醋酸鈀和苯胂酸協同催化苯甲腈水合制備苯甲酰胺

王 濤 林政國 胡長文

(北京理工大學化學與化工學院，原子分子簇科學教育部重點實驗室，北京 102488)

0 引 言

苯甲酰胺(PhCONH2)在醫藥、農藥和生化研究等領域有重要的應用價值[1]。通過苯甲腈水合反應制備苯甲酰胺具有較高的原子經濟性和產物選擇性，因而倍受關注。目前用于該反應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]、金屬有機配合物[5]、多金屬氧簇[6]等。但尚存在催化劑活性不高和產物分離繁瑣等問題。

在有機合成反應中，無溶劑合成可簡化工藝流程，減少環境污染，是符合綠色化學理念的合成途徑，受到科技和產業界的廣泛關注[7-8]。本研究通過使用醋酸鈀和苯胂酸作為催化劑組分，苯甲腈反應物過量兼作溶劑，建立了醋酸鈀和苯胂酸協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 (苯甲酰胺產物時空收率達186 mol·kg-1·h-1)，目標產物選擇性好(＞99%)，催化劑循環性好(循環5次未發現活性降低)等優勢，且產物通過冷卻反應液即可結晶析出。因此，此工藝路線不僅具有研究價值，也具有明顯的產業化應用前景。

1 實驗部分

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)化成工業發展有限公司；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)化成工業發展有限公司。其中，醋酸鈀、苯胂酸、苯甲腈在使用前均需進行無水干燥處理。

所有產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)型毛細管柱，測試時，以高純氮氣為載氣(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 實驗過程

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0.5 h，產物檢測及定量分析通過氣相色譜采用內標法完成，所用標準曲線詳見圖S1。

2 結果與討論

2.1 催化劑的活性與選擇性

通過對不同反應時間苯甲酰胺產率進行定量分析，得到時間-產率和選擇性數據(圖1)。圖1表明，在最初5 min內產率已經達到90%以上；反應進行30 min左右基本結束，苯甲酰胺產率達99%以上、選擇性接近100%。為了考察不同反應溫度對產率的影響，通過對不同溫度下苯甲酰胺產率進行定量分析，得到溫度-產率數據(圖S2)，結果表明，0.5 h內，反應產率隨著溫度的升高而升高，90℃達到最高(99%)，因此90℃為最佳反應溫度；將反應液冷卻至室溫，即可分離結晶析出的固態苯甲酰胺產物，并通過紅外與核磁表征，與苯甲酰胺標準品的紅外吸收峰一致，核磁共振譜圖同文獻中核磁譜圖一致(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率與STYTable 1 Yield and STY of benzonitrile to benzamide with different catalysts

圖1 苯甲腈水合反應的時間-產率曲線與時間-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匯總了相關催化劑的活性數據，結果表明，單獨以醋酸鈀或苯胂酸為催化劑時幾乎無活性，且同國內外其它研究工作相比，采用的醋酸鈀和苯胂酸協同催化苯甲腈水合的活性和選擇性最高，時空收率(STY[13])高達 186 mol·kg-1·h-1，具有良好的應用前景。在此結果的基礎上，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，促進了苯甲腈與水的反應。

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

2.2 產物的結晶分離

在實驗過程中發現反應結束后隨著體系的冷卻，苯甲酰胺可以逐漸從反應溶液中結晶析出，如圖2插圖所示，通過過濾即可收集，操作簡便。為了進一步考察本體系中產物析出量與反應液溫度的關系，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。實驗以0.5 mmol苯甲酰胺溶于1 mL苯甲腈中為例，從90℃開始降溫，在目標溫度下穩定0.5 h，通過檢測溶液中的產物殘留量間接計算出產物析出量(圖2)。當溫度大于50℃時，產物不析出。隨著溫度逐漸降低，產物析出量迅速增加，當溫度在0℃左右時產物析出量達到73%。據此實驗結果可以判斷出在實際生產過程中，通過簡單降溫分離收集產品的方法是可行的。

2.3 催化劑循環性

為了考察反應體系中催化劑的循環使用壽命，在產物結晶分離實驗的基礎上設計并進行了5輪循環性實驗，具體步驟如下：首輪反應結束后，將反應瓶置于冰箱冷凍室，保持0.5 h，使產物最大限度析出；過濾，收集濾液，補加苯甲腈使瓶內液體總量為1 mL，搖勻，并通過氣相色譜檢測此時反應液中苯甲酰胺的殘留量，記為n1；之后向反應瓶中加9 μL水，120℃下反應2 h，通過氣相色譜檢測此時瓶內總產物量，記為n2。每輪反應后新生成的產物量n=n2-n1，所得結果如圖3所示。首輪反應催化劑和底物用量如前，后續每輪反應不額外添加催化劑只補加苯甲腈使反應液總量維持在1 mL，每次加水9 μL，于120℃下反應2 h。結果表明，5輪反應過后產率均保持在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使用壽命，具有產業價值。

圖3 催化劑的循環性實驗Fig.3 Recycle experiment of catalyst

2.4 反應機理探討

值得一提的是，將醋酸鈀和苯胂酸各自單獨投入反應中，結果發現兩者單獨作用均無活性；在保持鈀鹽和有機酸的物質的量之比為3∶2的前提下，將醋酸鈀更換為氯化鈀，反應無活性；將苯胂酸更換為苯膦酸，反應也無活性。這些結果有力的證明了醋酸鈀和苯胂酸的協同催化作用。在首輪催化反應結束后，通過加入不良溶劑使催化劑析出，具體步驟為：反應結束后，將反應液轉移到50 mL離心管內，加入 10～15 mL 石油醚(60～90 ℃)，此時會迅速產生大量沉淀，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進行清洗，高速離心，最后在離心管底部得到紅棕色固體物質。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械混合物的紅外光譜明顯不同(圖S7)，且催化劑在首輪反應中的溶液顏色也出現明顯變化(圖S6)。據此推測，醋酸鈀和苯胂酸在反應中原位生成了一種新的活性物種。為了驗證這項猜測，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中，結果顯示，在80℃下反應10 h，該化合物也表現出了相應的催化活性，苯甲酰胺產率為98%。與此同時，結合國內外對腈水合催化機理的報道[6，11]，可推測出本反應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，但此配合物的結構尚不清楚，對該物種的分離純化及結構表征等相關工作正在進行中。

3 結 論

綜上所述，以醋酸鈀和苯胂酸作為協同催化劑，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活性進行了探究，結果表明醋酸鈀和苯胂酸的物質的量之比為3∶2時對該反應表現出極高的催化活性和循環性，為苯甲酰胺的制備提供了一種新工藝。同時，該方法合成的產物容易收集，將為后續工業化帶來便利。有關該體系中形成的催化劑活性物種的捕獲、協同催化作用機制等研究工作正在進行中。

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