CN107501186A - 制备高纯度咪唑鎓盐的方法 - Google Patents

制备高纯度咪唑鎓盐的方法 Download PDF

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Abstract

本发明包括用于合成具有通式Q+A的高纯度盐的新方法,其中Q+;并且其中A

Description

制备高纯度咪唑鎓盐的方法
技术领域
本发明涉及一种制备高纯度咪唑鎓盐的方法。
背景技术
在用于建筑物或车辆的通风和调节的空调系统中,通常不仅必须将空气冷却,而且还要除湿,这是因为待冷却的空气通常具有使得当冷却至所需温度时跌破露点的高湿度。因此,在常规的空调系统中,将空气除湿占电力消耗的很大一部分。
减少用于建筑物的空调系统的电力消耗的一个选项是通过使用干燥介质吸附或吸收水来将空气除湿,并通过加热至重新解吸水的温度来将充满水的干燥介质再生。相比于固体吸附剂上的吸附,液体吸收介质中的吸收的优点在于可以在降低的设备复杂性的情况下用较少的干燥介质进行将空气干燥,以及使用太阳能热量将充满水的干燥介质再生更容易进行。
迄今为止,在商业空调系统中用作液体吸收介质的溴化锂、氯化锂或氯化钙的水溶液具有的缺点在于,它们对通常在空调系统中采用的结构的金属材料具有腐蚀性,因此它们需要使用昂贵的特殊结构材料。这些溶液还可能由于盐从吸收介质中结晶出来而产生问题。
在现有技术中,包含二烷基咪唑鎓离子的离子液体(如WO 2004/016631 A1中所述)已经被描述为锂盐的替代物用于类似的应用。
Y. Luo等人,Appl. Thermal Eng. 31 (2011) 2772-2777提出离子液体1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐代替溴化锂的水溶液用于将空气干燥。
Y. Luo等人,Solar Energy 86(2012)2718-2724提出离子液体1,3-二甲基咪唑鎓乙酸盐作为1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐的替代物用于将空气干燥。
US 2011/0247494 A1在段落[0145]中提出了使用三甲基铵乙酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑鎓乙酸盐作为液体干燥剂代替氯化锂水溶液。实施例3针对一系列其他离子液体比较了自潮湿空气的水吸收。
然而,包含二烷基咪唑鎓离子的离子液体的问题在于它们通常包含杂质,所述杂质在使用该离子液体对空气进行除湿时产生气味强烈或对健康有害的物质进入经除湿的空气。此外,已经发现,在从含有碱性阴离子(例如羧酸根离子)的离子液体中解吸水的过程中,形成气味强烈的分解产物,所述分解产物在随后使用该离子液体用于将空气除湿的情况下进入经除湿的空气。
因此,仍然需要不呈现出上述缺点的包含咪唑鎓离子的离子液体。因此,本发明要解决的问题是提供一种制备包含二烷基咪唑鎓离子的离子液体的方法,其中将挥发性化合物的水平降至最低。
发明内容
已经出乎意料地发现上述问题通过下文描述的方法得以解决。
因此,本发明提供了用于制备高纯度式(I)化合物:Q+A-的方法,
其中Q+
并且其中A-
所述方法包括:
a)使式(II)化合物与式(III)化合物反应得到包含式(I)化合物的粗产物,其中(II)和(III)是:
b)将水添加到来自步骤a)的式(I)的粗产物中,得到包含式(I)化合物的稀释的粗产物;
c)通过在30-180℃的范围内的温度T1和低于化合物(III)在温度T1下的饱和蒸气压的压力p1下蒸馏所述稀释的粗产物来从所述稀释的粗产物中至少部分除去步骤b)中添加的水,得到高纯度式(I)化合物;
其中:
R1、R2、R3各自独立地为氢或具有1-4个碳原子的烷基,
R4、R5、R6、R7各自独立地为具有1-4个碳原子的烷基。
在本发明的优选实施方案中,R1=R2=R3=氢,并且R4、R5、R6、R7各自独立地为甲基或乙基。
在本发明的更优选的实施方案中,R1=R2=R3=氢,R5=甲基,并且R4、R6、R7各自独立地为甲基或乙基。
在本发明的甚至更优选的实施方案中,R1=R2=R3=氢,R5=甲基,并且R4=R6=R7=乙基。
在根据本发明的方法的步骤a)中,使式(II)化合物与式(III)化合物反应,得到包含式(I)化合物的粗产物。本领域技术人员对例如在WO 2004/016631 A1中描述的反应条件是熟知的。
特别地,根据本发明的方法的步骤a)优选在130℃-200℃、更优选140℃-190℃、甚至更优选150℃-175℃的范围内的温度下进行。
反应压力不是关键的,并且可以是例如大气压,所述反应优选在惰性气氛如氮气下进行。
由于反应是放热的,因此在添加步骤的过程中在一些情况下控制添加速率和/或施加外部冷却可能是期望的。
通常,式(II)化合物和(III)化合物按化学计量的量存在,即化合物(II)对化合物(III)的摩尔关系在0.9:1-1.1:1的范围内,更优选1:1。在一些情况下,使用相比磷酸酯(III)略微过量的咪唑化合物(II)可能是有利的,例如在1.01-1.4摩尔当量的范围内,优选1.02-1.4。
反应时间没有特别限制。通常,反应持续进行直到化合物(II)或化合物(III)的至少90%已经反应形成化合物(I)。反应的进展可以方便地通过本领域技术人员已知的方法(例如NMR)控制。
步骤a)中的反应可以在存在或不存在溶剂下进行,并且优选在不存在溶剂下进行。
“溶剂”是指本领域技术人员已知的水或有机溶剂,优选其是指水。这些有机溶剂优选选自脂族溶剂,优选戊烷、己烷、庚烷、辛烷、癸烷、环己烷、四甲基硅烷;芳族溶剂,优选苯、甲苯、二甲苯;醚化合物,优选二乙醚、二丙醚、二丁醚、甲基叔丁基醚;卤化溶剂,优选二氯甲烷、氯仿、四氯甲烷;醇,优选甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、叔丁醇;酯,优选乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯;丙酮。特别优选的有机溶剂选自酯、醇。
“不存在溶剂”特别是指反应混合物中所有溶剂的总含量基于化合物(II)和化合物(III)的重量之和计小于10重量%,优选地,基于化合物(II)和化合物(III)的重量之和计小于5重量%,更优选地,基于化合物(II)和化合物(III)的重量之和计小于1重量%。
“存在溶剂”是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少1.0重量%。甚至更优选地,它是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少3.7重量%。甚至更优选地,它是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少7.4重量%。甚至更优选地,它是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少10.0重量%。甚至更优选地,它是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少20.0重量%。甚至更优选地,它是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少40.0重量%。甚至更优选地,它是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少80重量%。甚至更优选地,它是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少100重量%。甚至更优选地,它是指基于化合物(II)和化合物(III)的组合质量计,存在于反应混合物中的所有溶剂之和为至少150重量%。
在本发明的实施方案中,其中步骤a)在溶剂的存在下进行,优选在步骤b)进行之前在步骤a)之后至少部分除去所述溶剂。这样的至少部分除去可以通过提取、汽提、蒸馏或本领域技术人员已知的任何其他方法进行,优选通过提取、汽提、蒸馏进行。
在此上下文中,“部分除去”特别是指将步骤a)中添加的溶剂的至少50%除去,将所述溶剂的优选至少70%、甚至更优选至少90%、甚至更优选99%除去。
在步骤a)在包含水的溶剂的存在下进行的情况下,部分除去溶剂优选通过在30-180℃、优选37℃-178℃,甚至更优选50℃-150℃、甚至更优选60℃-120℃、甚至更优选70℃-99℃的范围内的温度T2和低于化合物(III)在温度T2下的饱和蒸气压的压力p2下的蒸馏进行。
在优选的实施方案中,压力p2还高于化合物(I)的饱和蒸气压,甚至更优选高于化合物(I):水=99:1、甚至更优选98:2、甚至更优选97:3的混合物的饱和蒸气压。
根据本发明的方法的步骤a)的反应结果是包含式(I)化合物的粗产物。
在本发明的上下文中,术语“粗产物”是指在已经发生反应[根据本发明的方法的步骤a)]之后获得并且然后经受步骤b)的反应混合物。如上所述,在步骤a)在溶剂的存在下进行的情况下,可以任选地在步骤b)进行之前从步骤a)之后获得的粗产物中至少部分除去这样的溶剂。
然后在步骤b)中进一步处理步骤a)中获得的粗产物。在步骤b)中,优选以基于步骤a)中使用的化合物(II)和化合物(III)的量计至少1重量%的量将水添加到来自步骤a)的式(I)的粗产物中,得到包含式(I)化合物的稀释的粗产物。
优选地,在步骤b)中,将水以基于步骤a)中使用的化合物(II)和化合物(III)的量计在1-200、更优选5-100、甚至更优选7-75、甚至更优选10-50、最优选15-20重量%的范围内的量添加到来自步骤a)的式(I)的粗产物中。
在本发明的上下文中,术语“稀释的粗产物”是指在根据步骤b)添加水之后获得并且然后经受步骤c)的混合物。
在所述方法的步骤c)中,然后从稀释的粗产物中至少部分除去步骤b)中添加的水,其中施加特殊的温度和压力条件。也就是说,对于本发明必要的是通过在30-180℃、优选37℃-178℃、甚至更优选50℃-150℃、甚至更优选60℃-120℃、甚至更优选70℃-99℃的范围内的温度T1和低于化合物(III)在温度T1下的饱和蒸气压的压力p1下的蒸馏来除去水。
在本发明的上下文中,关于步骤c)的“至少部分除去”是指将步骤b)中添加的水的至少50%除去,将步骤b)中添加的水的优选至少70%、甚至更优选至少90%、甚至更优选99%除去。
为了进行蒸馏,可以使用本领域技术人员已知的所有装置,因此例如搅拌反应器、降膜蒸发器或薄膜蒸发器在各种情况下与合适的蒸馏塔或适用于蒸馏的其他装置组合。
发生蒸馏的压力p1必须低于化合物(III)在温度T1下的饱和蒸气压,其中T1在30-180℃的范围内。
在优选的实施方案中,压力p1还高于化合物(I)的饱和蒸气压,甚至更优选高于化合物(I):水=99:1、甚至更优选98:2、甚至更优选97:3的混合物的饱和蒸气压。
某种物质或混合物的“饱和蒸气压”定义为在封闭的系统中在给定的温度下由与其冷凝相(固体或液体)处于热力学平衡的该物质或混合物的蒸气所施加的压力。
在相应温度下的饱和蒸气压可以由本领域技术人员通过本领域已知的方法确定。例如并且根据本发明,某种物质或混合物的饱和蒸气压力如2006年3月23日通过的OECDGuidelines for the Testing of Chemicals (1981):第104号测试,第14-19项“StaticMethod”中所述地那样进行确定。
在根据本发明的方法的优选实施方案中,将步骤b)和步骤c)进行至少两次,甚至更优选至少三次,其中用直接先前步骤c)中获得的高纯度式(I)化合物进行步骤b)。
现在令人惊讶地发现,只有当根据本发明的方法的水添加步骤b)和蒸馏步骤c)的组合进行时,在步骤c)结束时获得的产物才会具有出乎意料地低水平的气味强烈和有臭味的物质。甚至更令人惊讶的是本领域技术人员本不会用水处理步骤a)之后获得的粗产物(I),特别是因为化合物(I)实际上被用作吸水材料。
因此,本发明的方法提供作为产物的高纯度咪唑鎓盐。
以下实施例举例说明本发明。
具体实施方式
材料
在以下实施例中,N-甲基咪唑(CAS号:616-47-7)和磷酸三乙酯(CAS号:78-40-0)购自Sigma Aldrich。
方法
通过2006年3月23日通过的OECD Guidelines for the Testing of Chemicals(1981):第104号测试,第14-19项“Static Method”中所述的方法确定饱和蒸气压。
通过该方法确定的磷酸三乙酯的饱和蒸气压遵循公式<1>,其中
log10(p)=16.42-5108.4/(273.15+T) <1>。
在式<1>中,p是以hPa表示的压力,T是以℃表示的温度,“log10”是常用对数。
磷酸三乙酯在150℃下的饱和蒸气压=22268hPa,在140℃下=11363hPa,在120℃下=2669.9hPa,在99℃下=493.5hPa,在85℃下=143.5hPa,在70℃下=34.1hPa,在60℃下=12.2hPa,在50℃下=4.1hPa。
99份的1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐(= EMIM DEP)和1份的水的混合物的饱和蒸气压如下:在150℃下=380hPa,在140℃下=254hPa,在85℃下=18.6hPa,在60℃下=4.2hPa。
通过嗅觉分析确定每个样品中的残余物。
此外,通过顶空GC/MS按照如下确定V1-V4和E1-E3中获得的样品中的残余物:将0.1g的样品在70℃下在进样器中温育20分钟。采用气相色谱(“GC”)和质谱(“MS”)直接分析气相的组成。使用Hewlett Packard的装置(“HP 6890”;进样器:Turbomatrix 40,PerkinElmer)执行GC。使用Hewlett-Packard的装置(“HP 5973”)执行MS。
基于色谱图中观察到的峰高确定残余物的量。
本发明实施例E1-E8和对比实施例V1-V8的通用程序:
将磷酸三乙酯(929g,5.0摩尔)逐滴添加到含有N-甲基咪唑(411g,5.0摩尔)的反应容器中。然后将反应混合物加热至150℃,并在回流下搅拌14小时。然后,用20重量%的水(基于起始材料磷酸三乙酯和N-甲基咪唑的质量之和计)稀释混合物,并在如下表所总结的不同压力下将水蒸馏。
在对比实施例V1中,省略了用水处理,并仅将混合物移动至旋转蒸发器。
在除V1之外的所有实施例中,添加93.8g水(=基于通用程序中使用的磷酸三乙酯和N-甲基咪唑的组合质量计7重量%)。
在实施例V2-V4中,在60℃和20hPa的压力下除去水,该压力高于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(12.2hPa)。
在实施例V5中,在50℃和5hPa的压力下除去水,该压力高于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(4.1hPa)。
在实施例V6中,在60℃和14hPa的压力下除去水,该压力高于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(12.2hPa)。
在实施例V7中,在70℃和37hPa的压力下除去水,该压力高于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(34.14hPa)。
在实施例V8中,在99℃和540hPa的压力下除去水,该压力高于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(493.5hPa)。
在本发明实施例E1-E3中,添加水,并分别在60℃(E1,E2)或85℃(E3)以及5和20hPa的压力下除去水,该压力低于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(在60℃下为12.2hPa,在85℃下为143.5hPa)。
在实施例E4中,在50℃和3hPa的压力下除去水,该压力低于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(4.1hPa)。
在实施例E5中,在60℃和10hPa的压力下除去水,该压力低于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(12.2hPa)。
在实施例E6中,在70℃和31hPa的压力下除去水,该压力低于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(34.1hPa)。
在实施例E7中,在99℃和440hPa的压力下除去水,该压力低于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(493.5hPa)。
在实施例E8中,在120℃和1000hPa的压力下除去水,该压力低于磷酸三乙酯在相应温度下的饱和蒸气压(2669.9hPa)。
实施例 添加水 在T[℃]/p [hPa]下蒸馏 添加水并蒸馏的重复次数 残余物[ng/g] 气味
V1 不添加 150/50 0 3049 甜味且轻微的鱼腥味
V2 添加 60/20 1 1021 轻微的鱼腥味
V3 添加 60/20 2 407 轻微的鱼腥味
V4 添加 60/20 3 297 非常轻微的鱼腥味
V5 添加 50/5 1 轻微的甜味
V6 添加 60/14 1 轻微的甜味
V7 添加 70/37 1 轻微的甜味
V8 添加 99/540 1 轻微的甜味
E1 添加 60/5 1 70 无气味
E2 添加 60/5 3 n.d.* (< 10) 无气味
E3 添加 85/20 3 n.d.* (< 10) 无气味
E4 添加 50/3 1 无气味
E5 添加 60/10 1 无气味
E6 添加 70/31 1 无气味
E7 添加 99/440 1 无气味
E8 添加 120/1000 1 无气味
*“n.d.”=“不可检测”。
上述总结的结果表明,只有当将水添加步骤b)和仅在根据本发明的蒸馏条件下进行的除去步骤c)组合时才会产生高纯度咪唑鎓盐。

Claims (10)

1.用于制备高纯度式(I)化合物:Q+A-的方法,
其中Q+
并且其中A-
所述方法包括:
a)使式(II)化合物与式(III)化合物反应得到包含式(I)化合物的粗产物,其中(II)和(III)是:
b)将水添加到来自步骤a)的式(I)的粗产物中,得到包含式(I)化合物的稀释的粗产物;
c)通过在30-180℃的范围内的温度T1和低于化合物(III)在温度T1下的饱和蒸气压的压力p1下蒸馏所述稀释的粗产物,从所述稀释的粗产物中至少部分除去步骤b)中添加的水,得到高纯度式(I)化合物;
其中:
R1、R2、R3各自独立地为氢或具有1-4个碳原子的烷基,
R4、R5、R6、R7各自独立地为具有1-4个碳原子的烷基。
2.根据权利要求1的方法,其中R1=R2=R3=氢,并且其中R4、R5、R6、R7各自独立地为甲基或乙基。
3.根据权利要求2的方法,其中R1=R2=R3=氢,R5=甲基,并且其中R4、R6、R7各自独立地为甲基或乙基。
4.根据权利要求1至3任一项的方法,其中步骤a)在不存在溶剂下进行。
5.根据权利要求1至3任一项的方法,其中步骤a)在溶剂的存在下进行。
6.根据权利要求5的方法,其中在步骤a)和步骤b)之间至少部分除去所述溶剂。
7.根据权利要求1至6任一项的方法,其中在步骤b)中,以基于步骤a)中使用的化合物(II)和化合物(III)的量计至少1重量%的量添加水。
8.根据权利要求1至7任一项的方法,其中步骤c)中的“部分除去”是指除去步骤b)中添加的水的至少50%。
9.根据权利要求1至8任一项的方法,其中压力p1低于化合物(III)在温度T1下的饱和蒸气压并且高于(I)在温度T1下的饱和蒸气压。
10.根据权利要求1至9任一项的方法,其中将步骤b)和步骤c)进行至少两次,其中用直接先前步骤c)中获得的高纯度式(I)化合物进行步骤b)。
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