催化加氫法制備環(huán)庚胺

王 勤，咼茗婕，羅志臣

(1.常州夏青科技有限公司 常州市工程技術(shù)研究中心，江蘇 常州 213000；2.揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

環(huán)庚胺是一種重要的的醫(yī)藥化工中間體，可用于骨質(zhì)疏松癥、高鈣血癥等疾病的治療藥物因卡膦酸二鈉的合成，也可用于燃油、潤滑油的添加劑的制備[1]。環(huán)庚胺的制備方法主要有4種。一是環(huán)庚酮氨化法，即環(huán)庚酮在特殊的鈷催化劑作用下與氨氣和氫氣在120 ℃、0.5～0.7 MPa下反應(yīng)[2]。該反應(yīng)需要特殊的催化劑，反應(yīng)溫度高，時間長，收率只有87%。二是環(huán)庚酮肟法，即由環(huán)庚酮制備環(huán)庚酮肟，再分批加入還原劑Ni-Al合金，經(jīng)萃取、洗滌濃縮制得環(huán)庚胺[1]。該工藝需要經(jīng)高溫蒸餾提純環(huán)庚肟步驟，而環(huán)庚肟高溫下穩(wěn)定性不好，容易分解；采用Ni-Al合金，后處理麻煩，難以進行工業(yè)化生產(chǎn)。三是在乙醇溶劑中環(huán)庚酮在Ti(OPr-i)4催化下與氨氣反應(yīng)，再經(jīng)NaBH4還原，最后與NH4OH反應(yīng)。該工藝操作復(fù)雜，需要特殊的催化劑，收率也只有88%[3-4]。四是以環(huán)庚烷的疊氮化合物為原料，有機硫化合物作用下，生成環(huán)庚胺[5]。該反應(yīng)中，原料易燃易爆，增加了操作危險性。綜上所述，以上幾種方法都不利于工業(yè)化生產(chǎn)選用。

Pd/C作為一種重要可回收、綠色環(huán)保型催化劑，可以催化很多有機反應(yīng)，如偶聯(lián)反應(yīng)[6]、還原反應(yīng)[7]、Suzuki-Miyaura反應(yīng)[8]、Suzuki反應(yīng)[9]和芳基化反應(yīng)[10]等。為了克服傳統(tǒng)的環(huán)庚胺制備過程中的不足，作者以環(huán)庚酮為原料，堿性條件下與鹽酸羥胺反應(yīng)生成環(huán)庚酮肟，環(huán)庚酮肟不經(jīng)蒸餾提純，可進行下一步還原反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，過濾除去催化劑，濾液直接蒸餾即可得到合格產(chǎn)品。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

環(huán)庚酮、鹽酸羥胺、氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉、乙酸乙酯：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；甲醇、無水硫酸鈉：江蘇強盛功能化學(xué)有限公司；以上試劑均為分析純；Pd/C：Pd負載量5%，阿拉丁試劑有限公司。

核磁共振儀：Mercuryplus 400 MHz，瑞士Bruker公司；氣相色譜儀：Agilent7890A，美國Agilent公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 環(huán)庚酮肟的合成

參考文獻[1]，將50 g KOH和100 g H2O加入到250 mL四口燒瓶中溶解后，冷卻至室溫，再加入60 g鹽酸羥胺，溶解后冰浴冷卻至0 ℃，攪拌下滴加50 g環(huán)庚酮，保持反應(yīng)溫度不超過10 ℃。滴加完畢，繼續(xù)攪拌反應(yīng)1 h，再升溫到40 ℃，攪拌反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻，每次用80 mL乙酸乙酯萃取，萃取3次。合并有機層，蒸出溶劑乙酸乙酯，得56.5 g質(zhì)量分數(shù)99%的環(huán)庚酮肟(GC檢測)。對產(chǎn)品進行紅外檢測，IR cm-13 226,3 096(OH),2 924,2 853,1 650(C=N),1 455,1 444,1 431(—CH2—)。對產(chǎn)品進行核磁鑒定，1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ8.05(br.s,1H),2.25～2.70(m,4H),1.35～1.85(m,8H)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正確。

1.2.2 環(huán)庚胺的合成

取1.2.1制得的環(huán)庚酮肟45 g加入到高壓反應(yīng)釜中，加入60 g甲醇溶解，加入m(Pd/C)∶m(環(huán)庚酮肟)=1%～10%。用N2置換3次，H2置換3次后，在H2壓力(0.5～1)MPa下，加熱并保持一定溫度，反應(yīng)一段時間。反應(yīng)結(jié)束后，降溫，抽濾出催化劑，直接蒸餾，得到目標產(chǎn)品環(huán)庚胺。對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)鑒定，紅外譜圖IR cm-13 350,3 258(—NH2)；2 931,2 850(—CH2—)。對產(chǎn)品進行核磁鑒定，結(jié)果為1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ：3.03～2.91(m,1H),1.74～1.31(m,12H)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正確。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件對環(huán)庚酮肟制備的影響

為了考察不同條件對環(huán)庚酮肟制備的影響，固定鹽酸羥胺60 g和環(huán)庚酮50 g的量不變，考察不同的堿種類、不同的反應(yīng)溫度對環(huán)庚酮肟制備的影響。

2.1.1 不同堿對環(huán)庚酮肟制備的影響

將不同的堿折算成相同當(dāng)量的一元堿，加入反應(yīng)體系，考察不同的堿對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 不同堿對環(huán)庚酮肟制備的影響

由表1可知，一元堿比二元堿收率高，堿性強的比堿性弱的收率高，主要是因為堿除了中和鹽酸外，用于催化作用，實驗選擇KOH為反應(yīng)用堿。

2.1.2 不同反應(yīng)溫度對環(huán)庚酮肟制備的影響

固定其他條件不變，改變反應(yīng)溫度，考察反應(yīng)溫度對收率的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同反應(yīng)溫度對環(huán)庚酮肟制備的影響

由表2可知，隨著反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)時間變短，收率變高。當(dāng)t>40 ℃，雖然時間變短但是收率反而降低，因為溫度過高，產(chǎn)品在該體系中容易分解，導(dǎo)致收率降低。所以選擇t=40 ℃，t=3 h。

2.2 反應(yīng)條件對加氫催化的影響

為了考察不同反應(yīng)條件對加氫催化反應(yīng)的影響，取環(huán)庚酮肟45 g溶于60 g甲醇中，分別改變不同實驗條件，以考察催化劑用量、反應(yīng)壓力和溫度等對產(chǎn)品收率的影響，尋求最佳反應(yīng)條件。

2.2.1 反應(yīng)壓力對加氫反應(yīng)的影響

稱取環(huán)庚酮肟45 g溶于60 g甲醇中，m(Pd/C)∶m(環(huán)庚酮肟)=5%，N2置換3次，H2置換3次，p=(0.1～0.7)MPa，t=50 ℃，反應(yīng)至不吸氫。降溫抽濾，直接蒸餾，得到目標產(chǎn)品環(huán)庚胺?？疾旆磻?yīng)壓力對環(huán)庚胺收率的影響，結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)壓力對加氫反應(yīng)的影響

由表3可知，隨著反應(yīng)壓力的增大，環(huán)庚胺的反應(yīng)時間逐漸縮短，收率逐漸增加；但當(dāng)p>0.5 MPa，環(huán)庚胺的收率提高不明顯。壓力過低，反應(yīng)時間長，還原效果差，轉(zhuǎn)化率低，長時間又會導(dǎo)致原料的分解。所以選擇氫氣p=0.5 MPa。

2.2.2 反應(yīng)溫度對加氫反應(yīng)的影響

稱取環(huán)庚酮肟45 g溶于60 g甲醇中，m(Pd/C)∶m(環(huán)庚酮肟)=5%，N2置換3次，H2置換3次，p=0.5 MPa，分別改變反應(yīng)體系溫度，反應(yīng)至不吸氫。以考察反應(yīng)溫度對環(huán)庚胺收率的影響。結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)溫度對加氫反應(yīng)的影響

由表4可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，環(huán)庚胺收率逐漸增加，當(dāng)t>60 ℃，收率反而下降，這可能是由于體系溫度過高導(dǎo)致了環(huán)庚酮肟的分解速率加快。反應(yīng)溫度太低，收率和轉(zhuǎn)化率緩慢，但反應(yīng)溫度過高會加劇副產(chǎn)物的生成。綜合考慮，t=50 ℃為宜。

2.2.3m(Pd/C)∶m(環(huán)庚酮肟)對加氫反應(yīng)的影響

稱取環(huán)庚酮肟45 g溶于60 g甲醇中，分別加入不同質(zhì)量分數(shù)的Pd/C，N2置換3次，H2置換3次，p=0.5 MPa，t=50 ℃等實驗條件不變，改變催化劑用量，反應(yīng)至不吸氫。以考察m(Pd/C)∶m(環(huán)庚酮肟)對環(huán)庚胺收率的影響。結(jié)果見表5。

表5 催化劑用量對加氫反應(yīng)的影響

由表5可知，隨著催化劑用量的增加，環(huán)庚胺收率逐漸增加，反應(yīng)時間也相應(yīng)縮短。當(dāng)m(Pd/C)∶m(環(huán)庚酮肟)=5%，收率趨于穩(wěn)定，而且反應(yīng)時間也變化不大。因此，m(Pd/C)∶m(環(huán)庚酮肟)=5%。

在上述適宜的工藝條件下，環(huán)庚胺的收率最高達98%，操作簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

以環(huán)庚酮為原料，與鹽酸羥胺反應(yīng)合成制備得到環(huán)庚酮肟，再經(jīng)鈀碳催化加氫，制備環(huán)庚胺。最適宜的反應(yīng)條件是t=50 ℃，p=0.5 MPa，t=8 h。該合成工藝條件溫和，操作簡單，收率大大提高，總收率可達98%。

鈀碳催化劑對環(huán)庚酮肟加氫還原具有良好的催化活性，成本較低，具有較好的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用前景。