王 濤 林政國 胡長文

(北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，原子分子簇科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102488)

0 引 言

苯甲酰胺(PhCONH2)在醫(yī)藥、農(nóng)藥和生化研究等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。通過苯甲腈水合反應(yīng)制備苯甲酰胺具有較高的原子經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)物選擇性，因而倍受關(guān)注。目前用于該反應(yīng)的催化劑主要有腈水合酶[2]、過渡金屬氧化物[3]、金屬納米顆粒[4]、金屬有機(jī)配合物[5]、多金屬氧簇[6]等。但尚存在催化劑活性不高和產(chǎn)物分離繁瑣等問題。

在有機(jī)合成反應(yīng)中，無溶劑合成可簡化工藝流程，減少環(huán)境污染，是符合綠色化學(xué)理念的合成途徑，受到科技和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注[7-8]。本研究通過使用醋酸鈀和苯胂酸作為催化劑組分，苯甲腈反應(yīng)物過量兼作溶劑，建立了醋酸鈀和苯胂酸協(xié)同催化苯甲腈水合高效制備苯甲酰胺的新工藝路線。該合成路線具有催化活性高 (苯甲酰胺產(chǎn)物時(shí)空收率達(dá)186 mol·kg-1·h-1)，目標(biāo)產(chǎn)物選擇性好(＞99%)，催化劑循環(huán)性好(循環(huán)5次未發(fā)現(xiàn)活性降低)等優(yōu)勢，且產(chǎn)物通過冷卻反應(yīng)液即可結(jié)晶析出。因此，此工藝路線不僅具有研究價(jià)值，也具有明顯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

醋酸鈀購于百靈威科技有限公司；苯胂酸購于梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司；氯化鈀購于百靈威科技有限公司；苯膦酸購于阿拉丁試劑有限公司；苯甲腈購于阿拉丁試劑有限公司；苯甲酰胺購于梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司。其中，醋酸鈀、苯胂酸、苯甲腈在使用前均需進(jìn)行無水干燥處理。

所有產(chǎn)物的分析均采用氣相色譜來完成，儀器型號為 (GC-2014C，島津)。其中，色譜柱型號為Inertcap-WAX(30 m×0.250 mm×0.25 μm)型毛細(xì)管柱，測試時(shí)，以高純氮?dú)鉃檩d氣(柱流量：1.08 mL·min-1)，檢測器類型為氫火焰離子化檢測器FID。產(chǎn)品通過Bruker ALPHA spectrumeter型紅外光譜儀與Bruker 400 MHz核磁共振波譜儀表征。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將3.36 mg醋酸鈀與2.02 mg苯胂酸加入到1 mL苯甲腈中，加入9 μL水，90℃下加熱攪拌，反應(yīng)0.5 h，產(chǎn)物檢測及定量分析通過氣相色譜采用內(nèi)標(biāo)法完成，所用標(biāo)準(zhǔn)曲線詳見圖S1。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的活性與選擇性

通過對不同反應(yīng)時(shí)間苯甲酰胺產(chǎn)率進(jìn)行定量分析，得到時(shí)間-產(chǎn)率和選擇性數(shù)據(jù)(圖1)。圖1表明，在最初5 min內(nèi)產(chǎn)率已經(jīng)達(dá)到90%以上；反應(yīng)進(jìn)行30 min左右基本結(jié)束，苯甲酰胺產(chǎn)率達(dá)99%以上、選擇性接近100%。為了考察不同反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響，通過對不同溫度下苯甲酰胺產(chǎn)率進(jìn)行定量分析，得到溫度-產(chǎn)率數(shù)據(jù)(圖S2)，結(jié)果表明，0.5 h內(nèi)，反應(yīng)產(chǎn)率隨著溫度的升高而升高，90℃達(dá)到最高(99%)，因此90℃為最佳反應(yīng)溫度；將反應(yīng)液冷卻至室溫，即可分離結(jié)晶析出的固態(tài)苯甲酰胺產(chǎn)物，并通過紅外與核磁表征，與苯甲酰胺標(biāo)準(zhǔn)品的紅外吸收峰一致，核磁共振譜圖同文獻(xiàn)中核磁譜圖一致(圖 S3 和 S4)。

Scheme 1 Preparation of benzamide by benzonitrile hydration

表1 不同催化劑催化苯甲腈水合制備苯甲酰胺的產(chǎn)率與STYTable 1 Yield and STY of benzonitrile to benzamide with different catalysts

圖1 苯甲腈水合反應(yīng)的時(shí)間-產(chǎn)率曲線與時(shí)間-選擇性曲線Fig.1 Yield-time-course plots and selectivity-time-course plots of the benzonitrile hydration reaction

圖2 不同溫度下苯甲酰胺析出量Fig.2 Amount of benzamide precipitated at different temperature

表1匯總了相關(guān)催化劑的活性數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，單獨(dú)以醋酸鈀或苯胂酸為催化劑時(shí)幾乎無活性，且同國內(nèi)外其它研究工作相比，采用的醋酸鈀和苯胂酸協(xié)同催化苯甲腈水合的活性和選擇性最高，時(shí)空收率(STY[13])高達(dá) 186 mol·kg-1·h-1，具有良好的應(yīng)用前景。在此結(jié)果的基礎(chǔ)上，推測醋酸鈀和苯胂酸兩者在本催化體系下可能形成了配位活性中間體，促進(jìn)了苯甲腈與水的反應(yīng)。

此外，通過考察醋酸鈀與苯胂酸投料比對該反應(yīng)的催化活性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)醋酸鈀/苯胂酸物質(zhì)的量之比為3∶2時(shí)，其催化活性最高，反應(yīng)初始5 min的產(chǎn)率超過其它比例(圖S5)。這可能表明，在醋酸鈀/苯胂酸物質(zhì)的量之比為3∶2時(shí)，更有利于催化活性中間體的形成。

2.2 產(chǎn)物的結(jié)晶分離

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)結(jié)束后隨著體系的冷卻，苯甲酰胺可以逐漸從反應(yīng)溶液中結(jié)晶析出，如圖2插圖所示，通過過濾即可收集，操作簡便。為了進(jìn)一步考察本體系中產(chǎn)物析出量與反應(yīng)液溫度的關(guān)系，對苯甲酰胺在苯甲腈中在不同溫度下的析出量做了定量研究。實(shí)驗(yàn)以0.5 mmol苯甲酰胺溶于1 mL苯甲腈中為例，從90℃開始降溫，在目標(biāo)溫度下穩(wěn)定0.5 h，通過檢測溶液中的產(chǎn)物殘留量間接計(jì)算出產(chǎn)物析出量(圖2)。當(dāng)溫度大于50℃時(shí)，產(chǎn)物不析出。隨著溫度逐漸降低，產(chǎn)物析出量迅速增加，當(dāng)溫度在0℃左右時(shí)產(chǎn)物析出量達(dá)到73%。據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以判斷出在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過簡單降溫分離收集產(chǎn)品的方法是可行的。

2.3 催化劑循環(huán)性

為了考察反應(yīng)體系中催化劑的循環(huán)使用壽命，在產(chǎn)物結(jié)晶分離實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并進(jìn)行了5輪循環(huán)性實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下：首輪反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)瓶置于冰箱冷凍室，保持0.5 h，使產(chǎn)物最大限度析出；過濾，收集濾液，補(bǔ)加苯甲腈使瓶內(nèi)液體總量為1 mL，搖勻，并通過氣相色譜檢測此時(shí)反應(yīng)液中苯甲酰胺的殘留量，記為n1；之后向反應(yīng)瓶中加9 μL水，120℃下反應(yīng)2 h，通過氣相色譜檢測此時(shí)瓶內(nèi)總產(chǎn)物量，記為n2。每輪反應(yīng)后新生成的產(chǎn)物量n=n2-n1，所得結(jié)果如圖3所示。首輪反應(yīng)催化劑和底物用量如前，后續(xù)每輪反應(yīng)不額外添加催化劑只補(bǔ)加苯甲腈使反應(yīng)液總量維持在1 mL，每次加水9 μL，于120℃下反應(yīng)2 h。結(jié)果表明，5輪反應(yīng)過后產(chǎn)率均保持在96%以上，選擇性始終為100%，證明催化劑在該體系中具有良好的循環(huán)使用壽命，具有產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

圖3 催化劑的循環(huán)性實(shí)驗(yàn)Fig.3 Recycle experiment of catalyst

2.4 反應(yīng)機(jī)理探討

值得一提的是，將醋酸鈀和苯胂酸各自單獨(dú)投入反應(yīng)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者單獨(dú)作用均無活性；在保持鈀鹽和有機(jī)酸的物質(zhì)的量之比為3∶2的前提下，將醋酸鈀更換為氯化鈀，反應(yīng)無活性；將苯胂酸更換為苯膦酸，反應(yīng)也無活性。這些結(jié)果有力的證明了醋酸鈀和苯胂酸的協(xié)同催化作用。在首輪催化反應(yīng)結(jié)束后，通過加入不良溶劑使催化劑析出，具體步驟為：反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到50 mL離心管內(nèi)，加入 10～15 mL 石油醚(60～90 ℃)，此時(shí)會迅速產(chǎn)生大量沉淀，溶液變得無色澄清；高速離心，棄去上清液，向沉淀中加入3～5 mL 1，2-二甲氧基乙烷(DME)，超聲處理，產(chǎn)物會溶解于此溶劑中但催化劑不會溶解；高速離心后將上清液倒出，再添加1～2 mL DME進(jìn)行清洗，高速離心，最后在離心管底部得到紅棕色固體物質(zhì)。將該紅棕色固體在空氣中干燥后，測得其紅外光譜與醋酸鈀同苯胂酸的機(jī)械混合物的紅外光譜明顯不同(圖S7)，且催化劑在首輪反應(yīng)中的溶液顏色也出現(xiàn)明顯變化(圖S6)。據(jù)此推測，醋酸鈀和苯胂酸在反應(yīng)中原位生成了一種新的活性物種。為了驗(yàn)證這項(xiàng)猜測，將與此配合物具有相似組成成分的化合物TBA-Na-SrPd12(pent)3[12]作為催化劑投入本反應(yīng)中，結(jié)果顯示，在80℃下反應(yīng)10 h，該化合物也表現(xiàn)出了相應(yīng)的催化活性，苯甲酰胺產(chǎn)率為98%。與此同時(shí)，結(jié)合國內(nèi)外對腈水合催化機(jī)理的報(bào)道[6，11]，可推測出本反應(yīng)中原位生成的活性物種為苯胂酸與醋酸鈀形成的新配合物，但此配合物的結(jié)構(gòu)尚不清楚，對該物種的分離純化及結(jié)構(gòu)表征等相關(guān)工作正在進(jìn)行中。

3 結(jié) 論

綜上所述，以醋酸鈀和苯胂酸作為協(xié)同催化劑，在不額外添加溶劑的條件下對苯甲腈水合制備苯甲酰胺的催化反應(yīng)活性進(jìn)行了探究，結(jié)果表明醋酸鈀和苯胂酸的物質(zhì)的量之比為3∶2時(shí)對該反應(yīng)表現(xiàn)出極高的催化活性和循環(huán)性，為苯甲酰胺的制備提供了一種新工藝。同時(shí)，該方法合成的產(chǎn)物容易收集，將為后續(xù)工業(yè)化帶來便利。有關(guān)該體系中形成的催化劑活性物種的捕獲、協(xié)同催化作用機(jī)制等研究工作正在進(jìn)行中。

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