一种N-丙酮基胺类化合物的制备方法技术领域
本发明涉及一种N-丙酮基胺类化合物的制备方法，具体地讲，本发明涉及一种丙三醇为丙酮基源，经过重排并与胺化合物反应实现胺化而制备N-丙酮基胺类化合物的方法。
背景技术
N-烷基胺类化合物在化学化工和农药生产领域具有广泛的用途。例如，N-甲基苯胺可以用于生产新型的农药和杀虫剂如噻嗪酮、甲基杀草隆、苯胺酰草隆、阔叶宁等；可以用于生产染料中间体N-甲基-N-苄基苯胺和N-甲基-N-羟乙基苯胺等；可以用于生产橡胶助剂甲基苯基二硫代氨基甲酸锌、二硫代二甲基二苯基秋兰姆等；还可以用于生产硝化甘油火药中定剂N-甲基-N-苯基氨基甲酰氯。而典型的N,N-二甲基苯胺则可以用于生产香料香兰素，碱性嫩黄、碱性紫5BN、碱性湖蓝BB等碱性染料以及磺酞脉类除草剂的关键中间体2-氨基-4,6-氯嘧啶等。众所周知，胺类化合物可以以较低的成本大规模生产，而且胺类化合物的现代工业化生产技术已经建立。常见的N-烷基化胺类化合物可以经由还原胺化或者胺醇烷基化合成。但是对于一些特殊的N-烷基化胺类化合物如N-丙酮基胺则无法通过常规的手段予以合成。在当前条件下，胺与卤代丙酮反应是合成N-丙酮基胺的常用手段。但由于卤代丙酮制备比较复杂，且反应过程中会产生大量的无机废渣导致环境污染，人们致力于发展更为清洁的反应路线。
丙三醇是生物柴油的主要副产物，随着生物柴油产业的不断发展，如何更为高效、清洁的利用生物柴油副产物丙三醇现在已经成为一个重要的研究领域。以工业化应用为目的，对开发以丙三醇为原料的高附加值化合物的制备方法具有强烈需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种N-丙酮基胺类化合物的制备方法，所述方法在较为温和的条件下，以胺和丙三醇为原料，通过使用复合催化剂催化而合成N-丙酮基胺类化合物。
我们首次提出一种新的丙三醇利用路线，即由胺化合物和丙三醇反应生产N-丙酮基胺类化合物。
一种N-丙酮基胺类化合物的制备方法，其特征在于该方法以胺化合物和丙三醇作为反应原料，在复合催化剂和碱助剂存在下，在反应介质中，在80-180℃的反应温度下，在密闭反应器中反应2-48小时，从而获得所述N-丙酮基胺类化合物；其中所述复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物组成、或者由选自以下金属中的至少一种的氧化物和至少另一种金属单质组成：铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡；其中碱助剂选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠、氨、尿素。
在一个优选方面，作为反应原料的所述胺化合物是选自：、、、、、、、、、或，其中R1和R2各自独立地选自C1-18烷基，m为1到6的整数，并且n为1到12的整数；或者选自：、、、、、、、、或，其中R1和R2各自独立地选自氢、C1-18烷基、甲氧基、苯基、苯氧基、氟、氯、溴或碘，并且n为0到12的整数。
在一个优选方面，所述复合催化剂、碱助剂与反应原料胺类化合物的质量比为0.01:0.01:1~1:1:1。
在一个优选方面，所述复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物组成、或者由选自以下金属中的至少一种的氧化物和至少另一种金属单质组成：铝、锌、银、铜、钯、铂、铑、钴、铁、钌、锰、锆和铈。
在一个优选方面，所述反应介质为选自水、甲苯、二甲苯、三甲苯、二氧六环、四氢呋喃、乙腈和石油醚中的至少一种。
在一个优选方面，所述复合催化剂如下制备：
向选自铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡中的至少两种金属的可溶性盐的水溶液中，加入作为共沉淀剂的选自碱金属碳酸盐、碱金属氢氧化物、氨水或尿素水溶液中的至少一种进行共沉淀以得到共沉淀物；和将所述共沉淀物进行洗涤、干燥和焙烧以及可选的还原，从而获得所述复合催化剂。
在一个优选方面，所述共沉淀在室温到100℃下进行1-5小时；所述干燥的温度为50-180℃并且时间为1-5小时；所述焙烧的温度为200-800℃并且时间为5-15小时；以及所述还原的温度为200-800℃并且时间为1-5小时。
在一个优选方面，所述可溶性盐是所述金属的硝酸盐或氯化物，并且所述共沉淀剂是选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠、氨和尿素水溶液中的至少一种。
在一个优选方面，所获得的复合催化剂由选自三氧化二铝、氧化锌、银、氧化铜、氧化亚铜、铜、钯、铂、铑、钌、钴、三氧化二钴、四氧化三钴、氧化亚钴、三氧化二铁、二氧化锆、二氧化铈和三氧化二铈中的至少两种氧化物、或其中的至少一种氧化物和至少一种金属单质组成。
相比于现有技术，本发明制备N-丙酮基胺类化合物的方法采用丙三醇为丙酮基源，经济、廉价且环境友好；本发明方法所使用的催化剂制备简单，催化效率高；本发明方法的制备反应条件温和，催化剂无腐蚀性且易于分离和重复使用。
具体实施方式
在本发明提供的一种N-丙酮基胺类化合物的制备方法中，所述方法以胺化合物和丙三醇作为反应原料，在复合催化剂和碱助剂的存在下，在反应介质中，在80-180℃的反应温度下，在密闭反应器中催化反应2-48小时，从而获得所述N-丙酮基胺类化合物。
在本发明中，术语“N-丙酮基胺类化合物”是指N-丙酮基仲胺或N-丙酮基-N,N-二取代叔胺。
在本发明中，术语“复合催化剂”是指由两种以上金属氧化物、或者至少一种金属氧化物和至少另一种金属单质复合而成的催化剂。优选地，所使用的复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物组成、或者由选自以下金属中的至少一种的氧化物和至少另一种金属单质组成：铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡。尤其优选的复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物组成、或者由选自以下金属中的至少一种的氧化物和至少另一种金属单质组成：铝、锌、银、铜、钯、铂、铑、钴、铁、钌、锰、锆和铈。
在本发明中，所使用的复合催化剂优选通过以下方法制备：向选自铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡中的至少两种金属的可溶性盐的水溶液中，加入作为共沉淀剂的选自碱金属碳酸盐、碱金属氢氧化物、氨水和尿素水溶液中的至少一种进行共沉淀以得到（例如通过常规过滤）共沉淀物；和将所述共沉淀物进行洗涤、干燥和焙烧以及可选的还原（例如利用氢气）而得到所述复合催化剂。
例如，在一个具体实施方式中，制备复合催化剂的方法包括以下的步骤：将选自硝酸铝、硝酸锌、硝酸银、硝酸铜、氯钯酸、氯钯酸钾、氯铂酸、氯化铑、硝酸钴、硝酸铁、氯化钌、氯化锆、硝酸锆、硝酸铈、硝酸铈铵和氯化铈中的任意两种或三种的水溶液，加入作为沉淀剂的碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠、氨或者尿素水溶液进行共沉淀，然后所获得的共沉淀物经过洗涤、空气中干燥、焙烧、（可选地）氢气中还原，而获得所述复合催化剂。优选地，所述共沉淀在40℃下进行1-5小时；所述干燥的温度为50-180℃并且时间为1-5小时；所述焙烧的温度为200-800℃并且时间为5-15小时；以及所述还原的温度为200-800℃并且时间为1-5小时。
优选地，通过上述方法所得到的复合催化剂由选自三氧化二铝、氧化锌、银、氧化铜、氧化亚铜、铜、钯、铂、铑、钌、钴、三氧化二钴、四氧化三钴、氧化亚钴、三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锆、二氧化铈和三氧化二铈中的至少两种氧化物、或其中的至少一种氧化物和至少一种金属单质组成。
此外，优选地，所述复合催化剂、碱助剂与反应原料胺类化合物的质量比为0.01:0.01:1~1:1:1。
优选地，胺化合物与丙三醇的摩尔比为20:1~1:20。
在本发明中，优选地，作为丙酮基源的丙三醇与所述反应原料胺化合物的摩尔比为20:1~1:20。在本发明中使用的丙三醇和胺可由市场直接购买获得。
在本发明中，优选地，作为反应原料的所述胺化合物是具有以下结构的胺：、、、、、、、、、或，其中R1和R2各自独立地选自C1-18烷基，m为1到6的整数，并且n为1到12的整数；或者选自：、、、、、、、、或，其中R1和R2各自独立地选自氢、C1-18烷基、甲氧基、苯基、苯氧基、氟、氯、溴或碘，并且n为0到12的整数；
在本发明中，使用的反应介质优选为水、甲苯、二甲苯、三甲苯、二氧六环、四氢呋喃、乙腈和石油醚中的至少一种。
在本发明中，所使用的密闭容器可以为本领域已知的可以密封以在其内保持一定压力的容器，例如化学反应中常用的高压釜，其通常配备有升温或冷却装置，例如本领域常用的水浴、油浴或冰浴等，以及通气或排空配套设施，例如气瓶和压力计等，这些对于本领域技术人员都是已知的。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步说明。但应理解，这些实施例仅用来举例说明本发明方法的实施和效果，并不以任何形式限制本发明的范围。
复合催化剂的制备
实施例1
称取商购的三水硝酸铜1.44g(5.96mmol)，六水硝酸镍3.48g(11.97mmol)和九水硝酸铝6.00g(15.99mmol)，加入到150mL去离子水中，在500mL圆底烧瓶80℃条件下磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加1.42摩尔/升的Na2CO3水溶液（作为共沉淀剂）60mL，然后80℃条件下搅拌5h。使用离心机以8000转/分钟离心1分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥5小时，马弗炉400℃焙烧4小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至450℃，在450℃下还原2h，获得作为黑色粉末的催化剂，通过XRD、XPS和TEM分析（图谱未显示），表明该催化剂为Cu-Ni-Al2O3复合物，记为催化剂A。
实施例2
称取氯化钯5.3mg(0.05mmol)，溶于适量浓盐酸中，然后与三水硝酸铜0.73g(3.0mmol)和五水硝酸锆0.43g(1.0mmol)一起加入到50mL蒸馏水中。在100mL圆底烧瓶中常温下进行磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加20mL0.47摩尔/升的Na2CO3水溶液（作为共沉淀剂）,然后室温搅拌4h。使用离心机以8000转/分钟离心5分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥4小时，马弗炉350℃焙烧6小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至300℃，在300℃下还原3h，获得作为黑色粉末的催化剂，通过XRD、XPS和TEM分析（图谱未显示），表明该催化剂为Pd-Cu-ZrO2复合物，记为催化剂B。
实施例3
操作同实施例2，只是以0.05mmol氯化铑代替氯化钯，得到催化剂Rh-Cu-ZrO2，记为催化剂C。
实施例4
操作同实施例2，只是以0.05mmol氯铂酸代替氯化钯，得到催化剂Pt-Cu-ZrO2，记为催化剂D。
实施例5
操作同实施例2，只是以0.05mmol氯化钌代替氯化钯，得到催化剂Ru-Cu-ZrO2，记为催化剂E。
实施例6
操作同实施例2，只是以0.05mmol氯化铱代替氯化钯，得到催化剂Ir-Cu-ZrO2，记为催化剂F。
实施例7
操作同实施例2，只是以0.05mmol硝酸银代替氯化钯，得到催化剂Ag-Cu-ZrO2，记为催化剂G。
实施例8
操作同实施例2，只是以3mmol硝酸钴代替硝酸铜，得到催化剂Pd-Co-ZrO2，记为催化剂H。
实施例9
操作同实施例2，只是以3mmol硝酸锌代替硝酸铜，得到催化剂Ir-ZnO-ZrO2，记为催化剂I。
实施例10
操作同实施例2，只是以3mmol硝酸铁代替硝酸铜，得到催化剂记为Ir-Fe3O4-ZrO2，记为催化剂J。
实施例11
操作同实施例2，只是以3mmol硝酸铈代替硝酸铜，得到催化剂Ir-CeO2-ZrO2，记为催化剂K。
实施例12
操作同实施例2，只是以1.7摩尔/升的碳酸钾水溶液25mL代替碳酸钠水溶液，得到催化剂Pd-Cu-ZrO2，记为催化剂L。
实施例13
操作同实施例2，只是以25wt%浓氨水25mL代替碳酸钠水溶液，得到催化剂Pd-Cu-ZrO2，记为催化剂M。
实施例14
操作同实施例2，只是以2摩尔/升的尿素水溶液25mL代替碳酸钠水溶液，得到催化剂Pd-Cu-ZrO2，记为催化剂N。
实施例15
操作同实施例2，只是以2摩尔/升的氢氧化钠水溶液25mL代替碳酸钠水溶液，得到催化剂Pd-Cu-ZrO2，记为催化剂O。
实施例16
称取氯化钯5.3mg(0.05mmol)，溶于适量浓盐酸中，然后与六水硝酸锌0.89g(3.0mmol)、五水硝酸锆0.43g(1.0mmol)和九水硝酸铝1.125g(3.0mmol)一起加入到50mL蒸馏水中。在100mL圆底烧瓶中进行常温磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加30mL0.47摩尔/升的Na2CO3水溶液（作为共沉淀剂）,然后室温搅拌4h。使用离心机以8000转/分钟离心5分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥4小时，马弗炉350℃焙烧6小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至300℃，在300℃下还原3h，获得作为黑色粉末的催化剂，通过XRD、XPS和TEM分析（图谱未显示），表明该催化剂为Pd-ZnO-ZrO2-Al2O3复合物，记为催化剂P。
实施例17
称取六水合硝酸钴0.873g（3mmol）和九水硝酸铝1.125g(3.0mmol)一起加入到50mL蒸馏水中。在100mL圆底烧瓶中进行常温磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加40mL0.47摩尔/升的Na2CO3水溶液（作为共沉淀剂）,然后室温搅拌4h。使用离心机以8000转/分钟离心5分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥4小时，马弗炉350℃焙烧6小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至200℃，在200℃下还原3h，获得作为黑褐色粉末的催化剂，通过XRD、XPS和TEM分析（图谱未显示），表明该催化剂为CoO-Al2O3复合物，记为催化剂Q。
实施例18
称取六水硝酸锌0.89g(3.0mmol)、九水硝酸铝1.125g(3.0mmol)和九水硝酸铁1.21g(3mmol)一起加入到50mL蒸馏水中。在100mL圆底烧瓶常温磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加40mL0.47摩尔/升的Na2CO3水溶液（作为共沉淀剂）,然后室温搅拌4h。使用离心机以8000转/分钟离心5分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥4小时，马弗炉350℃焙烧6小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至300℃，在300℃下还原3h，获得作为黑色粉末的催化剂，通过XRD、XPS和TEM分析（图谱未显示），表明该催化剂为ZnO-Fe3O4-Al2O3复合物，记为催化剂R。
N-丙酮基胺类化合物的制备
实施例19
称取实施例1中制备的催化剂A50mg，加入到15mL带有磁力搅拌的压力管中，然后加入87mg（1mmol）吗啡啉，460mg(5mmol)丙三醇，13.8mg（0.1mmol）碳酸钾和2mL二氧六环。压力管内部使用氩气置换2分钟。之后，使用电加热炉加热升温到150℃并保持6-24小时。然后将压力管通过水冷冷却到室温，使用离心机以8000转/分钟离心5分钟，分离以从反应混合液中回收催化剂A。以N-丙酮基吗啡啉标准产品作为对比，使用HP6890/5973GC-MS气相质谱仪和Agilent7890A（30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱，氢火焰离子检测器）进行定性定量分析，通过本领域熟知的方法例如工业精馏工艺获得目标产物N-甲基苯胺，其收率结果见下表1。
实施例20-36
操作同实施例19，只是以催化剂B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q和R分别代替催化剂A，得到的结果见下表1。
实施例37-44
操作同实施例19，只是以水、甲苯、二甲苯、三甲苯、四氢呋喃、乙腈和石油醚（60-90oC）分别代替二氧六环，得到的结果见下表1。
表1
表1中的结果表明，本发明通过使用胺化合物作为反应原料，以丙三醇作为丙酮化剂，氢气作为还原剂，在所制备的复合催化剂存在下，在反应介质中发生反应，制得了作为目标产物的N-丙酮基胺类化合物，其收率高达88%以上。而且，本发明所制备的所有复合催化剂在上述反应中均具有较高的催化活性。此外，表1中的结果还表明，本发明的反应在不同反应介质中均可实现。
催化剂的重复利用
实施例45
将实施例19中回收的催化剂A使用离心机以8000转/分钟离心5分钟后分离，用二氧六环在室温下洗涤并离心分离，重复3遍。使用由此回收获得的催化剂A再次重复实施例19的过程。以N-丙酮基吗啡啉标准产品作为对比，使用HP6890/5973GC-MS气相质谱仪和Agilent7890A（30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱，氢火焰离子检测器）进行定性定量分析，获得的N-丙酮基吗啡啉的收率为84%。
此外，操作同上，对上述再次使用后的催化剂A进行回收处理后，使用该再次回收的催化剂A又一次重复实施例19的过程。以N-丙酮基吗啡啉标准产品作为对比，使用HP6890/5973GC-MS气相质谱仪和Agilent7890A（30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱，氢火焰离子检测器）进行定性定量分析，获得的N-丙酮基吗啡啉的收率为85%。
从以上结果可以看出，本发明制备的复合催化剂可以重复利用，并且在重复使用中，其仍具有与最初使用时相当的催化活性。
此外，对上述制备的其他催化剂B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q和R也进行了重复使用的考察，得到的结果与催化剂A类似，即这些催化剂在多次重复使用时仍具有与最初使用时相当的催化活性。
不同反应原料的使用
实施例46-84
操作同实施例19，在15mL带有磁力搅拌的压力管中，使用催化剂A50mg，反应介质为二氧六环2mL，分别加入反应原料胺1mmol，丙三醇5mmol，碱助剂0.1mmol，密封后用氩气置换体系内部2分钟，然后于200oC进行反应。碱助剂的名称、时间以及目标产物分别显示在下表2中。停止反应并冷却到室温后，使用HP6890/5973GC-MS气相质谱仪和Agilent7890A（30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱，氢火焰离子检测器）对反应混合物进行定量分析，并通过常规的分离和纯化手段例如精馏获得目标产物，目标产物的收率见下表2。
表2
表2中的结果表明，通过本发明的方法，使用不同的胺化合物作为反应原料，以丙三醇作为丙酮化剂，在所制备的复合催化剂和碱助剂存在下，在反应介质中经过反应都能够制得相应的目标产物N-丙酮基胺类化合物，其收率甚至高达99%以上。
此外，本发明使用上述制备的其他催化剂B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q和R也分别在不同胺化合物反应原料、温度、压力和时间下进行反应，同样也获得了相应的目标产物N-丙酮基胺类化合物，其得到的结果（未列出）与上述催化剂A类似。
本发明采用丙三醇作为丙酮化源，可以以选不同的胺化合物作为底物，简单方便地制备目标产物N-丙酮基胺类化合物，整个过程经济、廉价且环境友好；所使用的催化剂可简单且廉价地制得，并具有高催化活性；反应条件较为温和，催化剂无腐蚀性且易于分离并能够重复使用，具有工业化生产的广阔前景。
应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，能够实现对这些实施例的多种修改，而这些修改也应视为在本发明的保护范围内。