CN101817764B

CN101817764B - 链状尿素衍生物、环状尿素衍生物及噁唑烷酮的制备方法

Info

Publication number: CN101817764B
Application number: CN 201010182695
Authority: CN
Inventors: 赵凤玉; 吴超勇; 程海洋; 于彦存; 刘瑞霞; 王强; 郝裕芬
Original assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: CN101817764A

Abstract

本发明提供一种链状尿素衍生物的制备方法，包括：将具有式(I)结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器中进行反应，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，反应温度为150℃～200℃，CO₂压力为4MPa～20MPa，得到尿素衍生物，其中R₁为氢、烷基或芳基，R₂为烷基或芳基。本发明还提供一种环状尿素衍生物和一种噁唑烷酮的制备方法。采用上述方法在制备过程中无需添加催化剂和溶剂，产物产率高，制备成本低，且未参加反应的反应物易于分离，可循环利用。R₁-NH-R₂(I)

Description

链状尿素衍生物、环状尿素衍生物及噁唑烷酮的制备方法

技术领域

本发明涉及化工领域，特别涉及链状尿素衍生物、环状尿素衍生物及噁唑烷酮的制备方法。

背景技术

尿素衍生物是指含有尿素基本结构单元的一类有机化合物，即在尿素分子的氮原子上含有取代基的化合物，包括结构如(Ⅳ)所示的链状尿素衍生物，和结构如(Ⅴ)所示的环状尿素衍生物，其中R₁、R₂、R₃、R₄为氢、烷基或芳基，n为1或2。尿素衍生物在医药、农业等领域均有重要应用，例如：具有不对称结构的尿素衍生物是一种潜在的HIV-1蛋白酶抑制剂，对于变异和未变异基因均具有显著疗效；磺酰脲是临床常用的一类口服降糖药，对于多数Ⅱ型糖尿病患者具有显著疗效；一些尿素衍生物对于细菌和真菌具有显著的抑制作用，可以用来杀死细菌、病毒等，因此尿素衍生物经常被用作医药中间体、肥料、杀虫剂、除草剂和防腐剂等。环状氨基甲酸酯，又名噁唑烷酮，它是具有式(Ⅵ)结构的化合物，其中R₁、R₂、R₃为氢、烷基或芳基，n为1或2。噁唑烷酮是重要的医药中间体，主要用于制备抗菌类药物。

尿素衍生物、噁唑烷酮，通常由以下五种方式制备：①胺类物质与CO₂反应生成尿素衍生物；②胺类物质与光气反应生成尿素衍生物；③胺类物质与异氰酸酯反应生成尿素衍生物；④胺类物质与CO在金属有机催化剂催化下反应生成尿素衍生物；⑤胺类物质与尿素或者碳酸酯反应生成尿素衍生物。由于方法②～④使用的原料毒性巨大，方法⑤使用的原料价格较昂贵，而方法①使用的CO₂廉价无毒大量易得，因此人们将研究兴趣转移到方法①制备尿素衍生物。但是现有的利用胺类物质与CO₂反应制备尿素衍生物的方法为了提高反应速率，反应过程中需加入1，8-二氮杂双环(5.4.0)十一-7-烯(DBU)、CsOH、Cs₂CO₃或[BMIm]OH等碱性催化剂，并要使用离子液体、N-甲基吡咯烷酮等有机溶剂，因此，制备成本较高；而且，由于上述催化剂和有机溶剂易溶于水，因此产物提纯工序通常是向反应结束后得到的混合物中加水后过滤，滤液中的有机溶剂和催化剂与水分离困难，需要消耗大量能量，造成资源浪费。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供链状及环状两种尿素衍生物的制备方法，以及一种噁唑烷酮的制备方法，采用上述方法在制备过程中无需添加催化剂和溶剂，产物产率高，制备成本低，且未参加反应的反应物易于分离，可循环利用。

本发明提供一种链状尿素衍生物的制备方法，包括：将具有式(Ⅰ)结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器中进行反应，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，反应温度为150℃～200℃，CO₂压力为4MPa～20MPa，得到尿素衍生物，

R₁-NH-R₂

(Ⅰ)

其中R₁为氢、烷基或芳基，R₂为烷基或芳基。

优选的，反应温度为160℃～190℃。

优选的，CO₂压力为6MPa～16MPa。

优选的，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.1～3∶1。

本发明提供一种环状尿素衍生物的制备方法，包括：将具有式(Ⅱ)结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器中进行反应，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，反应温度为150℃～200℃，CO₂压力为4MPa～20MPa，得到尿素衍生物，

其中R₁、R₂、R₃、R₄为氢、烷基或芳基，n＝1或2。

优选的，反应温度为160℃～190℃，CO₂压力为6MPa～16MPa。

优选的，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.1～3∶1。

本发明提供一种噁唑烷酮的制备方法，包括：

将具有式(Ⅲ)结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器中进行反应，胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，反应温度为150℃～200℃，CO₂压力为4MPa～20MPa，得到尿素衍生物，

其中R₁、R₂、R₃为氢、烷基或芳基，n＝1或2。

优选的，反应温度为160℃～190℃，CO₂压力为6MPa～16MPa。

优选的，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.1～3∶1。

本发明提供链状及环状两种尿素衍生物的制备方法以及一种噁唑烷酮的制备方法。在高温高压的密闭反应体系中，胺类物质首先与二氧化碳反应立即生成中间产物烷基氨基甲酸烷基铵盐，烷基氨基甲酸烷基铵盐再在高温高压条件下相互作用形成相应的尿素衍生物。其中，生成烷基氨基甲酸烷基铵盐的反应是一个可逆反应，反应过程中CO₂作用为：部分与胺类化合物进行反应，剩余的CO₂提供反应压力，促进反应向正反应方向进行。相对于现有的制备方法，本发明通过提高CO₂压力促进反应向正反应方向进行，提高中间产物的量，进而提高尿素衍生物的产率；本发明还提高了胺类化合物的用量，使胺类化合物在与CO₂接触的反应体系内过量，由于胺类化合物具有碱性，可以认为过量的胺类化合物自身作为催化剂加速烷基氨基甲酸烷基铵盐生成尿素衍生物这步反应，进而提高反应速率；同时本发明还提高了反应温度，也使得烷基氨基甲酸烷基铵盐生成尿素衍生物的这步反应速率进一步提高。因此，本发明通过提高胺类化合物的用量和反应温度提高反应速率，通过提高压力保证产物具有较高产率，进而达到无需向反应体系中添加催化剂和溶剂仍使反应速率较快且产物产率较高的效果，制备成本较低，产物提纯过程中只需将产物与胺类化合物进行分离，产物提纯工序简单，且分离得到胺类化合物可循环再利用，节约了资源。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种链状尿素衍生物的制备方法，包括：

将具有式(Ⅰ)结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器中进行反应，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，反应温度为150℃～200℃，CO₂压力为4MPa～20MPa，得到尿素衍生物，

R₁-NH-R₂

(Ⅰ)

其中R₁为H、烷基或芳基，R₂为烷基或芳基。

按照本发明，可以采用一种或多种胺类化合物为原料，反应式如下：

其中R₁和R₃为氢、烷基或芳基，R₂和R₄为烷基或芳基。当以一种胺类化合物为原料，即R₁和R₃为相同的取代基，R₂和R₄为相同的取代基，可制备出对称结构的尿素衍生物；当以多种胺类化合物为原料，可制备出不对称结构的尿素衍生物。上述R₁、R₂、R₃、R₄包括但不限于：氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、环丁基、正戊基、异戊基、环戊基、正己基、环己基、正辛基、叔辛基、壬基、葵基、十一烷基、十二烷基、十四烷基、十六烷基、十八烷基、烯丙基、甲氧乙基、苄基或苯乙基；上述芳基包括但不限于：苯基、对甲基苯基、对乙氧基苯基、萘基。

反应过程为：胺类化合物首先与二氧化碳反应立即生成中间产物烷基氨基甲酸烷基铵盐，以下称此步反应为第一步反应；烷基氨基甲酸烷基铵盐再在高温高压条件下相互作用形成相应的尿素衍生物，以下称此步反应为第二步反应。

反应过程中CO₂作用为：部分与胺类化合物进行反应，剩余的CO₂提供反应压力，促进反应向正反应方向进行。为了提高中间产物的产率，CO₂压力设为4MPa～20MPa，优选为6MPa～16MPa，提高CO₂的压力可促进第一步反应向正反应方向进行，但是压力过大对于增加产率效果不明显，且提高了反应能耗。

反应过程中，胺类化合物和CO₂的体积比为0.08～4∶1，优选为0.1～3∶1。提高胺类化合物的用量，使其在与CO₂接触的反应体系内过量，余量的胺类化合物在第二步反应中起催化作用，促进第二步反应的反应速率。

为了提高反应速率，设置反应温度为150℃～200℃，优选为160℃～190℃。由于第一步反应式是放热的可逆反应，因此反应温度若过高，则会促进第一步反应向逆反应方向进行，降低中间产物的产率，进而降低尿素衍生物的产率。

同时，还可向反应体系中加入水以增加产率，加入的水与胺类化合物的体积比为1∶3～5，加入水过多会造成产率下降。

本发明实施例还公开了一种环状尿素衍生物的制备方法，包括：将具有式(Ⅱ)结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器内进行反应，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，反应温度为150℃～200℃，CO₂压力为4MPa～20MPa，得到尿素衍生物，

其中R₁、R₂、R₃、R₄为氢、烷基或芳基，n＝1或2。

反应式如下：

其中，R₁、R₂、R₃、R₄包括但不限于：氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、环丁基、正戊基、异戊基、环戊基、正己基、环己基、正辛基、叔辛基、壬基、葵基、十一烷基、十二烷基、十四烷基、十六烷基、十八烷基、烯丙基、甲氧乙基、苄基或苯乙基；上述芳基包括但不限于：苯基、对甲基苯基、对乙氧基苯基、萘基。

此种制备方法与上一种制备方法的提高反应速率和提高产率的原理类似。胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，优选为0.1～3∶1；反应温度为150℃～200℃，优选为160℃～190℃；CO₂压力为4MPa～20MPa，优选为6MPa～16MPa，还可向反应体系中加入水以增加产率，加入的水与胺类化合物的体积比为1∶3～5，加入水过多会造成产率下降。按照此种方法可制备出环状的尿素衍生物。

本发明还提供一种噁唑烷酮的制备方法，包括：

将具有式(Ⅲ)结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器内进行反应，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，反应温度为150℃～200℃，CO₂压力为4MPa～20MPa，得到尿素衍生物，

其中R₁、R₂、R₃为氢、烷基或芳基，n＝1或2。

反应式如下：

其中，R₁、R₂、R₃包括但不限于：氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、环丁基、正戊基、异戊基、环戊基、正己基、环己基、正辛基、叔辛基、壬基、葵基、十一烷基、十二烷基、十四烷基、十六烷基、十八烷基、烯丙基、甲氧乙基、苄基或苯乙基；上述芳基包括但不限于：苯基、对甲基苯基、对乙氧基苯基、萘基。

此种制备方法与第一种制备方法的提高反应速率和提高产率的原理类似。胺类化合物与CO₂的体积比为0.08～4∶1，优选为0.1～3∶1；反应温度为150℃～200℃，优选为160℃～190℃；CO₂压力为4MPa～20MPa，优选为6MPa～16MPa，还可向反应体系中加入水以增加产率，加入的水与胺类化合物的体积比为1∶3～5，加入水过多会造成产率下降。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的尿素衍生物及噁唑烷酮的制备方法进行描述。

实施例1

向50ml反应釜体积中加入8ml正丁胺，通入二氧化碳气体至反应釜内压力为5MPa，反应温度170℃，反应24h后结束反应，将反应釜内的混合物进行蒸馏，得到产物N，N’-二正丁基尿素，产率71.5％，收集77℃的蒸馏物得到未反应的正丁胺。

实施例2

向250ml反应釜中加入180ml苯胺和5ml水，通入二氧化碳至反应釜内压力为18MPa，反应温度200℃，反应24h后结束反应，将反应釜内的混合物进行蒸馏，得到产物N，N’-二苯基尿素，产率77.5％，收集184℃的蒸馏物得到未反应的苯胺。

实施例3

向100ml反应釜中加入10ml正丁胺，15ml环己胺，通入二氧化碳气体至反应釜内压力为15MPa，反应温度170℃，反应10h后结束反应，将反应釜内的混合物在77℃和134℃进行蒸馏，得到产物N，N’-二正丁基尿素、N，N’-二环己基尿素和N-正丁基-N’-环己基尿素，产率分别为19.8％、23.5％、22.6％，分别收集77℃和134℃的蒸馏物得到未反应的正丁胺和环己胺。

实施例4

向500ml反应釜中加入50ml乙二胺，通入二氧化碳气体至反应釜内压力为10MPa，反应温度180℃，反应20h后结束反应，将反应釜内混合物进行蒸馏，得到产物2-咪唑啉酮，产率98.8％，收集116℃的蒸馏物，得到未反应的乙二胺。

实施例5

向100ml反应釜中加入30ml异丙醇胺，通入二氧化碳气体至反应釜内压力为15MPa，反应温度200℃，反应24h后结束反应，将反应釜内的混合物进行蒸馏，得到产物5-甲基2-噁唑烷酮，产率65.8％，收集160℃的蒸馏物，得到未反应的异丙醇胺。

比较例1

向6ml反应釜中加入0.5ml正丁胺、1.0ml N-甲基吡咯烷酮、0.05g[Bmim]OH，通入二氧化碳气体至反应釜压力为5.5MPa，反应温度在170℃，反应19h后结束反应，向反应釜内的混合物中加入水，过滤得到产物N，N’-二正丁基尿素，产率为59.1％。

由上述结果可知，采用本发明提供的方法制备尿素衍生物和噁唑烷酮，可以无需催化剂和溶剂仍使产物具有较高产率，且产物提纯工序简单，部分产物可循环再利用。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种链状尿素衍生物的制备方法，由以下步骤组成：

将具有式（Ⅰ）结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器中进行反应，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.08~4：1，反应温度为150℃~200℃，CO₂压力为4MPa~20MPa，得到链状尿素衍生物，

R₁-NH-R₂

（Ⅰ）

其中R₁为氢、烷基或芳基，R₂为烷基或芳基，所述烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、环丁基、正戊基、异戊基、环戊基、正己基、环己基、正辛基、叔辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十四烷基、十六烷基、十八烷基、烯丙基、甲氧乙基、苄基或苯乙基，所述芳基为苯基、对甲基苯基、对乙氧基苯基或萘基。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，反应温度为160℃~190℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，CO₂压力为6MPa~16MPa。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.1~3:1。

5.一种环状尿素衍生物的制备方法，由以下步骤组成：

将具有式（Ⅱ）结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器中进行反应，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.08~4：1，反应温度为150℃~200℃，CO₂压力为4MPa~20MPa，得到环状尿素衍生物，

其中R₁、R₂、R₃、R₄为氢、烷基或芳基，n=1或2，所述烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、环丁基、正戊基、异戊基、环戊基、正己基、环己基、正辛基、叔辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十四烷基、十六烷基、十八烷基、烯丙基、甲氧乙基、苄基或苯乙基，所述芳基为苯基、对甲基苯基、对乙氧基苯基或萘基。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，反应温度为160℃~190℃，CO₂压力为6MPa~16MPa。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.1~3:1。

8.一种噁唑烷酮的制备方法，由以下步骤组成：

将具有式（Ⅲ）结构的胺类化合物与过量CO₂在密闭的反应容器中进行反应，胺类化合物与CO₂的体积比为0.08~4：1，反应温度为150℃~200℃，CO₂压力为4MPa~20MPa，得到噁唑烷酮，

其中R₁、R₂、R₃为氢、烷基或芳基，n=1或2，所述烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、环丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、环丁基、正戊基、异戊基、环戊基、正己基、环己基、正辛基、叔辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十四烷基、十六烷基、十八烷基、烯丙基、甲氧乙基、苄基或苯乙基，所述芳基为苯基、对甲基苯基、对乙氧基苯基或萘基。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，反应温度为160℃~190℃，CO₂压力为6MPa~16MPa。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述胺类化合物与CO₂的体积比为0.1~3:1。