，主要利用低共熔介质(DES)进行生物质催化转化研究。2014年1月作为引进人才加入大连化学物理研究所。


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