第一作者和单位：Yajuan Wu 中国科学院兰州化物所、中国科学院大学
通讯作者和单位：Feng Shi 中国科学院兰州化物所
关键词：二醇、胺、单胺化、非贵金属催化剂
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N-烷基胺广泛用于功能材料、药物和农药的合成。二醇与胺的反应一直备受关注，相关研究已超过30年，涉及铱、钌等催化剂。然而，以二醇为原料，尤其是C4-C6二醇，主要产物是N-杂环化合物，因为环化反应在热力学上是有利的。在此，作者首次开发了一种简单的非贵金属催化剂CuNiAlOx，该催化剂通过共沉淀法制备，能够有效地促进C4−C6二醇与胺的反应，生成单胺化产物。这种方法为二醇的选择性单胺化提供了一种高效且环保的解决方案。
背景介绍
由于在药物化学、农药和石油化学等多个领域的广泛应用，N-烷基化胺的研究始终是催化领域的重要课题。N-取代胺通常是通过胺与卤化物的烷基化反应制备的。然而，这种方法常常面临严重的环境问题和昂贵的原料成本。因此，在许多情况下，N-取代胺是通过氢氨化和氢氨甲基化反应合成的。此外，利用醇与胺的催化烷基化反应是一种环保的制备N-取代胺的方法，因为醇易于获得、成本低廉且无毒，理论上只产生水作为副产物。
二醇与胺的反应吸引了广泛的关注，已有研究使用铱、钌及其他催化剂。然而，以二醇作为起始材料的主要产物，尤其是C4−C6二醇，往往是N-杂环化合物，如吡咯烷、哌啶和氮杂环庚烷衍生物，因为环化反应在热力学上更为有利。众所周知，基于醇的胺（如RNH(CH2)nOH，R=烷基、芳基）广泛用于药物中间体和功能材料。因此，通过胺与二醇的反应，尤其是C4−C6二醇，可控合成单胺化产物在学术和工业领域都具有重要的意义。
在此，基于该文在醇胺化反应方面的持续努力，作者提出了一种使用简单的CuNiAlOx非均相催化剂，通过简单的动态调节，通过二醇与胺的单胺化选择性合成 N-(n-羟基烷基)胺 (方案1)。
Scheme 1. Catalytic Monoamination of Diols.
文章要点
1、催化剂制备与表征…
采用共沉淀法制备CuNiAlOx。将1.44 g (5.96 mmol) Cu(NO3)2·3H2O、3.48 g (11.97 mmol) Ni(NO3)2·6H2O、6 g (15.99 mmol) Al(NO3)3·9H2O加入到250 mL烧瓶中的150 mL/80 ℃去离子水中，在剧烈搅拌下，将60 mL Na2CO3溶液(1.415 mol) 滴加到溶液中，机械搅拌5 h，冷却至室温，过滤。滤液用去离子水洗至中性，100 ℃干燥5 h，400 ℃煅烧4 h，氢气流下450 ℃还原2 h。最后将得到的催化剂命名为CuNiAlOx，以同样的方法制备CuAlOx、NiAlOx、CuNiOx催化剂。
催化剂的XRD衍射图谱如图1所示。CuAlOx催化剂在43.3°、50.4°、74.1°、89.9°和95.0°处显示出的衍射可以归因于Cu (111)、Cu (200)、Cu (220)、Cu (311)和Cu (222)的晶面。同时，Ni (111) (2θ = 44.8°)、Ni (200) (2θ = 51.8°)、Ni (220) (2θ = 76.4°)和Ni (311) (2θ = 92.9°)的衍射峰表明了金属Ni的存在。此外，CuAlOx、NiAlOx和CuNiAlOx催化剂中还检测到一些Al2O3 (311) (2θ = 37.0°)和Al2O3 (111) (2θ = 66°)的信号。值得注意的是，CuNiOx和CuNiAlOx催化剂中Cu−Ni合金的存在导致了峰位置的偏移。Ni (220)、Ni (311)和Ni (222) (2θ = 98.4°)的衍射峰表明了Cu−Ni合金和金属Ni在CuNiOx催化剂中共存。
XPS揭示了催化剂的化学状态和表面组成。图2给出的Cu 2p和Ni 2p的XPS谱图表明催化剂中的Cu和Ni可能以金属Cu (932.4和952.2 eV)和NiO (853.3和871.7 eV)的形式存在。然而，852.3和869.7 eV处的峰属于NiO物种的2p轨道，这表CuNiOx催化剂中金属Ni的存在。这可以归因于CuNiOx颗粒较大，使部分Ni难以被氧化。由此，可以得出结论：其他三种催化剂由于添加了AlOx，这使得金属Ni分散性更好也更易被氧化。尽管如此，XRD结果表明 Ni物种在催化剂中主要以金属Ni的形式存在。
利用TEM观察了催化剂的形貌和微观结构，图片如图3所示。图3h所示的HR-TEM图片证实了XRD衍射图和XPS谱的观察结果。可以清楚地观察到Cu(111)和Ni(111)的晶格。
进一步分析了Cu和Ni K边扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)，揭示了催化剂CuAlOx、NiAlOx、CuNiOx和CuNiAlOx中Cu和Ni的配位环境(图4和5)。与标准光谱相比，可以确定Cu物种主要以金属状态或Cu-Ni合金的形式存在 (图4a、d-g)。不幸的是，Cu箔和Cu-Ni合金的光谱几乎重叠，因此很难区分CuNiOx和CuNiAlOx中Cu的存在状态。所有催化剂中较弱的Ni-O峰表明主要的Ni物种可能以金属状态存在(图5)，这结合XRD结果也能证实这一点。另外，CuNiOx的光谱与Cu−Ni合金的光谱基本相同，这表明可能存在Cu−Ni合金(图 5)。NiAlOx的Ni K边EXAFS光谱与CuNiAlOx相似，2.2 Å和4.66 Å处的峰表明Ni物种主要以金属Ni的形式存在。因此可以肯定NiAlOx和CuNiAlOx中的主要Ni物种应为金属状态，而CuNiOx中的主要Ni物种应为Cu−Ni合金。此外，作者还可以确定除CuNiOx中的一些Cu-Ni合金外，所有催化剂中的Cu物质均为金属Cu。
2、催化性能测试…
接下来，选择苯胺与1,6-己二醇的反应作为催化剂筛选和反应条件优化的模型。正如预期的那样，作者以良好的产率获得了热力学驱动的环化产物 (表1，条目1-2)。然而，如果CuNiAlOx的量减少到25毫克甚至12.5毫克(条目5-6)，则主要形成N-(6-羟基己基)苯胺。在所有尝试的样品中，使用CuNiAlOx作为催化剂时，性能最佳(条目5、7-9)。值得注意的是，碱的选择对于该反应至关重要，因为碱是促进醇活化以生成氢转移反应中的酮/醛中间体的重要助催化剂(表S2，条目1-6)。溶剂也起着重要作用，沸点高、极性低的溶剂似乎可以提高转化率和选择性(条目7-12)。在所检测的各种溶剂中，1,3,5-三甲苯是最合适的溶剂，M1的GC产率可达 96%。
作者又进一步探索了CuNiAlOx催化剂在N-烷基氮杂环庚烷合成中的应用范围和局限性，并使用不同的胺类。通常，1-苯基氮杂环庚烷的产率为 81% (C1，表2，条目1)。如果使用具有其他取代基（例如-Me、-di-Me、-i-Pr、-n-Bu 和 -tert-Bu）的苯胺衍生物作为起始原料，也可以获得良好至优异的结果。所需产物的产率为74%至91% (C2−C6，条目2−6)。也可以进行脂肪族胺的反应。例如，通过正丁胺与1,6-己二醇 (C7，条目7)的反应可以合成1-丁基氮杂环庚烷，产率为 84%。还实现了环己胺的环化反应，得到了74％收率的目标产物 (C8，条目8)。
此外，添加25 mg CuNiAlOx催化剂，可实现 1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇等二醇的单胺化反应 (表3)。首先，一系列芳香族伯胺与1,6-己二醇反应，得到N-(6-羟基己基)苯胺，分离产率为97%−53%(M1-M7，条目1−7)。苯胺与1,5-戊二醇和1,4-丁二醇的单胺化产物产率分别为97%和88%(M8-M9，条目8−9)。如果使用吗啉衍生物、哌嗪衍生物、哌啶衍生物和吡咯等二级胺作为起始原料，也可以获得良好至优异的结果，即80-95%(M10-M18，条目10-18)。脂肪族一级胺也可以与1,6-己二醇顺利反应，高效地得到所需产物(M19-M21，条目19-21)。
最后，以1,6-己二醇与苯胺的反应为例，测试了CuNiAlOx的重复使用性能。令人欣喜的是，虽然反应时间有所延长，但第二次反应仍然可以得到80%的N-(6-羟基己基)苯胺产率。ICP-AES测试表明，两次使用后，Cu和Ni的含量分别由18.6%和33.2%略微下降到16.8%和29.9%。结果表明，该催化剂在反应过程中相对稳定，具有重复使用的潜力。值得注意的是，如果将胺和二醇的摩尔比增加到2.5:1，也可以实现二醇的二胺化(表 4)。典型的胺类化合物，包括苯胺和杂环胺，可以与二醇顺利反应生成所需产物。例如，N,N′-二苯甲基-1,6-己二胺的分离产率为89%(条目1)，如果使用典型的杂环胺类化合物，如哌啶和吗啉衍生物作为起始原料，二胺化产物的分离产率为85−91%(条目 2−5)。最后，由于己烷-1,6-二胺是尼龙-6合成的中间体，因此探索了1,6-己二醇与氨的胺化反应。正如预期的那样，胺化反应发生了，但由于6-氨基己烷-1-醇或1,6-己二胺的快速环化，形成了唯一的产物氮杂环庚烷。
3、催化机理分析…
为了阐明不同催化剂用量对产物选择性的影响，提出了一种可能的反应机理。对于环胺化反应，催化剂用量足够(100 mg)，二醇可以脱氢生成二醛，脱水生成亚胺，然后加氢得到环化产物(图S1)。然而，当反应混合物中的催化剂用量不足时，二醇只能在一侧脱氢生成6-羟基己醛；因此，主要反应产物为单胺化产物(图S2)。这两条反应途径是竞争性的。此外，对于二醇的二胺化反应，过量的胺的存在会与二醛快速反应，因此可以有效避免环化反应发生(图S3)。
论文相关信息
文章信息：
Yajuan Wu, Hangkong Yuan, Feng Shi. Sustainable Catalytic Amination of Diols: From Cycloamination to Monoamination. ACS Sustainable Chem. Eng. 2024, 6(1), 1061-1067.
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssuschemeng.7b03373
供稿：张祖意
编辑：曹凯浩 张春源
审核：纪娜 刁新勇 张胜波
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