CN101921218B

CN101921218B - 一种硫代氨基甲酸酯的制备方法

Info

Publication number: CN101921218B
Application number: CN 201010272418
Authority: CN
Inventors: 金德宽; 刘长春
Original assignee: JIANGSU FOOD SCIENCE COLLEGE
Current assignee: JIANGSU FOOD SCIENCE COLLEGE
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2030-09-06
Also published as: CN101921218A

Abstract

本发明公开了一种硫代氨基甲酸酯的制备方法，包括如下步骤：将芳香硝基化合物与硫醇、或与硫酚以mol比为1∶0.8-1.2加入带有搅拌的容器内，以每向容器内加入芳香硝基化合物10mmol计，则向容器内加入催化剂Pd-Fe/TiO₂25-45mg、离子液体5-15mL，然后将容器密封后抽真空，真空度低于400Pa，通入CO置换一次以上，在20-40℃、400-1400Pa、搅拌反应3～8h；反应结束后，用有机溶剂萃取，得到的萃取液用水清洗，并经干燥处理后，再减压蒸去有机溶剂，得到的粗产物用石油醚重结晶得到硫代氨基甲酸酯。

Description

一种硫代氨基甲酸酯的制备方法

技术领域

本发明涉及有机化合物制备领域，具体涉及芳香硝基化合物与硫醇或与硫酚在离子液体中以Pd-Fe/TiO₂为催化剂的羰基化反应，制备氨基甲酸酯的方法。

背景技术

硫代氨基甲酸酯是一种分子内含有氧、氮、硫等多个杂原子和多种官能团的化合物，大多数具有较好的生物活性，在医药、农药和有机合成等方面有着广泛的应用，可以用作除草剂、杀虫剂、杀菌剂、抗病毒剂和生物调节剂等，因而对该类化合物进行合成研究有着重要的意义。

文献报道合成硫代氨基甲酸酯的方法主要有水解醇解法、异氰酸酯法、三氯乙酰氯法和羰基化法等。羰基化法是合成氨基甲酸酯类化合物的一种非常有效的非光气方法，是C₁化学的一个主要研究方向。芳胺或芳香硝基化合物的羰基化反应由于工艺简单，原子利用率高，对环境友好，符合绿色化学的发展方向，已经成为羰基化法合成氨基甲酸酯的研究热点。钯、铑、钌、钴、金、铜、镍等过渡金属催化剂和硒、硫等非金属催化剂可以有效催化芳胺或芳香硝基化合物的羰基化反应，但这些催化剂大都在均相体系中进行反应，难以分离回收，不能重复使用。因此，对有利于产物纯化和催化剂回收利用的负载型催化剂的研究引起了人们的关注，如ZnO-TiO₂、NaI-Pd/C、CuO/MCM-41与CuCl₂/HZSM-5、PdCl₂/ZrO₂-SO₄等可以用于较好地催化苯胺的氧化羰基化反应；张俊等发现PdCl₂/PVP和FeCl₃助催化剂共同存在时，可以高效地催化硝基苯羰基化，并易于分离回收。

离子液体由于具有能促进反应速度，提高反应的选择性，实现反应过程的绿色化等优势，已经作为反应介质和催化剂成功应用于许多有机合成反应，但离子液体在芳香硝基化合物羰基化反应中的应用文献报道较少。尤其是在离子液体中加入负载型催化剂在芳香硝基化合物羰基化反应中的应用未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硫代氨基甲酸酯的制备方法，即在离子液体中Pd-Fe/TiO₂催化芳香硝基化合物羰基化合成硫代氨基甲酸酯的方法。本发明转化率高、反应速度快，离子液体、以及Pd-Fe/TiO₂催化剂经简单处理可重复多次使用，具有节约、环保的优点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种硫代氨基甲酸酯的制备方法，包括如下步骤：

将芳香硝基化合物与硫醇、或与硫酚以mol比为1∶0.8-1.2加入带有搅拌的容器内，以每向容器内加入芳香硝基化合物10mmol计，则向容器内加入催化剂Pd-Fe/TiO₂25-45mg、离子液体5-15mL，然后将容器密封后抽真空，真空度低于400Pa，通入CO置换一次以上，在20-40℃、400-1400Pa、搅拌反应3～8h；

反应结束后，用有机溶剂萃取，得到的萃取液用水清洗，并经干燥处理后，再减压蒸去有机溶剂，得到的粗产物用石油醚重结晶得到硫代氨基甲酸酯。

本发明进一步改进方案是，所述催化剂Pd-Fe/TiO2，其中Pd的负载量质量百分比为0.2-0.7％，Fe的负载量质量百分比为0.15-0.45％。

本发明更进一步改进方案是，所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、或乙晴、或N，N-甲基甲酰胺、或二甲基亚砜中的一种。

本发明通过大量实验，确定了羰基化反应的反应介质、催化剂、硝基化合物与硫醇或与硫酚物质的量比、以及反应温度、反应时间、催化剂的Pd和Fe负载量。

一、不同反应介质对羰基化反应的影响。

羰基化反应合成硫代氨基甲酸酯属于亲核取代反应，反应介质的极性对硫代氨基甲酸酯的收率有显著影响。因此，我们选用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([bmim]PF₆)、乙腈、N，N-甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)作为反应介质，探讨不同反应介质对羰基化反应的影响，结果见表1。可以看出，在离子液体[bmim]PF₆介质中，硝基苯与乙硫醇能很好地发生羰基化反应，以极高的收率得到硫代氨基甲酸酯，这是由于离子液体的强极性作用，极大地促进了羰基化反应的进行，同时[bmim]PF₆中咪唑阳离子可以与Pd发生配位作用，使Pd-Fe/TiO₂催化剂表现出更优越的催化能力和稳定性。离子液体的用量对羰基化反应有一定的影响，离子液体用量较少时，催化剂不能较好地分散在离子液体中，反应时底物不能有效地与催化剂接触，硫代氨基甲酸酯的收率稍低；当离子液体用量为10mL时，硫代氨基甲酸酯的收率最高；继续增加离子液体的用量，由于过量的离子液体减小了反应物的浓度，硫代氨基甲酸酯的收率反而略有下降。使用乙腈作为反应介质，由于其具有较强的极性作用，硝基苯与乙硫醇能也能较好地发生羰基化反应。而在极性较小的DMF和DMSO中，硫代氨基甲酸酯的收率较低。

表1不同反应介质对羰基化反应的影响

反应条件：w(Pd)＝0.3％，w(Fe)＝0.1％，t＝4h.

二、催化剂的Pd和Fe负载量对羰基化反应的影响。

图1为催化剂中Pd和Fe负载量对羰基化反应的影响。可以看出，不含Fe的Pd/TiO₂催化剂和不含Pd的Fe/TiO₂催化剂对羰基化反应的催化活性很低，而Pd-Fe/TiO₂催化剂的催化活性显著提高，硫代氨基甲酸酯的收率明显增加。Pd-Fe/TiO₂催化剂中Pd负载量较低时，TiO₂表面形成的催化活性位较少，催化活性较低；增加Pd负载量可以提高TiO₂表面的催化活性位数量，催化活性也逐渐提高，硫代氨基甲酸酯的收率逐渐增加；当Pd负载量为0.5％时，TiO₂表面结合的位点基本饱和，继续增加Pd负载量，会造成Pd晶粒的沉积和团聚，不能继续提高催化活性，硫代氨基甲酸酯的收率增加不明显。Pd-Fe/TiO₂催化剂中Fe负载量较小时，催化活性较低，硫代氨基甲酸酯的收率不高；增加Fe负载量，硫代氨基甲酸酯的收率逐渐提高；当Fe负载量大于0.3％时，继续增加Fe负载量，硫代氨基甲酸酯的收率反而有所降低。

三、硝基化合物与硫醇物质的量比对羰基化反应的影响。

图2为硝基苯与乙硫醇物质的量比对羰基化反应的影响(硝基化合物与硫醇或与硫酚物质的量比对羰基化反应的影响也如此)。可以看出，随着硫醇用量的增加，硫代氨基甲酸酯的收率也逐渐增加，这可能是因为在反应中硝基苯首先被还原为苯胺，然后在离子液体[bmim]PF₆与催化剂Pd-Fe/TiO₂的协同作用下生成中间体氨基羰基钯，此中间体可以与硫醇发生反应生成目标产物硫代氨基甲酸酯，也可以接受苯胺的进攻生成副产物二苯脲；因为苯胺的亲核能力比硫醇强，所以大部分苯胺生成了中间体氨基羰基钯，再接受硫醇的进攻生成硫代氨基甲酸酯，而只有少量的苯胺与中间体氨基羰基钯反应生成少量的副产物二苯脲；但是如果反应中硝基苯过量，就会有过量的苯胺与中间体氨基羰基钯反应生成大量的副产物二苯脲，从而使目标产物的收率下降。当硝基化合物与硫醇物质的mol比增加到1.0∶1.1后，再增加硫醇的用量，硫代氨基甲酸酯的收率无明显提高。

四、催化剂用量对羰基化反应的影响。

在硝基化合物10mmol，乙硫醇11mmol，离子液体10mL，30℃反应4h的条件下，探讨了催化剂用量对羰基化反应的影响，结果见图3。由图3可知，催化剂的用量较少时，硫代氨基甲酸酯的收率较低；当催化剂用量达到36mg以上时，可能是由于催化剂的用量增大时，增加了生成二苯脲等副反应的发生机会，致使硫代氨基甲酸酯的收率稍有降低。

五、反应温度对羰基化反应的影响。

图4为反应温度对羰基化反应的影响。可以看出，离子液体中硝基苯与乙硫醇的羰基化反应在较低温度下就能顺利进行，以较高的收率得到硫代氨基甲酸酯，这说明离子液体和Pd-Fe/TiO₂催化体系具有良好的低温催化活性。反应温度升高到40℃以上时，硫代氨基甲酸酯的收率有一定下降，这说明升高反应温度不利于硫代氨基甲酸酯的生成。

六、催化剂、离子液体具有多次重复使用的性能。

以硝基苯与乙硫醇的羰基化反应为例，探讨了离子液体[bmim]PF₆和催化剂Pd-Fe/TiO₂的重复使用情况，结果见表2。结果表明，离子液体和催化剂体系经过简单处理，重复使用6次后，硫代氨基甲酸酯的收率仍达到95％以上，说明离子液体和Pd-Fe/TiO₂催化剂用于芳香硝基化合物的羰基化反应具有良好的重复使用性能。

表2离子液体和催化剂的重复使用结果

反应条件：w(Pd)＝0.5％，w(Fe)＝0.3％，t＝4h.

附图说明

图1为催化剂Pd-Fe/TiO₂中Pd和Fe负载量对羰基化反应的影响(反应条件：t＝4h；w(Fe)＝0.3％；w(Pd)＝0.5％)；

图2为硝基化合物与醇物质的量比对羰基化反应的影响(反应条件：w(Pd)＝0.5％，w(Fe)＝0.3％，t＝4h)；

图3为催化剂用量对羰基化反应的影响(反应条件：w(Pd)＝0.5％，w(Fe)＝0.3％，t＝4h)

图4为反应温度对羰基化反应的影响(反应条件：w(Pd)＝0.5％，w(Fe)＝0.3％，t＝4h)

具体实施方式

实施例1

将硝基苯与乙硫醇以mol比为1∶1.1加入带有搅拌的容器内(即向容器内加入10mmol硝基苯，11mmol乙硫醇)，再向容器内加入催化剂Pd-Fe/TiO₂36mg(催化剂中Pd的负载量质量百分比为0.5％，Fe的负载量质量百分比为0.3％)、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([bmim]PF₆)10mL，将容器密封后抽真空，真空度低于400Pa，通入常压CO置换三次，(每隔10分钟左右通一次CO，然后抽真空使真空度低于400Pa，再通CO。通CO主要是为了排除氧气、及其他气体，保证反应的纯度)，在30℃、500Pa左右、搅拌反应4h。

反应结束后，用乙酸乙酯(也可用乙醚)萃取(5mL×3)。得到的萃取液用水清洗(5mL×3)，并用无水MgSO₄干燥后(生产中可采用其他干燥方法)，再减压蒸去乙酸乙酯，得到的粗产物用石油醚重结晶得到硫代氨基甲酸酯

以硝基化合物计算硫代氨基甲酸酯的收率为97.3％，硫代氨基甲酸酯的熔点为53-54℃。

实施例18

离子液体选用乙晴(即向容器内加入10mL乙晴)，得到的硫代氨基甲酸酯

以硝基化合物计算硫代氨基甲酸酯的收率为94.3％。其余实施如实施例1。

实施例2-17，所用的原料(是指芳香硝基化合物与硫醇、或与硫酚)、反应时间、以及得到的硫代氨基甲酸酯的收率、熔点，如表3所示。其余实施如实施例1。

表3

从表3可知，在确定的优化反应条件下，在离子液体中Pd-Fe/TiO₂催化一系列芳香硝基化合物与硫醇或与硫酚的羰基化反应。在Pd-Fe/TiO₂作用下，不同结构的硫醇在[bmim]PF₆介质中能顺利进行羰基化反应，大多数的硫醇以90％以上的收率得到相应的硫代氨基甲酸酯，而叔丁硫醇因为空间位阻较大，难以接近中间体氨基羰基钯的反应活性中心，抑制了硫代氨基甲酸酯的生成，使反应向生成二苯脲的方向进行，故硫代氨基甲酸酯的收率只有65.8％。苯甲硫醇的反应活性较高，只需反应3h，就以98.2％的高收率得到硫代氨基甲酸酯。不同取代的硫酚也能与硝基苯发生羰基化反应，但由于硫酚的亲核性较弱，导致其发生羰基化反应的活性下降，硫代氨基甲酸酯的收率较低。邻位取代基的空间位阻对硫酚进行羰基化反应基本没有影响，但是取代基的电子效应对硫酚羰基化反应的收率有一定的影响；给电子基团使硫酚的反应活性增强，硫代氨基甲酸酯的收率明显提高；吸电子基团使硫酚的反应活性减弱，硫代氨基甲酸酯的收率有所下降。

Claims

1.一种硫代氨基甲酸酯的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

将芳香硝基化合物与硫醇、或与硫酚以mol比为1∶0.8-1.2加入带有搅拌的容器内，每向容器内加入芳香硝基化合物10mmol，则向容器内加入催化剂Pd-Fe/TiO₂25-45mg、离子液体5-15mL，然后将容器密封后抽真空，真空度低于400Pa，通入CO置换一次以上，在20-40℃、400-1400Pa、搅拌反应3～8h；

反应结束后，用有机溶剂萃取，得到的萃取液用水清洗，并经干燥处理后，再减压蒸去有机溶剂，得到的粗产物经石油醚重结晶得到硫代氨基甲酸酯。

2.根据权利要求1所述的一种硫代氨基甲酸酯的制备方法，其特征在于：所述催化剂Pd-Fe/TiO₂，其中Pd的负载量质量百分比为0.2-0.7％，Fe的负载量质量百分比为0.15-0.45％。