CN111635288B - 一种利用碱土金属氢化物催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法 - Google Patents

一种利用碱土金属氢化物催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用碱土金属氢化物催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，属于有机合成技术领域。该方法以硝基化合物为反应底物，碱土金属氢化物为氢源，联硼酸酯为催化剂，将三者分别加入到有机溶剂中，搅拌加热进行反应，反应温度为50‑150℃，反应时间为3‑20 h；反应结束后对反应母液进行分离提纯得到氨基化合物。本发明合成步骤简单，反应条件温和，避免了高压氢气的使用，而且在反应过程中无过渡金属参与，不仅降低了反应成本且绿色环保，减少环境污染。

Description

一种利用碱土金属氢化物催化还原硝基化合物制备氨基化合 物的方法
技术领域
本发明属于氨基化合物合成技术领域，特别是涉及一种利用碱土金属氢化物催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法。
背景技术
胺类化合物是化学工业中重要的有机合成中间体，可以用来合成抗氧化剂、染料、活性组分、聚合物改性剂、粘合剂、抗光试剂、感光材料、食品添加剂以及药物等。目前合成氨基化合物的方法有很多，如芳基卤化物的催化胺化，亚胺、腈等官能团的还原，硝基化合物的还原等。其中硝基化合物的还原是在实验室和工业规模上合成氨基化合物最常用的方法。工业上还原硝基化合物主要依赖铁粉还原以及钯炭加氢还原两种方法。铁粉还原法工艺成熟，设备投资少，催化剂价格低廉，操作简便，但是该过程中会产生大量的三废(废渣，废液，废气)，对环境污染大、对设备的腐蚀严重；催化加氢还原法，反应完全，副产物少，对环境污染少，但往往需要高温高压，对生产装置和工艺控制的要求较高。因此，为进一步提高硝基还原反应的产率、简化反应操作过程以及后处理过程、提高反应的选择性、减少环境污染，国内外学者对硝基化合物催化还原反应进行了一系列研究。
如2008年日本九州大学的Yukihiro Motoyama课题组开发了一种Pt基纳米催化剂，成功的将其应用到硝基化合物的加氢还原反应中，该催化剂较传统的钯炭还原剂表现出更加优异的催化性能。(Mikihiro Takasaki and Yukihiro Motoyama.Org.Lett.,2008,10(8),1601–1604)
2012年Brindaban C.Ranu课题组报道了一种以铁金属纳米粒子为金
属催化剂，水为溶剂，在室温条件下还原硝基化合物生成氨基化合物的方法。该反应条件温和，可以选择性的还原硝基化合物，保留羰基,C-C双键，C-C三键等官能团。(RajuDey,Nirmalya Mukherjee,Sabir Ahammed and Brindaban C Ranu.Chem.Commun.,2012,48,7982–7984)
2016年，英国爱丁堡大学的Stephen P.Thomas课题组报道了一种以氨基双酚酸铁为催化剂，三乙氧基硅烷为氢源，乙腈为反应溶剂的还原方法，对各类芳基化合物均达到80％以上的分离收率。(Kailong Zhu,Michael P.Shaver and Stephen P.ThomasChem.Sci.,2016,7,3031-3035)
2018年，北京化工大学苏海佳课题组以聚合物半导体g-C3N4为催化剂，水合肼为还原剂，在光照条件下实现了将硝基化合物还原为氨基化合物。该方法反应条件温和，催化剂催化活性高且可回收利用。(Gang Xiao,Peifeng Li,Yilin Zhao,Shengnan Xu,andHaijia Su.Chem.Asian J.,2018,13,1950-1955)
从上述文献报道中可以看出，目前，对硝基化合物还原反应的研究改进仍然需要有过渡金属如铁，铂等的参与，且有时仍会用到高压氢气、硅烷等作为氢源。依然没有解决使用过渡金属催化剂增加成本且对环境污染严重的问题，以及利用氢气及其它昂贵氢源试剂进行还原，往往需要高温高压，对生产装置和工艺控制要求较高的问题。因此，急需开发出一种绿色环保，成本低廉且操作简单的还原硝基化合物的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用碱土金属氢化物催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，用以解决现有的硝基化合物还原制备氨基化合物的合成方法对环境污染严重、生产成本高、对生产装置和工艺控制要求较高的技术问题。
本发明的反应通式如下，本发明的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：以硝基化合物为反应底物，以碱土金属氢化物为氢源，以联硼酸酯为催化剂，将其分别加入到有机溶剂中，搅拌加热进行反应；反应温度为50-150℃，反应时间为3-20h；
步骤(2)：反应结束后进行后处理、分离纯化得到氨基化合物。
优选的，所述R为芳基或芳杂环基。
优选的，所述硝基化合物为3-硝基甲苯、4-硝基氯苯或2-硝基吡啶。
优选的，所述碱土金属氢化物为氢化钠、氢化钾、氢化钙中的任意一种。
优选的，所述联硼酸酯为联硼酸频那醇酯、双联(2,4-二甲基-2,4-戊二醇)硼酸酯、联硼酸新戊二醇酯、双联邻苯二酚硼酸酯中的任意一种。
优选的，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氧六环、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、乙醇中的任意一种。
优选的，所述碱土金属氢化物与硝基化合物的摩尔比为1-10。
优选的，所述联硼酸酯与硝基化合物的摩尔比为0.5-10。
优选的，所述步骤(1)中的反应温度为80-140℃，反应时间为3-12h。
优选的，所述步骤(1)中反应所需的气体氛围为空气或氮气。
本发明的有益效果：合成步骤简单，反应条件温和，利用廉价易得的碱土金属氢化物为氢源，在反应过程中避免了过渡金属、高压氢气的使用，不仅降低了反应成本，而且还符合当前绿色化学发展的主题，对反应设备没有过多的要求，具有理想的工业应用前景。
附图说明
图1是实施例1制备的3-甲基苯胺的1H NMR谱图；
图2是实施例1制备的3-甲基苯胺的13C NMR谱图；
图3是实施例2制备的4-氯苯胺的1H NMR谱图；
图4是实施例2制备的4-氯苯胺的13C NMR谱图；
图5是实施例3制备的2-氨基吡啶的1H NMR谱图；
图6是实施例3制备的2-氨基吡啶的13C NMR谱图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种利用碱土金属氢化物催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，反应通式如下，本发明的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：以硝基化合物为反应底物，以碱土金属氢化物为氢源，以联硼酸酯为催化剂，将其分别加入到有机溶剂中，搅拌加热进行反应；反应温度为50-150℃，反应时间为3-20h；
步骤(2)：反应结束后进行后处理、分离纯化得到氨基化合物。
所述R为芳基或芳杂环基。
所述硝基化合物为3-硝基甲苯、4-硝基氯苯或2-硝基吡啶。
所述碱土金属氢化物为氢化钠、氢化钾、氢化钙中的任意一种。
所述联硼酸酯为联硼酸频那醇酯、双联(2,4-二甲基-2,4-戊二醇)硼酸酯、联硼酸新戊二醇酯、双联邻苯二酚硼酸酯中的任意一种。
所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氧六环、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、乙醇中的任意一种。
所述碱土金属氢化物与硝基化合物的摩尔比为1-10。
所述联硼酸酯与硝基化合物的摩尔比为0.5-10。
所述步骤(1)中的反应温度为80-140℃，反应时间为3-12h。
所述步骤(1)中反应所需的气体氛围为空气或氮气。
实施例1
3-甲基苯胺的制备：
向50ml史莱克管中依次加入底物3-硝基甲苯137mg(1mmol)、联硼酸频那醇酯254mg(1eq.)、氢化钙42mg(1eq.)、N,N-二甲基甲酰胺10ml，加料完毕向史莱克管中加入磁子，反应的气体氛围为空气，无需进行气体置换直接封管，将密封好的史莱克管置于140℃油浴中搅拌反应3h。反应结束后，用旋转蒸发仪减压蒸馏除取溶剂N,N-二甲基甲酰胺，之后用柱层析分离提纯得到目标化合物3-甲基苯胺102mg，收率为95％。
3-甲基苯胺：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ＝7.08(t,J＝7.6Hz,1H),6.62(d,J＝7.5Hz,1H),6.59-6.46(m,2H),3.61(br,2H),2.30(s,3H).
13C NMR(100MHz,CDCl3)δ＝146.34,139.17,129.22,119.53,116.00,112.33,21.48.
实施例2
4-氯苯胺的制备：
向50ml史莱克管中依次加入底物4-硝基氯苯157mg(1mmol)、双联(2,4-二甲基-2,4-戊二醇)硼酸酯141mg(0.5eq.)、氢化钠120mg(5eq.)、二氧六环10ml，加料完毕向史莱克管中加入磁子，将史莱克管中的空气置换为氮气并封管，将密封好的史莱克管置于80℃油浴中搅拌反应12h，反应结束后，用旋转蒸发仪减压蒸馏除掉溶剂二氧六环，之后柱层析分离提纯得到目标化合物4-氯苯胺117mg，收率为92％。
4-氯苯胺：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ＝7.16-7.02(m,2H),6.67-6.55(m,2H),3.63(br,2H).
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ＝144.97,129.14,123.17,116.25.
实施例3
2-氨基吡啶的制备：
向50ml史莱克管中依次加入底物2-硝基吡啶124mg(1mmol)、双联邻苯二酚硼酸酯480mg(2eq.)、氢化钾560mg(10eq.)、甲苯10ml，加料完毕向史莱克管中加入磁子，反应的气体氛围为空气，无需进行气体置换直接封管，将密封好的史莱克管置于120℃油浴中搅拌反应8h，反应结束后，用旋转蒸发仪减压蒸馏除掉溶剂甲苯，之后柱层析分离提纯得到目标化合物2-氨基吡啶85mg，收率为90％。
2-氨基吡啶：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ＝8.08(d,J＝2.7Hz,1H),8.04-7.92(m,1H),7.11-7.00(m,1H),6.99-6.89(m,1H),3.74(br,2H).
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ＝142.59,139.90,137.42,123.75,121.50.
实施例4
氨基苯的制备：
向50ml史莱克管中依次加入底物硝基苯123mg(1mmol)、联硼酸新戊二醇酯900mg(4eq.)、氢化钾120mg(3eq.)、N,N-二甲基乙酰胺10ml，加料完毕向史莱克管中加入磁子，将史莱克管中的空气置换为氮气并封管，将密封好的史莱克管置于150℃油浴中搅拌反应4h，反应结束后，用旋转蒸发仪减压蒸馏除掉溶剂N,N-二甲基乙酰胺，之后柱层析分离提纯得到目标化合物氨基苯80mg，收率为86％。
实施例5
4-甲氧基氨基苯的制备：
向50ml史莱克管中依次加入底物4-甲氧基硝基苯153mg(1mmol)、双联邻苯二酚硼酸酯1.42g(6eq.)、氢化钠168mg(7eq.)、二甲基亚砜10ml，加料完毕向史莱克管中加入磁子，反应的气体氛围为空气，无需进行气体置换直接封管，将密封好的史莱克管置于50℃油浴中搅拌反应20h，反应结束后，用旋转蒸发仪减压蒸馏除掉溶剂二甲基亚砜，之后柱层析分离提纯得到目标化合物4-甲氧基氨基苯110mg，收率为89％。
实施例6
2-甲基-6-氨基吡啶的制备：
向50ml史莱克管中依次加入底物2-甲基-6-硝基吡啶138mg(1mmol)、联硼酸频那醇酯2.03g(8eq.)、氢化钠192mg(8eq.)、N-甲基吡咯烷酮10ml，加料完毕向史莱克管中加入磁子，将史莱克管中的空气置换为氮气并封管，将密封好的史莱克管置于100℃油浴中搅拌反应15h，反应结束后，用旋转蒸发仪减压蒸馏除掉溶剂N-甲基吡咯烷酮，之后柱层析分离提纯得到目标化合物2-甲基-6-氨基吡啶100mg，收率为93％。
实施例7
8-氨基喹啉的制备：
向50ml史莱克管中依次加入底物8-硝基喹啉174mg(1mmol)、双联(2,4-二甲基-2,4-戊二醇)硼酸酯2.82g(10eq.)、氢化钾80mg(2eq.)、乙醇10ml，加料完毕向史莱克管中加入磁子，将史莱克管中的空气置换为氮气并封管，将密封好的史莱克管置于60℃油浴中搅拌反应18h，反应结束后，用旋转蒸发仪减压蒸馏除掉溶剂乙醇，之后柱层析分离提纯得到目标化合物8-氨基喹啉130mg，收率为90％。
实施例8
4-氨基咪唑的制备：
向50ml史莱克管中依次加入底物4-硝基咪唑113mg(1mmol)、联硼酸新戊二醇酯675mg(3eq.)、氢化钙378mg(9eq.)、N,N-二甲基甲酰胺10ml，加料完毕向史莱克管中加入磁子，反应的气体氛围为空气，无需进行气体置换直接封管，将密封好的史莱克管置于105℃油浴中搅拌反应9h，反应结束后，用旋转蒸发仪减压蒸馏除掉溶剂N,N-二甲基甲酰胺，之后柱层析分离提纯得到目标化合物4-氨基咪唑75mg，收率为90％。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，该反应通式如下，其特征在于：包括以下步骤：
R-NO2→R-NH2
步骤(1)：以硝基化合物为反应底物，R为芳基或芳杂环基，以联硼酸酯为催化剂，氢源为氢化钠、氢化钾、氢化钙中的任意一种,将其分别加入到有机溶剂中，搅拌加热进行反应；反应温度为50-150℃，反应时间为3-20h；
步骤(2)：反应结束后进行后处理、分离纯化得到氨基化合物。
2.根据权利要求1所述的催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，其特征在于：所述硝基化合物为3-硝基甲苯、4-硝基氯苯或2-硝基吡啶。
3.根据权利要求1所述的催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，其特征在于：所述联硼酸酯为联硼酸频那醇酯、双联(2,4-二甲基-2,4-戊二醇)硼酸酯、联硼酸新戊二醇酯、双联邻苯二酚硼酸酯中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，其特征在于：所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氧六环、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、乙醇中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，其特征在于：所述氢源与硝基化合物的摩尔比为1-10。
6.根据权利要求1所述的催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，其特征在于：所述联硼酸酯与硝基化合物的摩尔比为0.5-10。
7.根据权利要求1所述的催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的反应温度为80-140℃，反应时间为3-12h。
8.根据权利要求1所述的催化还原硝基化合物制备氨基化合物的方法，其特征在于：所述步骤(1)中反应所需的气体氛围为空气或氮气。
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