纳米氧化铜催化碘代芳烃的氨基化反应

吕良忠，徐 欢，丁元华＊，刘 伟，袁 宇＊

（1．扬州大学 化学化工学院，江苏 扬州225002；2．江苏长青农化股份有限公司，江苏 扬州225218）

芳香胺类化合物广泛存在于自然界中，是最重要的化工原料之一，尤其是芳香伯胺，大量应用于染料、医药、农用化学、聚合材料等领域［1－3］，在精细化工中间体的生产中也占有极为重要的地位．目前，芳香伯胺的工业制法主要是通过硝基化合物的还原，包括金属还原法、催化氢化法、金属氢化物还原法等，但这些传统的合成方法具有适用范围较小、生产过程难以控制、副产物较多、产品质量欠佳等缺陷．近年来，WOLFE［4］，STAUFFERS［5］等提出钯催化氨基化反应合成芳香胺类化合物的方法，该方法生产成本较高，工艺复杂，而且氨（或铵）不能直接参与偶联反应，因此不宜用于工业原料的合成．文献［6－14］则选用各种廉价的铜盐为催化剂，卤代芳烃为原料，水、醇类或N，N－二甲基甲酰胺（DMF）等为溶剂，并选择廉价易得的氨气或氨水为氨源，在相对温和的条件下反应，直接制得相应的芳香伯胺．本文拟以碘代芳烃为原料、无水乙醇为溶剂、氨水为氨源，选择纳米氧化铜为催化剂合成芳香胺．

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

85－1型磁力搅拌器（上海司乐仪器有限公司），ZF－1型三用紫外分析仪（上海顾村电光仪器厂），SHZ－D（Ⅲ）型循环水式多用真空泵（南京科尔仪器设备有限公司），DHG－9003型电热恒温鼓风干燥箱（上海更发制药设备有限公司），R－3型旋转蒸发仪（瑞士Buchi公司），AVANCE－600核磁共振仪（德国Bruker公司），Bruker Tensor 27FTIR 红外光谱仪（德国Bruker公司）．

纳米CuO（＜50nm）（上海Sigma－Adrich公司），纳米Fe2O3（＜50nm）（上海Sigma－Adrich公司），纳米NiO（w＝99．8%）（上海Sigma－Adrich公司），柱层析硅胶（烟台江友硅胶开发有限公司），HSGF－254高效薄层层析硅胶板（烟台江友硅胶开发有限公司）．磷酸钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、无水乙醇、氯化铵、碳酸铵、氨水溶液（w（NH3·H2O）＝25%）（国药集团化学试剂有限公司），碘代芳烃（自制），所用试剂均为分析纯．

1．2 实验步骤

1）苯胺的合成．向15mL洁净的烧瓶中加入204mg（1mmol）碘苯、112mg（2mmol）氢氧化钾、16mg（0．2mmol）纳米CuO 和2mL无水乙醇，再加入340mg（5mmol）25%（质量分数，下同）的氨水，密封体系，将混合物在90 ℃下搅拌反应16h；反应结束后冷却至室温，加入5mL水，用乙酸乙酯分别萃取3次（每次10mL），合并有机层，经无水硫酸钠干燥，抽滤，旋转蒸发除去乙酸乙酯，粗产品通过柱层析分离提纯．

2）催化剂纳米CuO 的循环利用．反应结束后静置，冷却至室温；用针筒小心抽出反应液，用适量乙酸乙酯分3次洗涤烧瓶底部的残留固体；加入2mL蒸馏水充分搅拌，针筒抽取注入离心管，加入适量水后置于离心机中分离，如此反复3次，以除去体系中的氢氧化钠；得到的固体经真空干燥后转移至烧瓶，进入下一次循环实验．

2 结果与讨论

2．1 反应条件的优化与筛选

以1mmol碘苯与5mmol 25%的氨水的反应（式（1））为模板反应，对碘代芳烃的氨基化反应条件进行筛选．

1）催化剂的选择．对反应式（1）选用不同的纳米金属氧化物为催化剂，结果如表1所示．表1表明，纳米CuO 催化效果良好，混合催化剂的催化效果与其相比不显著，因此采用纳米CuO 为催化剂．

表1 不同催化剂对反应产率的影响Tab．1 The effect of different catalysts on the yield of the reaction

2）氨源的选择．以8mg（0．1mmol）纳米CuO 为催化剂，分别选用5mmol 25%的氨水、5mmol NH4Cl以及5mmol（NH4）2CO3为氨源进行实验，反应产率分别为76%，0，0，因此选择25%的氨水作为氨源．

3）溶剂的选择．分别用DMF、DMSO、乙腈、水、无水乙醇和乙二醇为反应溶剂，反应产率依次为0，＜5%，0，0，76%，51%，因此选择无水乙醇作为溶剂．

4）调节剂的选择．分别选择K3PO4，Na2CO3，K2CO3，NaOH，KOH 为反应混合液pH 调节剂，反应产率依次为0，0，0，83%，90%，故选择KOH 作为pH 调节剂．

2．2 反应底物对反应产率的影响

通过条件的筛选优化，确定最佳反应条件为：以1mmol系列碘代芳烃为底物，0．1mmol纳米CuO 为催化剂，112mg（2mmol）KOH 为调节剂，2mL无水乙醇为溶剂，90 ℃下反应16h．

表2列出了一系列碘代芳烃与氨水氨基化反应（式2）后的产物结构及产率．由表2可知：①当碘苯的邻、间、对位被烷基取代（如b～d）时，空间位阻效应较明显，产率分别为81%，84%，88%；②当碘苯的邻位和对位同时被烷基取代（如e）时，空间位阻效应增大，反应产率下降；③当碘苯的间、对位被给电子基取代（如f～g）时，产率均小于87%，此时空间位阻效应可忽略；④当碘苯的邻、间位分别被氯原子取代（如h～i）时，产率较高；⑤当碘苯的对位为吸电子取代基（如j～k）时，产率明显下降，且官能团吸电子能力越强，反应产率越低；⑥当反应底物含有萘环（如l）时，反应效果较好．

表2 纳米CuO 催化碘代芳烃的氨基化反应的产率Tab．2 The yield of nano CuO－catalyzed amination of aryl iodides

2．3 纳米CuO 的催化活性分析

循环使用催化剂，充分发挥其催化效用，可节约反应成本．笔者对反应后的催化剂进行简单处理后进行6次循环实验，每次实验反应的产率基本保持不变．通过对比反应前后纳米CuO 的透射电镜图可发现纳米CuO 稳定性很高，虽有小部分发生了聚集，但能够完全保留下来，保持着良好的催化活性，对反应产率影响较小．

3 结论

本文提出的无配体参与的以纳米CuO 为催化剂、氨水为氨源、通过偶联反应一步合成芳香胺的方法具有如下优点：

1）反应步骤简便，对温度、压力等条件要求不苛刻；

2）使用的氨源丰富，廉价易得；

3）不添加任何配体，对环境友好；

4）与氯、溴取代基几乎不反应，可以应用于具有选择性的反应；

5）催化剂可多次循环利用，节约了反应成本．

［1］ WEISSERMEL K，ARPE H J．Industry organic chemistry［M］．Weinheim：Wiley－VCH，1997：376－378．

［2］ LAWRENCE S A．Amines：synthesis properties and applications［M］．Cambridge：Cambridge University Press，2004：284－299．

［3］ 穆绍林，阚锦晴，孙健，等．苯胺电化学聚合的速率测定［J］．扬州大学学报：自然科学版，2000，3（3）：9－14．

［4］ WOLFE J P，TOMORI H，SADIGHI J P，et al．Simple，efficient catalyst system for the palladium－catalyzed amination of aryl chlorides，bromides，and triflates［J］．J Org Chem，2000，65（4）：1158－1174．

［5］ STAUFFERS R，LEE S，STAMBULI J P，et al．High turnover number and rapid，room－temperature amination of chloroarenes using saturated carbene ligands［J］．Org Lett，2000，2（10）：1423－1426．

［6］ ZENG Xin，HUANG Wenming，QIU Yatao，et al．An efficient copper－catalyzed synthesis of anilines by employing aqueous ammonia［J］．Org Biomol Chem，2011，9（24）：8224－8227．

［7］ LI Ying，ZHU Xinhai，MENG Fei，et al．Copper／oxalohydrazide／ketone catalyzed synthesis of primary arylamines via coupling of aryl halides with aqueous ammonia in water［J］．Tetrahedron，2011，67（30）：5450－5454．

［8］ CHEN Junmin，YUAN Tangjun，HAO Wenyan，et al．Simple and efficient CuI／PEG－400system for amination of aryl halides with aqueous ammonia［J］．Tetrahedron Lett，2011，52（29）：3710－3713．

［9］ THAKUR K G，GANAPATHY D，SEKAR G．D－Glucosamine as a green ligand for copper catalyzed synthesis of primary aryl amines from aryl halides and ammonia［J］．Chem Commun，2011，47（17）：5076－5078．

［10］ XU Huajian，LIANG Yufeng，CAI Zhenya，et al．CuI－nanoparticles－catalyzed selective synthesis of phenols，anilines，and thiophenols from aryl halides in aqueous solution［J］．J Org Chem，2011，76（7）：2296－2300．

［11］ WANG Deping，CAI Qian，DING Ke．An efficient copper－catalyzed amination of aryl halides by aqueous ammonia［J］．Adv Synth Catal，2009，351（11／12）：1722－1726．

［12］ LANG Fengrui，ZEWGE D，HOUPIS I N，et al．Amination of aryl halides using copper catalysis［J］．Tetrahedron Lett，2001，42（19）：3251－3254．

［13］ MASTERS K，WALLESCH M，BRÄSE S．Ortho－bromo（propa－1，2－dien－1－yl）arenes：novel substrates for domino reactions［J］．J Org Chem，2011，76（21）：9060－9067．

［14］ SWAPNA K，MURTHY S N，NAGESWAR Y V D．Copper iodide as a recyclable catalyst for buchwald Narylation［J］．Eur J Org Chem，2010（34）：6678－6684．