張 磊， 李建國， 李子健， 楊先貴， 胡 靜， 姚 潔， 王公應

(1． 中國科學院 成都有機化學研究所，四川 成都 610041； 2． 中國科學院大學，北京 100049)

六亞甲基-1，6-二氨基丁酯(4)是重要的化工中間體，其合成主要通過羰基化試劑與1，6-己二胺(1)反應制得。按所用羰基化試劑可分為四種方法：(1)氯代甲酸酯胺解法[1]；(2)胺氧化羰基化法[2]；(3)碳酸二甲酯胺解法[3]；(4)尿素醇解法[4]。方法(1)和方法(2)或原料成本太高，或收率太低，或催化劑價格昂貴，無工業(yè)應用價值。方法(3)以碳酸二甲酯(DMC)為羰基化試劑，副產(chǎn)物甲醇可回收再造DMC，實現(xiàn)了原料100%利用。方法(4)是以尿素為羰基化試劑，與1和丁醇一起反應制備。與方法(3)相比，方法(4)所用原料更廉價易得，且副產(chǎn)物可再加入到反應器中，提高原料的利用率。

尿素醇解法制備4主要分一步法[5]和兩步法[6]。兩步法制備4，產(chǎn)物選擇性高，但工藝繁瑣。而一步法雖然收率較高，但產(chǎn)物選擇性不高，單程收率較低。

本文以1，尿素(2)和正丁醇(3)為原料，二氧化鋯(ZrO2)為催化劑，采用一步法制備了4(Scheme 1),其結構經(jīng)GC-MS確證。并對反應條件進行了優(yōu)化，在最佳反應條件[1 8 g, ZrO290 mg,m(1) ∶m(2) ∶V(3)=1.00 ∶1.29 ∶18.75,于180 ℃反應1 h;于220 ℃反應3 h]下，轉化率100%，收率90%。

Scheme1

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

GSH0844-00型高壓釜，威?；C械有限公司；液相色譜儀[Waters 515 HPLC pump， waters 2487紫外檢測器，xTerra C-18， Ф4.6 mm×150 mm，粒徑18.5 μm色譜柱；流動相：V(甲醇) ∶V(水)=6 ∶4， 1 mL·min-1;紫外檢測波長210 nm]；GC6890/MSD5973型氣-質聯(lián)用儀(HP-5MS， 30 m×0.25 mm×0.25 μm)。

1～3，分析純,廣東省化學試劑工程技術研究中心；二氧化鋯和氯化鋅，分析純，成都市科龍化工試劑廠；二氧化硅，工業(yè)級；其余所用試劑均為分析純。

1．2 4的制備

圖1 合成反應裝置示意圖Figure 1 Synthesis reaction device1． 控制儀； 2． 反應器； 3． 攪拌器； 4． 冷凝管； 5． 氨氣吸收裝置； 6． 氮氣瓶； 7． 壓力表

在圖1的高壓釜中依次加入1 8 g, 2 10．3 g, 3 150 mL及二氧化鋯90 mg,攪拌下通氮氣排空三次。維持1.2 MPa～1.4 MPa的釜壓，于180 ℃反應1 h;于220 ℃反應3 h(開啟釜上的冷凝管出口閥門，排氨)。自然降至室溫，出料，離心分離得無色液體，用液相色譜分析計算1的轉化率和4的收率。4的GC-MSm/z： 316, 243, 215, 198, 186, 168, 156, 143, 130, 116, 98, 86, 74, 57, 43, 30。

2 結果與討論

2．1 反應條件優(yōu)化

(1) 催化劑

1 8 g,r[m(1) ∶m(2) ∶V(3)]=1.00 ∶1.29 ∶18.75,其余反應條件同1．2，考察催化劑對反應的影響，結果見表1。由表1可見，無論有無催化劑，1都能完全轉化，說明1與2的胺解反應容易進行。與不加催化劑相比，使用催化劑后，二脲明顯減少，4的選擇性增加。

表1 催化劑對反應的影響*Table 1 Effect of catalyst on reaction

*MgO was prepared from 300 ℃ calcination of Mg(OH)2， TiO2-SiO2was produced by sol-gel method， CaO was prepared from calcination of CaCO3；adiurea or polyurea；b1 8 g,r[m(1) ∶m(2) ∶V(3)]=1.00 ∶1.29 ∶18.75, at 220 ℃ for 5 h；cZrO2: at 170 ℃ for 5 h;dZrO2: at 220 ℃ for 5 h,r=1.00 ∶2.00 ∶18.75;eZrO2: at 220 ℃ for 5 h,r=1.00 ∶1.75 ∶18.75

從表1還可見，鋯基催化劑效果較好，其中ZrO2(No．4)為催化劑時，4的收率達87%，表明催化劑的加入有利于脲的醇解反應。

1與2的胺解反應在沒有催化劑的存在下能夠直接反應，而醇解反應需要在有催化劑的條件下才能進行。該反應在未加催化劑條件下依然有50%以上的收率，可能是1具有一定堿性，具有催化作用，使醇解反應進行。但隨著1濃度的降低，催化作用減弱，最終收率54%。當加入催化劑后，醇解反應能夠繼續(xù)進行，得到較高收率的4。

不同類型的催化劑對反應的作用機理不同。在酸催化作用下，2中的羰基氧與酸的配位，通過電子傳遞效應，生成碳正離子，其親電性能增強；而在堿催化劑作用下，醇羥基中的氧被活化，其親核性能增強，從而提高醇與羰基碳的反應速度[7]。因此，提高酸和堿的強度，有利于催化活性的提高。而作為催化效果最好的ZrO2，其酸堿強度都較弱。單比酸強度：Fe(NO3)3>Zn(AcO)2>ZrO2；單比堿強度[8]：CaO>MgO>ZrO2。其高催化活性可能是因為ZrO2屬于酸堿兩性氧化物。徐柏慶等[9]在ZrO2的CO2和NH3共吸附實驗中發(fā)現(xiàn)吸附CO2后NH3的吸附量反而增加，而先吸附NH3后CO2的吸附量也增加。IR結果表明ZrO2表面存在相鄰的Zr4+-O2-路易斯酸堿對中心，他們通過表面鍵誘導極化而令酸-堿相互作用加強；苯酚的吸附實驗證實苯酚在ZrO2表面發(fā)生解離吸附(O-H斷裂)，形成表面羥基和苯酚鹽，酚羥基中的氫被活化。所以ZrO2在一定條件下有酸堿雙功能催化的效果。因此推測其具有高活性的原因可能是它能同時作用于脲的羰基碳和醇的羥基，在反應過程中起了協(xié)同催化的作用。

綜上所述，在1 8 g,r=1.00 ∶1.29 ∶18.75, 于220 ℃反應5 h的反應條件下，ZrO2具有最佳的催化效果。

(2) 催化劑用量

以ZrO2為催化劑，1 8 g,r=1.00 ∶1.29 ∶18.75,于220 ℃反應5 h，其余反應條件同2.1(1),考察其用量對反應的影響，結果見圖2。由圖2可見，ZrO2用量為40 mg時收率從未用催化劑時的56%增至76%;用量從40 mg增至90 mg時，收率從75%增至約90%;再增加用量，收率變化不大。ZrO2最佳用量為90 mg。

ZrO2/mg圖2 催化劑用量對反應的影響*Figure 2 Effect of catalyst amount on reaction*1 8 g, r=1.00 ∶1.29 ∶18.75, 于220 ℃反應5 h，其余反應條件同2.1(1)

Temperature/℃圖3 反應溫度對反應的影響*Figure 3 Effect of reaction temperature on reaction*ZrO2 90 mg,其余同圖1

(3) 反應溫度

升溫階段有大量氨氣產(chǎn)生，溫度增至120 ℃后壓力迅速增大，待溫度升至設定值后，壓力逐漸趨于平穩(wěn)。但由于反應過程中需要排出氨氣，所以壓力是在一定范圍內波動。本實驗中釜內壓力維持在1.2 MPa～1.4 MPa。

以ZrO2(90 mg)為催化劑，其余反應條件同2.1(2),考察反應溫度對反應的影響，結果見圖3(由于升溫過程中反應也會進行，故圖3中反應時間包含升溫階段的時間)。由圖3可見，如果直接加熱到反應溫度，隨著反應溫度增加，收率逐漸增大，到220 ℃時收率最大，再升高溫度收率反而有所下降；而二脲的收率卻是隨溫度的升高一直減小，直到溫度為240 ℃時二脲完全轉化?？梢姡谳^低溫度下氨解反應容易進行，而脲發(fā)生醇解反應需要在較高的溫度才能進行，所以溫度升高，二脲逐漸減少；溫度高于220 ℃后由于副反應如尿素醇解生成氨基甲酸酯、碳酸二丁酯等反應增加，導致收率下降。同時溫度高于230 ℃后4也容易分解。

考慮到反應實際分兩步進行，而兩步法分離粗品二脲過于繁瑣，本文采用一種分段反應法，即先在較低溫度下反應一段時間，產(chǎn)物不經(jīng)分離直接再迅速升溫至220 ℃反應。為此考察了低溫段反應溫度對反應的影響，結果見圖4(圖4中低溫段反應時間為1 h，升溫至220 ℃后再反應3 h)。

Temperature/℃圖4 低溫段反應溫度對反應的影響*Figure 4 Effect of reaction temperature in low temperature stage on reaction*ZrO2 90 mg,其余同圖1

Time/h圖5 反應時間對反應的影響*Figure 5 Effect of reaction time on reaction*ZrO2 90 mg,其余同圖1

從圖4可以看出，當?shù)蜏囟螠囟葹?80 ℃時，收率能達90%，與直接加熱至220 ℃結果基本一致，但反應所需總時間比圖3中直接加熱至220 ℃少1 h。出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于低溫段主要發(fā)生1與2的脫氨反應，高溫段則主要是2與3反應生成4；而直接升溫至220 ℃時2會與3反應生成副產(chǎn)物，而且在高溫下2本身也容易分解，所以導致一步法收率稍低，且時間較長。

(4) 反應時間

由于低溫段形成二脲的過程較快，1 h后1已完全轉化，所以主要考察高溫段反應時間對反應的影響。ZrO290 mg，于180 ℃反應1 h后于220 ℃反應3 h,其余反應條件同2.1(2),考察反應時間對反應的影響，結果見圖5。從圖5中可以看出，隨著反應時間的增加，收率逐漸升高，反應時間為3 h時收率達到最高(90%)；超過3 h后收率反而有所下降，而二脲的收率卻是一直下降的。出現(xiàn)這種情況的原因可能是二脲在高溫下并未完全發(fā)生第二步的醇解反應生成4， 而4在高溫下會發(fā)生分解所致。

[1] 宣美福. 六亞甲基二異氰酸酯的技術進展[J].黎明化工，1993,3:28-30.

[2] Shi Feng, Deng Youquan. A novel PdCl2/ZrO2-SiO2catalyst for synthesis of carbamates by oxidative carbonylation of amines[J].Journal of Catalysis,2001,(203):525-528.

[3] 魏冬，王越，江靜，等. 1,6-六亞甲基二氨基甲酸酯合成研究進展[J].工業(yè)催化，2008,16(4):13-18.

[4] Franz Merger. Multiple-step process for the preparation of hexamethylene diisocyanate-1,6 and/or isomeric aliphatic diisocyanates with six carbon atoms in the alkylene residue[P]．US 4 596 678，1986.

[5] 張名凱，鄧劍如，鄧海軍，等． 以尿素為羰化劑合成六亞甲基二氨基甲酸酯的工藝研究[J].化工進展，2005,24(20):1151-1154.

[6] 德國德古薩公司. 連續(xù)制備脂環(huán)族二異氰酸酯的多階段方法[P]．CN 101 230 019A，2007.

[7] Hui Wang, Mouhua Wang, Wenbo Zhao,etal. Reaction of zinc oxide with urea and its role in urea methanolysis[J].Reac Kinet Mech Cat,2010,(99):381-389.

[8] 田部浩三等. 新固體酸和堿及其催化作用[M].北京:化學工業(yè)出版社，1989.

[9] 徐柏慶，山口力，梁娟，等. ZrO2酸堿性質的TPD表征．Ⅱ.NH3和CO2共吸附研究[J].物理化學學報，1994,10(2):114-120.