本发明涉及一种选择性制备n-单甲基胺类化合物的方法，具体来讲是通过使用复合金属氧化物催化剂催化还原胺化制备n-单甲基胺类化合物的方法。
背景技术：
n-单甲基胺类化合物是一类非常有用的化工中间体，广泛应用于制备染料、合成树脂、医药和农药等。例如，n-甲基苯胺可以用于生产新型的农药和杀虫剂如噻嗪酮、甲基杀草隆、苯胺酰草隆、阔叶宁等；可以用于生产橡胶助剂甲基苯基二硫代氨基甲酸锌、二硫代二甲基二苯基秋兰姆等。众所周知胺类化合物可以以较低的成本大规模生产，而且胺类化合物的现代工业化生产技术已经建立。但是，在n-甲基胺的合成中面临着一个非常重要的挑战是：如何实现选择性的n-单甲基化反应。这是因为产物n-单甲基胺的活性要高于底物并且甲基的位阻较小，这些因素导致很难控制胺的n-单甲基化反应的选择性。近年来，文献报道使用特殊的甲基化试剂如：磷酸二甲酯或者三氟甲烷磺酸甲酯可以实现胺的n-单甲基化反应(rscadv.,2013,3,8649;chem.commun.,2014,50,1836)。然而这些试剂在使用过程会产生大量的废物造成环境污染，并且原子利用率较低。除此之外，甲醇，二氧化碳和碳酸二甲酯也被用作绿色甲基化试剂合成n-单甲基胺类化合物。如，专利cn101260045(a)报道了胺与碳酸二甲酯在碱性条件下反应选择性合成n-单甲基胺类化合物；uspatent13729664报道了以二氧化碳/氢气为甲基化剂合成n-单甲基化和n-双甲基化胺类化合物。然而，这些报道中常常需要高温高压等条件或者催化剂比较昂贵、催化体系比较复杂。胺的底物范围比较窄，特别对于脂肪族伯胺的n-单甲基化反应收率偏低。
虽然胺与甲醛的eschweiler−clarke反应是工业上比较常用的合成n-甲基胺的方法，但是也难以控制产物的选择性，经常生成n-单甲基胺和n,n-二甲基胺的混合物。到目前为止，仅有两例报道以甲醛作为甲基化试剂选择性合成n-单甲基胺并且产率都不高。2007年，rhee小组报道了以5%pd/c为催化剂，以甲酸铵作为还原剂，实现了苯胺的单甲基化反应，但是产率仅为45%(j.org.chem.,2007,72,9815)。最近一种以5%pd/c为催化剂，以cah2为还原剂，胺与多聚甲醛的反应合成n-单甲基胺类化合物的方法被报道（tetrahedronlett.,2016,57,3002）。但是这两例报道中使用的pd/c催化剂比较昂贵，并使用当量甲酸铵或者cah2作为还原剂，难以实现大规模的工业应用。相比之下，h2是一种非常廉价，清洁的还原剂。因此，以工业化应用为目的，对开发高效的基于h2为还原剂的非贵金属催化体系实现胺与甲醛选择性合成n-单甲基胺类化合物的制备方法有强烈需求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种选择性制备n-单甲基胺类化合物的方法。
本发明在较为温和的条件下通过使用复合金属氧化物催化剂催化还原胺与甲醛和h2合成相应的n-单甲基胺类化合物。
一种选择性制备n-单甲基胺类化合物的方法，其特征在于该方法以胺类化合物和甲醛及h2作为反应原料，在复合催化剂存在下，在反应介质中，在30-180℃反应2-48小时即得n-单甲基胺类化合物，所述复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物或者由选自以下金属中的至少一种的氧化物和至少另一种金属单质组成：铝、铜、镍、钴和铁。
所述复合催化剂中铝、铜、镍、钴或铁之间的摩尔比为1:10-10:1。
所述胺类化合物选自：
所述胺类化合物与甲醛的摩尔比为3:1~1:3。
所述h2的压力为0.1~5mpa。
所述复合催化剂与胺类化合物的质量比为0.01:1~1.0:1。
所述反应介质选自甲苯、二氧六环、四氢呋喃、乙腈和石油醚中的至少一种。
所述复合催化剂通过以下方法制备得到：向选自铝、铜、镍、钴和铁中的至少两种金属的可溶性盐的水溶液中，加入作为共沉淀剂的选自碱金属碳酸盐、碱金属氢氧化物、氨水或尿素水溶液中的至少一种进行共沉淀以得到共沉淀物，然后将共沉淀物进行洗涤、干燥、焙烧以及还原，从而获得所述复合催化剂。
所述共沉淀在室温到100℃进行1-5小时；所述干燥的温度为50-180℃并且时间为1-5小时；所述焙烧的温度为200-800℃并且时间为5-15小时；所述还原的温度为200-800℃并且时间为1-5小时。
所述可溶性盐是所述金属的硝酸盐，所述共沉淀剂选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠、氨和尿素水溶液中的至少一种。
所述复合催化剂由选自三氧化二铝、氧化铜、氧化亚铜、铜、三氧化二钴、四氧化三钴、氧化亚钴、三氧化二铁、镍、氧化镍中的至少两种氧化物、或其中的至少一种氧化物和至少一种金属单质组成。
相比于现有技术，本发明制备n-单甲基胺类化合物的方法中n-单甲基胺的转化率和选择性较高；本发明方法采用h2为还原剂，清洁、廉价且环境友好；本发明方法所使用的催化剂廉价，制备简单，催化效率高；本发明方法的制备反应条件温和，催化剂无腐蚀性且易于分离和重复使用。
具体实施方式
复合催化剂的制备
实施例1
称取三水硝酸铜4.36g(18mmol)和九水硝酸铝6.75g(18mmol)，加入到60ml去离子水中，在250ml圆底烧瓶80℃条件下磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加0.9摩尔/升的na2co3水溶液（作为共沉淀剂）75ml，然后80℃条件下搅拌5h。使用离心机（上海安亭科学仪器厂）以8000转/分钟离心1分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥5小时，马弗炉400℃焙烧4小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至450℃，在450℃下还原2h，获得黑色粉末的催化剂cualox复合物，记为催化剂a。
实施例2
称取三水硝酸铜4.36g(18mmol)和六水硝酸镍5.24g(18mmol)，加入到60ml去离子水中，在250ml圆底烧瓶80℃条件下磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加0.9摩尔/升的na2co3水溶液（作为共沉淀剂）60ml，然后80℃条件下搅拌5h。使用离心机（上海安亭科学仪器厂）以8000转/分钟离心1分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥5小时，马弗炉400℃焙烧4小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至450℃，在450℃下还原2h，获得黑色粉末的催化剂cuniox复合物，记为催化剂b。
实施例3
称取六水硝酸镍5.24g(18mmol)和九水硝酸铝6.75g(18mmol)加入到60ml水中,在250ml圆底烧瓶80℃条件下磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加0.9摩尔/升的na2co3水溶液（作为共沉淀剂）75ml，然后80℃条件下搅拌5h。使用离心机（上海安亭科学仪器厂）以8000转/分钟离心1分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥5小时，马弗炉400℃焙烧4h，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至450℃，在450℃下还原2h，获得黑色粉末的催化剂nialox复合物，记为催化剂c。
实施例4
称取三水硝酸铜4.36g(18mmol),六水硝酸镍5.24g(18mmol)和九水硝酸铝6.75g(18mmol)，加入到60ml去离子水中，在250ml圆底烧瓶80℃条件下磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加0.9摩尔/升的na2co3水溶液（作为共沉淀剂）105ml，然后80℃条件下搅拌5h。使用离心机（上海安亭科学仪器厂）以8000转/分钟离心1分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥5小时，马弗炉400℃焙烧4小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至450℃，在450℃下还原2h，获得黑色粉末的催化剂cunialox复合物，记为催化剂d。
实施例5
称取三水硝酸铜4.36g(18mmol),九水硝酸铁7.27g(18mmol)和九水硝酸铝6.75g(18mmol)，加入到60ml去离子水中，在250ml圆底烧瓶80℃条件下磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下滴加0.9摩尔/升的na2co3水溶液（作为共沉淀剂）120ml，然后80℃条件下搅拌5h。使用离心机（上海安亭科学仪器厂）以8000转/分钟离心1分钟，分离得到共沉淀物，用去离子水洗涤至中性，烘箱100℃干燥5小时，马弗炉400℃焙烧4小时，使用程序升温还原炉，氢气气氛下，10℃/分钟升温至450℃，在450℃下还原2h，获得黑色粉末的催化剂cufealox复合物，记为催化剂e。
实施例6
操作同实施例1，只是以0.9摩尔/升的碳酸钾水溶液75ml代替碳酸钠水溶液，得到催化剂cualox，记为催化剂f。
实施例7
操作同实施例1，只是以25wt%浓氨水75ml代替碳酸钠水溶液，得到催化剂cualox，记为催化剂g。
实施例8
操作同实施例1，只是以2摩尔/升的尿素水溶液75ml代替碳酸钠水溶液，得到催化剂cualox，记为催化剂h。
实施例9
操作同实施例1，只是以2摩尔/升的氢氧化钠75ml代替碳酸钠水溶液，得到催化剂cualox，记为催化剂i。
实施例10
称取实施例1中制备的催化剂a50mg，93mg（1mmol）苯胺，36mg(1.2mmol)多聚甲醛和3ml四氢呋喃，分别依次加入到100ml带有磁力搅拌的反应釜中。密封后用h2气置换体系中空气3次，然后充入0.5mpah2。升温到120℃并保持9小时。停止反应并冷却到室温，使用离心机（上海安亭科学仪器厂）以8000转/分钟离心5分钟，分离以从反应混合液中回收得到催化剂。使用agilent7890a（30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱，氢火焰离子检测器）气相色谱仪对反应混合物进行定量分析。其他的副产物用agilent6890/5973气相色谱-质谱联用仪（配备nistmassspectraldatabase化学工作站，30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱）进行定性分析。反应产物为n-甲基苯胺，其收率结果见下表1。
实施例11-18
操作同实施例10，只是以催化剂b、c、d、e、f、g、h和i分别代替催化剂a，得到的结果见下表1。
实施例19-22
操作同实施例10，只是以甲苯、二氧六环、乙腈和石油醚（60-90oc）分别代替四氢呋喃，得到的结果见下表1。
表1
催化剂的重复利用
实施例23
将实施例10中的催化剂a离心、洗涤、干燥后，与93mg（1mmol）苯胺，36mg(1.2mmol)多聚甲醛和3ml四氢呋喃共同加入到加入到100ml带有磁力搅拌的反应釜中。密封后用h2气置换体系中空气3次，然后充入0.5mpah2。升温到120℃并保持9小时。停止反应并冷却到室温，使用离心机（上海安亭科学仪器厂）以8000转/分钟离心5分钟，分离以从反应混合液中回收得到催化剂。催化剂的分离和重复使用研究重复进行四次，即分别进行二次、三次、四次和五次使用性能研究。反应使用agilent7890a（30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱，氢火焰离子检测器）气相色谱仪对反应混合物进行定量分析。其他的副产物用agilent6890/5973气相色谱-质谱联用仪（配备nistmassspectraldatabase化学工作站，30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱）进行定性分析。n-甲基苯胺的收率分别为89%，88%，88%和87%。
从以上结果可以看出，本发明制备的复合催化剂可以重复利用，并且在重复使用中，其仍具有与最初使用时相当的催化活性。
不同反应原料的使用
实施例24-45
操作同实施例10，100ml带有磁力搅拌的反应釜中，使用催化剂a20mg，反应介质为四氢呋喃3ml，分别加入反应原料胺1mmol，多聚甲醛1.2mmol，密封后用h2气置换体系中空气3次，然后充入0.5mpah2。然后升温到120-140℃后保持9小时。反应温度、时间以及目标产物分别显示在下表2中。停止反应并冷却到室温后，使用hp6890/5973gc-ms气相质谱仪和agilent7890a（30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱，氢火焰离子检测器）对反应混合物进行定量分析，并通过常规的分离和纯化手段获得目标产物，目标产物的收率见下表2-1和表2-2。
表2-1
表2-2
表2-1和表2-2中的结果表明，通过本发明的方法，使用不同的伯胺化合物作为反应原料与多聚甲醛和h2在所制备的复合催化剂存在下，在反应介质中经过反应都能够制得相应的目标产物n-单甲基胺类化合物，其收率甚至高达89%。
实施例46-62
操作同实施例10，100ml带有磁力搅拌的反应釜中，使用催化剂a20mg，反应介质为四氢呋喃3ml，分别加入反应原料胺1mmol，多聚甲醛1.5mmol，密封后用h2气置换体系中空气3次，然后充入0.5mpah2。然后升温到120-140℃后保持9小时。反应温度、时间以及目标产物分别显示在下表3中。停止反应并冷却到室温后，使用hp6890/5973gc-ms气相质谱仪和agilent7890a（30m×0.25mm×0.33μm毛细管柱，氢火焰离子检测器）对反应混合物进行定量分析，并通过常规的分离和纯化手段获得目标产物，目标产物的收率见下表3-1和表3-2。
表3-1
表3-2
表3-1和表3-2中的结果表明，通过本发明的方法，使用不同的仲胺化合物作为反应原料与多聚甲醛和h2在所制备的复合催化剂存在下，在反应介质中经过反应都能够制得相应的目标产物n-单甲基胺类化合物，其收率甚至高达99%。
此外，本发明使用上述制备的其他催化剂b、c、d、e、f、g、h和i也分别在不同胺化合物反应原料、温度、压力和时间下进行反应，同样也获得了相应的目标产物n-单甲基胺类化合物，其得到的结果（未列出）与上述催化剂a类似。
本发明采用甲醛和h2作为甲基化剂，可以选不同的胺化合物作为底物，简单方便地制备目标产物n-单甲基胺类化合物，整个过程经济、廉价且环境友好；所使用的还原剂h2清洁、经济；所使用的催化剂可简单且廉价地制得，并具有高催化活性；反应条件较为温和，催化剂无腐蚀性且易于分离并能够重复使用，具有工业化生产的广阔前景。
应当指出，对于使用本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，能够实现对这些实施例的多种修改，而这些修改也应视为在本发明的保护范围内。