p-苯二胺连续流氢化为1,4-环己二胺：通过CSTR级联反应实现高效且可持续的工艺

《Tetrahedron》：Continuous-flow hydrogenation of p-phenylenediamine to 1,4-cyclohexylenediamine: An efficient and sustainable process via CSTR cascade

采用CSTR级联连续流氢化工艺，以Ru/Al?O?催化剂在120℃、6.0 MPa下实现对苯二胺（PPDA）完全转化（98.5%选择性），催化剂稳定性达1000小时，工艺适用于间苯二胺氢化，但对位苯二胺因空间位阻存在挑战。

　　

张奇龙|崔中乾|高广东|刘庆东|潘冰冰|郑庚秀|高凌峰|吴明泽|田明刚

济南大学化学与化学工程学院，中国山东省济南市南新庄西路336号，250022

摘要

通过连续搅拌釜反应器（CSTR）级联反应，高效地实现了对p-苯二胺（PPDA）的连续流氢化，生成1,4-环己二胺（1,4-CHDA）。这一策略旨在提供一种比传统批次氢化方法更安全、更高效的替代方案。通过对关键反应参数（包括温度、压力、停留时间、溶剂和碱性促进剂）的系统性优化，获得了高选择性的工艺。在最佳条件下（120°C、6.0 MPa、总停留时间6小时、THF溶剂、LiOH促进剂），PPDA的转化率达到100%，1,4-CHDA的选择性为98.5%，反式异构体含量为28%。Ru/Al₂O₃催化剂表现出卓越的稳定性，在连续运行1000小时后仍保持高活性。此外，该工艺普遍适用于m-苯二胺的氢化，而邻-苯二胺由于空间位阻和催化剂快速失活的问题，氢化过程较为复杂。本研究建立了一种可扩展、稳定且可持续的连续流方法，用于合成脂环族二胺。

引言

环己二胺（包括1,2-、1,3-和1,4-异构体）是一种重要的脂环族胺类化合物，广泛应用于制药、农化和染料行业，以及聚酰胺树脂和环氧固化剂的生产中。与芳香族胺相比，脂环族胺具有较低的毒性、更高的安全性、更好的抗黄变性和更高的光泽度[1,2]。1,4-环己二胺（CHDA）的一个关键下游衍生物是1,4-环己烷二异氰酸酯（CHDI），其具有简单的分子结构、低分子量、高对称性和显著的结晶性。这些结构特点赋予了CHDI及其衍生材料优异的性能，使其在高性能聚氨酯应用中发挥着关键作用。由CHDI合成的聚氨酯弹性体表现出优异的微相分离性能、出色的耐磨性、良好的耐溶剂性、高回弹性和显著的抗黄变及热降解能力[[3], [4], [5]]。因此，基于CHDI的聚氨酯弹性体在医疗设备、汽车、采矿、航空航天和工业设备领域具有广泛的应用前景。

在有机合成中，将芳香族胺氢化为脂环族胺被认为是最具挑战性的还原反应之一，尤其是与硝基、氰基或氨基团的还原以及碳-碳双键的还原相比。传统上，环己二胺是通过在高温高压下使用Rh、Ru或双金属Rh/Ru催化剂对苯二胺进行氢化来制备的。该过程中产生的主要副产物包括通过脱氨反应生成的环己胺（CHA）以及通过缩合途径形成的高沸点化合物[[6], [7], [8]]。此外，在某些条件下，环己二胺的反式和顺式异构体会相互转化。低反式异构体含量的1,4-环己二胺为液态，而高反式异构体含量则形成糊状或固态混合物[9,10]。同样，由顺式和反式CHDA混合物制得的CHDI也呈现异构形式。CHDI中的顺式/反式比例显著影响最终产品的性能；研究表明，由顺式CHDI制备的聚氨酯弹性体比由反式CHDI制备的弹性体具有更好的性能。因此，在环己二胺生产过程中控制异构体比例对于确保产品质量至关重要（图1）。

最近的研究集中在利用多种催化体系推进芳香族化合物的氢化反应。Antil [7]等人开发了一种基于MOF的单位点Co催化剂，用于化学选择性和串联芳烃还原。Jing [8]等人合成了苯胺钠-环己基胺复合物，并研究了其储氢性能。Araki [9]报道了一种Ru–Pd双金属体系，在TiO₂光催化下对苯胺进行环氢化生成环己胺时表现出优于Rh共催化剂的性能。Zuo [10]等人研究了胺基对Ru/MgO–Al₂O₃催化剂上芳香环氢化反应的影响，为催化剂优化提供了见解。Chaudharia [11]指出，大多数此类氢化反应都是以批次方式进行的，需要精确的温度/压力控制以确保产品纯度。反应条件较为苛刻，通常需要高温（150-250°C）和高压（10-15 MPa）。此外，Mishra [12]等人报道了一种在H₂气氛下使用钌-碳酸钠催化体系从芳香胺和有机碳酸盐一步合成环氢化氨基甲酸酯的方法。Ma [13]等人也对目标反应进行了研究，进一步丰富了关于1,4-苯二胺氢化为1,4-环己二胺的催化氢化相关研究数据。这些研究为苯二胺在连续反应器中的氢化提供了动力学和工艺条件参考。目前，这种转化主要通过批次操作进行。因此，开发一种使用搅拌釜反应器级联的连续流工艺对于提高产品一致性和生产效率具有重要意义[14,15]。

通过特定的工艺配置，将多个通常以批次模式运行的搅拌釜反应器连接起来，可以实现连续操作（[[16], [17], [18]]。在这种情况下，连续搅拌釜反应器（CSTR）级联是一种高效的工程解决方案，它结合了批次反应器的优点（如有效的热传递和操作灵活性）和连续工艺的优势（包括高产量、一致的产品质量和降低的操作成本[[19], [20], [21], [22]]。本研究利用CSTR级联系统研究了p-苯二胺到1,4-环己二胺的氢化过程，并系统地考察了关键工艺参数（包括反应温度、压力、停留时间、转化率和选择性）。

化学来源

本实验中使用的材料：Ru@Al₂O₃购自Johnson Matthey；p-苯二胺（99%）购自山东新恒化工有限公司；邻-苯二胺（99%）购自山东玉康化工有限公司；m-苯二胺（99%）购自山东玉康化工有限公司；2-甲基呋喃（2-MeTHF，98.0%）购自上海麦克莱恩生化科技有限公司；四氢呋喃（THF，99.9%）购自济南海浩化工有限公司；Diox（99.9%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司

结果与讨论

温度被确定为引发反应的关键因素。在本研究的初始阶段，系统地筛选了反应温度。当温度保持在80°C并持续10小时时，系统的选择性为80.2%，起始材料剩余19.7%。当温度升高到100°C且停留时间仍为10小时时，选择性提高到89.8%，而起始材料的残留量

结论

本研究开发了一种高效的连续流氢化工艺，用于将p-苯二胺转化为1,4-环己二胺，采用了连续搅拌釜反应器（CSTR）级联系统。最佳条件为：120°C、6.0 MPa的氢压、总停留时间6小时、四氢呋喃溶剂以及氢氧化锂作为添加剂。在这些条件下，PPDA的转化率达到100%，1,4-CHDA的选择性为98.5%，反式异构体含量为

作者贡献声明

张奇龙：撰写——初稿，数据整理。崔中乾：撰写——初稿，数据整理。高广东：验证，数据整理。刘庆东：实验研究。潘冰冰：验证。郑庚秀：方法学研究。高凌峰：撰写——审阅与编辑，概念构思。吴明泽：验证，监督。田明刚：撰写——审阅与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢国家自然科学基金（NSFC）（项目编号22174052）的财政支持。