PdPPh3催化二乙酰一肟均相加氢制备四甲基吡嗪

1、PdPPh3催化二乙酰一肟均相加氢制备四甲基吡嗪上草巳述，通过二乙酸一膀（英文名称2.3-Butanedionemunoxime或Diacciylmonoxime简写为:DAM）制备四甲基毗嗪的方法主要有两类<>一类是用化学试剂还原二乙醵一筋：另一类是用氢气还原的方法°化学还原的例子之一足用Zn为还原剂.在NHjCI、HQ和乙酸溶液中制备TMP|1,另外一例是，在弘（工和誌稀存齐卜.伸二乙龄一陌环化牛成二氧四甲辜毗嗪*而后再干乙滞擀液中用过氧化氢氣化脫氮荊得四甲基啦嗪亡乜这两种方法都需要消耗大量化学试齐屮如粹豹、过氧化氢.氢氧化钠等）、还涉及到有较强福蚀性的乙験介质，所以

2、不能令人满意口第二类阀子是较早期的在RneytSMitJ存在厂曲询上C2C.0MPa的氢气压力，使二乙St二勝还原制备四甲基毗嗪3】，由于合成压力过高.难以在工业上推广应用（绘近我们发现，过渡金属的络合催化剂能够在较低压力下宜接便二乙酰一肪加氢获得较髙产率的四甲基毗臻Mb反应如下4H:O4H:O本章将系统考蔡Pd-PPhs存在下乙醍“岳加氢制四甲基毗嗪的反应规律，考察反应温度、压力、时间、溶列、PPb*Pd利酸的彫响。第节宪验部分主要试剂二乙酰一肪：上禅试剂三厂.分析纯；二氯化吧；三苯基MfPPhs）：Merck-Scuuchard产品*在乙醇中璽结晶捉纯匚222加氢反应加氢反应在YC1型均相

3、催化反应装置上进彳亍5L反应器为内衬玻璃的不锈钢高圧釜.体积15mL温度控制和氢气净化见文献5J。典型操作：在反应誥中依汝加入定昴的二氯化钝.三苯基麟(PPh3)和二乙酰一岳(DAM)的乙醇溶液在室温下用氢气逅换5次.然后丸气允至指定IL力。检漏后.快速加热到反应温，段.丿I始搅丼(12次/分钟)，在该温度下保持若干小时，快速冷却至室温，取出反应液进行分析.223产物分析用XL型毛细管气相色谱仪(美国PE公司).归一法定星.氢火焰检测器:FinniganMatMagnum型色谱质谱仪鉴定立物和中间物种<>数据处理DAM起始摩尔数DAM未反应的摩尔数DM的转化率-x100%DAM起始

4、摩尔数2xTMP生成的摩尔数TMP的选择性x100%DAM起始摩尔数-DAM未反应的摩尔数占色谱峰面积和校正因子计算DAM、TMP的燃尔数，代入上式求岀转化率和选择性。第三节结果与讨论反应温度的影响以乙醇为溶剂，考察了不同温度对DAM加氢结果的影响.从表2可看出,表2反应温度的影响Table2.1EffectofthereactiontemperatureonthereactionresultsTemperature.1iDAMTMPSelect.TMPYield(K)Conversion(%)(%)(%)353242,5.700.5537336.7590.7533.35393593791.0

5、954.0842372.0598.1870.74Reactionconditions:1mmolDAM,333X10JmmolPdCl210X|0smmolPPhpPh21.20MPa.6h.在所研究的温度范围内.前着温度的提高.DAM转化率和TMP收率都砸之熠高。DAM加氢生成TMP的反应在热力学上是明显的放热反应。因此.该反应主要受动力学控制.同时还可看出，在353K之丽反应很不明显.只有温度达353K后反应才加快，这反映岀DAM的加氢存在温度阈值该阈值在353K附近，氢气压力的影响固定反应温度为423K,考察了氢气分压对DAM加氢结果的影响(见图2.1),可看出，在氢气压力较低时，压力上

6、升DAM转化率和TMP收率都随之提版広到一定程度，DAM转化接近完成(>95%)而收率反而下降，即氢气分压有-个城隹范围.这是因为(S1.2MPai右)DAM加氢制备TMP的反应，要经过加氢、脱水缩合和脱氢三个步骤(Scheme2.1)：Scheme2.1CH,CH,显然.提高氢气分压对第一步的加氢有利.而对第三步的脱氢不利。氢气分压过012345丸冗初1.(MP3)IH2.1氮气初加的电呵Fig.2.1EtTcctofhydrogenprcurtReactionconditions:!mmolDAM.3.33X10'mmolPdCl21.65X10-mmolPPhj.EtOH2

7、.6ml.423K.6h.高，会岀现採度加氢产生四甲基哌嗪和其它副反应.23.3溶刊的彩响选择性质不同的7柯洛剂，考察时PdPPb均相糠化如氢性能的彩購，结块列人表2.2。可以看出，反应转化車大小与溶利的极性大小有联系，即极性溶剂中DAM加氢转化率比较高，反应速度快.而在非极性溶剂中相对加氢速度变慢,这符合极性不饱和键催化加氢反应的一般规律6。乙昭溶剂中DAM转化率虽高但TMP收率很低，这是因为乙脂参加反应，使DAM转化主成了大量副产物,醇溶剂中DAM的加氢转化率髙，TMP收率也高。表22不同类型溶剂的焉响Table2.2EffectsofvarioussolveniRcaciioncondi

8、uon:ImmolDAM,333X10'mmolPdCI：10X10'mmolPPh；.SolventDAMConv)TMPSeleci(')TMPvield(%)dipolemoment(D)HLBSolubiiitvparameteracetonitrile65.5a3.052.073.9211.0125.06DMF9.0772.5$7.743.8221.0722.11MeOH15.7584.3213.281.7015.5628.31Ethylacetate8.141008.141.7813.3918.27THF8.521006.43).637.7g1797Ethv

9、lether3.911003.91156.5815.83Toluene7.531007.530.361.6817.64solvent4ml373K.6h.我门注意到.DMF和乙讎极性较大反而比醇和曰苯活性低的反常情况，这说明溶列影响不完全取决其极性大小.还应考虑其它因素如溶解度及洛刊化效应。根VanKrevelcn的方法计铉岀了溶剂的溶脛度参数（表2.2战右边一列）.沼艇度参数与DAM反应活性大小顾序呈现山墓本致的巴勢。港解参数值代表反应洛刑的溶輕性能。显然.溶刑的陷解性质对反恥參响比牧垂耍。为了进步探讨这个问题，选择性质相近而碳链长度不同的醉作溶剂.考察Pd-PPhs体系的加氢性能，结果列入

10、表2.3可以看岀.随着碳锻増长，醇溶剂中DAM转化率和TMP收率都明显下降.这几种醉溶剂的极性相近.但DAM加氢反应前活性差别很人°不同醇洛剂的HLB值（亲水亲油平衡值）犬小变化与DAM氢化反应活性有非常接近的越势。不同醇溶剂的溶解度参数大小变化也出现类似的趋势。这都表明溶剂的HLB性质和溶解能力与DAM的催化加氢关系密切。HLB值一般都用来衡帚有机化谷物的亲水与亲油能力强弱.常當用干区分表而活性剂的种类和使用范困，反映了茨面活性剂的分散能力和溶解能力.在这里，反应底物DAM定极性牧大化合物.均相反应要求它完全浴解于港刑屮，溶解皮雄犬趙勺利°山于乙醇溶解度参数和HLB均较大

11、.对DAM溶解能力也应很犬，加上乙舲无奇表2.3不同醇瘩剂的影响Table2.3EftecisofalcoholsolentsonthereaciionresultsReactioncondition:ImmolDAM.3.33X10'mmolPdCh.10X10'mmolPPh：.SolventDAMcon.(%)TMPSelect(%)TMPyield(%)Dipolemomeni(Debyes)HLBSolubilitvparameterMeOH15.7584.3213.281.7015.9628.31EtOH8.6381.347.021.699.2825.181-Pro

12、panol7.921007.921.686.6623.38I-Buivlalcohol3.081003.081.665.07"?Jsolvent4ml.373K.6h.无啻.价格相对低廉.因而首选乙醉为DAM加氢反应的主要溶利.除了反应底物DAM夕卜，还应考虑催化剂组分PdCb和PPh3的溶解性质。PdCb是极性物质，可溶于乙醇。PPhj是非极性物质，在芳姪溶制中溶解度比极性洛剂中大.在反应条件下，PdCI2与PPh：原位生成Pd(PPh3)n(3nW5)絡合物.该络合物在苯中洛解哎也相对较人若能同时满足极性大的DAM和极性小的PPM溶解性要求，应当更有利于发挥催化剂作用、因此我们试

13、用了混合浴刑表2.4给出甲苯一乙醇混合物溶剂中DAM加氧反应的结果。由表可见，与表2.4中苯一乙醉泯台物瘠刑对DAM加氢纟吉果影咆Toluene:EiOHDAMConversion%)TMPSelect.(%)TMPYield(%)0/18.0381.347.021/510.6910010.691/327.5975.5320.841/I10.3910010.393/116.6810016.681/O7.531007.53Reactionconditions:ImmolDAM,33X10'mmolPdCI2>10X10*'mmolPPh.solvent4ml.353K.6h

14、单独屮苯或乙醇相比中苯一乙能混台溶刑中DAM的转亿率和TMP收举都何明显提高。而且，当混合溶剂中甲苯乙醇=1:3时，反应活性增加达原來单独便用甲苯或乙醇溶剂结果的2-3倍。Hallman爭在研究RuCl2（PPh03催化烯坯加鱼反应时，也发现类似情况.即RuCl2（PPh3h催化烯炷加氢反应只在甲苯一乙醇混合溶剂中才具有较高活性，而在单独苯或乙醇溶剂中活性很低，甚至无活性7。我们认为，混合溶剂除了利于反应底物、配体和金属组分的溶僂以外，还可能对催化剂中间活性物种有一定的稳定作用（见第五章反应札理），因而效果比单独溶剂好。酸的影响酸和碱也常是催化加氢的彩响因素Z-,尤其碳基胯的加氢，文献报道加入

15、快会产心促进作用可我们选择盐酸为酸添加剂，考察威添加洽对DAM加轻的影响。&酸加入衣mmo"图22酸对反用的形呜Fig2.2Eflectofacidonthereactionresults&酸加入衣mmo"图22酸对反用的形呜Fig2.2Eflectofacidonthereactionresults歩3一5.4-兰乂WeJmmolPdCI、.IOXlOmmoiPPhvEtOHassolvent3mk423K.6h.结果发现，在PdCl2-PPh3催比体系中加入盐酸后，DAM的转化率和TMP的收率明显提高，并flDAM：HC1=1:0.86（羣尔比）时出现卜

16、及人值（图2.2）。这对酸加入；!与DAM®接近当罐关系。这意味着.质子参与了反应，据此推测其作用机理为：N、“CM3XI.质fJ樹作用促进第一步加氢反应，同时质于作为酸性催化刖还有利于wK玉丁丽的独水和环化.质子h+的存在.还利于中间产切2.4二氢化皿甲体际嗪的稳定，结果使TMP收率大大促高。产物组成研允衣明，在反应体系中加入盐腹启的确检测到少童的2+二氢化四甲基尿嗪。并且发现，在一定范围内随着盐酸加入量的增忆2.4二氢化四甲基哌嗪在产物中占的比例也增大（表2.5）,表2.5峻加入S:对产物分布的彩响Table2.5Theeflectofacidonproductdistribut

17、ion1GC-MS气相色诺斤面枳比计厲结果：HC1DAMTMPTMPDHTMPOtherproduct(mmol)Conv.(%)Select.(%)Yield(%)(%)(%)0.0015.6580.5112600.000.380.008624.0299.7523.960.570.025846.0493.0443.257l0.04360.479.804&200.074.900.08694.6996.9591.810.724.800.17283.0992.1976.62.17471. DHTMP2.4iihydrotetramethylpyn7ineReactionconditions

18、：sameasFig22.3.5PPhj/Pd©尔比的影响脸配体是均相催化剂的重要组成部分.它与中心金雇的摩尔比往往对金属血合物的结构、活性物种形成及稳定性起决定作用。在固定DAM/Pd=30(T1条件卞,£察了不同PPhvPd摩尔比对DAM加盘的彫响，結果见图工3。当PPh“Pd比从璋増PPh3/Pd肚尔比图二3PPh'Pd烽尔化的形响Fig.23theefieciofPPh3/PdrahoReactionconditions:lmmolDAM,33X10'mmolPdCXfctOH3ml.Ph：120MPa,423K.6h.加到15时.DAM的转化率和T

19、MP的收率从0上升到接近90%：而PPh/Pd大于5后.则呈现相反的趋势。PPhVPd在5左右有个最佳值。这反映了PPhrPd催化体系对配位数量的藝求.这与Amatore所观察到的现0类似.即PcT?在反应过稈中转变为零价耙.卩于与三苯基膽之间可能存在以下一个平衡转化过程：Pd"互Pd。旦乂Pd(PPh3)里dPd(PPhj)2Pd(PPh3)3Pd(PPh3)4Pd(PPhJ<Pd(PPh3)x(x=45)很可能是主要的活性物种。而当PPh3/Pdgt少时，这种活性物种的存在机率低，所以、DAM的转化率和TMP的收率都低；PPh3的虽过多，PPh3/Pd比远大于活性配位物种的需要.过多的PPh3竟争配位，反应物DAM难再与Pd“配位活化.反而対加氢反应产生抑制作用IOJ,反应活