【文献解读】韩布兴院士组Green Chem: Pd催化的4-环己基吗啉类化合物的绿色合成

背景简介

可再生资源木质纤维素的化学转化被认为是减轻化学品和燃料生产过度依赖矿物资源(例如石油、煤和天然气)的替代策略，在此背景下，可再生的芳香碳资源木质素作为木质纤维素的三大主要成分之一引起了广大研究者的兴趣。当前的研究主要集中在利用木质素合成各种含氧化合物。相比之下，从木质素生产有价值的含氮化合物的研究却非常有限。为了将木质素转化为有用的平台小分子有效地裂解 C_(aryl)-O是关键，但因为木质素的结构非常复杂，导致木质素高效的转化有很大的困难。此外，利用包含木质素中的基序的各种芳香醚来研究C_(aryl)-O的裂解，以期为木质素转化提供有用的/潜在的方法也是一种很好的策略。

4-环己基吗啉类化合物是一类重要的含氮化合物。其中4-环己基吗啉作为一种很有价值的精细化学品，在聚氨酯泡沫的制备中被广泛地用作乳化剂、缓蚀剂和催化剂等。一般来说,4-环己基吗啉类化合物可以通过二甘醇和环己胺或环己酮与吗啉类化合物还原胺合成。考虑到生成的环己酮可能来自于芳香醚的选择性氢解,其中一些可能来源于木质素。因此通过芳香醚和吗啉类化合物的连续裂解和还原胺化反应合成4-环己基吗啉类化合物可能是一种可持续的策略。

在Pd/C-甲酸钠-三氟乙酸或Pd/C -甲酸钠催化体系中，木质素衍生物酚类与胺偶联可合成多种芳基胺或环己胺。然而，钠盐的使用通常会产生一些盐废物。更重要的是，苯酚的转化与木质素向小分子的转化存在显著差异。由于木质素中含有大量芳基碳氧键，通过芳香醚与胺的还原偶联合成取代胺将为研究木质素转化的催化体系提供参考。近年来，人们发展了几种芳基醚(包括木质素中典型的键)合成胺的催化体系。例如，木质素中具有4-O-5键的各种二芳基醚，在NaBH₄存在下，可在Pd(OH)2/C上直接转化为胺类衍生物(如芳基胺和环己胺)。此外，在以H₂为氢源的Pd/C-Lewis催化体系中，芳基醚可以制备多种环己胺。在这个催化体系中，酸性添加剂的作用是激活碳氧键，这有利于碳氧键的裂解。这些结果表明，由吗啉类化合物和芳基醚直接反应合成4-环己基吗啉类化合物是可行的。这些已开发的催化系统由于使用了盐类还原剂(例如NaBH₄)，同时产生难以分离或回收的盐废物或均质酸性添加剂而受到阻碍。因此，开发一种简单而稳健的芳香醚直接转化合成4-环己基吗啉类化合物的催化体系是非常可取的，包括典型的木质素模型化合物。

从木质素衍生物与胺的合成中得到启发,我们首次发现在Pd/C和H₂(1MPa)作用下，没有任何酸性添加剂使用(Scheme 1),4-环己基吗啉类化合物可以高效地通过吗啉类化合物与各种芳基醚（苄基苯基醚、苯氧基乙苯、2-苯氧基苯乙酮等木质素模型化合物）直接反应合成。事实上,在可行的压力(例如, 1 MPa)产生更加活泼H的促进C-O键的氢解来取代均相酸性添加剂的作用,从绿色化学方面来看有明显的优势。系列有用的含氮化合物(4-环己基吗啉类化合物)和木质素模型化合物的更多适用性进一步证实了这种催化体系的巨大潜力。

图文解读

如Table1所示，本文作者选择苄基苯基醚(木质素中典型的α-O-4键)与吗啉转化合成4-环己基吗啉作为模型反应，来评价各种催化剂的催化活性。在没有催化剂的情况下，反应没有发生(Table1, entry 1)。Pt/C在反应中不活跃 (Table1, entry 2)，因为它通常在C(aryl)-O的氢化裂解中表现出较低的活性。在Ru/C的作用下,4-环己基吗啉的产率也很低，这可能是因为低活性的Ru/ C在该条件下可以部分裂解苄基苯基醚和优先苯酚进行加氢反应,并进行了相关实验验证。令人高兴的是，在Pd/C催化下苄基苯基醚完全转化，4-环己基吗啉的产率可以达到99% (Table1, entry 4)。此外，虽然在均相Pd(acac)₂上有少量的苄基苯基醚转化为甲苯和苯酚，但由于生成的苯酚在该催化体系中不能转化为环己酮(期望产物的中间体)，因此没有生成4-环己基吗啉(Table1, entry 5)。通过以上讨论，可以发现催化剂的内在性质影响了反应的活性，在所研究的催化剂中，Pd/C是最好的选择，具体优化条件如Fig. 1。

在优化反应条件后，本文进一步考察了该催化体系对C(aryl)-O的底物和吗啉类化合物的范围。具有不同取代基的大量苯基醚衍生物的C(aryl)-O键与吗啉类化合物被选择性地裂解反应，从而获得高产率的4-环己基吗啉类化合物（如Table 2）。

本文作者还进行了机理研究，基于上述实验结果（Scheme 2）和一些报道的信息，提出了芳香醚和吗啉类化合物反应生成4-环己基吗啉类化合物的可能反应机理(Scheme 3)。最初，H₂被激活，在Pd粒子表面形成活性H。然后芳香C(sp²)-O键的成键能比烷基C(sp³)-O键的成键能高，导致芳基醚发生氢化转化形成酚和取代苯。生成的酚将被加氢生成相应的环己酮，环己酮可与吗啉类化合物反应生成中间体A。最后，中间体A被加氢生成所需的4-环己基吗啉类化合物。

另外，对照实验表明，含有取代基的苯类化合物在标准条件下(吗啉, 90 ℃, Scheme S2)不能氢化。因此，在标准条件下进行的反应中，含有取代基的苯类化合物的产率是定量的。然而，在更极端的条件(例如，120、150和170 ℃)，有非常小的一部分含有取代基的苯类化合物会被氢化 (Table 2，entries 5、6和13-20)。因此，它们的产量不再是定量的。

结论

综上所述，我们找到了以H₂为氢源，在Pd/C上由吗啉类化合物和芳基醚直接合成4-环己基吗啉类化合物的方法。多种芳基醚，包括几种木质素模型化合物，如苄基苯基醚(木质素的a-O-4键)、苯乙基苯基醚和2-苯氧基苯乙酮(木质素的β-O-4键)，均可直接高效转化为相应的4-环己基吗啉类化合物，并且不需要任何酸性添加剂。更重要的是，发现苄基上有取代基的醚比苯基上有取代基的醚具有更高的反应活性。

我们认为该方法在芳基醚C-O键的裂解方面具有巨大的潜力，并且在将可再生木质素衍生物升级为高价值的含氮化学品方面也有很好的应用前景。但是需要指出的是，虽然使用过的芳香醚和木质素都含有芳基碳氧键，但两者之间存在着显著的差异。这种策略在以木质素原料为反应物时反应活性很低，可能是由于木质素原料结构复杂造成的。直接有效地将木质素转化为含氮化合物是一个巨大的挑战，开发有效的木质素转化的催化方法仍需要付出更多的努力。

原文链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/gc/d0gc03188g#!divAbstract

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