ARTICLES

N-Alkylation of Aliphatic Alcohol Amine Catalyzed by Tridentate P Ligand Ruthenium Complex

  • Liqiang Liu a ,
  • Jun Nan , a, * ,
  • Xingyu Duan a ,
  • Haolong Wang a ,
  • Xiang Cai a ,
  • Zicheng Wang a ,
  • Enze Zhang b ,
  • Yanmin Sun a
Expand
  • a CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300131
  • b School of Chemical Engineering and Technology, Tiangong University, Tianjin 300387

Received date: 2024-12-23

  Revised date: 2025-02-24

  Online published: 2025-03-13

Supported by

Major Scientific and Technological Projects of China National Offshore Oil Corporation(CNOOC-KJ 145 FZDXM 00 TJY 001 TJY 2021)

Copyright

© 2025 Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences

Abstract

The N-alkylation reaction of alcohols and amines catalyzed by transition metal complexes has emerged as an important repertoire for the synthesis of nitrogen-containing compounds. An efficient intermolecular N-alkylation reaction of ethanol amines catalyzed by a tridentate phosphine ligand ruthenium complex to successfully prepare polyethylene polyamines was reported. The effects of factors such as catalyst feed ratio, reaction temperature, and reaction time on the reaction performance were studied, and the optimal process conditions were obtained. Using 0.20 mol% catalyst, the reaction was carried out at 150 ℃ for 24 h with tetrahydrofuran as solvent, and the reaction conversion rate was as high as 99%. In addition, the catalytic mechanism of the reaction was analyzed, the deactivation and activation process of the catalyst was investigated, and the reaction cycle mechanism was predicted, which provided a reference and theoretical basis for the synthesis of polymeric nitrogen-containing compound prepared by polycondensation of aliphatic polyol amines.

Cite this article

Liqiang Liu , Jun Nan , Xingyu Duan , Haolong Wang , Xiang Cai , Zicheng Wang , Enze Zhang , Yanmin Sun . N-Alkylation of Aliphatic Alcohol Amine Catalyzed by Tridentate P Ligand Ruthenium Complex[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2025 , 45(8) : 2983 -2988 . DOI: 10.6023/cjoc202412019

N-烷基化胺广泛应用在医药[1]、农用化学品[2]、杀菌剂[3]、染料[4]和合成工业[5]中, 是一类重要的有机化工原料[6]. 目前已开发出多种方法制备N-烷基化胺[7-9], 其中最有吸引力的是借氢或氢自动转移策略(BH/HA)[10]. 在该策略中水是唯一的副产品, 具有高原子经济性及环境友好性[11]. 此外, 该方法以醇作为氢供体, 无需外加氢源, 也避免使用传统的苛刻烷基化试剂(如有机卤化物等), 从而使整个过程更加绿色环保[12-13].
近年来, 醇胺N-烷基化反应的研究取得了显著进展, 越来越多的过渡金属复合物(如Co[14-17]、Fe[18-19]、Ni[20-22]和Mn[23-24])已被证实具有良好的催化活性. 其中, 以Ru(Ⅱ)配合物为主的钌催化体系仍是该领域中最活跃的催化剂之一[25-27]. 然而, 现有文献报道主要集中在芳香族醇胺的N-烷基化反应, 而适用于脂肪族醇胺的催化体系仍较为稀缺. 大多数已报道的催化剂在脂肪醇胺的N-烷基化反应中表现不佳, 通常无法进行或产率较低[5,28-31]. 最近Guin等[27]开发出一种偶氮芳香族三齿钳式Ru(Ⅱ)催化剂, 该催化剂可以高选择性催化多种胺与C1~C10脂肪醇的N-烷基化反应, 甚至可用于(脂肪族)二醇合成N-烷基化二胺, 但并不适用于多元脂肪醇和脂肪胺的N-烷基化反应.
当前N-烷基化胺研究热点主要集中在小分子N-烷基化领域, 然而现有配体型均相催化剂在聚合物合成中的广泛应用, 也为聚胺或多胺的合成中提供了新的思路. 德国巴斯夫[32]曾开发了一种制备聚亚烷基多胺的方法, 使用钌或铱等过渡金属和膦化合物络合, 通过均相催化乙醇胺(MEA)或乙二醇和乙二胺进行缩聚反应, 但目前该方法停留在实验小试阶段, 且其催化机理尚未被深入研究. 因此, 开发出高效脂肪族醇胺N-烷基化催化剂, 并将其用于多元醇胺的缩聚反应具有重要的研究价值.
本工作成功合成并筛选出一种基于三齿膦配体的钌均相催化剂, 实现了以乙醇胺为原料一步缩聚制备多乙烯多胺. 探究了该催化体系反应温度、反应时间以及助催化剂等因素对反应过程的影响, 同时对其催化机理进行了深入研究, 为金属催化脂肪族醇胺脱水N-烷基化以及聚胺类化合物的合成制备提供理论依据.

1 结果与讨论

1.1 催化剂筛选

以市售的多齿膦配体与钌金属络合得到几种不同催化剂. 考察了他们对乙醇胺脱水N-烷基化反应的催化效果. 结果发现1,1,1-三(二苯基膦甲基)乙烷与三(三苯基膦)羰基氢氯化钌(Ⅱ)络合得到的三齿钳式催化剂Cat.2具有较高反应活性, 乙醇胺的转化率大于99%(表1, Entry 2), 而其他催化剂的转化率基本都在10%以下甚至不反应. 因此, 选择Cat.2作为最优催化剂.
表1 催化剂的筛选a

Table 1 Screening of catalysts

Entry Cat. Dosage of Cat./mol% Time/h Conv.b/%
1 Cat.1 0.25 24 10
2 Cat.2 0.25 24 >99
3 Cat.3 0.25 24 8
4 Cat.4 0.25 24
5 Cat.5 0.25 24 5

a Reaction condition: MEA (0.4 mol), Cat. (0.8 mmol), THF (40 mL) as solvent, 150 ℃. b Conversion was calculated by GC.

1.2 反应条件优化

1.2.1 投料比的影响

确定最佳催化剂后, 对催化剂的用量进行了筛选, 考察了不同催化剂用量对反应的影响, 结果如表2所示, 随着催化剂用量的减少, 反应转化率和分子量也在不断降低, 当催化剂用量小于0.05 mol%时, 反应原料转化不完全, 产物收率和分子量均较低, 且分子量分布较宽(PDI值较大); 当催化剂用量高于0.20 mol%时, 转化率高达99%, 继续加大催化剂的量, 分子量的增长没有太大变化. 综上所述, 催化剂的最佳用量确定为0.20 mol%.
表2 催化剂投料比的优化a

Table 2 Optimization of catalyst feeding ratioa

Entry Dosage of Cat./mol% Conv.b/% Mwc PDI
1 0.25 >99 1607 2.20
2 0.20 >99 1555 2.18
3 0.10 70 1026 2.58
4 0.05 30 380 3.19
5 0.02

a Reaction condition: MEA (0.4 mol), THF (40 mL) as solvent, 150 ℃, 24 h. b Conversion was calculated by GC. c Mw was measured by GPC.

1.2.2 反应温度的影响

在不同温度下进行实验, 考察了温度对反应的影响, 实验结果见表3. 该催化体系在70 ℃条件下基本无法催化乙醇胺之间的反应, 而在110 ℃条件下转化率也仅有10%, 这可能是由于羟基OH与氨基NH2之间具有较高反应活化能, 需要提供更高的能量才能实现醇胺N-烷基化. 当反应温度高于150 ℃时, 反应原料基本完全转化, 转化率高达99%, 然而进一步升高温度, 反应原料虽完全转化, 但产物颜色较深且分子量下降, 这可能是由于高温导致反应过程中哌嗪等副产物增多引起的. 因此综合考虑, 反应温度确定为150 ℃效果最佳.
表3 反应温度的优化a

Table 3 Optimization of temperature

Entry Temp./℃ Conv.b/% Mwc PDI
1 70
2 110 10 166 3.22
3 150 >99 1555 2.18
4 170 >99 1234 2.34

a Reaction conditions: MEA (0.4 mol), Cat. (0.8 mmol), THF (40 mL) as solvent, 24 h. b Conversion was calculated by GC. c Mw was measured by GPC.

1.2.3 反应时间的影响

为进一步优化反应条件, 研究了反应时间对反应的影响, 实验结果见表4. 反应转化率随着时间的延长而逐渐提高, 反应时间较短(低于12 h)时转化率较低, 反应不够彻底. 当反应时间超过24 h之后, 原料基本转化完全, 转化率达99%. 此外, 产物分子量也和反应时间呈正相关, 反应时间高于24 h后, 产物分子量大于1000. 综合考虑, 该体系反应时间应至少为24 h, 若需高分子量产物可适当延长时间.
表4 反应时间的优化a

Table 4 Optimization of time

Entry Time/h Conv.b/% Mwc PDI
1 8
2 12 15 236 2.56
3 24 >99 1555 2.18
4 36 >99 2870 2.24

a Reaction conditions: MEA (0.4 mol), Cat. (0.8 mmol), THF (40 mL) as solvent, 150 ℃. b Conversion was calculated by GC. c Mw was measured by GPC.

1.3 催化剂的失活与活化

1.3.1 催化剂的失活

通常情况下, 碱性催化剂是促进羟基与氨基反应的重要催化剂之一, 为进一步提高催化活性并得到更高分子量的产品, 研究了碱性对反应的影响. 结果表明, 在反应开始时同时添加4 mol%的tBuOK, 会导致该体系的催化作用几乎完全被抑制, 反应无法进行. Pingen 等[33]的报道中也曾出现过类此情况, 他们推测在tBuOK存在的情况下, 可能会生成二氢化物RuH2(CO)(PPh3)- (Xantphos). 因此我们推测在本催化体系中, 可能也会生成无活性的二氢化物[(triphos)Ru(H)2(CO)].
为了证明二氢化钌配合物[(triphos)Ru(H)2(CO)]的产生. 我们将[(triphos)RuHCl(CO)]溶解在四氢呋喃中, 加入tBuOK和乙醇胺后回流3 h. 1H NMR显示催化剂Cat.2中Ru-H的化学位移从δ -6.04迁移移至δ -6.93. 此外, 我们对其进行了红外分析(图1), 观察到催化剂Cat.2的C=O特征峰(νCO)主要在1964 cm-1, 而加入tBuOK的光谱数据可以明显看到在1924 cm-1出现新的C=O峰(νCO), 且与已有文献报道一致[34], 也验证了二氢化合物的存在. 二氢化合物没有活性的原因, 可能是因为二氢化合物处于配位饱和状态, 如果没有氢从复合物中消除, 在没有任何氢受体的情况下, 配位饱和的物质不能进入催化循环以使醇脱氢. 因此, 在反应过程中观察到的催化剂静止状态.
图1 Cat.2及二氢化合物的红外谱图

Figure 1 IR spectra of Cat.2 and dihydro-compounds

1.3.2 催化剂的活化

Pingen等[33]发现当同时加入碱和环己酮时, 由于环己酮的存在促进了亚胺的生成, 反应活性得以恢复, 证明了增加亚胺等中间体的稳态浓度可以显著提高反应速率. 基于此, 在本催化体系中, 在反应开始时同时添加4 mol%的tBuOK和10 mol% 2-氨基乙醛后, 仍然未观察到乙醇胺的转化, 反应未发生(表5), 表明醛对本体系中的二氢化钌配合物[(triphos)Ru(H)2(CO)]没有活化作用. 此外, 在催化过程中也可能生成少量的中间体2-氨基乙醇盐酸盐, 推测其可能也影响催化剂活性. 因此研究了2-氨基乙醇盐酸盐对催化剂活性的影响, 将过量的2-氨基乙醇盐酸盐加入到反应体系中观察反应情况, 结果如表5所示. 在该酸性条件下二氢化钌配合物的催化活性重新恢复, 可以观察到与催化剂Cat.2相似的转化率. 很明显, 2-氨基乙醇盐酸盐可以成功活化二氢化钌配合物.
表5 催化剂失活与活化研究a

Table 5 Research on catalyst inactivation and activation

Entry Base Additive Conv.b/% Mwc PDI
1 >99 1555 2.18
2 tBuOK
3 tBuOK 2-Aminoethanol
hydrochloride
>98 1346 2.42

a Reaction conditions: MEA (0.4 mol), Cat. (0.8 mmol), THF (40 mL) as solvent, 150 ℃. b Conversion was calculated by GC. c Mw was measured by GPC.

1.4 反应机理推测

基于实验结果并参考文献报道[33,35-37], 推测该催化体系的反应过程遵循阳离子反应的借氢或氢自动转移机制, 如Scheme 1所示. 首先, 在醇的存在下, 醇对氯配体进行取代形成阳离子中间体X2, 随后配位醇与氢化物配体发生内部质子交换, 从而解离释放分子氢得到醇络合物X4. 接下来, X4发生醇氧化机制进行β-氢消除, 得到醛和一氢化钌配合物X1. 释放的醛与胺发生反应生成亚胺中间体; 而一氢化钌配合物X1一方面可以通过无障碍加氢及去质子化, 最终形成无活性的二氢化物络合物X13, 另一方面可以被生成的亚胺中间体插入Ru—H键的侧向进行配位, 从而发生亚胺还原过程形成中间体X9. 活性中间体X9可以与另一分子醇或链本身结构的醇再次进行配位形成X10. 最后, 通过络合物的内部质子交换释放N-烷基化产物和醇络合物X4, 醇络合物X4继续进入下一个循环.
图式1 可能的催化机理

Scheme 1 Possible catalytic mechanism

2 结论

开发了一种三齿膦配体钌络合物催化体系, 可用于催化脂肪族醇胺缩聚制备聚胺或多胺的反应. 该催化剂由1,1,1-三(二苯基膦甲基)乙烷与三(三苯基膦)羰基氢氯化钌(Ⅱ)络合而成, 在乙醇胺分子间连续脱水N-烷基化反应中表现出良好的催化活性, 实现了脂肪族多元醇胺的高效缩聚. 优化后的工艺条件为: 以四氢呋喃(THF)为溶剂, 催化剂的用量为0.20 mol%, 反应温度为150 ℃, 反应时间为24 h, 成功一步缩聚获得1000左右分子量的多乙烯多胺, 转化率>99%. 此外, 通过理论与实验分析, 推测该催化体系遵循阳离子反应的借氢或氢自动转移机制, 反应过程主要涉及阳离子活性中心的循坏, 为金属络合物均相催化脂肪族醇胺N-烷基化制备聚胺或多胺提供了新型的合成方案及理论依据.

3 实验部分

3.1 仪器与试剂

高压反应釜: HT-50KJ, 安徽霍桐仪器有限公司; 傅里叶变换红外光谱仪: Tensor 27 Bruker, Germany; 凝胶渗透色谱: 安捷伦1260; 检测器: Agilent RID G1362A; 流动相: 0.4 mol/L NaNO3水溶液; 标准品: 聚乙二醇(PEG); 核磁共振: Bruker AVANCE Ⅲ HD 500. 如无特殊说明, 所用的化学试剂均购自毕得医药、阿拉丁等试剂公司, 对氧气和水敏感的化合物购买后直接使用或置于手套箱中备用, 无需进一步纯化. 所用的溶剂均采用常规的分析纯溶剂, 购自科密欧、元立化工、风船化学等试剂公司.

3.2 实验方法

3.2.1 催化剂的制备

催化剂Cat.1根据文献[38]方法制备. 在手套箱中, 将2-(二叔丁基膦基甲基)吡啶(237.00 mg, 1.00 mmol) 溶解在5 mL二氯甲烷中备用. 在另一个装有磁子的50 mL三口瓶中, 将二氯(对甲基异丙基苯基)钌(II)二聚体(310.00 mg, 0.50 mmol)和三氟甲磺酸钠(330.00 mg, 1.90 mmol)悬浮于10 mL二氯甲烷中. 剧烈搅拌悬浮液, 然后将上述含2-(二叔丁基膦基甲基)吡啶的二氯甲烷溶液缓慢滴加至反应瓶中, 搅拌1 h. 过滤溶液以除去氯化钠和过量的三氟甲磺酸钠, 滤饼用10 mL乙醚洗涤. 真空干燥得到[(η6-cymene)RuCl(PyCH2PtBu2)]OTf (Cat.1), 橙黄色固体, 480 mg, 收率73%. 1H NMR (500 MHz, Chloroform-d) δ: 8.98 (dd, J=5.9, 1.6 Hz, 1H), 7.89 (td, J=7.7, 1.7 Hz, 1H), 7.75 (d, J=7.7 Hz, 1H), 7.40 (s, 1H), 6.14 (dd, J=5.9, 1.2 Hz, 1H), 6.05~6.00 (m, 1H), 5.78 (dd, J=6.0, 1.2 Hz, 1H), 4.83 (dd, J=5.9, 1.1 Hz, 1H), 4.50 (t, J=17.0 Hz, 1H), 3.95 (dd, J=16.4, 1.9 Hz, 1H), 3.08 (hept, J=6.9 Hz, 1H), 1.72 (s, 3H), 1.54 (d, J=14.6 Hz, 9H), 1.45 (d, J=6.9 Hz, 3H), 1.39 (d, J=6.9 Hz, 3H), 0.80 (d, J=14.9 Hz, 9H); 13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ: 157.19, 139.86, 128.74, 124.20, 119.49, 100.32, 98.90, 79.13, 73.79, 36.35, 36.66, 33.48, 31.14, 26.84, 23.62, 21.47, 17.60; 31P NMR (202 MHz, CDCl3) δ: 76.31; 19F NMR (471 MHz, CDCl3) δ: -78.12.
催化剂Cat.2[39]Cat.3[40]Cat.4[41]Cat.5[33]根据文献方法制备. 在手套箱中, 将1,1,1-三(二苯基-膦甲基)乙烷(218.00 mg, 0.35 mmol)和三(三苯基膦)羰基氢氯化钌(II) (301.00 mg, 0.32 mmol)溶于20 mL甲苯中, 而后将混合物转移至四口瓶中, 双排管置换气体3次. 将反应混合物在105 ℃加热回流3 h. 减压浓缩甲苯至2 mL, 加入乙醚后有固体析出, 随后过滤除去溶剂, 用正己烷洗涤滤饼, 真空干燥得到Cat.2. 催化剂Cat.3~Cat.5的制备方法与上述方法相同.
[(triphos)RuHCl(CO)] (Cat.2): 浅黄色固体, 191 mg, 收率80%. 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 7.74 (dd, J=16.4, 8.3 Hz, 3H), 7.59 (dd, J=11.4, 7.9 Hz, 1H), 7.38 (d, J=9.5 Hz, 7H), 7.15 (d, J=7.4 Hz, 5H), 7.11~7.01 (m, 3H), 6.95 (s, 1H), 6.85 (dt, J=15.8, 7.7 Hz, 9H), 6.67 (dd, J=11.2, 8.0 Hz, 1H), 2.63~2.24 (m, 6H), 1.79~1.47 (m, 3H), -5.57~-6.11 (m, 1H); 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ: 136.93, 136.61, 136.46, 133.30, 133.19, 132.81, 132.75, 132.70, 132.63, 131.98, 131.86, 131.18, 131.05, 130.84, 130.73, 129.30, 129.18, 129.03, 128.97, 128.88, 128.78, 128.68, 128.24, 128.11, 128.02, 127.91, 127.81, 127.74, 127.67, 127.64, 127.57, 127.36, 127.30, 77.26, 38.64, 37.86, 35.15, 33.46; 31P NMR (162 MHz, CDCl3) δ: 48.93 (dd, J=39.7, 17.4 Hz), 12.18 (dd, J=39.7, 32.3 Hz), -0.15~-0.61 (m). Anal. calcd for C42H40ClOP3Ru: C 63.78, H 5.06; found C 62.61, H 5.01.
[RuHCl(tBu-PNP)(CO)] (Cat.3): 灰绿色固体, 110 mg, 收率97%. 1H NMR (400 MHz, CDCl3) 7.67 (dd, J=12.0, 7.5 Hz, 1H), 7.59~7.31 (m, 2H), 1.43 (d, J=7.1 Hz, 4H), 1.31~1.06 (m, 24H), 1.00~0.65 (m, 12H); 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ: 132.15, 132.05, 131.97, 131.94, 128.58, 128.46, 31.16, 30.54, 28.05; 31P NMR (162 MHz, CDCl3) δ: 97.36.
[RuHCl(CO)(HN(C2H4PCy2)2)] (Cat.4): 黄色固体, 133 mg, 收率49%. 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 3.94~3.63 (m, 1H), 3.07 (d, J=9.3 Hz, 6H), 2.06~1.52 (m, 2H), 1.46~1.09 (m, 28H), 0.88 (t, J=6.7 Hz, 16H); 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ: 37.12, 30.55, 28.75, 28.21, 27.92, 26.50, 26.14; 31P NMR (162 MHz, CDCl3) δ: 65.31, 63.73.
[RuHCl(Xantphos)(CO)] (Cat.5): 橙黄色固体, 211 mg, 收率69%. 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 7.52~7.43 (m, 2H), 7.33~7.26 (m, 12H), 7.23~7.15 (m, 7H), 7.13~7.04 (m, 14H), 6.78 (td, J=7.8, 2.1 Hz, 6H), 1.70 (s, 6H); 13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ: 154.74, 154.67, 154.60, 137.26, 137.15, 136.37, 135.92, 135.90, 135.03, 134.93, 134.90, 134.85, 134.80, 134.62, 134.52, 134.42, 133.85, 133.66, 133.64, 133.43, 133.21, 132.57, 132.54, 132.51, 132.08, 129.14, 128.91, 128.86, 128.84, 128.73, 128.55, 128.48, 127.85, 127.56, 127.46, 127.27, 127.22, 127.17, 127.13, 127.09, 126.81, 126.71, 124.63, 124.60, 124.57, 34.58, 31.83, 18.47; 31P NMR (162 MHz, CDCl3) δ: 56.48 (t, J=30.8 Hz), 34.72 (d, J=30.8 Hz), -5.41 (d, J=9.0 Hz).

3.2.2 多乙烯多胺的制备

将乙醇胺(0.4 mol, 1 equiv.)、钌金属催化剂Cat.1~Cat.5 (0.8 mmol, 0.25 mol%)和溶剂四氢呋喃(40 mL)加入100 mL的高压反应釜中, 氩气置换气体三次, 而后充入1.5~3.0 MPa氩气. 将反应混合物在150~170 ℃条件下反应24 h. 反应结束后, 将反应混合物静止分层, 上层为催化剂及溶剂, 下层为反应产物, 分离各相. 将下层产物在旋转蒸发仪上加热90 ℃, 除去低沸点副产物及残留溶剂, 得到黄色透明油状产物即多乙烯多胺. 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 2.37 (CH2O), 2.84~2.71 (CH2-NH2), 2.69 (CH2-NHR), 2.63~2.53 (CH2-NR2).
辅助材料(Supporting Information) 催化剂Cat.1~Cat.5以及聚合产物的NMR谱图、聚合产物的分子量及分解温度数据. 这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
(Zhao, C.)
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