Green Chemistry：木质素衍生邻苯二酚一锅法制备吩嗪
The following article is from 纪娜生物质课题组 Author 纪娜
全文速览
文章作者通过一锅法将木质素衍生物邻苯二酚转化为吩嗪（一种N-杂环三芳环化合物），目前吩嗪合成方法复杂，通常是以石油衍生物作为合成原料。该反应中邻苯二酚作为唯一碳源，氨水为反应溶剂和氮源。在不添加任何溶剂的情况下，经过一锅两步反应，在Pd/C催化剂上得到高纯度吩嗪晶体（>97%），收率为67%。当第一步以环己烷为助溶剂时，可获得较高的收率（81%）和纯度（> 99%）。机理研究表明，加氢、胺化、偶联和脱氢反应是吩嗪形成的关键步骤。其他木质素衍生物邻苯二酚的催化转化表明，该方法同样可用于合成其他取代吩嗪。
背景介绍
木质素是制备芳香族化合物的可持续来源。通过各种解聚策略，木质素可以生产出一系列平台化合物，如苯酚、邻苯二酚、4-丙基愈创木酚和香草醛。但目前关于木质素下游转化的研究侧重于获得碳氢化合物和含氧化学品。有机氮化合物是另一类很有前途的产品，由于其附加值较高和应用广泛，最近引起了越来越多的关注。
邻苯二酚及其烷基取代衍生物是常见的木质素衍生物。它们可以通过木质素的热化学转化或解聚C-型木质素直接制备得到。目前还未有关于邻苯二酚及其衍生物直接转化为N-杂环化合物的相关报道。
本文亮点
文章以木质素衍生邻苯二酚及其衍生物为底物，直接合成吩嗪。同时，确立了两个特有的转化体系。在氨水体系中，邻苯二酚在Pd/C催化剂和H2气体存在下被催化胺化。由于整个转化过程包括加氢和脱氢两个步骤，所以反应分别在低温和高温下以一锅两步方式进行。低温步骤有利于部分氢化和胺化，提供氢化的吩嗪作为关键中间体。之后，高温处理诱导脱氢，提供结晶形式的高纯度吩嗪。第一步采用双相氨水-烃类溶剂体系，可进一步提高吩嗪的收率和纯度，但两步之间需要额外的分离操作。
Fig.1 Structure and production methods of phenazine. The picture inset shows a phenazine crystal product obtained after the reaction without purification. GC spectra show the purity of the phenazine raw product. ① and ② represent the two established protocols.
图文解析
首先，在10% Pd/C和0.5 MPa H2的存在下，在40-300℃温度下，邻苯二酚在氨水中反应1小时（图2a）。在较低温度（80-200℃）条件下，产物主要为氢化phzs，随着温度的升高，邻苯二酚的转化率增加，产物总收率增加。当温度>220℃时，转化率和产率下降，氢化phz脱氢为4H-phz 和phz。在300℃时，脱氢产物的选择性很高，但转化率只有47%。根据选择性与反应温度的关系，推断在反应开始时存在加氢过程，而在高温下需要脱氢才能产生phz。Pd催化剂具有特殊的低温加氢能力和高温脱氢能力，因而具有较高的催化活性。
Fig.2 Reactivity and product distribution in the aqueous ammonia system as a function of (a) temperature, (b) hydrogen pressure, (c) amount of aqueous ammonia and (d) time. Reaction conditions: water 5 ml, catechol 1 mmol, 10% Pd/C 30 mg, 25% aqueous ammonia 0.5 ml, H2 0.5 MPa, 220 °C, 400 rpm and 1 h if not specified. Note: the last column in (a) (labelled as 220 + 300) indicates that the reaction was conducted at 220 °C for 1 h, followed by the reaction at 300 °C for another 1 h; and 0 min in (d) indicates the reaction temperature just reached 220 °C.
当反应温度固定在220℃时，同时H2分压从0.1 MPa 增加到0.3 MPa 时，氢化phz和2-氨基环己醇的转化率和选择性迅速增加，但是当 H2压力进一步增加时转化率和选择性则保持稳定（图2b）。氨的存在同样促进了phzs的形成，但过量的氨会则会降低转化率和产率（图2c），可能是由于NH3吸附导致Pd/C失活。尽管如此，phzs的产率与2-氨基环己醇相比受到的影响较小。随着时间的增加（图2d），大多数反应是在温度刚刚达到220℃（标记为0分钟）时完成的，表明反应动力学很快。
随后作者探究了邻苯二酚第一步转化中共溶剂的作用。具有不饱和键的溶剂（二甲基亚砜和丙酮）通过消耗H2而使反应迅速终止。醚类（1,4-二氧化碳和四氢呋喃）也通过抑制催化剂的加氢性能而阻碍反应进行。这种抑制作用可能是由于溶剂分子在催化剂上的强吸附所致。在醇类中，甲醇对芳香环的加氢有很强的抑制作用。还原木质素解聚反应中没有发现存在的氢转移机制，这说明邻苯二酚的加氢是以氢气代替醇类溶剂作为氢源。最终，烷烃（特别是环己烷）是最好的溶剂，phzs的产率接近90%，同时充分抑制2-氨基环己醇的生成。
Table 1. Effect of organic co-solvent on catechol conversion to hydrogenated phzs
方案1为上述反应路径。当邻苯二酚在没有氨的情况下加氢时，在120-200℃下可观察到完全加氢，以1,2-环己二醇为主要产物。在较低或较高的温度下，2-羟基环己酮成为主要产物，这在酚类的部分加氢反应中较为常见。作者发现2-羟基环己酮在室温下仍能与氨反应生成8H-phz。因此，整个转化过程开始于邻苯二酚加氢生成2-羟基环己酮，然后胺化生成氢化phzs,由于酮很容易与氨反应生成亚胺，2-羟基环己基亚胺很可能是生成8H-phz 的中间体,α-羟基亚胺比普通亚胺具有更强的反应活性，因为它通过Amadori（或Heyns）重排很容易异构成2-氨基环己酮。尽管2-羟基环己亚胺和2-氨基环己酮由于其高反应性和不稳定性而未被检测到，但在2-氨基环己酮和2-羟基环己酮之间形成了席夫碱（pre-phz）。
Scheme.1 Main reaction pathway of phenazine synthesis from catechol.
最后，作者在双相环己烷-氨水体系中，将底物范围扩大到邻苯二酚衍生物，以产生具有取代基的邻苯二酚。有趣的是，只有具有烃基的邻苯二酚被转化为相应取代的氢化phzs。而从木质素中提取的4-甲基-邻苯二酚和4-乙基-邻苯二酚取得了较高的 phz 收率（80% 或更高）。因此，文章作者的合成方案可用于从可再生木质素衍生物和其他底物中生产具有不同功能基团的phzs。
Table.2 Total yields of phzs with substituted groups from substituted catechols
结论与展望
作者以木质素衍生物邻苯二酚为原料合成了吩嗪及其衍生物。以Pd/C为催化剂，NH3为氮源，建立了合成纯吩嗪的两种方法。在氨水体系中，反应采用一锅两步法进行，产物以晶体形式存在，气相色谱测得纯度> 97%。当第一步使用环己烷作为助溶剂时，收率和纯度进一步提高。机理研究表明，反应途径包括加氢、胺化、偶联和脱氢过程。该反应已扩展到含烃基取代基的邻苯二酚，以合成取代的邻苯二酚。
供稿：李瀚洋
编辑：郝林格
论文相关信息
第一作者：Tianyu Ren（新加坡国立大学）
通讯作者：Ning Yan（新加坡国立大学）
通讯单位：新加坡国立大学
论文DOI：10.1039/D1GC04102A
往期推荐
【深度解读】天津大学纪娜团队与浙江大学王树荣合作GC：木质素胺化合成环己胺工艺的集成设计-催化剂纳米结构工程和催化条件性策略综述
【文献解读】川大胡常伟团队与巴仑西亚理工团队合作ACS Catal.：双金属氮化镍钼高效催化棕榈酸加氢脱氧
【文献解读】乌得勒支大学、中科院大连化物所、中国石油大学合作ACS catal.：高铝沸石原位包裹超细Ru团簇提高催化性能
【文献解读】格罗宁根大学ChemSusChem: 木质素衍生物一锅法制备环己胺
本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：biomass12345）
为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。
进群方式：添加小编为好友（微信号：biomass12345），邀请入群。
请备注：姓名+单位+研究方向。
另外，本公众号还友情为国内外有需求的实验室免费发布招聘信息，也可为学术机构发布相关学术会议信息。