羰基化相应的叔胺来制备仲酰胺的方法

专利名称：：羰基化相应的叔胺来制备仲酰胺的方法羰基化相应的叔胺来制备仲酰胺的方法本发明涉及一种制备仲酰胺的方法，即在金属催化剂和含卤素的助催化剂的存在下，在反应混合物中用一氧化碳羰基化相应的叔胺。酰胺代表一大类包含弱碱性氮的有机化合物，其大量的应用，例如作为溶剂和单体，也可以少量的用作更复杂的分子，例如作为药品、肽等。通常地，N-烷基酰胺是通过合适的伯或仲酰胺和合适的羧酸衍生物例如羧酸或酯，酰氯或酸酐的常规有机化学反应制备的。然而，这些方法有时受到合适的和易得的原料的限制，以及低原子效率的影响。同时，近年来对于各种酰胺的催化有机金属路线得到了长足发展。这些路线中，氨基羰基化受到了很大的关注，因为一氧化碳作为一种便宜、易得的生成酰胺的有效试剂。这种方法包括伯或仲酰胺与芳基或烷基卤化物和一氧化碳的反应。在催化循环的第一步骤，金属被插入烷基或芳基卤化物的碳、卤素键中(氧化加成)。然后，一分子一氧化碳从金属中心转移到烷基或芳基基团(C0插入)。最后，新形成的羰基受到胺的进攻，最终的酰胺产物从金属中心释放，并释放一当量的HX，其与反应混合物中的其他胺分子反应形成铵盐。由于HX和胺间的酸、碱反应，至少需要向反应混合物中加入2当量的胺。由于所述方法的低原子效率和卤化原料的高价，该方法只被商业用于复杂分子(例如药品中的活性成分)。对于二甲基乙酰胺(DMAc)的生产，同样已知的是由相应的叔胺，即由三甲基胺(TMA)开始来制备这种酰胺。TMA是一种便宜和易得的物质。其同时生产甲基和二甲基胺，和使应用受到限制。因此，TMA必须被再循环到反应器中，这使得工厂的规模和能源消耗增加。因此，由TMA制备DMAc的生产能够为TMA提供一个适宜的产出，并对上一级的胺产品单元提供重要的能量和空间/时间的节约。由TMA制备DMAc的方法已在大量专利中有所描述。DE948056报道由TMA和C0/H2与作为催化剂的(NMe4)2CoBr2I2合成DMAc。实施例6报道在20(TC和680巴条件下反应7小时，TMA完全转化得到的DMAc只有90%的收率。虽然使用高压，该方法中使用的催化剂却只有弱的催化活性。实施例6方法所达到的转化率(TOF表示为转化产品(TMA)的摩尔数/摩尔催化金属/小时)只有5摩尔产品/摩尔催化金属/小时。然而，长的反应时间和很高的压力限制了该方法的工业应用。此外，还产生了不期望的副产品。DE948056的实施例l，使用活性更高的二甲基或二乙基苯胺代替TMA，催化剂的活性略有提高，但是如实施例5，方法在200巴的较低压下进行，需要很高的压力，否则催化活性会很低。已报道的几种转化TMA到DMAc的方法均基于熟知的羰基化催化剂Co2(CO)8。然而，由于该羰基配合物对空气和适度加热不稳定，因此很难被运用。在分解和在该金属的催化循环期间，形成了高毒性和挥发性的金属物质。然而，根据US3407231，CoJC0)8可以在较低的CO压力下应用在225t:和138巴下能够获得95%的TMA转化率。根据该专利的描述，反应不需要另外的助催化剂。在移除挥发性化合物后，DMAc从反应混合物中以99X的纯度回收。但是，需要16小时不合实际的反应时间。该方法中催化剂的TOF很低，即仅为大约0.7摩尔TMA/摩尔催化剂/小时。EP0185823报道使用水作为助催化剂和Co2(C0)8一同使用仅5小时就可获得92%的TMA转化率。该方法在250°C的温度下和172巴的相对较高压力下进行。但是催化活性仍然相当低，即大约在5摩尔TMA/摩尔催化剂/小时。而且，在DMAc后形成匿F(lX)。值得注意的是，对于这些基于钴方法报道为相对高的催化剂负载，可以解释为钴催化剂相对低的活性。以其他金属为催化剂的结果很少。JP46043527报道在Hgl2催化剂上，TMA和CO在26(TC下反应得到中等收率的DMAc。只有一种贵金属用作叔胺羰基化的催化剂。JP3275656A报道在270。C下以RhCl3为催化剂和碘甲烷为助催化齐U，在72XTMA转化时，DMAc的收率是56%。DMF和N-甲基乙酰胺分别以1和4X的收率作为副产物形成。铑催化剂的催化活性比上述钴催化剂的活性更高。以铑为催化剂获得的TOF实际上为大约19摩尔TMA/摩尔催化剂/小时。尽管高的活性，但是潜在的工业设备的投资费用却仍然很高，因为铑是一种十分昂贵的物质。因此其作为催化剂的应用限制了方法的经济吸引力。目前，CN101003491A报道了一种在非常相似的条件下，Rh卤化物和少量或等量的Ir卤化物的组合用于催化转化TMA到DMAc的用途。本发明的目的是提供一种羰基化叔胺的方法，其中使用一种和铑等同或更好的催化剂，所述催化剂比铑更便宜以及和铑相比能够实现相同或更高的TON。根据本发明通过使用包含钯的催化剂来实现这一目的。因此本发明涉及一种制备具有下式的仲酰胺的方法，oR2R1、NR3其中，R1是芳基或者包含至少一个碳原子的和任意取代的直链或支链的脂肪碳链；R2和R3分别独立地是芳基或者包含至少一个碳原子的和任意取代的直链或支链的脂肪碳链，或者R2和R3形成包含酰胺氮的环，所述方法包括在包含钯的催化剂和含卤素的助催化剂存在下，在反应混合物中用一氧化碳羰基化下式的叔胺的步骤。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>已发现钯作为一种相对便宜的贵金属，能够将三甲基胺羰基化为二甲基乙酰胺，且比昂贵的贵金属如Rh或Ir具有相等或更好的反应速率和选择性。钯与铑相比，可以获得相等或更佳的催化活性(TOF)。并且，以Pd为催化剂，高级叔胺和芳叔胺也可以以好的收率和选择性被羰基化成为相应的仲酰胺。在上述所有的反应中利用了合适的只要求等摩尔量的含卤素的助催化剂。因此，本发明描述了从相应的叔胺到仲酰胺的完全原子有效合成。在本发明的一个优选实施方案中，反应混合物包含少于5000ppm，优选少于3000卯m，更优选少于1500卯m和最优选少于750卯m的分散或溶解于反应介质的钯。令人十分惊奇地发现，所述钯催化剂的催化活性随着其浓度的降低而显著升高，更特别的是甚至当降低反应混合物中催化剂的量，可以获得类似或者稍低的反应速率。这是一个非常重要的发现，因为较小量的催化剂可以降低成本，并且减少在循环使用和回收催化剂上的努力。本发明方法中钯在10ppm或更低的浓度下证明具有活性。这在早前的其他贵金属如Rh或Ir没有报道过，且有利于基于Pd的羰基化方法的经济性。钯优选以至少lppm的浓度，更优选至少lOppm的浓度加入。钯可以以无机盐的形式加入，举例但不限于PdCl2、PdBr2、Pdl2、Pd(OAc)2、PdS04、(NH4)2[PdCl6]、(NH4)2[PdCl4]、PdC204、Pd(acac)2;以氧化物的形式加入，以沉积在例如碳、氧化铝、二氧化硅、沸石、粘土、多孔聚合物和混杂聚合物等的载体上的金属的形式加入，或以带有机配体的Pd(O)配合物的形式加入，列举但不限于Pd(PPh^。预先形成的金属配合物，例如PdCl2(CH3CN)2、二氯亚乙基二胺钯、二氯二吡啶钯、Pd(TMA)2Cl2Pd(NH3)4Cl2、Pd(NH3)2Cl2等，也可以作为催化剂前体加入。已知一氧化碳和胺可以作为配体以转换金属配合物。含有卤素的助催化剂相对于催化剂金属优选以大于0.l，优选以大于1和更优选大于5的摩尔比存在于所述反应混合物。这个比率优选小于10000，和更优选小于2000。在所述的反应混合物中存在的含卤素的助催化剂优选包含具有式R、的卤化物，其中X是I、Br或Cl，式的卤化物优选R11。烃基团，尤其是卤化物上的烷基或芳基基团优选与期望CO插入的在胺上烃基相对应。合适的卤化物是碘化物、溴化物或氯化物，如甲基碘、乙基碘、丙基碘，...，节基碘，苯基碘，...。虽然相应的氯化物和溴化物也可以使用，但是最佳结果是用烷基碘。含卤素的助催化剂可以直接加入反应混合物。然而，也可以在反应混合物中加入原位生成助催化剂的化合物。烷基和苄基卤化物例如已知容易的和叔胺反应形成四烷基卤化铵盐。因此，这些盐也可以替代母体烷基卤化物加入反应体系中。没有任何限制，合适的四烷基卤化铵盐可以在下列找到四甲基碘化铵(TMAI)、四乙基碘化铵、四丙基碘化铵、四丁基碘化铵、苯甲基三甲基碘化铵，...，和相应的氯化物和溴化物。同样，相应的四烷基卤化鎗可以以相同的目的使用。另外，其他在反应条件下在反应混合物中能够生成烷基或芳基卤化物的试剂可以用作助催化剂。这些试剂列举但不限于I2、Br2、Cl2、Lil、Nal、KI、HI。同样，可以加入作为在催化循环中可能为中间体的式Wcox的酰基卤化物，以在反应混合物中生成助催化剂。当足够量的叔胺提供给反应混合物时，助催化剂在常规催化活性下在反应混合物中再生。这意味着可以以低于所要求的几乎等量的量加入反应器中存在的助催化剂的摩尔数小于转换的TMA摩尔数。但是，当反应混合物中的叔胺耗尽，则会消耗助催化剂的副反应开始发生。该催化剂/助催化剂的组合可以用于下式叔胺的羰基化<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，W、R2、R3不是氢，但独立的是饱和或不饱和、支链或非支链的包含1至23个碳原子的碳链或芳环。碳链也可以被例如苯基基团，烷氧基，羧基，酰氨基基团...取代，并由此可以由例如节基基团、2_甲氧基乙基基团、羧甲基基团，...组成。！^和RS也可以形成环结构。另外，W、R^W可以含有杂原子，如链上的氧，例如醚键。这样的链也在术语"碳链"的范围内，杂原子的数目不包括在碳原子的数目内。得到的酰胺至少包含具有下式的酰胺<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，R、R^RS如母体胺中所定义。如果W、R2、R3不一样或者含卤素的助催化剂含有不同于R1的基团R2或R3，那么获得的酰胺也可以包含一种或多种如下的酰胺<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，R、f、RM乃如母体胺中所定义。这些酰胺都是仲酰胺。术语"仲酰胺"在本说明书中是指在酰胺N上没有氢的酰胺。—个特别的实施方案中，R、R2和R3独立地是包含1至23个碳原子，优选是1至9个碳原子的支链或直链的脂肪碳链，优选碳链是未取代的。R1、R2和R3优选是相同的，更优选都是甲基。另一个特别的实施方案中，R1是包含1至23个碳原子，优选是1至9个碳原子的支链或直链的脂肪碳链，R2和R3与酰胺氮原子一起形成氮杂环，碳链优选是未取代的。其一个例子是由N-甲基哌啶生成的N-乙酰基哌啶。另一个具体的实施方案中，R1是包含1至23个碳原子，优选是1至9个碳原子的支链或直链的脂肪碳链，12和R3可以与胺氮原子一起形成杂环，该杂环含有至少一个另外的杂原子，尤其是氮或氧，且碳链优选是未取代的。此类叔胺的一个例子是羰基化步骤后，N-甲基吗啉生成N-乙酰基吗啉。另一个具体的实施方案中，R1和R2分别是包含1至23个碳原子，优选是1至9个碳原子的支链或直链的脂肪碳链，R3是芳基，尤其是苯基或官能化苯基，例如氯苯基、甲氧基苯基、氟苯基，...或包含1至23个碳原子，优选是1至9个碳原子的支链或直链的脂肪碳链，并且被芳基团取代，尤其是被苯基基团或官能化的苯基基团取代。此类叔胺的一个例子是羰基化步骤后，N，N-二甲基N-苄基胺生成N，N-二甲基-2-苯基乙酰胺和N-甲基-N-苄基-2-苯基乙酰胺。另一个例子是N，N-二甲基苯胺。所述反应在含CO的气氛下在密封的容器中进行，压力高于20巴，更优选高于50巴。可以使用的总压力只受到所使用的设备的限制。所述气氛可以仅含有CO或是COAV混合物。但是这样的CO/U混合物导致活性和选择性的稍微降低。大量的甲酰胺作为副产物生成。所述羰基化反应在高于催化剂活化的温度下进行。该温度取决于叔胺的种类。对于芳胺而言，最低温度通常较低，而对于烷基胺，该温度通常较高。含有杂原子例如氧的胺表现出中间体的特性。对于活化温度不同的可能理由是芳胺可以看作是十分有效的配体，产生在较低温度下活化的配合物，而烷基胺通常需要较高的温度从而获得相关的催化体系。尤其当叔胺不是芳族的时，羰基化步骤在高于12(TC，更优选高于18(TC的温度下进行。对于催化剂活化所需的温度，当温度上升时，催化体系的活性增加。但是温度优选保持在低于285°C，因为当处于较高温度时，发现选择性略有降低。反应介质优选包含溶剂。有利地，将产物酰胺用作溶剂。但是，除了预期的产物酰胺，也可以使用其他酰胺。当NMP用作溶剂时，获得良好的结果。在适宜反应条件下使用目前的催化体系时，形成的副产物的量出奇地低。主要的副产物酰胺是相应的伯酰胺(尤其是相应的N-烷基烷基酰胺)，其脱掉一个烷基或芳基基团。其他的副产物包括羧酸，腈和甲酰胺。已知后者是由仲酰胺和一氧化碳形成的。实施例实施例150mL的高压斧中加入0.45mmol的催化剂和4.3mmo1的适合的含卤素的助催化剂。封闭容器后，冲入一氧化碳4次(10巴)。然后用注射器通过隔膜加入17.5mL7.3%(以质量计)的TMA的NMP溶液。从而混合物含有2736卯m的催化剂金属。室温剧烈搅拌10分钟，冲入65巴的一氧化碳。反应混合物240°C加热24分钟。反应结束后，将混合物冷至0°C，适当除气并通过GC分析。本实施例表明PdCl2/TMAI体系与其他金属碘化物来源组合相比，表现出更高的活性和选择性。尤其是与更昂贵的Rh-催化剂相比，更便宜的Pd-催化剂可获得相等或更高的催化活性。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>DMAc，N，N_二甲基乙酰胺；薩c，N_甲基乙酰胺；DMF，N，N_二甲基甲酰胺；ACN，乙腈；H0Ac，乙酸。实施例2这些实验是以PdCl2为催化剂，TMAI为助催化剂(TMAI:Pd=10)，NMP为溶剂的条件下进行。首先，50mL的高压斧中加入0.45mmol的PdCl2和4.3mmo1的TMAI。封闭容器后，冲入一氧化碳4次(10巴)。然后用注射器通过隔膜加入17.5mL反应物的NMP溶液。将混合物在室温下剧烈搅拌10分钟，冲入65巴的一氧化碳。反应混合物24(TC加热24分钟，除非在表中特别说明。反应结束后，将混合物冷至1(TC，适当除气并通过GC分析。本实施例表明该催化剂体系能用于一些叔胺的羰基化。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>*反应在190。C下进行。DMAn，N，N-二甲基苯胺；DMEA，二甲基乙基胺；三乙基胺。实施例350mL的高压斧中加入0.45mmo1的PdCl2作为催化剂和4.3mmo1的TMAI作为合适的助催化剂。封闭容器后，冲入一氧化碳4次(10巴)。然后用注射器通过隔膜加入17.5mL的7.3或8.3%(以质量计)TMA的NMP或DMAc溶液。将混合物在室温下剧烈搅拌10分钟，冲入65巴的一氧化碳。将反应混合物加热至240°C，通过压力的降低来监控CO的消耗量。在约50X的转化率时，将反应混合物冷至0t:，适当除气并通过GC分析。本实施例表明除了NMP，DMAc也可以用作该反应的溶剂。溶剂t(min)选棒〖生(%)DMAc隨c證■c證8594.50.30.05.2腿c6594.51.02.12.4实施例4本实施例表明通过降低催化剂浓度以提高催化活性的可能性。50mL的高压斧中加入适量(见表)的PdCl2作为催化剂和4.3mmo1的TMAI作为合适的助催化剂。封闭容器后，冲入一氧化碳4次(10巴)。然后用注射器通过隔膜加入17.5mL的7.0%(以质量计)TMA的NMP溶液。将混合物在室温下剧烈搅拌10分钟，冲入65巴的一氧化碳。反应混合物24(TC加热24分钟。从那以后，控制时间以消耗9巴的CO压力(t9)。让混合物进一步反应至完全转化。反应结束后，将混合物冷至ot:，适当除气并通过GC分析。本实施例表明Pd催化剂的活性随着其浓度的降低而显著增加，甚至表明用更少量的催化剂可以产生实质上等量的酰胺。(卯m)TOF(h—0t9(min)%收率DMAc37715886941712381059041110011897实施例5:催化剂的回收NMP(252.2g)、TMAI(11.4g，57,1),dCl2(l.18g，6.7翻l)加入1L的装有电磁搅拌器、样品管和进料容器的Parr反应器中。封闭容器后，冲入一氧化碳3次。然后，由进料容器加入20.lg(O.34mol)的TMA，用CO将压力升至约60巴。反应混合物240。C加热，通过压力的降低来监控CO的消耗量。在约80%的转化率时，冷却反应混合物。开始第二次实验，加入另外的TMA，重新调节压力和再次加热所述混合物。第三次实验后，分析表明足够的TMA仍然存在可以进行第4次实验。下表的结果清楚地表明作为真正的催化体系的PdCl2和TMAI可以被回收并保持其良好的选择性。两种物质可以几乎等量使用。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求一种制备具有下式结构的仲酰胺的方法，其中，R1是芳基或者包含至少一个碳原子的和任意取代的直链或支链的脂肪碳链，R2和R3分别独立地是芳基或者包含至少一个碳原子的和任意取代的直链或支链的脂肪碳链，或者R2和R3形成含有酰胺氮的环，所述方法包括在含钯的催化剂和含卤素的助催化剂存在下，在反应混合物中用一氧化碳羰基化具有下式的叔胺的步骤F2009101497434C0000011.tif,F2009101497434C0000012.tif2.根据权利要求l的方法，其中所述的反应混合物包含少于5000ppm，优选少于3000卯m，更优选少于1500卯m和最优选少于750卯m的钯。3.根据权利要求1或2的方法，其中所述的含卤素的助催化剂包含具有式的卤化物，其中X是I、Br或Cl，式的卤化物优选R11。4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中含卤素的助催化剂是通过加入一种或多种选自式的卤化物、式R、N+X—的卤化物、式R、P+X—的卤化鎗盐、^、金属卤化盐和式^COX的酰基卤化物的化合物到反应混合物而引入反应混合物的，所述卤素是氯、溴或碘，优选碘。5.根据权利要求4的方法，其中含卤素的助催化剂是通过加入式的卤化物到反应混合物中而引入反应混合物的。6.根据权利要求1至5中任一项的方法，其中W、R2和R3独立地是包含1至23个碳原子的支链或直链的脂肪碳链，优选1至9个碳原子。7.根据权利要求6的方法，其中所述碳链是未取代的，W、R2和R3优选为甲基。8.根据权利要求6的方法，其中至少基团R1的碳链被芳基取代，尤其是被苯基取代，R1优选是苄基。9.根据权利要求1至5中任一项的方法，其中R1是包含1至23个碳原子的支链或直链的脂肪碳链，优选1至9个碳原子，并且R2和R3与酰胺氮原子一起形成含氮杂环，优选碳链是未取代的。10.根据权利要求1至5中任一项的方法，其中R1是含有1至23个碳原子的支链或直链的脂肪碳链，优选1至9个碳原子，并且R2和R3与氨基氮原子一起形成杂环，所述杂环包含至少一个另外的杂原子，优选是氮或氧，优选碳链是未取代的。11.根据权利要求1至10中任一项的方法，其中所述的催化剂含有Pd(II)，所述的钯优选以选自PdCl2、PdBr2、PdI2、Pd(OAc)2、PdS04、(NH4)2[PdCl6]、(NH4)2[PdClJ、Pd(acac)2和PdC204的无机盐的形式加入所述的反应混合物，，优选钯以PdCl2的形式加入所述反应混合物。12.根据权利要求1至11中任一项的方法，其中所述的催化剂包含Pd(O)，所述的钯优选以配合物的形式，尤其以Pd(PPh3)4加入到所述的反应混合物中，，和/或以沉积在优选选自碳、氧化铝、二氧化硅、沸石、粘土、多孔聚合物和混杂聚合物的载体上的金属的形式加入到所述的反应混合物中。13.根据权利要求1至12中任一项的方法，其中含卤素的助催化剂以相对于催化剂金属的大于0.l，优选大于1和更优选大于5的摩尔比存在于反应混合物中。14.根据权利要求1至13中任一项的方法，其中羰基化步骤在低于285t:，和优选在高于12(TC，更优选在高于18(TC的温度下进行。15.格努权利要求1至14中任一项的方法，其中羰基化步骤在高于20巴，优选在高于50巴的压力下进行。全文摘要本发明涉及一种高选择性制备仲酰胺的方法，所述方法通过在金属催化剂和含卤素的助催化剂的存在下，用一氧化碳在反应混合物中羰基化相应的叔胺。所述金属催化剂包含钯。钯比价格更高的铑具有相同或更佳的催化活性，尤其是使用低浓度的钯时。而且，具有很好的选择性。文档编号C07C233/05GK101735090SQ20091014974公开日2010年6月16日申请日期2009年4月16日优先权日2008年11月21日发明者B·塞尔斯,安德I·范登,K·蒙娜恩,M·C·J·提伦,M·斯拉斯拉,P·卢斯,P·雅各布斯申请人:塔明克公司