CN101234996B

CN101234996B - 一种酮连氮的绿色合成方法

Info

Publication number: CN101234996B
Application number: CN2008100600236A
Authority: CN
Inventors: 裴文; 段江丽; 王菊华
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Shandong Xing'an Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: CN101234996A

Abstract

本发明提供了一种酮连氮的绿色合成方法，包括：氨、过氧化氢、酮在含有催化剂和聚乙二醇的反应体系中，于10～100℃下进行合成反应，反应结束，水相和有机相分离，有机相经蒸馏后，采用减压蒸馏和重结晶的纯化方法得到酮连氮产物。本发明所述的合成方法使用聚乙二醇，热稳定性好、不挥发、不易燃、无毒、生物可降解、廉价易得，以及易于回收和循环使用，产物收率高。反应中有机相中的乙腈和未反应的酮以及水相中的催化剂和未反应的氨水可以回收利用且对反应收率无影响。

Description

一种酮连氮的绿色合成方法

(一)技术领域

本发明涉及一种酮连氮的绿色合成方法。

(二)背景技术

酮连氮(ketone azine)是一种经水解制备水合肼的重要中间产物。目前利用过氧化氢法生产酮连氮被认为是最经济实用的先进技术，也是一种绿色合成技术。该技术操作简单，反应时间短，原料易得，成本低，产品收率高，利用酮连氮法制水合肼有着极其重要的意义。

众所周知，水合肼是重要的化工原料，具有广泛的用途，由于水合肼分子中含有两个亲核的氮和四个可置换的氢，因此，以水合肼为原料的精细化工产品几乎涉及所有领域。医药工业常用于生产抗结核、抗糖尿病等药物，农药工业用于生产除草剂、植物生长调节剂、杀菌、杀虫和杀鼠等药物，化工工业用于合成各类发泡剂，锅炉和反应釜的脱氧和脱二氧化碳的清洗处理剂，军工行业常用于生产火箭推进剂、橡胶助剂和燃料电池等。在我国由于生产价格昂贵，生产规模难以扩大，水合肼的应用在一定程度上受到了限制。因此，改进生产工艺，寻求经济实用的生产技术一直是人们研究的重点。

目前，水合肼的生产工艺路线主要有四种。第一种为拉希法，是工业中生产肼的古老方法，以氨为原料，经次氯酸钠氧化生成肼。拉希法合成肼的反应大致分两步进行，反应式如下：

NH₃+NaClO→NH₂Cl+NaOH

NH₂Cl+NaOH+NH₃→N₂H₄H₂O+NaCl

由氯胺和氨在碱性条件下转化为肼这一步反应较慢，需在130～200℃和加压下进行。在实际生产中，还存在副反应，即生成的肼会进一步被氯胺氧化，生成氯化铵和氮气，反应式如下：

N₂H₄H₂O+2NH₂Cl→2NH₄Cl+N₂

为降低副反应，氨通常过量，致使产品肼在反应液中浓度较低，导致大量氨水需要分离和循环，使产品肼的蒸馏浓缩消耗更多蒸汽。该法由于肼收率低、生产成本高，现基本被淘汰。

第二种是尿素氧化法，由尿素水溶液与次氯酸钠、烧碱在催化剂作用下，反应生成水合肼。它是拉希法的一种改进，其特点是用尿素代替氨作氮源，由此避免了大量氨循环。反应式如下：

(NH₂)₂CO+NaOCl+2NaOH→N₂H₄+NaCl+Na₂CO₃+H₂O

在该法中，水合肼是尿素被次氯酸钠氧化所得。由于反应物次氯酸钠是强氧化剂、生成物是强还原剂，在反应过程中存在水合肼被次氯酸钠氧化的下列副反应：

N₂H₄·H₂O+2NaClO→2NaCl+N₂+3H₂O

这个副反应很激烈。当配料或操作不当时会发生喷料事故，尿素氧化法是与拉西法同时发展起来的，此法过程简单，均系常压设备，方法成熟，收率较高。虽然脲法合成收率比拉西法高，但仍仅72％，所得合成液中肼含量仍然非常低，且原料尿素价格昂贵，间歇生产，生产能力低，只适合于小规模生产。但由于工艺特别简单，投资又省，国内仍采用此法。

第三种方法是由氯气或次氯酸钠法氧化制得酮连氮，该法首先由德国拜耳公司提出，是氨在脂肪酮的存在下，用氯或次氯酸钠氧化，生成酮连氮、腙或异腙，当酮过量时，腙和异腙可转化成酮连氮，这些中间体在高压下水解生成水合肼。反应式如下：

该法在制肼技术上有了质的突破，但是由于原料仍旧采用氯产品，因此在技术上始终存在产品肼易被氧化和反应介质具有腐蚀性强的缺点；在经济上存在产品分离困难和产生大量副产物的缺点。

第四种方法是过氧化氢法氧化制酮连氮，合成工艺是酮在腈催化剂存在下，以氨和过氧化氢为原料在液相进行反应，得到酮连氮，酮连氮水解得到酮和水合肼。反应式如下：

过氧化氢法以过氧化氢作氧化剂，巧妙的避开了氯，是水合肼生产技术的一大突破。过氧化氢法收率很高，可达90％以上。

1999年，中国专利(CN1242339)利用过氧化氢法，在含有催化剂的工作溶液中，加入氨、过氧化氢和甲基乙基酮反应合成酮连氮。将反应体系中的混合物分离成酮连氮层和工作液层，并从分出的酮连氮层中回收未反应的甲基乙基酮再用于制取酮连氮。将酮连氮水解制取水合肼，并再次回收甲基乙基酮。专利中叙述的过氧化氢法是用过氧化氢、氨和酮，在含有乙酰胺和磷酸钠的水溶液中合成酮连氮。但是，该法在合成酮连氮时，副反应生成的杂质随未反应的酮一起回收再用，由于杂质的积累使合成酮连氮的收率逐渐降低，造成产品分离困难。

本发明申请人在2005年申请的发明专利(甲基乙基酮连氮的合成方法，ZL200510050388.7)中采用离子液体作为工作液，反应在均相中进行，能高收率地得到丁酮连氮，对传统的工艺技术进行了改进。但是，使用离子液体使生产成本提高，又为酮连氮的制备提出了新的问题需要解决。

(三)发明内容

本发明目的是提供一种反应条件温和、收率高的酮连氮的绿色合成方法。

在本发明中，利用聚乙二醇替代离子液体进行酮连氮的合成研究。这是一项绿色化学技术，目前尚未见报道。

本发明采用的技术方案是：

一种结构如式(I)所示的酮连氮的绿色合成方法，所述的方法包括：氨、过氧化氢、式(II)所示的酮在含有催化剂和聚乙二醇的反应体系中，于10～100℃下进行合成反应，反应结束，反应液经分离纯化得到所述的酮连氮。

式(I)、(II)中，R₁、R₂各自独立为C1～C10的烷基、未取代或被卤素或C1～C4烷基取代的苯基，R₁、R₂同为烷基时，R₁、R₂也可与R₁、R₂所同时连接的碳原子组成C3～C21的碳环。

所述分离纯化方法可为：反应结束后，将水相和有机相分离，有机相经蒸馏后，采用减压蒸馏和重结晶的纯化方法得到酮连氮产物。

优选的，所述聚乙二醇为：PEG400，PEG800，PEG1000，PEG1000，PEG2000或PEG6000。

所述催化剂为下列之一或其中两种或两种以上的混合物：酰胺、亚胺、胺盐、砷化合物、腈。所述的酰胺或亚胺可选用氰乙酰胺、甲酰胺、氯乙酰胺、溴乙酰胺、二氯乙酸胺、三氯乙酰胺、三氟乙酰胺、α-氯丙酰胺、β-氯丙酰胺、α，α-二氯丙酰胺、α，β-二氯丙酰胺、α-溴丙酰胺、β-溴丙酰胺、α，β-二溴丙酰胺、α-氯异丁酸胺、全氟丁酰胺、乙二醇酰胺、乳酸酰胺、β-羟基丙酰胺、甘油胺、α-羟基-β-氯丙酰胺、苯基乙酰胺、氯苯基乙酰胺、溴苯基乙酰胺、氟苯基乙酰胺、硝基苯乙酰胺、2，4-二硝基苯乙酰胺、二苯基乙酰胺、苯胺、o-甲苯胺、m-甲苯胺、氯苯胺、溴苯胺、氟苯胺、碘苯胺、五氯苯胺、五氟苯胺、硝基苯胺、o-硝基-o′-甲基苯胺、m-羟基苯胺、p-羟基苯胺、m-甲氧基苯胺、m-甲氧基苯胺以及草酸、甲基乙基马来酸、二乙基马来酸、丁二酸、α-二氯戊二酸、α-羟基己二酸、柠檬酸、乌头二酸、柠康酸、o-苯二酸、异苯二酸、对苯二酸、三苯六羧酸、焦苯六羧酸、四氯-o-苯酸等的酰胺、二胺和亚胺，优选为氰乙酰胺、甲酰胺、乙酰胺、氯乙酰胺、溴乙酰胺、丙酰胺，更优选为乙酰胺。所述的胺盐可选用甲酸盐、乙酸盐、一氯乙酸盐和丙酸盐。所述的砷化合物可选用甲基胂酸、苯基胂酸和二甲胂酸。所述的腈可选用乙腈和丙腈，优选为乙腈。

优选的，所述催化剂为下列之一或其混合物：乙酰胺、乙腈。

所述过氧化氢可用工业品，如质量含量10～90％的H₂O₂水溶液，为增加过氧化氢在反应体系中的稳定性，所述反应体系中可添加过常规的一种或多种过氧化氢稳定剂。所述的稳定剂如磷酸、焦磷酸、次氮基三乙酸、乙二胺四乙酸或这些酸的胺盐或碱金属盐和胂酸盐、亚磷酸盐、聚磷酸盐、磷酸氢盐、锡酸盐、锑酸盐、胺磺酸盐或其(C₁～C₅)饱和烷基酯，优选为磷酸盐，更优选为六偏磷酸钠。所述过氧化氢稳定剂在反应体系中的浓度为10～1000ppm，优选为50～250ppm。

优选的，所述过氧化氢稳定剂为六偏磷酸钠，所述六偏磷酸钠在反应体系中的浓度为50～250ppm。

优选的，所述过氧化氢、酮、氨、聚乙二醇、催化剂投料物质的量之比为1∶0.2～5∶1～10∶0.0001～0.1∶1～8。优选的，所述催化剂为乙酰胺和乙腈的混合物，所述过氧化氢、乙酰胺、乙腈投料物质的量之比为1∶1～4∶1～4。

所述的合成反应温度优选为10～70℃；反应时间优选为1～8小时，更优选为7～8小时。

所述过氧化氢、酮、氨、聚乙二醇、催化剂投料物质的量之比为1∶1.5～4∶1.5～4∶0.001～0.01∶2.3～5，反应温度为10～70℃，反应时间为7～8小时。

当催化剂选用乙腈和乙酰胺的混合物时，过氧化氢和乙腈的投料摩尔比优选为1∶1～4，更优选为1.5∶3.5；过氧化氢和乙酰胺的投料摩尔比优选为1∶0.5～2.5，更优选为1∶0.8～1.5。

当选用乙腈和乙酰胺的混合物作为催化剂时，本发明推荐的投料顺序为：乙酰胺、乙腈、聚乙二醇、六偏磷酸钠、酮可以任意顺序加入，最后氨水和过氧化氢分批滴加。

优选的，所述方法如下：将式(II)所示的酮、聚乙二醇、六偏磷酸钠、乙酰胺和乙腈投入反应器中，滴加20～30％的氨水和30～50％的过氧化氢溶液，于10～100℃下进行合成反应，反应结束，分离有机相，有机相蒸馏分出溶剂，再经减压蒸馏、重结晶得所述酮连氮；所述过氧化氢、式(II)所示的酮、氨水、聚乙二醇、六偏磷酸钠、乙酰胺和乙腈投料物质的量之比为1∶1.5～4∶1.5～4∶0.001～0.01∶0.001～0.01∶0.8～1.5∶1.8～2.5。

本发明所述的酮连氮绿色合成方法的有益效果主要体现在：

(1)使用的聚乙二醇具有好的热稳定性、不挥发、不易燃、无毒、生物可降解、廉价易得，以及易于回收和循环使用。

(2)反应中有机相中的乙腈和未反应的酮以及水相中的催化剂和未反应的氨水可以回收利用。

(四)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇6000(1g，0.0002mol)，丁酮(36mL，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在40℃搅拌8小时，用分液漏斗分离，分出有机层，蒸馏得甲乙酮连氮(I-1)10.03克，收率(以过氧化氢计)为71.7％。

实施例2：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇6000(1g，0.0002mol)，丙酮(29.5mL，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在40℃搅拌8小时，在冰水浴下加入氢氧化钠固体直至饱和，期间保持温度不超过30℃，静置溶液分层，用分液漏斗分离，分出有机层，蒸馏得丙酮连氮(I-2)8.46克，收率(以过氧化氢计)为75.6％。

实施例3：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇400(1g，0.0025mol)，丁酮(36mL，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在70℃搅拌5小时，用分液漏斗分离，分出有机层，蒸馏得甲乙酮连氮11.28克，收率(以过氧化氢计)为80.6％。

实施例4：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇800(1.6g，0.002mol)，丁酮(36mL，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在10℃搅拌8小时，用分液漏斗分离，分出有机层，蒸馏得甲乙酮连氮10.73克，收率(以过氧化氢计)为76.7％。

实施例5：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇1000(2g，0.0002mol)，环己酮(39.2g，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在40℃搅拌8小时，用分液漏斗分离，分出有机层，蒸馏得环己酮连氮(I-3)14.45克，收率(以过氧化氢计)为75.3％。

实施例6：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇6000(6g，0.001mol)，二苯甲酮(72.8g，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在40℃搅拌8小时，用分液漏斗分离，分出有机层，重结晶得二苯甲酮连氮12.51克，二苯甲酮连氮(I-4)的收率(以过氧化氢计)为69.5％。

实施例7：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇6000(6g，0.001mol)，4，4′-二甲基二苯甲酮(84g，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在40℃搅拌8小时，用分液漏斗分离，分出有机层，重结晶得4，4′-二甲基二苯甲酮连氮(I-5)33.06克，收率(以过氧化氢计)为66.4％。

实施例8：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇6000(6g，0.001mol)，4，4′-二氯二苯甲酮(100.4g，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在40℃搅拌8小时，用分液漏斗分离，分出有机层，重结晶得4，4′-二氯二苯甲酮连氮(I-6)36.65克，收率(以过氧化氢计)为73.6％。

实施例9：

在装有温度计和冷凝管的100mL三口圆底烧瓶中依次加入乙酰胺(5.9g，0.1mol)、六偏磷酸钠(0.3g，0.0005mol)，乙腈(10.5mL，0.20mol)、聚乙二醇6000(6g，0.001mol)，二苄基酮(84g，0.40mol)，滴加25％(w/w)氨水(18.0mL，0.20mol)，30％(w/w)的过氧化氢(10.22mL，0.10mol)，在40℃搅拌6小时，用分液漏斗分离，分出有机层，重结晶得二苄基酮连氮(I-7)25.95克，收率(以过氧化氢计)为62.4％。

Claims

1.一种结构如式(I)所示的酮连氮的绿色合成方法，所述的方法包括：氨、过氧化氢、式(II)所示的酮在含有催化剂和聚乙二醇的反应体系中，于10～100℃下进行合成反应，反应结束，反应液经分离纯化得到所述的酮连氮；

式(I)、(II)中：

R₁、R₂各自独立为C1～C10的烷基、未取代或被卤素或C1～C4烷基取代的苯基，或者R₁、R₂同为烷基，且与R₁、R₂所同时连接的碳原子组成C3～C21的碳环。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述聚乙二醇为：PEG400，PEG800，PEG1000，PEG2000或PEG6000。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述催化剂为下列之一或其中两种或两种以上的混合物：酰胺、亚胺、胺盐、砷化合物、腈。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述催化剂为下列之一或其混合物：乙酰胺、乙腈。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反应体系中还添加有过氧化氢稳定剂，所述过氧化氢稳定剂在反应体系中的浓度为10～1000ppm。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述过氧化氢稳定剂为六偏磷酸钠，所述六偏磷酸钠在反应体系中的浓度为50～250ppm。

7.如权利要求1～6之一所述的方法，其特征在于所述过氧化氢、酮、氨、聚乙二醇、催化剂投料物质的量之比为1∶0.2～5∶1～10∶0.0001～0.1∶1～8。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述过氧化氢、酮、氨、聚乙二醇、催化剂投料物质的量之比为1∶1.5～4∶1.5～4∶0.001～0.01∶2.3～5，反应温度为10～70℃，反应时间为7～8小时。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述催化剂为乙酰胺和乙腈的混合物，所述过氧化氢、乙酰胺、乙腈投料物质的量之比为1∶1～4∶1～4。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法如下：将式(II)所示的酮、聚乙二醇、六偏磷酸钠、乙酰胺和乙腈投入反应器中，滴加20～30％的氨水和30～50％的过氧化氢溶液，于10～100℃下进行合成反应，反应结束，分离有机相，有机相蒸馏分出溶剂，再经减压蒸馏、重结晶得到所述的酮连氮；所述过氧化氢、式(II)所示的酮、氨水、聚乙二醇、六偏磷酸钠、乙酰胺和乙腈投料物质的量之比为1∶1.5～4∶1.5～4∶0.001～0.01∶0.001～0.01∶0.8～1.5∶1.8～2.5。