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2,6-二甲基-1-氨基茚满的连续流合成工艺

刘雨潇 ,  吕新宇 ,  徐睿 ,  邱滔

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (10) : 154 -158.

PDF (4795KB)
现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (10) : 154-158. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.10.026
科研与开发

2,6-二甲基-1-氨基茚满的连续流合成工艺

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Continuous flow synthesis process of 2,6-dimethyl-1-aminoindane

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摘要

采用喷涂法制备了镍丝网负载型镍铝催化剂,通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了表征。在连续流反应器中催化1-茚酮-2,6-二甲基肟合成2,6-二甲基-1-氨基茚满。考察了反应温度、质量空速(WHSV)和氢气压力对加氢反应的影响。实验结果表明:与间歇釜式反应器相比,连续流反应器明显提高了产物选择性,在反应温度为70℃,氢气压力为1.5 MPa,WHSV为0.5 h-1的条件下,1-茚酮-2,6-二甲基肟的转化率达到99.8%,2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性达到99.6%。

Abstract

A nickel-aluminum catalyst supported on nickel mesh was prepared by the spray coating method,and the catalyst was characterized by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).The catalytic synthesis of 2,6-dimethyl-1-aminoindane from 2,6-dimethyl-1-indanone oxime was conducted in a continuous flow reactor.The effects of reaction temperature,weight hourly space velocity (WHSV);and hydrogen pressure on the hydrogenation reaction were investigated.The experimental results showed that the use of a continuous flow reactor significantly improved the product selectivity.Under the optimal reaction conditions of temperature 70℃,hydrogen pressure 1.5 MPa and WHSV 0.5 h-1,the conversion rate of 2,6-dimethyl-1-indanone oxime reached 99.8%,and the selectivity to 2,6-dimethyl-1-aminoindane was as high as 99.6%.

Graphical abstract

关键词

连续流 / 镍网催化剂 / 加氢反应 / 肟 / 氨基茚满

Key words

continuous flow / nickel mesh catalyst / hydrogenation reaction / oxime / 2,6-dimethyl-1-aminoindane

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刘雨潇,吕新宇,徐睿,邱滔. 2,6-二甲基-1-氨基茚满的连续流合成工艺[J]. 现代化工, 2026, 46(10): 154-158 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.10.026

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茚嗪氟草胺(Indaziflam)是德国拜耳公司开发的三嗪类除草剂[1],通过抑制结晶纤维素在植物细胞壁的沉积,从而影响细胞壁的形成及细胞分裂[2-3]。1-氨基二氢茚基骨架是茚嗪氟草胺最有效的活性结构[4],来源于关键化学中间体——2,6-二甲基-1-氨基茚满[5-6]。此中间体的合成方法主要有:(1)以2,6-二甲基-1-茚酮为原料,通过钌类催化剂不对称氢化、叠氮取代,然后用LiAlH4还原得到[7-8]。(2)通过手性钌双膦骨架催化剂,将茚酮直接合成茚胺[9]。(3)通过茚酮与盐酸羟氨形成肟,然后在钯催化下还原制备[10-11]。以上方案存在反应复杂、催化剂及试剂昂贵等缺点,不适合工艺化放大生产。
本文以1-茚酮-2,6-二甲基肟为原料,以氢气为氢供体,雷尼镍(Raney Ni)为催化剂,在间歇釜式反应器中将原料还原为2,6-二甲基-1-氨基茚满。虽然该方法简便且成本低,但高压间歇釜式反应器在使用中存在一定缺陷,如返混严重、气液两相反应传热和传质效率低且操作安全性差[12-13],会生成加氢副产物降低产物选择性,从而降低收率。另外催化剂雷尼镍也具有易燃性,使用过程中要避免与空气接触,使用后要特殊销毁[14],这些都限制了其在工业放大生产中的应用。
近年来,连续流反应器的出现为催化加氢打开了新的局面[15-17]。因此,本文制备了镍网催化剂,以1-茚酮-2,6-二甲基肟为原料,通过连续流反应器催化加氢制备2,6-二甲基-1-氨基茚满,极大地提高了原料转化率和产物选择性。

1 实验

1.1 仪器与试剂

甲醇(分析纯)、雷尼镍,安耐吉化学(安徽泽升科技有限公司)。氨水、氢氧化钾,国药集团化学试剂有限公司。氢气(高纯)、氮气(高纯),江苏天泰特种气体有限公司。1-茚酮-2,6-二甲基肟,实验室自制。A91 PLUS气相色谱仪,常州磐诺仪器有限公司。

1.2 镍丝网负载型镍铝加氢催化剂的制备及活化

利用喷砂机对线径为0.3 mm的镍丝网表面进行喷砂表面处理。配制Ni含量为60%~70%、Al含量为30%~40%的合金粉末,采用等离子喷涂的方法将镍铝合金粉末沉积在镍丝网表面形成催化层,即得到镍丝网负载型镍铝加氢催化剂(下文简称为“镍网”)。
配制质量分数为30%的氢氧化钾溶液,将制好的整块镍网裁剪成5 mm×5 mm的规则方块,加入氢氧化钾溶液中,在80℃活化处理12 h。然后用清水清洗并真空干燥,即可得到活化好的镍网催化剂。

1.3 镍网催化剂的表征

采用德国蔡司公司SUPRA-55场发射扫描电子显微镜(SEM),对活化前、后镍网的形貌特征进行观测,并借助能量色散谱仪(EDS)分析镍网表面的局部元素组成及分布情况;采用美国赛默飞公司K-Alpha X射线光电子能谱仪(XPS),定性分析镍网表面的元素类型及价态。

1.4 釜式反应器中催化加氢反应

称取5.5 g 1-茚酮-2,6-二甲基肟、7.2 g氨水、0.8 g雷尼镍与150 mL甲醇加入反应釜内胆。组装好反应釜后确认其气密性良好。依次通入1.0 MPa氮气和1.0 MPa氢气各置换3次,再充入1.2 MPa氢气。设置釜内温度为65℃、搅拌转速为600 r/min、反应时间为7 h后启动反应釜。反应过程中及时补充被消耗的氢气。反应结束并降温后,使用气相色谱对取得的样品进行分析检测。

1.5 连续流反应器中催化加氢反应

反应在连续流装置中进行。在长280 mm、内径10 mm的反应管中装填19 g镍网催化剂,其余部分使用氮化硅颗粒填充。反应前依次用氮气和氢气各置换反应管内空气3次,再通入一定量的氢气。以甲醇为溶剂配置质量分数为4.5%的1-茚酮-2,6-二甲基肟溶液,由计量泵输送至反应器内。加氢结束后,反应液通过冷凝器冷却,再进入气液分离罐,分离后进行取样分析。反应装置如图1所示。根据1-茚酮-2,6-二甲基肟的转化率和2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性确定催化剂的催化性能。

2 结果与讨论

2.1 催化机理

镍网表面为多孔海绵状的镍铝合金。通过碱液溶出合金粉末中的铝,形成具有巨大比表面积和大量不饱和镍原子构成的骨架,这些镍原子即为加氢反应的“活性位点”。在催化加氢过程中,氢气在镍表面解离为活泼氢原子[18],同时吸附并活化有机底物中的不饱和键,使两者在催化剂表面高效地发生加氢反应,生成的饱和产物从表面脱离,“活性位点”空出后,可以继续吸附新的底物,开始下一个催化循环,催化剂再生。

2.2 催化剂表征结果

2.2.1 SEM-EDS表征结果

使用SEM对活化前后催化剂的表面微观结构进行了表征。图2为未活化镍网表面的SEM照片及EDS谱图。图2(a)、(b)为不同放大倍数下的SEM照片,展示了粗糙合金粉末覆盖在镍丝网的表面。
图3为活化后镍网表面的SEM照片及EDS谱图。通过对比图2(a)、(b)与图3(a)、(b),可以看出活化后的镍网表面出现大量缝隙。对比活化前[图2(c)、(d)]和活化后[图3(c)、(d)]元素扫描图像可得,Al大量减少,更多的Ni被暴露出来且均匀分布在镍网表面,这是活化过程中合金中的金属Al与碱液发生反应被溶出后呈现的结果。

2.2.2 XPS表征结果

通过XPS技术分析了镍网表层的元素类型及化合价。以C 1s特征峰(284.8 eV)校正XPS结合能。经分峰拟合,镍网表层全谱、Ni 2p与Al 2p的能谱如图4所示。
从图4(a)全谱可以看出,镍网表层含有Ni、Al等元素,与上述EDS表征结果别无二致。图4(b)的Ni 2p谱图中,结合能852.48 eV和855.88 eV处的峰分别为Ni0 2p3/2轨道和Ni2+ 2p3/2轨道的特征峰[19]。在861 eV处为震荡卫星峰(Satellite)。以上特征峰表明,镍网表面的镍元素主要以金属单质(Ni0)的形式存在,且伴有部分Ni2+,这是检测过程中镍网暴露在空气中部分氧化所导致的[20]。从图4(c)的Al 2p谱图可以看出,74.18 eV处为Al3+特征峰,表明镍网表面的铝元素主要以氧化态(Al3+)的形式存在。

2.3 釜式反应器中不同催化剂对加氢反应的影响

在釜式反应器内,依次对10% Pd/C、雷尼镍和镍网的催化效果进行了考察,结果汇总于表1。由表1可知,10% Pd/C对此反应无催化效果,无法催化底物加氢还原。雷尼镍的催化结果稍差,是由于生成大量副产物导致2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性只有77.8%。相比之下镍网展现出了良好的催化效果,然而仍会生成加氢副产物,致使产物选择性降低,故而将反应体系转移至连续流反应器内以减少过度反应副产物的发生。

2.4 连续流反应器中不同反应条件对加氢反应的影响

2.4.1 温度对加氢反应的影响

在氢气压力(表压,下同)为1.5 MPa、质量空速(WHSV)为0.5 h-1的条件下,分别考察温度为55、60、65、70、75℃和80℃时,镍网催化1-茚酮-2,6-二甲基肟加氢反应的性能。不同温度下的实验结果如图5所示。
从图5可以看出,较高的反应温度有利于提高1-茚酮-2,6-二甲基肟的转化率。当温度在70℃以下时,温度升高,1-茚酮-2,6-二甲基肟的转化率显著升高,生成2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性提高;当温度超过70℃,2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性逐渐降低。从化学反应动力学角度来看,温度升高,催化反应的速率增大,但该反应当温度超过70℃时会生成副产物,导致产物选择性降低。因此过高温度不利于反应结果。综合考虑,反应的最佳温度为70℃。

2.4.2 质量空速(WHSV)对加氢反应的影响

WHSV越高,说明反应器反应能力越大,但WHSV不能过高。在连续流反应器中,进料量增加则WHSV增大,同时反应液停留时间缩短,反应深度下降,转化率走低。反之,WHSV小则可以延长接触时间、提高转化率。但是,WHSV低则意味着处理相同量的原料时需要更多催化剂,这就需要较大体积的反应器[21],无形中增加了成本。在反应温度为65℃、氢气压力1.5 MPa时,不同WHSV对反应的影响见图6。
由图6可知,当WHSV>0.5 h-1时,反应液在催化剂上停留时间较短,导致原料未完全反应,1-茚酮-2,6-二甲基肟转化效率降低,2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性也呈下降趋势。当WHSV<0.5 h-1时,随着WHSV的适当增加,反应液在催化剂上的停留时间延长,1-茚酮-2,6-二甲基肟加氢完全,其转化率基本一致,产物选择性逐渐提高。但停留时间过高,虽然有利于提高1-茚酮-2,6-二甲基肟的转化率,但会导致2,6-二甲基-1-氨基茚满进一步发生过度反应,降低其选择性。因此,WHSV的最佳值为0.5 h-1。

2.4.3 压力对加氢反应的影响

在反应温度65℃、WHSV为0.5 h-1的条件下,不同氢气压力对加氢反应的影响如图7所示。压力对2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性影响不显著。随着反应压力的升高,1-茚酮-2,6-二甲基肟的转化率先升高后降低。这是由于当压力适当增加时,原料分子密度增加,使得分子之间碰撞频率增加,从而加快反应速率。但是,当压力过高时,会增加安全风险,且生产成本也会增多,因此适宜的反应压力为1.5 MPa。

2.4.4 催化剂稳定性

催化剂稳定性决定了其实际应用的可行性,是衡量其是否具备工业价值的重要指标之一[22]。基于上述实验,确定反应温度70℃、压力1.5 MPa、WHSV 0.5 h-1为连续流加氢合成2,6-二甲基-1-氨基茚满的最佳工艺参数。在此工艺条件下,进一步考察镍网催化剂的稳定性。结果如图8所示。
由结果可知,反应在以上条件下连续运行12 h后,可以观察到1-茚酮-2,6-二甲基肟转化率和 2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性基本趋于稳定,在48 h内无明显下降趋势。在催化剂连续运行 48 h后出现5%的原料剩余,并随着运行时间的增加原料剩余逐渐增多,此时停止泵入反应液。保持体系温度和流量参数不变,泵入30% KOH溶液清洗催化剂8 h,之后继续泵入反应液并及时取样分析。第1次碱洗完毕继续运行48 h后,出现5%的原料剩余,此时进行第2次碱洗。第2次碱洗后,催化效果变差。催化剂总运行时间为加氢反应运行的时间,碱洗时间不计入。由此表明,本文制备的催化剂最佳运行时长为98 h,稳定性良好,具备工业化生产潜能。

3 结论

采用喷涂法制备了一种镍网催化剂,在催化1-茚酮-2,6-二甲基肟加氢反应中,具有良好的催化性能;使用连续流反应器对镍网加氢反应的影响因素进行了研究,实验结果表明:在反应温度为70℃、氢气压力为1.5 MPa、WHSV为0.5 h-1的条件下,1-茚酮-2,6-二甲基肟的转化率达到99.8%,2,6-二甲基-1-氨基茚满的选择性达99.6%,催化剂最佳运行时长为98 h。

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