仲丁氨基甲酸甲酯的合成

杨玉峰，张泽志

(河南教育学院化学与环境学院，河南 郑州 450046)

仲丁氨基甲酸甲酯分子中既含有酰胺基又含有酯基，因而它不仅有较高的沸点，而且对有机物有较好的溶解性，是一种良好的高沸点有机溶剂；仲丁氨基甲酸酯对一些过渡性金属元素的无机盐有较强的溶解能力，对一些需过渡性金属的无机盐催化的有机反应，易于建立一种良好的反应体系；此外，在农药、医药等行业仲丁氨基甲酸酯也有其重要的用途。

氨基甲酸酯类的合成方法有；光气法[1-4]、氯甲酸酯法[5-6]、碳酸二甲酯法[7-11]。光气法毒性大、危险程度高，已被淘汰；氯甲酸酯法，由于氯甲酸酯的腐蚀性强、不稳定、难储存、生产难度大、成本高，因而难于大规模工业化生产；近年来，绿色、环保的碳酸二甲酯法倍受人们的青睐，它以醇钠、碳酸盐或铅盐作催化剂催化胺与碳酸二甲酯合成氨基甲酸酯，其研究内容大都局限在氨基连在直链一级碳原子上的胺(如丁胺)与碳酸二甲酯的酰化反应，对空间位阻较大的胺类与碳酸二甲酯反应的研究鲜有报道，而且，此法存在着收率低或重金属污染的问题。为此，笔者进行了仲丁胺与碳酸二甲酯的酰化反应的研究，以碘化钾为催化剂催化合成仲丁氨基甲酸酯，并对影响反应的主要因素进行了探讨，其反应式如下:

1 实 验

1.1 主要试剂和仪器

仲丁胺(质量分数99%)，工业级，上海慈太龙实业有限公司；碳酸二甲酯(质量分数98%)，工业级，广东宏川新材料供应有限公司；碘化钾(质量分数99.9%)，分析纯，广州化学试剂厂；醋酸铅(质量分数99.5%)，分析纯，北京红星化工厂；甲醇钠(质量分数99%)，分析纯，淄博昌达精细化工有限公司；碳酸钠(质量分数99.8%)，分析纯，武汉银河化工有限公司。

IRAfinity-1红外光谱仪，日本岛津公司；GC7890F气相色谱仪，上海天美科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

在装有回流反应装置的三颈瓶中加入一定量的催化剂、仲丁胺、碳酸二甲酯，用恒温油浴加热，在磁力搅拌下回流反应，反应过程中用气相色谱仪检测仲丁胺的含量，直至仲丁胺的含量符合要求，停止反应。冷却至室温，过滤出催化剂，循环使用；将滤液进行常压分馏，分馏出甲醇及碳酸二甲酯，然后减压蒸馏，在负压0.095 MPa收集112 ℃的馏分，即为终产物。称量，以仲丁胺计算仲丁氨基甲酸甲酯的理论产量，并计算质量收率。

1.3 产物纯度分析

采用GC7890F气相色谱仪进行分析，色谱柱：3 000 mm×3 mm，I.D.玻璃柱；柱温160 ℃；汽化室温度230 ℃；载气流速25 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 影响仲丁胺与碳酸二甲酯反应的主要因素

2.1.1催化剂的选择

仲丁胺与碳酸二甲酯作用生成仲丁氨基甲酸甲酯的反应，相对仲丁胺来说是甲氧羰基化反应。碳酸二甲酯分子中由于两个甲氧基和羰基形成了p-П共轭体系，大大降低了羰基的活性，使得碳酸二甲酯的甲氧羰基化能力较弱，故该类反应常需在催化剂作用下方可进行。碳酸二甲酯为羧酸类衍生物，它与亲核试剂(胺类)的作用，应与酯交换反应的机理有相似之处。实验发现，一些酯交换反应的常用催化剂的催化效果并不理想。为此，实验又选取了一些不同类型的化合物作催化剂，其反应结果见图1。

图1 不同的催化剂对实验结果的影响

反应条件：仲丁胺与碳酸二甲酯的摩尔比1∶3、反应时间9 h、催化剂质量分数0.8%。

从图1可见，不加催化剂时仲丁胺的转化率不足3%，反应进行的程度很小；甲醇钠，碳酸钠有一定的催化效果；醋酸铅，碘化钾催化活性高。铅类化合物虽有很高的催化活性，但毒性大，环境污染严重，同时醋酸铅易与反应液形成悬浊液，与产物分离难度大。碘化钾催化剂不仅催化活性高，而且克服了醋酸铅催化剂存在的弊端，催化效果好。笔者认为碘化钾催化反应的机理可能是按如图2所示进行。

图2 碘化钾催化反应的机理

图2所示机理包括两步。第一步，碘离子与碳酸二甲酯作用生成甲氧基酰碘，由于碘离子较仲丁胺是一个较好的亲核试剂，使得本步反应较碳酸二甲酯与仲丁胺作用变得容易；第二步，甲氧基酰碘与仲丁胺作用生成仲丁氨基甲酸甲酯，甲氧基酰碘发生胺解反应的活性高于碳酸二甲酯，同时碘离子在该步反应是一离去基团，碘离子的离去倾向高于甲氧基负离子，使得第二步反应变得较碳酸二甲酯与仲丁胺直接作用容易得多。碘化钾催化仲丁胺与碳酸二甲酯的反应历程中的每一步都较仲丁胺与碳酸二甲酯直接反应容易，活化能小。那么，碘化钾催化反应机理的全过程较仲丁胺与碳酸二甲酯直接反应容易，活化能小；碘化钾催化下反应的总速度高于仲丁胺与碳酸二甲酯直接反应的速度，所以，碘化钾对仲丁胺与碳酸二甲酯的反应有良好的催化作用。

2.1.2催化剂的用量

在催化剂为碘化钾、n(仲丁胺)∶n(碳酸二甲酯)为1∶3、反应时间为9 h条件下，碘化钾的用量对反应的影响如图3所示。由图3可以看出，当催化剂的用量0.2%时，收率即达50.32%，远高于不加催化剂的3%左右，说明碘化钾催化该反应的活性高；催化剂的用量在0.2%～0.8%，随着催化剂的用量增加，产物的收率逐渐增大；当催化剂的用量达到0.8%时，再增加催化剂的用量，收率几乎没有变化。故催化剂的较佳用量为0.8%。

图3 催化剂用量对反应的影响

2.1.3反应物摩尔比

碳酸二甲酯与仲丁胺的氨解反应，理论上讲碳酸二甲酯含有两个甲氧基，反应是其中一个甲氧基被氨基取代，碳酸二甲酯与仲丁胺反应量的理论比为1∶1，考虑到碳酸二甲酯物美价廉、仲丁胺相对价格昂贵及仲丁胺不稳定、易氧化，实验采用碳酸二甲酯过量的方式，以使仲丁胺反应较彻底。在催化剂为碘化钾、催化剂的量为0.8%、反应时间为9 h的条件下，n(仲丁胺)∶n(碳酸二甲酯)对反应的影响如图4所示。

从图4可以看出，在理论量摩尔比为1∶1时，收率仅有65.0%；随着摩尔比的增大，即碳酸二甲酯过量越多，仲丁胺反应越彻底，收率越高，当摩尔比为1∶3时，收率达到79%以上；继续增大碳酸二甲酯用量，收率增加不明显，同时增大了后期分离碳酸二甲酯的工作量。故较佳n(仲丁胺)∶n(碳酸二甲酯)比为1∶3。

2.1.4反应时间

在催化剂为碘化钾、催化剂的量为0.8%、n(仲丁胺)∶n(碳酸二甲酯)为1∶3条件下，反应时间对反应的影响如图5所示。从图5可以看出，反应5 h的收率仅有56.3%，说明仲丁胺与碳酸二甲酯的反应，尽管有催化剂催化，反应速度仍然很慢。这与反应物碳酸二甲酯的羰基活性差及仲丁胺分子的结构有关，氨基所连接碳原子为二级碳，仲丁胺作为亲核试剂，空间位阻大，较难进攻碳酸二甲酯的羰基。随着反应时间的延长，收率逐渐增大， 9 h的收率为79.6%，达到最高；超过9 h ，收率有下降趋势。这是由于时间过长，产物仲丁氨基甲酸甲酯与碳酸二甲酯会进一步发生甲基化反应。故较佳反应时间为9 h。

图4 n(仲丁胺)∶n(碳酸二甲酯)对反应的影响

图5 反应时间对实验结果的影响

2.1.5较佳实验条件的验证

通过上述单因素试验确定的较佳条件是:催化剂碘化钾用量0.8% ，n(仲丁胺)∶n(碳酸二甲酯)=1∶3，回流温度下反应，反应时间9 h，依此条件下进行重复性实验，结果见表1。

由表1可知，3次实验结果较稳定，产物的平均收率为 79.6%，合成的仲丁氨基甲酸甲酯的产物的纯度均在98%以上，说明选取的实验条件较合理可靠。

表1 重复性实验结果

2.2 产物的表征

2.2.1产物的沸点

仲丁氨基甲酸甲酯为透明液体，沸点为111～113 ℃/5 KPa。

2.2.2产物的红外光谱

产物的红外光谱(溴化钾压片)如图6所示。从图6可看出，3 200～3 700 cm-1为酰胺的N—H的伸缩振动，1 680 cm-1为酰胺的CO的伸缩振动，酰胺带；3 300～2 800 cm-1为C—H的伸缩振动，1 740 cm-1为酯类基团的振动带，与目标产物仲丁胺基甲酸甲酯的标准图谱一致。

图6 仲丁氨基甲酸甲酯的红外光谱

3 结 论

a.以空间位阻较大的仲丁胺与碳酸二甲酯进行酰化反应，合成了仲丁氨基甲酸甲酯，较佳的实验条件是：碘化钾为催化剂、催化剂的用量为 0.8%、n(仲丁胺)∶n(碳酸二甲酯)为1∶3、反应时间为9 h。

b.碘化钾中的碘离子既是一个良好的进攻基团(亲核试剂)，又是一个良好的离去基团。碘化钾催化仲丁胺与碳酸二甲酯的反应，不仅具有催化活性高、操作简单、产物收率高、绿色、环保等特点，同时也为羧酸衍生物的加成-消去历程类型反应的催化提供了参考。

[1] 李伍林，王卫.氨基甲酸酯类化合物的合成及应用[J].咸宁学院学报，2006,26(3)：64-67.

[2] 尚建鹏等.非光气合成N-取代氨基甲酸酯的研究进展[J].化工进展，2014,33(4:)：811-815.

[3] Chaturvedi D，Mishra N，Mishra V. Various approaches for thesynthesis of organic carbamates[J]. Current Organic Synthesis，2007，4：308-320.

[4] 王胜平. 用碳酸二甲酯代替光气合成甲苯二异氰酸酯—2,4-甲苯二氨基甲酸甲酯合成[D]. 河北工业大学,2000.

[5] 王平书,张秋华,张迎,刘茂玲. 氨基甲酸甲酯合成新技术[J]. 山东化工,1999,(06): 13-14.

[6] 中国科学院动物研究所.化学结构与生物活性：N-取代氨基甲酸酯的合成与驱蚊活性[J].昆虫学报，1973,16(1):39-45.

[7] 杨娟. 氨基甲酸甲酯绿色合成[D]. 华东理工大学,2013.

[8] 康武魁,姚洁,王公应,等. 碳酸二甲酯胺解合成苯氨基甲酸甲酯催化研究[J]. 分子催化,2003(2): 136-139.

[9] 李永盺，康有贵，马清祥.氯化锰-活性炭催化正丁氨基甲酸甲酯[J].石油化工，2006,35(9)：863-867.

[10] 赵军，江琦.碳酸二甲酯与有机胺羰基化合成氨基甲酸酯的研究[J].现代化工，2001,21(2):24-26.

[11] 李永盺，杨芮，康有贵.醋酸铅催化合成正丁氨基甲酸甲酯[J].石油化工，2011,30(7):16-19.