CN102924287A

CN102924287A - 氮杂季碳伯胺的合成工艺

Info

Publication number: CN102924287A
Application number: CN2012104245687A
Authority: CN
Inventors: 周新锐; 冯烈; 陈洁; 陈云斌; 金雅琴; 马娥
Original assignee: ZHEJIANG JIANYE CHEMICAL CO Ltd; Dalian University of Technology
Current assignee: ZHEJIANG JIANYE CHEMICAL CO Ltd; Dalian University of Technology
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN102924287B

Abstract

本发明属于精细有机合成领域，涉及一种氮杂季碳伯胺的合成工艺，以叔醇和尿素为原料，在苯乙烯系酸性树脂的催化作用下，经中间体叔脲碱解合成氮杂季碳伯胺化合物；催化剂为苯乙烯系酸性树脂；叔醇具有下述通式结构

，其中R₁ = R₂ = R₃ = C_nH_2n+1或 R₁ = R₂ = R₃ = RC₆H₄, 式中R = H或C_mH_2m+1，n = m = 1 ~ 5；叔醇和尿素的摩尔比为10 ～ 1：1，苯乙烯系磺酸树脂与叔醇质量比为0.1 ～ 1：1；反应温度为20 ℃ ~ 150 ℃，优选范围为70 ℃ ~ 120 ℃，反应时间为20 h ~ 35 h；反应后生成的叔脲经包括碱脱附在内的三滤三回收的后处理，再经碱解、精馏，生成高纯度的氮杂季碳伯胺化合物；本发明原料易得，反应条件温和，过程绿色环保，原料和催化剂可回收利用，产物氮杂季碳伯胺化合物的收率较高。

Description

氮杂季碳伯胺的合成工艺

技术领域

本发明属于精细有机合成领域，涉及一种以叔醇为原料，在苯乙烯系酸性树脂的催化作用下，经叔脲碱解合成氮杂季碳伯胺化合物的整体工艺。工艺中反应类型的选择，相关促进与钝化因素的科学协调，以及细致的后处理设计，保证了整体过程原子利用经济合理，反应条件温和，原料与催化剂易回收，催化剂循环利用，该工艺已具备工业化的先决技术条件。

背景技术

氮杂季碳伯胺化合物在化学结构上含有季碳原子，季碳原子周围相连原子中有一个为N原子，如叔丁胺、叔戊胺等。氮杂季碳伯胺化合物是化学工业生产的基础原料，尤其在医药、农药、染料的中间体和橡胶促进剂等精细化工领域有广泛的应用。然而，由于其分子结构特殊性，常规的合成方式不适合其制备，如烯烃的催化氨化。这是因为氨气和烯烃都是富电子的亲核试剂，相互排斥，二者的加成非常困难。强迫反应需要非常苛刻的反应条件。即使在高温高压和催化剂条件下，转化率依然很低 [Ma, H., Huo, W. Z., “Synthesis of tert-butylamine by direct amination of iso-butene”, Petrochemical Technology (Chinese), 34 (8), 766 - 769 (2005); U. S. Pat., 20110009671 A1, (2011)]。氮杂季碳伯胺化合物特征选择性合成目前还限于微有机的探讨阶段[Bloch, R., “Additions of organometallic reagents to C=N bonds: reactivity and selectivity”, Chem. Rev., 98 (4), 1407 - 1438 (1998)]，无法满足越来越多的工业需求。在93 % H₂SO₄溶液中，叔丁醇和尿素缩合反应可制得叔丁脲，叔丁脲碱解后得到叔丁胺 [Organic Syntheses Collective Volume 3.tert-butylamine, 149 - 156]，该类方法原料廉价、条件非常温和、设备投入少，工艺启动灵活，非常适合叔丁胺类精化产品的生产，然而此类技术前期发表文献与专利中普遍采用大量浓硫酸为催化剂和溶剂，严重腐蚀设备。这些浓硫酸反应后要中和掉，以获得的产品叔丁脲，此过程极剧放热，伴随大量副产物生成。因此，浓硫酸降低了该工艺的整体优势，如能用其它固体酸代替硫酸，该工艺将发挥出其工业化的巨大潜力。日本专利JP 06087818关于烷基胺前驱体N-烷基脲的合成中所述：在强酸性离子树脂的作用下，尿素与叔醇反应合成烷基胺的前驱体N-烷基脲。但专利中并没有至为关键的后处理设计，致使产品叔丁脲最大收率仅为3.6 %；该专利也未涉及后续氮杂季碳伯胺的制备方法。这样低的收率将导致原料传质过重与经济损失过大，使其不具备工业的实用性，更不适合作为氮杂季碳伯胺化合物合成的前驱体技术。其它专利中叔丁胺的合成方法或采用浓硫酸催化[中国专利200510044322.7,(2006)]，对设备腐蚀性大；或采用HCN为原料[中国专利200710016829.0,(2008)]，毒性大，生产成本高，对设备密封性要求高，不适合国内工业化生产。

本发明设计并实施了以尿素为氨基化剂，叔醇为烷基化剂，在苯乙烯系酸性树脂的催化作用下，经叔脲的催化合成、包含碱脱附在内的三滤三回收的后处理，叔脲碱解，合成氮杂季碳伯胺化合物的整体工艺路线。重点通过包括碱脱附在内的三滤三回收的方法，解决光谱检测发现叔脲在苯乙烯系酸性树脂上的化学吸附问题，使得叔丁脲的收率达到23.6 wt %，叔丁胺的收率为18.4 wt %，该收率超过最新报道的在苛刻条件下、或在贵金属催化下反应的收率[U. S. Pat., 20110009671 A1, (2011), European Pat., 1289925 B1]。同时两种原料和催化剂都得到有效回收，可循环使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是一种氮杂季碳伯胺的合成工艺，目的在于提供一种以叔醇和尿素为原料，在苯乙烯系酸性树脂的催化作用下，经叔脲的催化合成、包含碱脱附在内的三滤三回收的后处理，叔脲碱解，合成氮杂季碳伯胺化合物的整体工艺路线。原料、催化剂可回收，循环利用，过程绿色环保，产物氮杂季碳伯胺收率较高。

本发明的技术方案如下：

一种氮杂季碳伯胺的合成工艺，包括中间体叔脲的合成和碱解过程；中间体叔脲的合成如下，采用苯乙烯系酸性树脂为催化剂，常压下将叔醇、尿素和苯乙烯系酸性树脂混合进行反应，反应温度为20 ℃ ~ 150 ℃，优选反应温度为70 ℃ ~ 120 ℃，回流20 h ~ 35 h；反应后生成的叔脲经包括碱脱附在内的三滤三回收的后处理，生成的叔脲，再经碱解、精馏，生成高纯度的氮杂季碳伯胺化合物。其中，叔醇和尿素的摩尔比为10～1：1，苯乙烯系磺酸树脂与叔醇质量比为0.1 ～1：1。碱脱附在内的三滤三回收过程如下：

（1）一滤一回收：中间体叔脲的合成反应结束，趁热抽滤，得到滤液1和吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂。

（2）二滤二回收：滤液1减压蒸馏，回收叔醇，同时得到固体1；而吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂进行碱脱附，置于强碱的水溶液中，加热至20 ℃ ~ 120 ℃，再趁热抽滤回收苯乙烯系磺酸树脂，并得滤液2；

（3）三滤三回收：合并滤液2和固体1，经重结晶和抽滤，得到固体叔脲和滤液3；滤液3经浓缩蒸干，回收尿素。

苯乙烯系酸性树脂可以采用是苯乙烯系磺酸树脂。

上述的叔醇具有下述通式结构，其中R₁ = R₂ = R₃ = C_nH_2n+1或 R₁ = R₂ = R₃ = RC₆H₄, R = H或C_mH_2m+1，n = m = 1 ~ 5；

上述的碱为MOH、M2CO₃、RCOOM时，M = K、Na或Li, R =H,或CnH2n+1, n = 1 ~ 3；

上述的碱为M(OH)₂、MCO₃, (RCOO)₂M时，M = Mg, Ca，R = H, CnH2n+1, n = 1 ~ 3。

本发明的效果和益处是原料易得，反应条件温和，过程绿色环保，原料和催化剂可回收再利用；产物氮杂季碳伯胺化合物收率较高。

附图说明

附图为本发明的三滤三回收及叔脲碱解流程示意图。

具体实施方式

在配有冷凝管、搅拌器和恒温加热系统的反应器内，按定量比加入叔醇、尿素和苯乙烯系磺酸树脂, 在20 ℃ ~ 150 ℃恒温下，连续搅拌反应20 h ~ 35 h。反应结束趁热抽滤，并用热的原料叔醇冲洗，得吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂和滤液1。滤液1减压蒸馏回收原料叔醇，同时得到固体1；吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂置于干净容器内，加蒸馏水，用1 mol/L NaOH 溶液调节pH至7，加热至沸并保持沸腾20 min，趁热抽滤，并用沸水冲洗，回收苯乙烯系磺酸树脂，并得滤液2。将滤液2与固体1合并，减压蒸馏至有少量晶体析出，再置于5 ℃以下冰水浴重结晶，抽滤得固体叔脲和滤液3；滤液3经减压蒸馏回收尿素。

在配有冷凝管、精馏管、搅拌器、恒温加热系统的反应器内，依次加入乙二醇、水、强碱固体和叔脲，混合物回流4 h。烧瓶冷却，转蒸馏装置，接收瓶置于冰水浴中，收集氮杂季碳伯胺馏分。

具体实施例如下：

（1）叔丁胺的制备

方法A：将2.4 g 尿素、18 g 叔丁醇以及10 g 苯乙烯系磺酸树脂加入到50 mL 三口烧瓶中，置上冷凝管，70 ℃恒温磁力搅拌25 h。

反应结束趁热抽滤，并用5 mL×2热的叔丁醇冲洗，得吸附叔丁脲的苯乙烯系磺酸树脂和滤液1，滤液1减压蒸馏回收叔丁醇，同时得到淡黄色片状固体1。吸附叔丁脲的苯乙烯系磺酸树脂置于100 mL 烧杯，加30 mL 蒸馏水，用1 mol/L NaOH 溶液调节pH至7，加热至沸并保持沸腾20 min，趁热抽滤，并用20 mL×2沸水冲洗，回收苯乙烯系磺酸树脂，并得滤液2。将该滤液2与固体1合并，在60 ℃减压蒸馏，及至有少量晶体析出，再置于5 ℃以下冰水浴重结晶，抽滤得固体叔丁脲和滤液3，滤液3减压蒸馏回收尿素。叔丁脲收率为23.6 wt %。

将6 g 的NaOH固体溶解于7.5 g 水，装入100 mL 的圆底烧瓶中，依次加入7 g 叔丁脲和23 g 乙二醇，安装冷凝管，混合物回流4 h。烧瓶冷却，转蒸馏装置，接收瓶置于冰水浴中，收集42 ℃ ~ 60 ℃馏分。GC-FID气相色谱显示叔丁胺纯度为98 %，碱解收率为78.0 %。

方法B：将2.4 g 尿素、18 g 叔丁醇以及10 g 苯乙烯系磺酸树脂加入到50 mL 三口烧瓶中，置上冷凝管，70 ℃恒温磁力搅拌25 h。

反应结束趁热抽滤，并用5 mL×2热的叔丁醇冲洗，得吸附叔丁脲的苯乙烯系磺酸树脂和滤液1，滤液1减压蒸馏回收叔丁醇，同时得到淡黄色片状固体1。吸附叔丁脲的苯乙烯系磺酸树脂置于100 mL 烧杯，加30 mL 蒸馏水，用1 mol/L K₂CO₃ 溶液调节pH至7，加热至沸并保持沸腾20 min，趁热抽滤，并用20 mL×2沸水冲洗，回收苯乙烯系磺酸树脂，并得滤液2。将该滤液2与固体1合并，在60 ℃减压蒸馏，及至有少量晶体析出，再置于5 ℃以下冰水浴重结晶，抽滤得固体叔丁脲和滤液3，滤液3减压蒸馏回收尿素。叔丁脲收率为22.4 wt %。

将6 g 的NaOH固体溶解于7.5 g 水，装入100 mL 的圆底烧瓶中，依次加入7 g 叔丁脲和23 g 乙二醇，安装冷凝管，混合物回流4 h。烧瓶冷却，转蒸馏装置，接收瓶置于冰水浴中，收集42 ℃ ~ 60 ℃馏分。GC-FID气相色谱显示叔丁胺纯度为98 %，碱解收率为78.5 %。

（2）2-甲基-1-苯基-2-丙胺的制备

方法A：将2.4 g 尿素，24 g 2-甲基-1-苯基-2-丙醇以及10 g 苯乙烯系磺酸树脂加入到50 mL 三口烧瓶中，磁力搅拌，90 ℃恒温25 h。反应结束趁热抽滤，并用5 mL×2热的2-甲基-1-苯基-2-丙醇的冲洗，得吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂和滤液1，滤液1减压蒸馏回收2-甲基-1-苯基-2-丙醇，同时得到固体1。吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂置于100 mL烧杯，加30 mL蒸馏水，加热至沸用1 mol/KOH 溶液调节pH至7，并保持沸腾20 min，趁热抽滤，并用20 mL×2沸水冲洗，回收苯乙烯系磺酸树脂，并得滤液2。将该滤液2与固体1合并，在120 ℃减压蒸馏，及至有少量晶体析出，再置于5 ℃以下冰水浴重结晶，抽滤得固体叔脲和滤液3，滤液3经减压蒸馏回收尿素。产品叔脲的收率为20.7 wt %

将6 g 的NaOH固体溶解于7.5 g 水，装入100 mL 的圆底烧瓶中，依次加入7 g 2-甲基-1-苯基-2-丙基脲和23 g 乙二醇，安装冷凝管，混合物回流4 h。烧瓶冷却，转减压蒸馏装置，接收瓶置于冰水浴中，收集80 ℃ ~ 90 ℃馏分。HPLC液相色谱显示2-甲基-1-苯基-2-丙胺的纯度为98 %，碱解收率为85.4 %。

方法B：将2.4 g 尿素，24 g 2-甲基-1-苯基-2-丙醇以及10 g 苯乙烯系磺酸树脂加入到50 mL 三口烧瓶中，磁力搅拌，120 ℃恒温35 h。反应结束趁热抽滤，并用5 mL×2热的2-甲基-1-苯基-2-丙醇的冲洗，得吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂和滤液1，滤液1减压蒸馏回收2-甲基-1-苯基-2-丙醇，同时得到固体1。吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂置于100 mL烧杯，加30 mL蒸馏水，加热至沸用1 mol/KOH 溶液调节pH至7，并保持沸腾20 min，趁热抽滤，并用20 mL×2沸水冲洗，回收苯乙烯系磺酸树脂，并得滤液2。将该滤液2与固体1合并，在120 ℃减压蒸馏，及至有少量晶体析出，再置于5 ℃以下冰水浴重结晶，抽滤得固体叔脲和滤液3，滤液3经减压蒸馏回收尿素。产品叔脲的收率为21.9 wt %.

将6 g 的NaOH固体溶解于7.5 g 水，装入100 mL 的圆底烧瓶中，依次加入7 g 2-甲基 -1-苯基-2-丙基脲和23 g 乙二醇，安装冷凝管，混合物回流4 h。烧瓶冷却，转减压蒸馏装置，接收瓶置于冰水浴中，收集80 ℃ ~ 90 ℃馏分。HPLC液相色谱显示2-甲基-1-苯基-2-丙胺的纯度为98 %，碱解收率为83.7 %。与其他专利的效果见下表：

Claims

1.一种氮杂季碳伯胺的合成工艺，包括中间体叔脲的合成和碱解过程；其特征在于，采用苯乙烯系酸性树脂为催化剂，常压下将叔醇、尿素和苯乙烯系酸性树脂混合进行反应，反应温度为20 ℃ ~ 150 ℃，回流20 h ~ 35 h；反应后生成的叔脲经包括碱脱附在内的三滤三回收的后处理，再经碱解、精馏，生成高纯度的氮杂季碳伯胺；

叔醇和尿素的摩尔比为10～1：1，苯乙烯系磺酸树脂与叔醇质量比为0.1 ～1：1；

所述的包括碱脱附在内的三滤三回收过程如下：

（1）一滤一回收：中间体叔脲的合成反应结束，趁热抽滤，得到滤液1和吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂；

（2）二滤二回收：将滤液1减压蒸馏，回收叔醇，同时得到固体1；将吸附叔脲的苯乙烯系磺酸树脂进行碱脱附，置于强碱的水溶液中，加热至20 ℃ ~ 120 ℃，再趁热抽滤回收苯乙烯系磺酸树脂，并得滤液2；

2.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，所述的苯乙烯系酸性树脂是苯乙烯系磺酸树脂。

3.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，所述的叔醇具有下述通式结构

，其中R₁ = R₂ = R₃ = C_nH_2n+1或 R₁ = R₂ = R₃= RC₆H₄, 式中R = H或C_mH_2m+1，n = m = 1 ~ 5。

4.根据权利要求要求1所述的合成工艺，其特征在于，所述的碱为MOH、M₂CO₃、RCOOM、M(OH)₂、MCO₃或(RCOO)₂M；

碱为MOH、M₂CO₃或RCOOM时， M = K、Na或Li, R =H,或C_nH_2n+1, n = 1 ~ 3；

碱为M(OH)₂、MCO₃, (RCOO)₂M时，M = Mg, Ca，R = H, C_nH_2n+1, n = 1 ~ 3。

5.根据权利要求1-4任一所述的合成工艺，其特征在于，叔脲的合成反应中，反应温度为70 ℃ ~ 120 ℃。

6.根据权利要求1-4任一所述的合成工艺，其特征在于，二滤二回收中的加热温度为90 ℃ ~ 100 ℃。