【文献解读】格罗宁根大学ChemSusChem: 木质素衍生物一锅法制备环己胺
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作者采用一锅法在Raney Ni催化剂/t-戊醇的催化作用下生产工业相关的环己胺，具有较高产率（在180℃下使用NH3和H2），并且水和甲醇是唯一的副产物。
背景介绍
环己胺及其衍生物是制药、农用化学品、纺织品、电子产品和硫化促进剂的重要来源。环己胺主要由不可再生的石油衍生物硝基苯和苯胺制备，另一小部分则通过苯酚与氨的胺化反应制备。环己胺生产总体上对苯的强烈依赖，无论路线如何，都构成了潜在的未来挑战，因为苯来源于有限的化石资源，无论是原油还是天然气。
由于上述原因，人们对开发绿色可持续生产的环己胺及其衍生物的催化反应路径有着浓厚的兴趣。目前，已经建立了许多可持续的催化反应路径来合成伯胺。然而，关于木质素衍生的愈创木基和丁香基底物转化为环己胺的研究却非常少，这种转化有两个连续的步骤:愈创木酚同时脱甲氧基/加氢生成环己醇和环己醇与氨直接胺化生成相应的环己胺。因此，通过一锅法完成上述催化转化具有一定的挑战性。
Fig 1. An overview towards the production of cyclohexylamine. (A) Current industrial pathway to produce cyclohexylamine. (B) One-pot, three-step, reductive catalytic demethoxylation/hydrogenation/amination of lignin-derived guaiacol (exemplary) into cyclohexylamine in t-amyl alcohol over a Raney Ni catalyst.
本文亮点
环伯胺是许多精细化学品、药品和聚合物的组成单元。作者使用Ni基催化剂通过一锅法在NH3（7bar）和H2（10bar）条件下将愈创木酚转化为环己胺，收率高达94%。该方法可扩展到将更广泛的愈创木酚和丁香酚以转化为它们相对应的环己胺。值得注意的是，从桦木木质纤维素还原催化分馏得到的生物原油被转化为富含4-丙基环己胺的混合物，其中存在一个有趣的催化漏斗现象。4-丙基环己胺的分离收率高达7% (以木质素为基础)。初步的机理研究在于连续发生三个关键的催化转化，即去甲氧基化、加氢和胺化。
图文解析
探究愈创木酚转化为环己胺的反应条件…
Fig 2. Influence of a range of reaction parameters on the conversion of guaiacol to 7A. The effective reaction conditions are outlined in the accompanying Supporting Information Tables to these graphs; in very general terms: 0.5 mmol guaiacol, 200 mg catalyst, 3 mL solvent, 180 ℃, 0–7 bar NH3, 2–10 bar H2, 20 h for (A–E) and 4 h for (F), 5 mg dodecane as the internal standard. Conversion, selectivity, and yield values determined by gas chromatography flame ionization detector (GC-FID) using calibration curves and internal standard. In the graphs, the black square symbol indicates the 7A yield, while the red circle symbol stands for the conversion of guaiacol.
作者通过愈创木酚转化为环己胺的模型反应对催化剂种类、溶剂和反应条件进行一系列的探究。通过催化剂的筛选发现，Pd/C和Pd/Al2O3金属催化剂具有良好的氢化和胺化活性，其产物2-甲氧基环己胺的收率达到84%，但不参与化合物的去甲氧基化反应；贵金属Ru催化剂Ru/C和Ru/Al2O3则具有很高的氢化和去甲氧基化反应活性，环己胺的产率分别为84.8%和90.8%。在Ni基催化剂中，Ni/SiO2催化剂的制备环己胺的收率仅为29.7%，主要产物为苯酚，而Raney Ni催化剂在氢化和去甲氧基化反应上有接近于贵金属Ru催化剂的性能，同时由于Raney Ni自身的磁性，在后续的分离中展现出巨大的优势。
确定了Raney Ni为性能最佳的非贵金属催化剂后，作者考察了一系列反应溶剂对催化性能的影响。发现叔戊醇是反应的良好溶剂。相比之下，甲醇和乙醇作溶剂时反应并不能发生，叔丁醇的产率达到70%，但不及叔戊醇。随后，作者继续探讨了气体压力对于反应的影响，实验发现环己胺的产率随着气体压力的提高而提高。最后，对温度的探讨发现愈创木酚的转化率随着温度提高而上升，在180℃下达到93.7%。回收利用实验发现，在前三次的循环中愈创木酚的转化率均保持一致，在第四次循环后发生下降。
反应机理探究…
Fig. 3. Tentative mechanistic proposal. (A) Summary of the main overall reaction. (B–E) Reactivity studies on selective model compounds. (F) Proposed reactive network to the direct conversion of guaiacol into 7A. Reaction conditions: 0.5 mmol guaiacol, 200 mg catalyst, 3 mL t-amyl alcohol, 5 mg dodecane as the internal standard, 180 °C,7 bar NH3, 8 bar H2. (C,D) Conversion and selectivity were determined by GC-FID.
之后，作者对该体系下的反应机理进行研究，愈创木酚向环己胺（7A）转化的第一步可能是愈创木酚脱甲氧基(路径A)和/或愈创木酚加氢。作者随后分别采用去甲基化产物(4A)和氢化产物(2A)为底物进行反应，结果显示，由苯酚（去甲氧基愈创木酚4A）作底物的反应可在1h内实现96.7%的收率；而由2A作底物的反应，转化率较低，胺化产物(3A)的选择性接近100%，且不含有环己胺产物。由此，作者推断，在反应过程中，路径B路径C不是主要的反应历程。
木质素衍生愈创木酚/丁香酚的适用性探究
[a] Reaction conditions: 0.5 mmol substrates, 200 mg catalyst, 3 mL t-amyl alcohol, 180 °C, 7 bar NH3, 10 bar H2, 20 h.
[b] cis/trans isomers were determined by commercial compound.
在愈创木酚基中，愈创木酚乙酯的相应饱和胺4-乙基环己胺的气相色谱和分离收率较高(分别为87.1% 和80.6%)。大多数烷基化愈创木酚的气相色谱和分离收率分别为70% 和50%。应用新开发的催化方法对丁香酚进行催化，得到71% 的气相色谱收率的环己胺。
Fig 4. Two-step catalytic procedure to the production of 4-propylcyclohexylamine from native birch lignocellulose. Step 1 (RCF procedure): 1000 mg birch wood, 150 mg Ru/C catalyst, 20 mL methanol, 220 °C, 30 bar H2, 18 h. Step 2 (amination procedure): 74 mg distilled monomers, 500 mg Raney Ni, 3 mL TAA, 7 bar NH3, 10 bar H2, 48 h. The GC yield values are shown in black while the isolated yield values are depicted in blue.
作者将该体系拓展到木质纤维素RCF工艺得到的生物油上利用。将木质纤维原料先进行催化还原分馏，通过提取得到粗木质素油，将粗木质素油进行提取和分离，得到2G和2S单体，对提取得到的单体进行处理，得到4-丙基环己胺。
结论与展望
作者提出了一种采用一锅法可直接将愈创木酚转化为环己胺的策略，环己胺具有较高的收率。所开发的Raney Ni实现了直接从可再生资源制备环状脂肪胺的方法。有趣的是，这里提出的 Raney Ni 方法不同于以前报道的使用 Ni/Al2O3和 Pd/C 的胺化工作，因为它还具有高效脱甲氧基步骤。这种一锅法实现愈创木酚到环己胺的高收率转化，还未有报道。机理探究表明，脱甲氧基先于加氢和胺化步骤。同时，作者将该体系推广到更为广泛的木质素衍生物及真实木质素的反应，得到了成功的应用
供稿；李瀚洋
编辑：郝林格
论文相关信息
第一作者：Xianyuan Wu（格罗宁根大学）
通讯作者：Katalin Barta（格罗宁根大学）
通讯单位：格罗宁根大学
论文DOI：10.1002/cssc.202200914