本发明涉及一种制备n-甲酰化胺类化合物的方法。具体是1,3-二羟基丙酮为羰基源，经过c-c键选择性断裂并与胺化合物反应实现胺化而制备n-甲酰化胺类化合物的方法。
背景技术：
n-甲酰化胺类化合物在化学化工和药物生产领域具有广泛的用途。例如甲酰胺可以用作有机合成原料，纸张处理剂，纤维工业的柔软剂，动物胶的软化剂，还可以用作测定大米中氨基酸含量的分析试剂；同时甲酰胺也是优良的有机溶剂，可以用于分离氯硅烷、提纯油脂等；此外，甲酰胺具有活泼的反应性，可以发生多种反应，除了三个氢参与反应外，还可以进行脱水、脱co，引入氨基、酰基和发生关环等反应。以关环反应为例，甲酰胺与丙二酸二乙酯环合可以得到维生素b4的中间体4,6-二羟基嘧啶；与邻氨基苯甲酸环合可以得到抗心律失常药常咯啉的中间体喹唑酮-4。众所周知，胺与甲酰化试剂反应是合成n-甲酰化胺类化合物的主要方法。常见的甲酰化试剂有三氯乙醛、甲酸酯、甲酸铵和甲酸等。由于多数甲酰化试剂具有试剂昂贵、副产物多等缺点，目前为止，甲酸是应用广泛的甲酰化试剂。但是由于甲酸对仪器设备具有很强的腐蚀性，且反应过程中需要大量溶剂，反应时间较长，因此人们致力于发展更为清洁的反应路线。
甘油是生物柴油的主要副产物，随着生物柴油产业的不断发展，如何更为高效、清洁的利用生物柴油副产物甘油现在已经成为一个重要的研究领域。以工业化应用为目的，对开发以甘油为原料的高附加值化合物的制备方法具有强烈需求。而通过微生物活性酶和直接催化氧化，将廉价易得的甘油转化为高附加值的1,3-二羟基丙酮是甘油转化利用中的一条重要途径。作为一种重要的化工生产原料，1,3-二羟基丙酮在精细化工、食品、制药和化妆品行业有着广泛的应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种制备n-甲酰化胺类化合物的方法。
本发明所述方法在较为温和的条件下，以胺类化合物和1,3-二羟基丙酮为原料，通过使用复合催化剂催化而合成n-甲酰化胺类化合物。
一种制备n-甲酰化胺类化合物的方法，其特征在于以胺类化合物和1,3-二羟基丙酮作为反应原料，在复合催化剂和氧化剂存在下，在反应介质中，在0-100℃的反应温度下反应2-48小时，从而获得所述n-甲酰化胺类化合物；所述复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物组成、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、或者由选自以下金属中的至少一种金属单质和活性炭组成：铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡；所述氧化剂为通式为r-o-o-r’的过氧化物，其中r和r’独立地选自h、c1〜c5的烷基或金属离子。
所述胺类化合物选自：
所述胺类化合物与1,3-二羟基丙酮的摩尔比为1:1~10:1。
所述复合催化剂、氧化剂与胺类化合物的质量比为1:5:5~1:50:50。
所述复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物组成、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、或者由选自以下金属中的至少一种金属单质和活性炭组成：铝、锌、银、铜、钯、铂、铑、钴、铁、钌、锰、锆和铈。
所述反应介质为水、甲苯、二甲苯、三甲苯、二氧六环、四氢呋喃、乙腈、正辛烷和氯仿中的至少一种。
所述复合催化剂的制备方法为：向选自铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡中的至少一种金属的可溶性盐的丙酮溶液中加入选自铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡中的至少一种氧化物或者选自大孔活性炭、过渡孔活性炭和微孔活性炭中的至少一种活性炭作为载体经过简单的处理以得到固体负载物；将所述固体负载物进行焙烧从而获得所述复合催化剂。
所述固体负载物在室温到100℃下进行2-48小时；所述焙烧的温度为200-1000℃并且时间为2-10小时。
所述可溶性盐是所述金属的硝酸盐或氯化物，并且所述载体是选自铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡氧化物中的至少一种氧化物或者选自大孔活性炭、过渡孔活性炭和微孔活性炭中的至少一种。
所获得的复合催化剂由选自三氧化二铝、氧化锌、银、氧化铜、氧化亚铜、铜、钯、铂、铑、钌、钴、三氧化二钴、四氧化三钴、氧化亚钴、三氧化二铁、二氧化锆、二氧化铈和三氧化二铈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或至少一种金属单质和活性炭组成。
相比于现有技术，本发明制备n-甲酰化胺类化合物的方法采用1,3-二羟基丙酮为羰基源，经济、廉价且环境友好；本发明方法所使用的催化剂制备简单，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
在本发明提供的制备n-甲酰化胺类化合物的方法中，所述方法以胺化合物和1,3-二羟基丙酮作为反应原料，在复合催化剂和氧化剂的存在下，在反应介质中，在0-100℃的反应温度下，在反应器中催化反应2-48小时，从而获得所述n-甲酰化胺类化合物。
在本发明中，术语“n-甲酰化胺类化合物”是指n-甲酰化仲胺或n-甲酰化-n,n-二取代叔胺。
在本发明中，术语“复合催化剂”是指由两种以上金属氧化物、或者至少一种金属氧化物和至少另一种金属单质复合而成的催化剂、或者至少一种金属单质和活性炭复合而成的催化剂。优选地，所使用的复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物组成、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、或者由选自以下金属中的至少一种金属单质和活性炭组成：铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡。尤其优选的复合催化剂由选自以下金属中的至少两种的氧化物组成、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、或者由选自以下金属中的至少一种金属单质和活性炭组成：铝、锌、银、铜、钯、铂、铑、钴、铁、钌、锰、锆和铈。
在本发明中，所使用的复合催化剂优选通过以下方法制备：向选自铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡中的至少一种金属的可溶性盐的丙酮溶液中，加入选自铝、铋、锌、锡、金、银、铜、镍、钯、铂、铱、铑、钴、铁、钌、锇、锰、铼、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镧、钇、铈、镁、钙和钡中的至少一种氧化物或者选自大孔活性炭、过渡孔活性炭和微孔活性炭中的至少一种活性炭作为载体经过简单的处理以得到固体负载物；将所述固体负载物进行焙烧，从而获得所述复合催化剂。
例如，在一个具体实施方式中，制备复合催化剂的方法包括以下的步骤：将选自硝酸铝、硝酸锌、硝酸银、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铁、氯钯酸、氯钯酸钾、氯铂酸、氯化铑、氯化钌、氯化锆、氯化铜、硝酸锆、硝酸铈、硝酸铈铵和氯化铈中的任意一种或两种的水溶液，加入作为载体的三氧化二铝、氧化镁、氧化锌、氧化锆、三氧化二铁、三氧化二镍、氧化铜、氧化钴或者活性炭进行浸渍和简单的处理，然后将所获得的固体负载物经过焙烧而获得所述复合催化剂。
优选地，所述浸渍在室温下进行2-48小时；所述焙烧的温度为200-800℃并且时间为2-12小时。
优选地，通过上述方法所得到的复合催化剂：由选自三氧化二铝、氧化锌、银、氧化铜、氧化亚铜、铜、钯、铂、铑、钌、钴、三氧化二钴、四氧化三钴、氧化亚钴、三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锆、二氧化铈和三氧化二铈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、或至少一种金属单质和活性炭组成。
在本发明中，优选地，作为羰基源的1,3-二羟基丙酮与所述反应原料胺化合物的摩尔比为1:1~1:10。在本发明中使用的1,3-二羟基丙酮和胺可由市场直接购买获得。
在本发明中，优选地，作为反应原料的所述胺化合物是具有以下结构的胺：
在本发明中，使用的反应介质优选为水、甲苯、二甲苯、三甲苯、二氧六环、四氢呋喃、乙腈、正辛烷和氯仿中的至少一种。
在本发明中，所使用的反应容器可以为本领域已知的可以密封以在其内保持一定压力的容器，例如化学反应中常用的压力管，其通常配备有升温或冷却装置，例如本领域常用的水浴、油浴或冰浴等，以及通气或排空配套设施，例如气瓶和压力计等，这些对于本领域技术人员都是已知的。
复合催化剂的制备
实施例1
称取商购的二水氯化铜2.2mg(0.013mmol)加入到4ml丙酮中，在50ml圆底烧瓶室温条件下磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下加如400mgγ-al2o3作为载体，然后室温条件下继续搅拌24h得到固体粉末。马弗炉450℃焙烧4小时，获得作为灰色粉末的催化剂，通过xrd、xps、tem和exafs分析（图谱未显示），表明该催化剂为cu/al2o3复合物，记为催化剂a。
实施例2
称取商购的三水硝酸铜3.1mg(0.013mmol)加入到4ml丙酮中，在50ml圆底烧瓶室温条件下磁力搅拌。溶解完全后，在搅拌下加如400mgγ-al2o3作为载体，然后室温条件下继续搅拌24h得到固体粉末。马弗炉450℃焙烧4小时，获得作为灰色粉末的催化剂，通过xrd、xps、tem和exafs分析（图谱未显示），表明该催化剂为cu/al2o3复合物，记为催化剂b。
实施例3
操作同实施例1，只是以400mgfe2o3代替γ-al2o3，得到催化剂cu/fe2o3，记为催化剂c。
实施例4
操作同实施例1，只是以400mgco2o3代替γ-al2o3，得到催化剂cu/co2o3，记为催化剂d。
实施例5
操作同实施例1，只是以400mgnio代替γ-al2o3，得到催化剂cu/ni2o3，记为催化剂e。
实施例6
操作同实施例1，只是以400mgzno代替γ-al2o3，得到催化剂cu/zno，记为催化剂f。
实施例7
操作同实施例1，只是以400mgmgo代替γ-al2o3，得到催化剂cu/mgo，记为催化剂g。
实施例8
操作同实施例1，只是以400mg活性炭代替γ-al2o3，得到催化剂cu/c，记为催化剂h。
实施例9
操作同实施例1，只是以0.013mmol硝酸锌代替氯化铜，得到催化剂zn/al2o3，记为催化剂i。
实施例10
操作同实施例1，只是以0.014mmol硝酸铁代替氯化铜，得到催化剂记为fe/al2o3，记为催化剂j。
实施例11
操作同实施例1，只是以0.006mmol硝酸铈代替硝酸铜，得到催化剂ce/zro2，记为催化剂k。
实施例12
操作同实施例1，只是以0.008mmol六氯钯(iv)酸钾水溶液代替硝酸铜，得到催化剂pd/al2o3，记为催化剂l。
实施例13
操作同实施例1，只是以0.008mmol三氯化钌水溶液代替硝酸铜，得到催化剂ru/al2o3，记为催化剂m。
n-甲酰化胺类化合物的制备
实施例14
称取实施例1中制备的催化剂a25mg，加入到38ml带有磁力搅拌的反应管中，然后加入465mg（5mmol）苯胺，90mg(1mmol)1,3-二羟基丙酮，0.5ml（6mmol）35%过氧化氢和5ml氯仿。之后，使用电加热炉加热升温到50℃并保持12小时。然后将反应管通过水冷冷却到室温，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催化剂a。以n-甲酰化苯胺标准产品作为对比，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）进行定性定量分析，通过本领域熟知的方法例如工业精馏工艺获得目标产物n-甲酰化苯胺，其收率结果见下表1。
实施例15-26
操作同实施例14，只是以催化剂b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l和m分别代替催化剂a，得到的结果见下表1。
实施例27-34
操作同实施例14，只是以水、甲苯、二甲苯、三甲苯、二氧六环、四氢呋喃、乙腈和正辛烷分别代替氯仿，得到的结果见下表1。
表1
表1中的结果表明，本发明通过使用胺化合物作为反应原料，以1,3-二羟基丙酮作为羰化试剂，过氧化氢作为氧化剂，在所制备的复合催化剂存在下，在反应介质中发生反应，制得了作为目标产物的n-甲酰化胺类化合物，其收率高达90%以上。而且，本发明所制备的所有复合催化剂在上述反应中均具有较高的催化活性。此外，表1中的结果还表明，本发明的反应在不同反应介质中均可实现。
催化剂的重复利用
实施例35
将实施例14中回收的催化剂a进行使用离心机（上海安亭科学仪器厂）以8000转/分钟离心5分钟后分离，用氯仿在室温下洗涤并离心分离，重复3遍。使用由此回收获得的催化剂a再次重复实施例14的过程。以n-甲酰化苯胺标准产品作为对比，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）进行定性定量分析，获得的n-甲酰化苯胺的收率为90%。
此外，操作同上，对上述再次使用后的催化剂a进行回收处理后，使用该再次回收的催化剂a又一次重复实施例14的过程。以n-甲酰化苯胺标准产品作为对比，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）进行定性定量分析，获得的n-甲酰化苯胺的收率为85%。
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。
此外，对上述制备的其他催化剂b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l和m也进行了重复使用的考察，得到的结果与催化剂a类似，即这些催化剂在多次重复使用时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36-73
操作同实施例14，在38ml带有磁力搅拌的反应管中，使用催化剂a25mg，反应介质为水2-5ml，分别加入反应原料胺5mmol，1,3-二羟基丙酮1mmol，35%过氧化氢6mmol，然后于25-50oc进行反应。反应时间、温度以及目标产物分别显示在下表2-4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例如精馏获得目标产物，目标产物的收率见下表2-4。
表2
表3
表4
表2-4中的结果表明，通过本发明的方法，使用不同的胺化合物作为反应原料，以1,3-二羟基丙酮作为羰化化剂，在所制备的复合催化剂和氧化剂存在下，在反应介质中经过反应都能够制得相应的目标产物n-甲酰化胺类化合物，其收率甚至高达99%以上。
此外，本发明使用上述制备的其他催化剂b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l和m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-甲酰化胺类化合物，其得到的结果（未列出）与上述催化剂a类似。
本发明采用1,3-二羟基丙酮作为甲酰化源，可以以不同的胺化合物作为底物，简单方便地制备目标产物n-甲酰化胺类化合物，整个过程经济、廉价且环境友好；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。