Abstract The advances in non-phosgene route for synthesizing carbamates are reviewed. The emphasis is placed on the novel environmentally benign processes, such as, the methoxycarbonylation of amine with dimethyl carbonate (DMC), ionic liquid catalyzed methoxycarbonylation of amine with DMC, the methoxycarbonylation of amine with DMC in supercritical CO₂，and the oxidative carbonylation of amine in gaseous phase. In these new synthesis routes, harmless reactants, catalysts and solvents are widely adopted, and the catalyst is readily separated from the reaction system and can be reused. Some of them are even solvent-free and catalyst-free. It is pointed out that the future study on synthesis of carbamates will be mainly concentrated on the development of more efficient and selective, lower-price, and environmentally benign catalyst; and the environment-friendly process in which the catalyst and products are easily separated, and the catalyst can be reused.
Keywords Carbamate, methoxycarbonylation，oxidative carbonylation, dimethyl carbonate, environmentally benign

氨基甲酸酯合成绿色新方法

杨 骏，陈运红，张渊明
（暨南大学化学系，广州510632）

摘要 评述了非光气法合成氨基甲酸酯研究的新进展，重点介绍了一些绿色环保的新工艺，如：碳酸二甲酯甲氧羰化法、离子液体催化胺甲氧羰化法、超临界CO₂相胺甲氧羰化法、气相胺氧化羰化法等。 在这些新工艺中广泛采用无毒害的反应物、催化剂和溶剂；有的甚至不需催化剂和溶剂；催化剂易于从产物中分离且可反复使用。指出今后研究的方向是开发具有高效的、高选择性的、价格低廉的、对环境无害的催化剂；催化剂易于分离且能回收后反复使用的、新的对环境友好的合成工艺。
关键词 氨基甲酸酯；甲氧羰化，氧化羰化；碳酸二甲酯，环境友好

2004年10月18日收稿

    氨基甲酸酯类化合物的结构通式为： R¢ NHCOOR, 其中R为烷基或芳基；R′为H或烷基、环烷基、不饱和烃基和芳基。这类化合物可广泛用作农药、医药、合成树脂改性和有机合成的中间体等。其中一个重要的用途是用于合成异氰酸酯。异氰酸酯是一类重要的有机合成中间体，是聚氨酯合成的主要原料，可广泛应用于聚氨酯、涂料、染料和农药等高分子材料^[1,2]。据统计，近年我国对异氰酸酯的需求量逐年递增。异氰酸酯传统的合成工业方法中, 主要需采用剧毒的光气法合成。由于该合成工艺采用胺和光气反应, 经脱去氯化氢后生成异氰酸酯, 但光气易挥发、剧毒, 存在着巨大的潜在性事故隐患, 另外, 主要副产物氯化氢存在设备腐蚀的问题, 这对生产装置的密封和耐腐蚀性能要求很高, 增加了过程的成本，还有产品中残余氯也难以去除。近年来，随着人们对环境保护的重视, 光气法合成异氰酸酯势必要被淘汰。非光气路线已成为国内外研究学者关注的焦点, 其中一条重要的合成途径就是利用苯氨基甲酸酯的热不稳定性, 热解生成苯基异氰酸酯^[3]。目前氨基甲酸酯类化合物在工业上普遍的合成方法主要是采用光气法,但该方法存在上述异氰酸酯光气法合成法同样的设备腐蚀和环境污染等问题。光气法氨基甲酸酯的合成也将被非光气路线所代替，氨基甲酸酯的非光气合成工艺及其工业化目前已成为研究热点。本文主要介绍非光气合成氨基甲酸酯的新进展，特别是那些绿色的新技术，如碳酸二甲酯羰化法、离子液体催化的胺甲氧羰化合成法、易于产物催化剂分离的多相催化法、无催化剂的超临界CO₂相胺甲氧羰化法等。
    下面就几类主要合成方法的新进展进行介绍:

1 硝基化合物还原羰化法
     RNO₂ + 3CO + CH₃OH = RNHCOOCH₃ + 2CO₂
    该反应的催化剂主要为第VⅢ族的过渡金属或贵金属,其中以Pd和Ru化合物的催化活性较高^[3,4]。如Alessio等以活性炭负载Pd为催化剂催化硝基苯还原羰化，硝基苯转化率可达99%, 氨基苯甲酸酯选择性可达96.6%。以羰基合钌Ru₃(CO)₁₂为催化剂时反应收率可达93%。
    该工艺过程需要CO，其利用率只有1/ 3，且存在CO和CO₂的分离问题；此外，由于气相CO 的存在，反应需在高压下进行，这大大增加了生产成本。

2 胺氧化羰化法
    RNH₂ + CO + 1/2O₂ + CH₃OH = RNHCOOCH₃ + H₂O
    胺氧化羰化的催化剂种类较多，其中Pd 的化合物作为催化剂的反应选择性和转化率都比较高^[5]。反应通常在高压反应釜中液相进行，由于反应物中有气相的CO和O₂，反应需要在高压下进行。近来有研究者鉴于液相反应压力高，催化剂难于分离和回收利用的问题，提出采用气-固反应来替代。

表 1 几种液相胺氧化羰化的催化剂比较

    表1是几种胺氧化羰化催化剂的性能比较。对于传统的液相羰化反应压力高，催化剂难于分离和回收利用的问题，近来在这方面取得了一些有意义的结果。如许翩翩等^[6] 采用Pd/ AC 催化剂，170 ℃反应2小时，苯胺转化率为94.2 %，选择性为95.2 %。另外，该催化剂易于分离回收，每次反应后仅需倾析法分离、乙醇洗涤、晾干后便可投入下次使用。结果显示，催化剂经历十次反应，活性无明显降低。Wan^[8] 等首次采用聚合物负载的双金属催化剂在温和的条件下（65℃，常压）催化胺氧化羰化，反应20小时，催化剂PVP-PdCl₂-MnCl₂上苯胺转化率85%，氨基甲酸酯选择性98%。
    司马天龙等^[10]采用Au/Resin1催化剂，在175℃，5.0 MPa（p(CO)∶p(O₂)=4∶1），反应1小时，转化率为95%，选择性为99%，转化频率达到530，远远好于直接使用氯金酸的结果。将反应后的催化剂用甲醇洗涤干燥后，重复使用2次和3次时,其催化活性基本无变化，转化率均保持在93%，而选择性与第一次使用时相当。当该催化剂重复使用12次时，仍能保持77%的转化率，其金含量保持在98%，基本没有流失。
2.2 气相反应
    液相胺氧化羰化反应通常存在使用贵金属络和物催化剂、 催化剂难以回收、反应压力高、 催化剂失活快和CO和O₂在胺和醇液相中溶解限制等问题，用气－固多相催化反应可以有效地解决。
    2004年Toochinda^[11]详细考察了液相和气相条件下NaI-Pd/C催化的胺氧化羰化反应。结果表明，反应温度438 K，反应时间2小时，氨基苯甲酸酯收率由液相反应的5.5％（反应压力2.15MPa）大大地提高到气相反应的74.4％（反应压力1.93MPa）。其原因主要是在气相反应中，CO和O₂消除了液相反应中存在的溶解限制，可以容易地接近催化剂表面，导致催化剂反应活性增加。该催化反应且具有过程简单、催化剂和产物/反应物的混合物分离容易、反应物的添加和产物移出灵活方便等优点，使其有可能成为一条有效的大规模合成氨基甲酸酯的途径。
2.3 离子液体溶剂相反应
    石峰等^[12] 使用不同的菲咯琳钯络合物和离子液体进行苯胺氧化羰化制取氨基甲酸酯。结果采用Pd(phen)₂(PF₆)₂催化剂，MeBuImBF₄作为溶剂，175℃， 5.0MPa（O₂:CO=1:4），反应1小时，胺转化率和氨基甲酸酯选择性分别达到98和99%，转换频率达到8100mol mol ^-1 h^-1，较使用离子液体前提高了57倍，为使用氯苯为溶剂结果的2倍且具有更高的活性和选择性。其原因可能是菲咯琳钯络合物在离子液体能更好地溶解，而普通的溶剂则很难。

3 胺与碳酸二酯反应
    RNH₂ + CH₃OCOOCH₃ = RNHCOOCH₃ + CH₃OH
    碳酸二甲酯是近年来发展起来的一种环境友好的绿色有机化学品，它具有与水相近的物理性质，其羰基和甲氧基上的碳原子均易接受亲核试剂的进攻，并籍此引发羰基化和甲基化反应，可替代目前广泛使用的光气、硫酸二甲酯、卤代甲烷等对环境危害较大的化学品用作羰基化和甲基化剂^[2]。碳酸二甲酯可与有机胺经羰基化反应制得氨基甲酸酯，随着甲醇与CO和O₂合成碳酸二甲酯工艺的工业化，该方法变为一条极具吸引力的合成途径^[3]。
    该反应能在较温和的条件下进行，可用的催化剂很多，可分为Lewis 酸催化剂(如醋酸锌, Lewis 碱催化剂(如甲醇钠)和非酸碱型催化剂(如PbO)^[13]。 虽然大部分的催化剂价廉易得，但多数催化体系尚不完善，例如： 醋酸锌和甲醇钠属均相催化剂，催化剂分离较困难； PbO催化剂毒性大，失活严重，再生较复杂。 针对这些问题，近年来，该过程研究的重点在于开发廉价易得、易于分离回收和反复使用的、环境友好的催化剂，取得了一些可喜的结果。
3.1 多相催化反应
    Carloni^[14] 等采用将TBD锚于MCM-41上的有机-无机杂化催化剂，在125℃，催化各种胺与碳酸二乙酯合成氨基甲酸酯，催化剂显示优越的性能，其中卞胺的转化率98%，氨基甲酸酯收率99%；催化剂过滤后可反复使用，在125℃，15小时，重复使用三次氨基甲酸酯收率分别为97、97和93%。与无定形KG-60-TBD催化剂相比，该催化剂具有明显高的性能，这可能是介孔分子筛的孔道有序度影响催化效率，因反应物和产物在介孔分子筛的长程有序孔道内无扩散限制，易于接近表面活性位，另外，介孔分子筛具有较大的比表面383 m² g^-1。
    Vauthey等^[15]用g -Al₂O₃催化胺与碳酸二甲酯反应合成氨基甲酸酯，加热回流2天，催化剂显好的活性和选择性，例：苯胺转化率90%，氨基甲酸酯95%。
    Curini等^[16]采用Yb(OTf)₃催化剂在无溶剂存在下催化一系列伯、仲胺和芳胺与碳酸二甲酯反应，80℃，反应8小时，都获较高的收率（59-96%），其中苯氨基甲酸酯收率96%。该催化剂经简单的回收干燥后，可反复使用；如：催化正丁胺反应（70℃，反应2小时），反复使用5次，收率分别为92、91、91、89和91%，基本不降低。
    Katada等^[17]考察了大量固体催化剂，包括铅化合物和各种分子筛，催化苯胺和碳酸二甲酯反应，在373K, 反应2小时。结果发现，前人报道的具有高活性的Pb(OAc)₂仅有低的活性，而PbO则无活性；分子筛中具有大孔的如Y、b和MCM-41,对反应有活性，而小孔道的ZSM-5无活性；这说明大的孔道有利于反应物和中间物接近催化剂的表面。
3.2 离子液体催化反应
    离子液体作为一种绿色溶剂成为当前的研究热点，室温离子液体有不同于水溶液和普通有机溶剂的诸多性质，使其在有机合成和催化反应等有广泛的应用前景。
    Sima等^[18] 采用离子液体作为催化剂和溶剂，在170℃，考察了多种伯、仲胺同碳酸二甲酯合成苯氨基甲酸酯的反应，反应时间1小时。结果表明：离子液体对反应显高的活性，其中离子液体BMImCl催化丁胺和正己胺的甲氧羰化，胺转化率99%，氨基甲酸酯选择性99%。另外，在反应后的形成分层的碳酸二甲酯层和离子液体层，固体产物氨基甲酸酯在其中溶解度都很低，因而可以通过简单的过滤来分离，离子液体也可以经回收后反复使用。如：EMImBF₄ 催化环己胺反应，反复使用5次，仍保持99%的转化率和85.3％的高选择性。
3.3 超临界CO₂相反应
    胺与碳酸二甲酯合成氨基甲酸酯的反应，一般只有在催化剂作用下才能获高的转化率和选择性。非催化的过程可以在CO₂存在下，合成氨基甲酸酯，反应如下所示：
   
    但在通常的条件下，氨基甲酸酯的收率不高，如：90℃反应24 小时，环己胺和烷基胺只分别获35和55%的收率^[19]。
    Selva^[19] 等在超临界CO₂相中研究了胺与碳酸二甲酯合成氨基甲酸酯反应，结果在130℃, 90 MPa，15－20小时，氨基甲酸酯的收率显著提高到77－80％。由于该过程采用生态环境友好的反应物且不需添加任何溶剂和催化剂，是一个氨基甲酸酯绿色合成的例子。

4 胺与氨基苯甲酸反应
    RNH₂ + NH₂COOCH₃ = RNHCOOCH₃ + NH₃
    2003年李其峰等^[20] 鉴于硝基化合还原羰化和胺氧化羰化存在的主要以贵金属为催化剂、且在高温和高压下进行，反应物用到CO和O₂等缺点；而胺与碳酸二酯反应中碳酸二甲酯的用量大、利用率低、价格昂贵、且易与甲醇形成共沸物等问题。考察了先由尿素和甲醇合成氨基甲酸甲酯，然后与苯胺反应合成苯氨基甲酸甲酯的非光气线路，该线路早在上世纪80年代就有专利报道，但未见有进一步详细的研究公开文献。李其峰等研究了几种酸、碱性催化剂苯氨基甲酸酯的合成反应活性，结果发现，所有选用的催化剂都具有一定活性，其中酸性催化剂的反应性能优于碱性催化剂，但强酸性的ZSM-5，目的产物的选择性明显低于酸性较弱的ZnCl₂和Zn(OAc)₂，其中ZnCl₂催化剂的性能最优，在160℃反应温度，反应4小时，苯胺转化率高于90％，苯氨基苯甲酸选择性高达99.76％。由于合成路线具有过程简单、反应条件温和、催化剂价廉、无需使用CO等特点，随着尿素和甲醇合成氨基甲酸甲酯技术的日趋成熟，该技术可能一条具有工业应用前景的合成途径。

5 结语
    由于氨基甲酸酯类化合物可广泛用作农药、医药、合成树脂改性和有机合成的中间体等。尤其是作为有机中间体,可用于合成异氰酸酯。近来随着氨基甲酸酯类化合物需求的高速增长，对其合成的研究方兴未艾。但随着世界各国对环境保护的日益重视，在新过程的开发中一个必须考虑的问题就是对于环境的影响，非光气法合成氨基甲酸酯类化合物是大势所趋。因此，如何开发具有高效的、高选择性的、价格低廉的、对环境无害的催化剂；催化剂易于分离且能回收后反复使用的、新的对环境友好的合成工艺，这是在今后进行研究的主要方向。

REFERENCES
[1] Zhang J, Li H., Liu Y F. Chemistry (Huaxue Tongbao), 2002, (3): 167-173.
[2] Butler D C D, Alper H. Chem Commun.,1998, 23: 2575-2576.
[3] One Y. Catal. Today, 1997, 35 (1-2): 15-25.
[4] Li Q F，Wang J W，Kang M Q et al. Chemistry (Huaxue Tongbao),2003,11:762-766.
[5] Kang W K, Wang G Y, Hu C W. Natural Gas Industry ( Tianranqi Huagong),2003,28(2):36-41.
[6] Xu P P,Zhang P X,Cai H L et al. Journal of Xiamen University (Xiamen daxue xuebao),1994,33(5): 637-642.
[7] Kim H S, Kim Y J, Lee H et al. 1999, 184 (2): 526–534.
[8] Wan B S, Liao S J, Yu D R. App. Catal. A: General, 1999,183 (1): 81-84.
[9] Sima T L,Shi F,Deng Y Q et al. Chemical Journal of Chinese Universities (Gaodeng Xuexiao Huaxue xuebao),2001,22 (4): 645-647.
[10] Shi F,Deng Y Q, Sima T L et al. Chemical Journal of Chinese Universities (Gaodeng Xuexiao Huaxue xuebao), 2001,22 (7): 1219-1221.
[11] Toochinda P, Chuang S S C. Ind Eng Chem Res, 2004, 43 (5):1192-1199.
[12] Shi f,Zhou H C,Ma Y C et al.Acta Chimica Sinica (Huaxue Xuebao), 2002, 60 (8): 1517-1519.
[13] Zhao J,Jiang Q. Modern Chemical Industry (Xiandai Huagong), 2001, 21 (2): 24-26.
[14] Carloni S, De Vos D, Jacobs P. J Catal. 2002, 205 (1):199-204.
[15] Vauthey I, Valot F, Grozzi C et al. Tetrahedron Lett. 2000, 41 (33): 6347-6350.
[16] Curini M, Epifano F, Maltese F et al. Tetrahedron Lett. 2002, 43 (28): 4895-4897.
[17] Katada N, Fujinaga H, Nakamura Y et al. Catalysis Letters, 2002, 80 (1-2):47-51.
[18] Sima T L, Guo S, Shi F.Tetradedron Lett. 2002, 43 (45): 8145-8147.
[19] Selva M, Tundo P, Perosa. Tetrahedron Lett. 2002, 43 (7): 1217-1219.
[20] Li Q F, Wang J W, Dong W S et al. Chemical Journal of Chinese Universities (Gaodeng Xuexiao Huaxue xuebao), 2003, 24 (7): 1277-1280.