羰基腈和类似化合物的还原胺化的制作方法

专利名称：羰基腈和类似化合物的还原胺化的制作方法
本申请是1989年4月25日提出的美国专利申请NO.342，811的部分继续申请。
本发明关于羰基腈和类似化合物的还原胺化方法，该方法能够显示出胺化所需的活性和选择性，该方法能够在包括相对低的压力的普通反应条件下进行。即使使用低的压力，本发明的方法也有利于得到提高的催化剂寿命。
酮腈，如3-氰基-3，5，5-三甲基环己酮(异佛尔酮腈)已被用作反应物以制备相应的二胺，如3-(氨甲基)-3，5，5-三甲基-环己胺(异佛尔酮二胺)。这些方法通常包括在氨和催化剂存在下酮腈的加氢。
Schmitt等人在美国专利NO.3，352，913(根据与1964年10月7日公开的英国专利说明书972，010相同的优先权文件)中描述在催化剂存在下异佛尔酮腈的加氢方法“尤其是含有在载体，如硅藻土、膨润土、蒙脱石、γ-氧化铝、硅藻土(Kieselguhr)、活性炭等上的铁，钴、镍、钯和铂和其他第Ⅷ族之元素，如钌、铑、锇、铱，和需要时的添加剂，如铜、铬、钍等的催化剂。”(第2栏，17～23行)根据该方法可以在50°至150°之间的温度下进行，专利权人告诫大家“氢气分压最好不低于约50大气压”。二胺的生产在每摩尔酮腈10至30摩尔氨的比例下进行是有利的。专利权人说明“……人们应该知道酮腈可以被加氢，但在γ-酮腈的特殊情况下，它们不能被加氢，因为它们比其他酮腈具有更大的生成氰化氢的倾向。然而，在本发明方法的具体条件下，可以避免这些现象”。(第2栏，62～68行)为避免或降低氰化氢的生成，胺化过程实质上包括使用很高的氢气分压，例如，50大气压或更高。事实上，在说明酮腈胺化的实施例中，Schmitt等人使用120至150大气压的氢气过压。使用较低氢气分压的实验结果证实了从异佛尔酮腈生成氰化氢和相应二胺收率的下降。此外，氰化氢将使加氢催化剂中毒。Schmitt等人大体地说“反应可以在溶剂存在下适当地进行，尤其是醇如甲醇、乙醇等和醚，以及烃，通常如环己烷或类似物。”(第2栏，69-72行)专利权人清楚地论证的唯一溶剂是甲醇。
人们将大量的工作用在有所需的二胺选择性的由酮腈生产二胺方面。此外，人们还尝试不用如此高的压力而直接得到上述结果。
日本专利申请公开62/123154(1985年11月25日公开)(Daicel)直接使用含有锰作为附加成分的阮内钴催化剂，该催化剂用于制备异佛尔酮二胺。该专利申请说明在现有技术中，异佛尔酮腈的还原胺化是在粉化催化剂存在下在极其高的氢气压力(120至150大气压)下进行，即使这样，异佛尔酮二胺的收率也低，例如，81.4%。日本专利的申请人宣称在特殊催化剂存在下，可以使用温和的反应条件。实施例报导在反应溶液中得到83.3%至89.6%的异佛尔酮二胺的收率和3.9至5.6%的3-氰基-3，5，5-三甲基环己醇加氢产物。尽管还存在其它变化，氢气分压从实施例2的70Kg/cm2增加到实施例3的100Kg/cm2，在粗反应溶液中异佛尔酮二胺的收率，即使在催化剂与异佛尔酮腈的比率下降的情况下，仍然由83.3%增加到87.5%。因此，对于得到所需的二胺产物，显示出氢气分压依然起着重要的作用。
日本专利申请说明可以适当地使用含1至4个碳原子的醇和二醇(例如，甲醇、乙醇、乙二醇等)。在操作实施例中用作溶剂的仅仅是甲醇。
西德专利申请3，011，656公开了一种由异佛尔酮腈制备异佛尔酮二胺的连续方法，其包括在温度约为40°至100℃及不存在催化剂条件下将腈与氨反应形成3-氰基-3，5，5-三甲基环己亚胺，随后，在钴、镍或铁催化剂存在下将亚胺加氢形成二胺。该专利申请说明在形成亚胺过程中氢气浓度不应超过0.05%(重量)。实施例显示过程是在约300巴的压力下进行。
美国专利NO.4，429，157公开了一种由例如异佛尔酮腈制备胺的方法，其包括在载有铵离子的离子交换剂的形成亚胺催化剂存在下将酮基与氨反应，随后，在氨和氢气及加氢催化剂存在下，将含腈基的亚胺加氢。专利权人说明形成亚胺反应可以在10°至120℃及在自生压力或高压，如高达300巴的条件下进行。随后，胺化反应在温度为80℃至200℃和高压，例如80至300巴的条件下进行。
美国专利NO.2，292，949公开了一种2-亚氨基腈的催化加氢方法。专利权人说明加氢反应的氢气分压应至少约10大气压，而总压为每平方英吋1500至3000磅，温度在约50°至170℃之间，优选的为100°至150℃之间。如果需要，应不时地加入氢气使总压保持在操作范围内。加氢反应优先地在使用镍或钴催化剂的条件下进行。并存在无水氨以“稳定亚氨基和使缩合减至最小”(第2栏，38和39行)。专利权人在第2栏45行至第3栏7行说明“对于反应的成功操作来说不需要其它溶剂，虽然在许多情况下，已发现使用有机溶剂有利于改善产率和减少向降解和其它付产物的转化。烃、醇和醚是优选的溶剂，其实例为甲苯、甲醇和二恶烷。但是，这些溶剂是典型的实例，可以使用许多相同类型的其它溶剂而具有良好的效果。一般说来，如果使用溶剂，优先使用甲醇，这是因为它成本低、对催化剂无毒、对原料和产物有杰出的溶剂作用和它易于从粗制加氢混合物分离而没有不必要的产物损失”。
美国专利NO.3，544，485公开了用于加氢反应的阮内合金催化剂的活化方法。活化在水以及氧化铝、胺、非氨取代的内酰胺、N取代的内酰胺、肟、N-取代的酰胺和尿素衍生物中的一种存在下进行。专利权人建议加氢和活化可同时进行。在表Ⅲ中，实施例15、16、17、21、23、26、29、32、39、43、44、46、50、54、57和62包含了腈加氢生成胺。实施例35和39包含了环己酮肟加氢生成环己胺。
本发明提供了在相对低的压力下，没有腈的过度分解(产生氰化氢)而获得高的胺产物选择性的其中腈基具有比羰基或亚氨基转化为氨基的活性弱的羰基腈和亚氨基腈(起始物料)的胺化方法，通常，本发明的起始物料的腈基位于叔碳原子上，而在许多情况下，腈基位于羰基或亚氨基官能团碳原子的β碳原子上。该方法包括首先在氢气和催化剂存在下，在避免分子的腈基部分分解(例如，转化为HCN)的足够低的温度下胺化羰基或亚氨基，随后，在更严格的条件下使腈基加氢，上述条件包括(a)使用较高的温度和(b)使用更活泼的加氢催化剂中至少一个。一旦羰基或亚氨基被转化为氨基，对于降解，氨基腈通常更稳定。
因此，加氢过程无需在高压和/或高的催化剂浓度的条件下进行，而上述条件是人们至今所建议的，以得到胺化化合物的选择性和避免催化剂失活，例如，避免由于生成氰化氢或其它腈产物或由于从反应溶剂中的其它组份生成的有害物质，例如一氧化碳，其在其他化合物中，使催化剂中毒。事实上，在本发明的方法中，低于700psig(48bar)，通常低于500psig(34bar)的压力是合适的。使用较低压力的能力，例如，在500psig，可显著地减少与羰基腈或亚氨基腈胺化有关的设备资金和操作费用。
胺化反应和加氢反应都可以在催化活性量的加氢催化剂，例如，含钴、镍和铁催化剂，尤其是含钴催化剂，例如阮内钴催化剂存在下便利地进行。
在本发明的另一方面，在胺化过程中，胺化促进剂以足以实现如下至少一个目的的量存在(ⅰ)提高羰基和/或亚氨基的胺化速率，(ⅱ)降低催化剂减活的速率，和(ⅲ)增加胺化产物的选择性而不是生成氨基醇或羟基腈。胺化促进剂在应用低压，例如，低于约700psig(48bar)的情况下尤其有利。胺化促进剂包括偶极质子化合物，尤其是在25℃在0.4至1%(重量)的二甲基亚砜溶液中的PKa值低于约35的化合物，这些化合物通常具有高的介电常数，例如，在25℃大于约8，优选的大于15。
二氨基和多氨基化合物具有广泛的用途，其包括用作环氧树脂的交联剂和作为其它有用化合物，例如石油添加剂、分散剂和异氰酸酯的中间体。尤其作为交联剂，通常最好是在官能团之间具有不同的反应性。因此，化合物例如，异佛尔酮二异氰酸酯，在尿烷聚合系统中能够找到有利的用途，因为伯异氰酸酯基团比仲异氰酸酯基团具有更高的反应性。
二氨基和多氨基化合物可以由羰基腈和亚氨基腈通过在氢气存在下反应而制备，在羰基腈的情况下，还需存在至少一种氨或伯胺和仲胺。包含在本发明中有用的羰基腈是羰基腈本身和在反应条件下生成羰基腈的化合物。典型的羰基腈由如下结构式表示的化合物
其中R1、R2、R3和R4是相同的或不同的，选自氢、烷基(例如1至8个碳原子)、环烷基(例如5至8个碳原子)、芳基(例如6至12个碳原子的单环或双环芳基)、芳烷基(例如7至12个碳原子)和烷芳基(例如7至12个碳原子)，其中，至少R1和R2不是氢;R5是氢、烷基(例如1至8个碳原子)、环烷基(例如5至8个碳原子)、芳基(例如6至12个碳原子的单环或双环芳基)、烷芳基(例如，7至12个碳原子)、芳烷基(例如7至12个碳原子)和R5可以与R1和R3之一的碳原子形成环状化合物。通常腈基在羰基碳原子的β碳原子上或更远，最优选的在β碳原子上。具体的羰基腈的例子是异佛尔酮腈、4-甲基-5-氰基己-3-酮、4-甲基-4-氰基戊-2-酮、2-甲基-3-氰基戊醛、2-乙基-3-氰基己醛、3，5-二氰基-3，5-二甲基环己酮、2，2，6，6-四甲基-4-酮基庚二腈，和3-氰基-3-甲基环己酮。
用于本发明方法中的优选的亚氨基腈具有由例如，低级烷基(例如1至8个碳原子)、环烷基(例如5至8个碳原子)、芳基(例如6至12个碳原子的单环或双环芳基)、芳烷基(例如7至12个碳原子)，和烷芳基(例如7至12个碳原子)取代的亚氨基。亚氨基腈通常可由如下结构式表示
其中R1、R2、R3、R4和R5与前文用于羰基腈的定义相同，R6如上述定义并且可以是氢。腈基最好在亚氨基碳原子的β碳原子或更远的碳原子上，最优选的在β碳原子上。也包括在反应条件下生成亚氨基腈的化合物。亚氨基腈的实例为3-氰基-3，5，5-三甲基环己基环己基亚胺，和3-氰基-3，5，5-三甲基环己基甲基亚胺。
尽管不希望局限于某种理论，但人们相信，在还原胺化之前，羰基在氨或伯胺存在下转化成亚氨基。腈基的不稳定性将被羰基加重(尤其在羰基与腈基在β位的特殊关系的情况下)，而亚氨基加重的程度较小或相类似。因此，在实现羰基胺化过程时，优先采用易于转化成亚氨基，随后再转化成氨基的条件。在本发明的优选方面，至少一部分羰基转化成亚氨基得到预先生成的亚氨基腈，随后胺化制备氨基腈。羰基也可以与仲胺反应形成烯胺，随后再经在氨存在下加氢或还原胺化形成氨基腈。
羰基转化为亚氨基或烯氨基可在用于生成胺的还原胺化条件下进行。在还原胺化条件下，羰基能够转化为在还原胺化条件下难于脱氢的羟基。因此，需采用有利于形成亚氨基或烯氨基(和氨基)的反应条件以使羰基的加氢减至最小。如果羟基没有脱氢转化成羰基并最终转化成氨基，则形成氨基醇，这意味着所需二胺的效率下降。
若干方法能用于提高与氨基醇或羟基腈相对的胺产物的选择性，例如(ⅰ)可以使用对亚氨基加氢比羰基加氢更有效的催化剂;和/或(ⅱ)例如，通过除去付产物水和/或通过使用伯胺形成亚氨基或使用仲胺形成烯氨基(随后将它们转化成氨基腈)使羰基与亚氨基之间的平衡向形成亚氨基方向转移;和/或(ⅲ)使用有利于形成亚氨基和/或氨基的胺化促进剂;和/或(ⅳ)在减少的和没有氢气分压的条件下操作直到形成亚氨基。
可以用于形成亚氨基或烯氨基的胺的结构式为R2NH，其中R可以是氢、烷基、羟基、羟基烷基、氨基烷基、芳基、羟基芳基、氨基芳基、氨基和多达20个碳原子的类似基团，只要不多于一个R可以是氢。亚胺或烯胺随后可以在存在氨和氢的条件下进行还原胺化，生成伯胺，或加氢生成仲胺或叔胺。在异佛尔酮腈用作起始物料的条件下，上述胺合适地为产物胺，如异佛尔酮二胺。
羰基或亚氨基的胺化通常在温度约10°至90℃，优选的为15°至85℃和在自生压力至高压的条件下进行。可以使用高压，例如，1500psig或更高。然而，通常低压是合适的，例如，低于约700psig，如约100至500psig。温度低于在反应条件下导致过度的分解，例如生成氰化氢的温度。优选在原料中每摩尔腈产生小于0.01摩尔，更优选地为小于0.001摩尔的氰化氢。
氨和/或胺(氮源)通常以每当量羰基或亚氨基至少1.5摩尔的-NHR的量加入，对每摩尔羰基或亚氨基通常约5至50，优选的为10至30摩尔-NHR。氢气以每摩尔羰基或亚氨基至少5摩尔的量存在，例如每摩尔羰基或亚氨基约5至1000摩尔或更多。氢气通常用作反应器中的加压气体。因此，氢气分压通常约50至1500psig。通常氢气分压是反应系统总的绝对压力的至少30%。比方说，约50至95%。
在羰基腈胺化中，根据本发明的优选方面，可以使用较低的总压和较低的氢气分压可得到相对于氨基醇或羟基腈的氨基腈增加的选择性。
胺化步骤在加氢催化剂存在下进行，该催化剂可以与用于后续的腈基加氢的催化剂相同。加氢催化剂包括元素周期表第八族的化合物和金属，例如铂族金属以及铬、锰、铜、锌、钼、钨和铼和它们的组合，例如铬酸铜。优选的催化剂包括含钴、铁或镍的催化剂，尤其是阮内镍和阮内钴催化剂。阮内镍和阮内钴催化剂可以含有附助元素以增加活性或选择性。这些促进元素(可以以元素的或化学结合的形式存在)包括锰、铬等等。最优选的催化剂是阮内钴催化剂，尤其是含有0.01到10(重量)%锰和/或铬的催化剂。
这些催化剂可以被载于适当的载体，例如，氧化铝、碳、硅藻土、膨润土、石棉、氧化硅、氧化钛、氧化锆等等。活性化合物以总载体上的催化剂的0.5至50(重量)%的量加入。
催化剂的加入量取决于催化剂的活性、催化剂的形式和使用的反应器类型。通常对于淤浆反应器，催化剂的加入量，对于每克羰基腈或亚氨基腈，至少约0.02克，例如，经常是约0.05～2克，优选的是0.1～1克。根据本发明，即使使用低氢气分压，本方法还能显示出良好的催化剂寿命和能够使用相当少量的催化剂。
该反应可以在间歇式、半连续式或连续式反应器中进行。在半连续式反应器中，优选的操作是将羰基腈或亚氨基腈连续地或间歇地加入反应介质中。催化剂可以是固定床催化剂或淤浆形式催化剂，也可使用均相催化剂。淤浆反应系统一般优选使用阮内镍和阮内钴催化剂，阮内钴催化剂通常是最优选的。
胺化羰基或亚氨基的反应时间最好足以能够使至少约90%，优选的为至少95%，更优选的为基本上全部羰基或亚氨基被转化掉。反应常常进行到氢吸收率变得很低为止。通常，反应时间至少约0.01小时，例如约0.05～50小时，比如说，约0.1～5小时。
该反应一般在合适的溶剂存在下进行，即在反应条件下该溶剂对胺化过程或与腈进料或产物的反应基本上是惰性的。溶剂包括烃，其包括脂肪烃和芳香烃，例如丁烷、异丁烷、戊烷、环戊烷、己烷、环己烷、异戊烷、苯、乙苯、二甲苯、甲苯，等等;含有1至约6个碳原子的醇，例如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、正戊醇、2-戊醇、3-戊醇、己醇、环己醇、苯酚，等等;叔胺，例如三乙醇胺、三乙胺、二乙醇乙胺，等等;吡啶;哌嗪;吗啉;含1至约6个碳原子的二醇，例如乙二醇、丙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，2-丁二醇和2，3-丁二醇;含1至约6个碳原子的醚，如甲醚、乙醚、甲乙醚、二甘醇、二甘醇-单甲醚、丙二醇-单甲醚、乙二醇二甲基醚、三甘醇二甲基醚、穴状配体、三甘醇、四甘醇、四氢呋喃，等等。含有羟基的溶剂在还原胺化中在某种程度上可以反应。可是，该反应一般是极小的，特别是在仲碳原子或叔碳原子上有羟基时更是这样。溶剂最好不含有对催化剂有毒的组分，或者在反应条件下不容易变质或转化成对催化剂有毒的组分，例如一氧化碳、硫、卤化物、氰化氢等等。因此，溶剂通常含有一个以上的碳原子，并且基本上不含硫、卤化物和腈。溶剂最好提供在25℃粘度小于约50厘泊，优选的小于约25厘泊的反应混合物。当使用溶剂时，溶剂与羰基腈或亚氨基腈的重量比通常至少约0.5∶1，比如说，约0.5∶1至20∶1。
溶剂的性质和数量不应当使催化剂在胺化过程中的胺化条件下过度地失活。至今甲醇仅仅在高压下，在例如羰基腈的胺化中用作溶剂。在较低压力下，特别是根据本发明优选的低于约700psig的压力下，甲醇溶剂中的催化剂倾向于迅速失活。在较高压力下，正如在本发明的背景技术部分描述的参考文献中使用的，如1500psig和更高的压力下，甲醇溶剂中催化剂的失活速度显著降低。
根据本发明的优选方案，在胺化过程中胺化促进剂可以作为溶剂加入反应介质中。胺化促进剂是偶极性化合物，优选的为在反应条件下呈液体。通常，胺化促进剂在25℃在0.4～1%(重量)的二甲基亚砜溶液中的PKa值小于约35，优选的小于约30，通常约1～30。Matthews等人公开了测试方法(J.Am.Chem.Vol.97，PP7006～7014(1975))，在本文中引用作为参考文献。具有较低PKa值的胺化促进剂常常以较低浓度使用，以避免对催化剂的不利影响。通常胺化促进剂的介电常数在25℃时至少约8，优选的至少约15，有时偶极矩大于约1德拜。优选的胺化促进剂是含有多于1个碳原子的有机化合物。有利的促进剂每个分子含有至少1个羟基，优选的为含有2个或多个羟基，其包括一元醇、二元醇、三元醇和多元醇，特别是分子量小于约200的醇。促进剂包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、2，3-丁二醇、甘油、二甘醇、三甘醇、四甘醇、山梨醇、戊二醇、己二醇、二乙基-乙醇胺、二乙醇-乙基胺、三乙醇胺、苯酚、哌嗪、吗啉、羟乙基亚乙基脲、羟基酯、羟基酰胺、酰胺等等。优选的促进剂不含有活泼氢，例如伯胺和仲胺，和在反应条件下可进行加氢或胺化从而消除的基团，例如羰基、亚氨基和腈基。胺化促进剂最好不含有对催化剂有毒的组分，或在反应条件下不容易变质或转化成对催化剂有毒的组分，例如一氧化碳、硫、氰化氢、卤化物，等等。
存在的促进剂量可在很大的范围内变化，例如当溶剂是促进剂时，可多达存在的溶剂的总量。通常促进剂与被胺化的腈的摩尔比至少约0.05∶1，优选的为至少约0.1∶1，比如说，约0.1∶1至20∶1或更大。优选的促进剂量应不过度提高反应溶剂的粘度，优选的反应溶剂粘度在25℃小于约25厘泊。
含有1至3个碳原子的一元醇和二元醇与其他溶剂结合使用是有利的。在某些情况下，这些低分子量醇可能使催化剂失活，即，对催化剂起有害的作用，特别是在低氢分压的情况下，例如低于约1000psig，比如说，低于700psig。含有乙二醇和其他二元醇或多元醇的促进剂还会导致不希望的粘度和/或在减压时发泡。另外，一些促进剂可有助于促进或发生腈和胺之间的缩合反应。这个缺点通常可以用下列措施消除或限制(ⅰ)促进剂和溶剂结合使用而不是只用促进剂，(ⅱ)具有毒副作用的促进剂和没有显示不希望的副作用的促进剂结合使用。在很大程度上还可以得到用促进剂提供的利益。通常，促进剂与溶剂和促进剂总量的重量比至少为约0.01∶1，比如说，至少约0.1∶1，例如0.1∶1至0.9∶1，优选的是约0.1∶1至0.8∶1。
失活的催化剂通常可以在高温和高的氢气分压下再生，其条件是压力至少500psig(34bar)，比如说，600至2000psig(40～136bar)，温度至少40℃，比如说，50～150℃，再生时间1～50小时。
在本发明的方法中，根据具体情况，羰基或亚氨基的胺化能够提高腈的加氢能力，而没有腈的过度降解而释放氰化氢。而提高温度和/或提供更活泼的加氢催化剂则提高了加氢条件的苛刻度。
当为了进行腈基加氢而提高温度时，可以用任何适当的方法进行。例如，在第一步反应和腈加氢之间可以用分段方式提高反应介质的温度，或所有的反应可以用逐步增加温度，即在羰基的胺化和腈的加氢之间无明显过渡的方式来进行。正如很快就会明显看到的那样，在完成羰基的还原胺化和开始腈基加氢之间不光有清楚的过程分界。当由于提高温度而增加反应的苛刻度时，在腈加氢过程中，反应混合物的峰值温度常常提高到至少约90℃，优选的为至少约100℃至200℃或250℃或更高。因此，可以便利地用提高温度来促进腈的加氢。通常，在腈加氢过程中峰值反应温度比羰基或亚氨基胺化过程中的平均温度高至少约10℃，比方说，至少约15℃。
腈基加氢的压力不必太高，虽然如果需要，可使用高达1500psig或更高的压力。实际上，压力高于500psig后反应选择性的增加在许多例子中被证实是减小的。在一些例子中，在压力250psig的选择性不过分低于500psig时的选择性。可是如果压力降得太低，则反应速度会变得太低，因此，压力至少约50psig，比方说，至少约100psig一般是需要的。
在腈基加氢中存在氢气，在加氢过程中最好存在氨，其尤其能提高选择性。存在的量可以在上文对第一步反应描述的范围内。羰基或亚氨基胺化作用的反应介质可以用于腈基加氢过程。
腈加氢所用的加氢催化剂可以和第一步反应所用的催化剂相同或不同。当催化剂不同时，其可选自上文描述的催化剂。在某些情况下，希望使用对腈的腈基加氢较活泼的加氢催化剂。这些较活泼的催化剂可含有以元素形式或化学结合形式的一种或多种铑、镍、钯、钌和铂。催化活性物质可载于或不载于载体上。这些较活泼的催化剂可以不适合于，例如羰基的还原胺化，和/或在第一步反应完成之前可能有助于促进氰化氢的生成。按照说明的方法，第一步反应可以在阮内钴催化剂存在下进行，然后，反应介质可以通过阮内镍催化剂，进行腈基的加氢。许多阮内镍催化剂比大多数阮内钴催化剂通常是较苛刻的加氢催化剂。因此，对于羰基或亚氨基的胺化过程，阮内镍催化剂比起阮内钴催化剂来是不太合乎需要，但对腈加氢过程是很安全的。腈基加氢所用的催化剂量应足以进行加氢，按反应器内腈的重量计，通常含有至少约0.01%，例如至少约0.1%，比方说，至少约5%(重量)的活性催化剂。当然，优选的催化剂量取决于反应器的类型、催化剂、方法的经济性等等。
当腈加氢过程使用不同的催化剂时，由于不需要包括提高温度的较苛刻的反应条件，因此温度可以提高、降低或与第一步反应保持相同。因此，温度可以是约10°至200°或250℃，常常约50°～150℃。
显然，本发明的方法能够用各种反应方法。例如，每一步可用不同的容器以独立的间歇操作进行，但是，更方便的是用相同的容器。第一步可用半连续操作进行，第二步可用连续或半连续操作进行。在另一方案中，反应用连续方法进行，反应物从发生羰基或亚氨基胺化的第一反应室进入温度较高的和/或用不同加氢催化剂的第二反应室继续加氢。另一方面，可用相同的反应器用连续的方法操作，用热梯级反应床和/或梯级催化床。
本发明的胺化合物一个具体的有吸引力的用途是作为相应的异腈酸酯的母体。异腈酸酯可用任何通用的方法制备，例如在形成异腈酸酯的条件下用光气和胺部分进行反应。典型的条件包括光气和胺基的摩尔比至少约1.01∶1，比如说，1.1∶1至10∶1，其中反应在基本上惰性的溶剂中进行。溶剂的量常常是溶剂与胺的重量比至少约2∶1，比方说5∶1至30∶1。典型的溶剂包括芳烃、氯化芳烃、氯化脂肪烃，等等，如邻二氯苯。反应温度通常是约80°或100℃至150℃或更高，反应可在减压、常压或加压下进行。光气化进行的时间应足以使异腈酸酯的生成达到所希望的程度，例如至少约0.1小时，比如说，0.2至10小时或更长。
下面提供的实施例用于进一步说明本发明，但不是对本发明的限制。除非另有说明，液体和固体所有的份数和百分数均以重量计，气体以体积计。
实施例1-9所有反应在100mlT316不锈钢或HastelloyC-276Parr的电加热的高压釜中进行，高压釜装有以最大速度转动的磁力搅拌器，用装在反应器底部上方的约8ml的滗析器管按时取样。在使用前将异佛尔酮腈(IPN)升华(78℃，10-4乇)。阮内催化剂用水洗，再用甲醇洗涤几次后贮存在甲醇中。报导的催化剂重量是溶剂浸湿的重量。在需要时使用所有其他原料。
A.间歇式反应通过向高压釜底部加入甲醇、催化剂、异佛尔酮腈和四氢萘内标物进行。高压釜底部用装有所需量氨的不锈钢园桶与顶部连接。整个设备用简单的抽空排出空气，然后充入氢气至50psig两次。排气至大气压后，加入氨，引起暂时放热。然后，反应器加热到下面表Ⅰ所示的温度，马上用氢加压。氢的吸收用记录压力下降的时间来进行监测。反应的进行通过不时地从滗析器管取出样品，并用毛细管气体色谱分析进行监测。在第一步反应完成后，样品显示出异佛尔酮腈基本上完全转化为氨基腈中间体。当氢气吸收减缓时，或在初始温度1小时后，混合物温度以约20℃为一级上升到最终温度。中间温度约保持30分钟至1小时，最终温度约保持30分钟至2小时。在实施例5中，保持起始温度80℃1小时，中间温度100℃保持1小时，最终温度120℃保持1小时。在实施例6中，起始温度70℃保持约0.5小时，然后，以每15分钟5℃的速度提高的最终温度120℃，保持最终温度1小时。
B.半连续的反应包括加入氨增压的异佛尔酮腈溶液，催化剂以在15ml甲醇中的淤浆形式加入反应器的底部，用如上所述的方法脱氧。将异佛尔酮腈溶于足量的甲醇中，配成40%(重量)的溶液，与四氢萘内标物同时加入有刻度的玻璃Fischer-Porter瓶中。通过插入Fischer-Porter瓶底部附近的1/8″管将氨加入该溶液中。反应中所有的氨均以这种方式加入，不直接加入反应器中。在Parr高压釜达到所需的温度和压力后，在2小时内用高压泵将氨增压的异佛尔酮腈溶液加入高压釜中。为了监测反应的进行，按时取出等分试样。加完后，如前所述，高压釜温度增加20℃达到最终温度。在实施例9中，120℃的最终温度保持0.5小时。
实施例1、2、3、4和8是比较例，在实施例1、2、3和8中不进行最终温度的增加。反应条件和结果概述于表Ⅰ中。
实施例10～51反应在100mlParr小型反应器中进行，反应器用电加热，并装有磁力搅拌器。在干燥箱中，将5g干燥的铬促进的阮内钴(从马里兰州，Baltimore，DavisonChemicalDiv.，W.R.Grace&Co.以Raney2724买到)加入小型反应器中。小型反应器用橡胶塞子和隔膜密封，从干燥箱中取出。用注射器通过隔膜将35ml用氢鼓泡过的表Ⅱ中所示的溶剂加入小型反应器中(当使用混合溶剂时，表Ⅱ中所示的比例按重量计)。在足以加入12.1g异佛尔酮腈(见表Ⅱ)和0.6g三甘醇二甲醚的时间后，去掉塞子。然后，密封小型反应器，用200psig氢气经3次加压排气循环驱出空气，然后用500psig的氢气试验压力5分钟。小型反应器再次排气，加入9.9g氨。反应温度升到60℃，以中等速度搅拌淤浆1小时。加入氢气使压力增加到625psig，搅拌速度增加到最大值。观察压力下降50psi所需的时间，记录在表Ⅱ中。将压力增加至625psig，观察随后压力下降50psig的所需时间，记录在表Ⅱ中。80分钟后，每20分钟温度提高20℃，直到130℃(1小时10分钟)，反应器在130℃保持1小时。冷却反应器，分析其中物料，结果列于表Ⅱ中。
如表Ⅱ所示，几个催化剂用于多个试验。当催化剂用于多个试验时，排出清液层，通常，催化剂用50ml等分试样溶剂(已用氢气鼓泡)洗涤几次，同时将小型反应器保持在约5～10psig。当排出上清液时，催化剂中保留约10ml溶剂。将在约25ml氨饱和的溶剂中的异佛尔酮腈由隔膜加入。另外，试验基本上按上述过程进行。
在表Ⅱ中所列的结果根据记录的组分校正至100%。表Ⅱ中，下列术语的意义如下MeOH甲醇EtOH乙醇AmberlystTM15苯乙烯-二乙烯苯离子交换树脂(可从费城Rohm&Haas买到)t-BuOH叔丁醇Me CarbitolTM二甘醇-甲基醚THF四氢呋喃Methyl PropasolTM1-甲氧基-2-丙醇Etglycol乙二醇Hexyleneglycol2-甲基-2，4-戊二醇Prglycol丙二醇1PrOH异丙醇amide1-氨基-3，5，5-三甲基-3-环己酰胺bicyclic、IPANI、IPAA如前文实施例中所定义。
实施例52-54在每个实施例中，按照与实施例10～51所示基本相同的方法将5g铬促进的阮内钴(Raney2724)加入100mlParr小型反应器中。用甲醇作反应溶剂，将异佛尔酮腈如实施例10～51所示加入反应器中，氢气(总压)在表Ⅲ中所示。每个催化剂进行几次连续的试验以确定催化剂性能的变化。温度程序如同实施例10～51所示。在各个试验之间，从小型反应器中排出约25ml反应溶剂，在反应器底部留下与约10ml液体混合的催化剂。在各试验之间催化剂不洗涤。为了后面的试验，加入25ml新配制的含有异佛尔酮腈的反应溶剂。每个试验进行约4小时，实施例概述于表Ⅲ中。
实施例表明，在较低的氢气分压下，含有甲醇作溶剂的系统倾向于催化剂失活。在较高的氢气分压下，正如在如异佛尔酮腈胺化的现有技术中一般公开的那样，甲醇溶剂中的催化剂倾向于保持其活性。但是，较高的压力也倾向于生成较大比例的不太希望的氨基醇产物。
实施例55将4.84g铬促进的阮内钴(Raney2724)在水中的淤浆加入100ml不锈钢高压釜中，同时加入35ml85%(体积)乙醇和15%(体积)异丙醇的氢鼓泡的溶剂混合物。反应器用氢气驱气，混合物搅拌几分钟。使催化剂沉淀后，由装在反应器底部上面的倾斜管排出约7ml溶剂。约10ml溶剂留在催化剂淤浆中，催化剂用第2份氢鼓泡的35ml溶剂的等分试样洗涤。
将75g异佛尔酮腈在75ml乙醇/异丙醇溶剂中的溶液和4g三甘醇二甲基醚内标物加入装有搅拌棒和气体导管的8盎司玻璃压力瓶中。将该设备抽空、用油浴加热到40℃，然后，用氨加压到40psig。在这些条件下搅拌15小时后生成亚胺，将约40%亚胺混合物加入装有洗过的阮内钴催化剂的100ml高压釜中。在快速搅拌下将反应器加热到60℃，用氢气加压至525psig。通过记录压力下降50psig所需时间来监测速度，在每次测定之后，反应器再加压至525psig。在这些条件下80分钟后，温度以每20分钟20℃的速度增加到120℃，然后再过10分钟后，温度增加到130℃。混合物在500psig氢压下再搅拌1小时。在冷却后经倾斜管排出产物，使催化剂沉淀。后面的试验用同样的方法进行，除了再使用前面试验的催化剂而不是使用新鲜催化剂之外。表Ⅳ概述了试验结果。
实施例56将40.0g异佛尔酮腈和22.01g异佛尔酮二胺在100ml乙醇和100ml己烷混合物中的溶液在常压下回流，生成亚胺。用Dean-Stark分水器将水以三元共沸物形式除去。回流9小时(釜温62℃)后，共沸物停止蒸出。收集总量为53ml的较低的共沸物，由KarlFisher分析法分析，得出其中含有8.3%(重量)(4.4g)水。釜中的残留溶剂用旋转蒸发器蒸发，得到62.0g粘性液体，将其再溶解于85%(体积)乙醇和15%(体积)异丙醇溶剂中，得到98g两相溶液。在40psig氨气下于40℃搅拌该溶液16小时，得到浅黄色溶液(总氨吸收12.88g)。
约75%(体积)该混合物加到含有4.84g阮内钴(Raney2724)和约10ml实施例55得到的最终产物的反应器中，基本上按照实施例55中描述的反应步骤进行。
我们发现存在很少量的由异佛尔酮腈和异佛尔酮二胺生成的亚胺加氢所产生的重组分，结果概述于表Ⅳ中。
权利要求
1.一种胺化含有至少一种羰基腈和亚氨基腈原料的方法，其中腈基比羰基或亚氨基具有较弱的反应性，该方法包括将上述原料在氢气和至少一种氨、伯胺和仲胺存在下，在包括足以生成相应的氨基腈的加氢催化剂存在的条件下进行还原胺化，上述条件包括温度足够低以避免原料的腈基过度分解；将上述氨基腈在包括足以使腈基部分加氢生成胺化产物的加氢催化剂存在的条件下进行加氢，上述加氢条件包括温度高于生成氨基腈的还原胺化条件的温度和存在的加氢催化剂对腈基具有较高的活性之中的至少一个条件。
2.根据权利要求1的方法，其中腈在叔碳原子上至少有一个腈基。
3.根据权利要求1的方法，其中两个步骤中反应条件包括压力低于约700Psig。
4.根据权利要求1的方法，其中生成相应氨基腈的胺化条件包括温度低于约90℃。
5.根据权利要求4的方法，其中上述加氢条件包括催化剂对于腈基比用于生成氨基腈的加氢催化剂具有较高的活性。
6.根据权利要求5的方法，其中用于加氢条件下的加氢催化剂包括铑、镍、钯、钌和铂中的至少一种。
7.根据权利要求4的方法，其中氨基腈加氢的加氢条件包括温度至少约100℃。
8.根据权利要求5的方法，其中两个步骤中两反应条件包括压力低于500psig。
9.根据权利要求1的方法，其中羰基腈被胺化，腈基部分在羰基或亚氨基碳原子的β碳原子上。
10.根据权利要求1的方法，其中所胺化的羰基腈由如下结构式表示
其中R1、R2、R3和R4可以是相同的或不同的，是氢、烷基、环烷基、芳基、烷芳基或芳烷基，其中至少R1和R2不是氢，R5是氢、烷基、环烷基、芳基、烷芳基，或芳烷基，并且可以和R1和R3中的一个碳原子形成环状结构，以及胺化在氨存在下进行。
11.根据权利要求10的方法，其中羰基腈是异佛尔酮腈。
12.根据权利要求10的方法，其中催化剂包括阮内钴催化剂。
13.根据权利要求12的方法，其中催化剂还含有至少一种铬和锰。
14.根据权利要求12的方法，其中生成氨基腈的胺化温度在约15°至85℃之间。
15.根据权利要求14的方法，其中两个步骤中反应条件包括压力低于700psig。
16.根据权利要求15的方法，其中羰基腈是异佛尔酮腈。
17.根据权利要求16的方法，其中阮内钴催化剂含有铬。
18.根据权利要求17的方法，其中催化剂与异佛尔酮腈的重量比为约0.05∶1至2∶1，在还原胺化过程中，氨与腈基的摩尔比约5∶1至30∶1。
19.根据权利要求12的方法，其中在制备氨基腈过程中催化剂包括阮内钴催化剂，在腈基部分的加氢过程中，催化剂含有阮内镍催化剂。
20.根据权利要求19的方法，其中两个步骤中胺化条件包括压力低于700psig。
21.根据权利要求20的方法，其中羰基腈是异佛尔酮腈。
22.根据权利要求1的方法，其中反应在偶极质子胺化促进剂存在下进行。
23.根据权利要求22的方法，其中胺化促进剂含有多于一个碳原子和至少一个羟基。
24.根据权利要求23的方法，其中胺化促进剂的分子量低于200。
25.根据权利要求24的方法，其中胺化促进剂包含至少一种乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，2-丁二醇、1，3-丁二醇、1，4-丁二醇、甘油、二甘醇、三甘醇、四甘醇和山梨醇。
26.根据权利要求24的方法，其中胺化促进剂在25℃在0.4至1%(重量)的二甲基亚砜溶液中外推至零电离的PKa值小于约35。
27.根据权利要求10的方法，其中伯胺由结构式RNH2表示，其中R是烷基、羟基、羟基烷基、氨基烷基、芳基、羟基芳基、氨基芳基或氨基，和多达20个碳原子的类似基团;伯胺与羰基腈反应生成被还原胺化的亚氨基腈。
28.根据权利要求27的方法，其中伯胺包括与本方法的胺化产物相同的胺。
29.根据权利要求1的方法，其中生成氨基腈的加氢催化剂通过与至少500psig氢气在温度至少40℃接触至少1小时而再生，而不接触羰基腈。
30.根据权利要求29的方法，其中溶剂包括甲醇。
全文摘要
羰基腈和亚氨基腈在两个步骤中进行还原胺化，第一步在足以生成氨基腈的温度下进行，第二步在较高的温度下进行，和/或使用对腈基较活泼的足以生成加氢化合物的加氢催化剂。反应可以在较低的压力，例如约700Psig下进行。而保持胺化产物所需的选择性。
文档编号C07C209/26GK1047856SQ9010391
公开日1990年12月19日 申请日期1990年4月24日 优先权日1989年4月25日
发明者伯纳德·杜安·当贝克, 蒂莫菲·托德·温策尔 申请人:联合碳化化学品及塑料有限公司