金、银催化芳香羧酸还原胺化合成苯甲胺

背景介绍

苯甲胺是一种非常重要的化合物，在染料、军事、农业以及制药等行业均具有广泛的应用。传统工艺中，苄胺是从甲苯出发通过如图1所示的三种路径合成。第一种方法是目前最不环保的方法，使用了有毒的氯气且过程中会产生大量的盐废料。另外两种方法虽然没有用到氯气，但是其中苯甲腈的加氢过程需要在400 ℃的高温下进行既耗能又容易造成反应物的分解，而甲苯氧化到苯甲醛步骤又非常容易过度氧化到苯甲酸造成原料浪费。

因此，最近几年研究者们都致力于开发绿色可持续的合成苯甲胺的方法。可从生物质中获得的苯甲醇直接还原胺化合成苯甲胺是目前研究地比较多的一个路径，收率可以达到66-86%。但是，对于同样可来源于生物质的苯甲酸及其衍生物直接还原胺化合成苯甲胺的路径基本上属于未被探索的领域。

图 1. 苯甲胺的合成方法

文章链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c01693?fig=fig2&ref=pdf

研究内容

近日，比利时鲁汶大学Dirk E. De Vos教授在 ACS Catalysis (Gold and Silver-Catalyzed Reductive Amination of Aromatic Carboxylic Acids to Benzylic Amines) 发表文章，针对苯甲酸及其衍生物还原胺化合成苯甲胺的反应，设计并制备了Ag/TiO2和Au/TiO2催化剂，实现了在较低的金属用量（0.025 mol %）情况下苯甲胺的收率达到92%。

首先作者探究了一系列不同载体以及不同金属负载量的Au、Ag催化剂在苯甲酰胺还原胺化反应中的性能。如图2所示，载体对转化率影响显著，有着充足的路易斯酸性位点的TiO2载体对催化剂活性有显著提升，作者认为是因为路易斯酸性位点有利于表面对酰胺的吸附。另外作者证明对于Au/TiO2催化剂，增大载体的用量即降低Au负载量可以显著提升苯甲胺的产率。

由此作者提出，酰胺脱水是速控步，酰胺在该催化剂上是先在载体上脱水转变成苯甲腈随后再在Au粒子表面加氢得到苯甲胺。而对于Ag/TiO2催化剂则无此规律，作者将其归因于在该催化剂上加氢可能是速控步。作者筛选出最佳催化剂为1 wt % Au/TiO2 和2.5 wt % Ag/TiO2。

图2. 苯甲酰胺的还原胺化

随后，作者对反应条件进行了优化。氨气低于2 bar出现芳香环加氢产物，因为氨气可以占据部分活性位点从而抑制对苯环的过度加氢，故足量的氨气是必不可少的。对于氢气压力，Ag/TiO2催化剂性能随着氢压降低而显著下降，而Au/TiO2催化剂则无明显响应，进一步证明Ag/TiO2催化反应路径加氢为速控步。在不同的溶剂中产物分布显著不同，溶解氨气多的溶剂中苯甲胺的收率高，但是氨气过多会影响活性，所以作者认为最佳的溶剂为环戊基甲醚（CPME）和苯甲醚。

图3. 苯甲酰胺还原胺化时间曲线

图 4. 苯甲酰胺还原胺化路径

作者通过时间曲线（图 3）以及前面的探究得出了苯甲酰胺还原胺化反应的可能路径图（图 4）。另外，DFT计算结果表明（图 5），在中间体苯甲腈加氢过程中，Ti5c路易斯酸性位点有助于苯甲腈的吸附和极化CN键，而Au-O2c路易斯酸性位点有助于H2发生异裂，这样的一个多位点协同作用是实现苯甲腈选择性加氢的关键。

图 5. DFT计算结果

最后，作者表明Au/TiO2催化剂在负载量为0.025 wt %时苯甲胺的收率仍可达到92%，而且催化剂的稳定性非常优异（图6）。将低负载量的Au/TiO2催化剂用于一系列苄胺的还原胺化反应，相应的伯胺选择性均较高，可以看出该催化剂具有很好的普适性（表1）。

图 6. 0.025 wt % Au/TiO2催化剂表征和稳定性测试

表 1. 底物普适性结果

这项工作为苯甲胺的合成提供了一个新思路，作者通过设计并制备了Au/TiO2和Ag/TiO2催化剂，可以高收率地获得苯甲胺。同时，在0.025 wt %负载量情况下仍能保持较好的活性和选择性，相当大地节约了成本，且对多种底物适用，具有广阔的应用前景。