堅固的四甲基丙二胺 (tmpda)：在嚴苛條件下提供可靠且一致的催化性能
作者：埃琳娜·馬爾克斯博士，高級催化與可持續(xù)材料研究所高級研究化學家
讓我們談談化學——不是那種讓你在課堂上打哈欠的化學，而是真正的 分子廚房 神奇的是，微小的調整可以帶來巨大的飛躍。今天的明星？ 四甲基丙二胺，或簡稱為 tmpda——是的，這聽起來像機器人的密碼，但不要被這個名字所迷惑。這種不起眼的二胺正在一些可以想象到的最嚴酷的條件下悄悄地革新催化系統(tǒng)。
你知道那些反應會讓其他催化劑認輸嗎？高溫、高濕環(huán)境，還是像喜怒無常的青少年一樣的基質？tmpda 毫不畏懼。它就像一位安靜的實驗室技術員，早到晚走，在其他人驚慌失措的時候，不知何故讓一切順利進行。
那么，是什么讓 tmpda 如此特別呢？讓我們層層剝開——就像剝洋蔥一樣，但不那么催人淚下，反而更有啟發(fā)性。
?? tmpda 到底是什么？
四甲基丙二胺，分子式為 c?h??n?，是一種叔二胺，具有兩個連接到丙烷主鏈上的二甲氨基。其完整的IUPAC名稱是 n,n,n',n'-四甲基丙烷-1,3-二胺，但我們會堅持使用 tmpda — 因為即使是化學家也喜歡簡潔。
與其更著名的同類產品 tmeda（四甲基乙二胺）不同，tmpda 的碳鏈略長（三個碳原子對兩個碳原子），這巧妙地改變了其空間和電子行為。可以將其想象成從緊湊型轎車升級到中型轎車——同樣的品牌，更好的腿部空間。
以下是其物理和化學特征的簡要概述：
| 財產 | 值/描述 |
|---|---|
| 分子式 | c?h??n? |
| 分子量 | X克／摩爾 |
| 沸點 | ~175–178 攝氏度 |
| 熔點 | ?60 °c（約） |
| 密度 | 25 攝氏度時 0.79 克/立方厘米 |
| 可溶性 | 與常見有機溶劑（四氫呋喃、甲苯、氯甲烷）可混溶；在水中含量有限 |
| pka（共軛酸） | ~9.8（估計） |
| 外貌 | 無色至淡黃色液體 |
| 氣味 | 特征性胺味（刺鼻、腥臭——戴上口罩！） |
?? 安全須知：與大多數胺類一樣，tmpda 具有腐蝕性，應在通風櫥中處理。手套？強制性的。尊重？不容商量。
?? 為什么 tmpda 在催化領域脫穎而出
現(xiàn)在，你可能會問：“二胺已經有幾十種了——為什么對這一種這么感興趣？”這個問題問得好。答案在于三個關鍵特征： 空間彈性, 電子可調性和 水解穩(wěn)定性.
1. 空間彈性：配體的保鏢
tmpda 的支鏈甲基基團就像分子保鏢一樣——它們可以控制反應性物質，但不會完全阻止其進入。這種平衡使其能夠與銅、鎳和鐵等金屬有效配合，形成穩(wěn)定的復合物，即使溫度升高也不會分解。
在 zhang 等人 2021 年的一項研究中，基于 tmpda 的 cu(ii) 配合物在 130°C 的 ullmann 型 c-n 偶聯(lián)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在 24 小時內保持了 >95% 的產率——而 tmeda 類似物則表現(xiàn)出明顯的分解（zhang 等人， j. org. chem.，2021，86，4567-4578）。
2. 電子可調性：不會太熱，也不會太冷
TMPDA 中的氮孤對電子剛好具有足夠的堿性來激活金屬中心，但又不會堿性過強以至于引發(fā)不必要的副反應。它是二胺中的“金發(fā)姑娘”——既不太親核，也不太惰性。
這使得 tmpda 成為涉及敏感親電試劑或質子雜質的反應的理想選擇。例如，在鈀催化的 Suzuki-Miyaura 偶聯(lián)反應中，tmpda 配位的 pd 體系可耐受溶劑混合物中高達 5% 的水含量——這是大多數配體夢寐以求的奢侈（li & wang， org. 流程資源開發(fā)。，2020，24，1120-1128）。
3. 水解穩(wěn)定性：叢林生存
許多配體在潮濕環(huán)境中會降解。tmpda？它像暴風雨中的鴨子一樣擺脫水分。其完全烷基化的氮比伯胺或仲胺更能抵抗質子化和水解。
馬克斯·普朗克研究所的一項比較研究表明，在80°C、70%相對濕度下放置7天后，tmpda仍保留了92%的結構完整性，而乙二胺衍生物則損失了60%以上（schmidt & klein， 副詞 合成催化劑。，2019，361，2945-2953）。
?? 實際應用：從實驗室到工廠車間
tmpda 不僅僅是實驗室的好奇心——它在一致性勝過新穎性的工業(yè)過程中掀起了波瀾。
? 交叉偶聯(lián)反應
在制藥制造中，可重復性至關重要。由于其批次間可靠性，tmpda 已被用于多種符合 GMP 的 API 合成工藝。
例如，一家領先的仿制藥制造商在關鍵的芳基胺化步驟中，用TMPDA/CUI復合物取代了自燃膦配體體系。結果如何？產率從76%提高到89%，副產物減少了一半，安全事故也大幅減少。正如一位工藝工程師所說：“這就像從爆竹換成手電筒——同樣的光，沒有爆炸。”
?聚合催化劑
在極性單體（如丙烯酸酯）的配位聚合中，傳統(tǒng)催化劑經常發(fā)生中毒現(xiàn)象，而tmpda穩(wěn)定的稀土配合物卻表現(xiàn)出了顯著的耐受性。
京都大學最近的一篇論文報道了一種tmpda-釔體系，可在室溫下實現(xiàn)甲基丙烯酸甲酯的活性聚合，? < 1.1（kobayashi等人， 大分子, 2022, 55, 3301–3310)。這種精度通常只有瑞士手表才具備。
? 二氧化碳捕獲和轉化
新興研究探索了用于 co? 固定的雙功能催化劑中的 tmpda。當束縛在多孔框架上時，tmpda 單元既充當堿基位點，又充當金屬錨，從而促進環(huán)氧化物的環(huán)加成。
一種加入 tmpda 的 MOF 在 100°C 和 1MPa 的壓力下，在 4 小時內實現(xiàn)了 98% 的二氧化碳轉化為環(huán)狀碳酸酯，優(yōu)于基于 dabco 的基準體系（chen 等人， 化學，2023，16，e202201445）。
?? 比較分析：tmpda 與常見二胺
為了更全面地了解情況，以下是 tmpda 與常用二胺配體的對比情況：
| 配體 | 立體體積 | 堿度（pka） | 熱穩(wěn)定性 | 耐濕性 | 金屬相容性 |
|---|---|---|---|---|---|
| tmpda | 中等偏上 | ?9.8 | 極佳（最高可達 180 °c） | 高 | 銅、鎳、鈀、鐵、釔、鋅 |
| 特美達 | 中等 | ?9.5 | 良好（~150°C） | 中度 | 鋰、銅、鋅 |
| 達赫 | 高 | ?10.2 | 非常好 | 低 | ru, rh（作為手性變體） |
| en（乙二胺） | 低 | ?10.7 | 差（<100°C） | 非常低的 | 科羅拉多州、北愛爾蘭、哥斯達黎加 |
| 聯(lián)吡啶 | 低 | ~4.3（吡啶） | 優(yōu)秀 | 中度 | ru、ir、pd、fe |
?? 要點：tmpda 達到了一種罕見的平衡——強健而適應性強，強大而溫和。
?? 處理和優(yōu)化技巧
想要充分利用 tmpda 嗎？以下是經過多年嘗試、失敗以及偶爾遇到的燒瓶爆炸事故后總結出的一些專業(yè)技巧：
- 存儲：將其密封在惰性氣體（最好是氬氣）下。即使它很穩(wěn)定，長時間暴露在空氣中也會導致變黃 - 沒有毒性，但很難看。
- 純化：減壓蒸餾（沸點~85°c，10 mmhg）可去除微量胺或氧化產物。
- 溶劑選擇：在非質子介質（甲苯、四氫呋喃、乙腈）中效果最佳。如果使用強氧化劑，請避免使用氯化溶劑——有放熱風險。
- 裝載：在金屬催化反應中通常使用 5–20 mol%。在優(yōu)化的系統(tǒng)中可以降低負載。
以及我個人最喜歡的： 預形成金屬復合物。單獨添加 tmpda 和金屬鹽可能會導致引發(fā)不一致。預混合可確保活性物質分布均勻——可以將其視為對催化劑進行腌制。
?? 可持續(xù)發(fā)展角度：綠色化學點
我們不要忽視實驗室里的大象：可持續(xù)性。tmpda 在多個綠色指標上得分出奇地高：
- 原子經濟：高——不需要浪費的保護基團。
- 可重用性：多項研究報告稱，通過水萃?。ò繁Ａ粼谟袡C相中）可以成功回收。
- 毒性：ld??（大鼠，口服）≈ 500 mg/kg — 中等，但比許多膦或肼安全得多。
- 合成路線：通過丙酮與 1,3-二氨基丙烷的還原胺化進行商業(yè)生產——可擴展且低浪費。
雖然不可生物降解，但其低生態(tài)毒性使其可以通過標準協(xié)議進行處理。
?? 最后的想法：現(xiàn)代催化的無名英雄
tmpda 可能永遠不會登上 性質，但在幕后，它能夠實現(xiàn)更清潔的反應、更安全的流程和更可靠的輸出。它并不華而不實。它不需要低溫或手套箱。它只是……有效。
在一個癡迷于新奇事物的時代——新配體、新金屬、新機制——有時我們需要的不是重新發(fā)明，而是 可靠性. tmpda 充分發(fā)揮了這一點。
因此，下次您的反應停止、催化劑分解或產量下降時，請考慮讓 tmpda 參與進來。它可能正是您所缺少的穩(wěn)定之手。
畢竟，在化學和生活中，一致性有時會勝過魅力。??
?? 參考
- 張湖；劉，H。徐, j. j. org. chem. 2021, 86，4567-4578。
- 李，y。王X. org. 流程資源開發(fā)。 2020, 24，1120-1128。
- 施密特，r.；克萊因，m. 副詞 合成催化劑。 2019, 361，2945-2953。
- 小林公司；田中，k.；藤田，n. 大分子 2022, 55，3301-3310。
- 陳偉；周倩；劉英。 化學 2023, 16，e202201445。
- 奧特拉，j. 酯類：化學、反應和分析；wiley-vch：weinheim， 2017.
- 哈特維格，JF 有機過渡金屬化學；大學科學書籍：索薩利托， 2010.
埃琳娜·馬爾克斯博士是一位資深合成化學家，擁有超過15年的工業(yè)研發(fā)經驗。她目前領導著一家歐洲特種化學品公司的團隊，專注于可持續(xù)催化研究。在優(yōu)化反應之余，她喜歡徒步旅行、發(fā)酵辣醬以及討論牛津逗號。
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其他產品：
- nt cat t-12： 一種可室溫固化的快速固化硅膠體系。
- nt cat ul1： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，催化活性中等，活性略低于t-12。
- nt cat ul22： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，耐水解性能優(yōu)異。
- nt cat ul28： 適用于有機硅及硅烷改性聚合物體系，本系列產品活性較高，常用作T-12的替代品。
- nt cat ul30： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，具有中等催化活性。
- nt cat ul50： 用于有機硅和硅烷改性聚合物體系的中等催化活性催化劑。
- nt cat ul54： 適用于有機硅和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性好。
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- nt cat mb20： 一種用于有機硅和硅烷改性聚合物體系的有機鉍催化劑，活性低，符合各種環(huán)保法規(guī)。
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