CN1097009A - 高纯度n-(2-硫酸根合乙基)哌嗪的制备方法 - Google Patents
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Abstract
高纯度的N—(2—硫酸根合乙基)哌嗪的制备方
法，它包括将N—(2—羟乙基)哌嗪在高浓度的或较
高浓度的硫酸和发烟硫酸或氯磺酸的混合物中、在
80至250℃下进行反应，把产生的磺化混合物加到
可与水混合的一种脂肪醇中，分离出生成的N—(2—
硫酸根合乙基)哌嗪硫酸酯，用碱性化合物在(C1—
C2)—链烷醇和水的混合物中，于35至90℃处理此
含少量醇的N-(2-硫酸根含乙基)哌嗪硫酸酯，分离
出沉淀的硫酸盐，并加入(C1—C2)—醇，分离出生成
的N—(2—硫酸根合乙基)哌嗪。
Description
本发明涉及高纯度N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪的制备方法，该方法是：使N-（2-羟乙基）哌嗪在高浓度或较高浓度的硫酸和发烟硫酸或氯磺酸的混合物中进行反应，将得到的磺化混合物加到一种可与水混合的脂肪醇中，分离出所生成N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯，使此N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯与一种碱性化合物在由（C1-C2）-链烷醇和水组成的混合物中进行反应，并分离出所使用的碱性化合物的硫酸盐沉淀。
N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪可作为纤维的预处理剂和改性剂，例如作为聚酰胺纤维、聚氨酯纤维、羊毛、蚕丝或纤维素纤维的预处理剂和改性剂，与阴离子型染料一起作为后着色剂（见专利申请P4140410.6和P4224283.5）。
如J.Heterocycl.Chem.9，891-894中所述，哌嗪与硫酸亚乙酯在二氯甲烷中进行反应可得到粘性油状的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪，产率为70%。此法的后处理时未制出N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪，只获得一种混合产物（参阅下述实施例4）。此外，所述方法的缺点是，未能提供工业的硫酸亚乙基酯的制备方法。
因此需要一种工业上容易实施的制备高纯度N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪的经济方法。
已意外地发现了一种优越的制备高纯度N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪的方法，它是：使N-（2-羟乙基）哌嗪在高浓度的或较高浓度的硫酸和发烟硫酸或氯磺酸的混合物中、在约80到250℃、最好是在约100至170℃的温度下进行反应，把沉淀出的磺化混合物加到一种可与水混合的脂肪醇中，分离出生成的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯，用一种碱性化合物在由（C1-C2）-链烷醇和水组成的混合物中、于约为35至90℃、最好是约为40至70℃的温度下处理这种还含有醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯，分离出加碱性化合物沉淀出的硫酸盐，并通过加入（C1-C2）-链烷醇分离出所生成的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪。
在本发明方法中，对每重量份N-（2-羟乙基）哌嗪使用约0.8至3、优选的是约为1.3至1.7重量份的100%硫酸。也可用较大量的硫酸，但这对质量并没有好处，同时必须除去较大量的硫酸。也可用较低浓度的硫酸代替100%的硫酸，例如用95-99%的硫酸，如用96%的硫酸。在这些情况下，必须根据还存在的水量使用较多的三氧化硫（发烟硫酸中）或氯磺酸。
在使用100%的硫酸和发烟硫酸（三氧化硫在100%的硫酸中的溶液）组成的混合物时，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪可选用约为0.3至0.8、优选的是约为0.4至0.7、特别优选的是约为0.55至0.65重量份的三氧化硫。在使用较高浓度硫酸和氯磺酸组成的混合物时，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪使用约为0.6至1.3、优选的是约为0.7至1.0、特别优选的是约为0.8至0.95重量份的氯磺酸。
可使用甲醇和/或乙醇作为（C1-C2）-链烷醇。
对每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪可选用约为2.0至6.0、优选的是约3.0至5.0、特别优选的是约3.2至3.8重量份的含水甲醇或乙醇，以使N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸沉淀。醇的含水量应在约10-30（重量）%之间，优选的是在约15-25（重量）%之间。45℃时开始沉淀，通过冷却到约为15至25℃达到全部结晶。为了结晶，按沉淀混合物中的每130重量份的N-（2-羟乙基）哌啶加约0.005至10、优选的是约0.01至约5、特别优选的是约0.05至约1重量份的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯。但也可加入较大量的晶种。
为了使N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯进一步转化成高纯度的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪，对尚含有少量醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯不必进行中间烘干。
在这种情况下，适当的是把例如还含有少量甲醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯加到由每重量份的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯需有的0.7至约1重量份的甲醇（不包括在N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯上尚含有的少量甲醇）和约0.5至0.7重量份的水（包括可能与碱性化合物的水溶液一起被带入反应混合物中的水）组成的混合物中或者把例如还含有少量乙醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯需有的1.0至1.3重量份的乙醇（不包括在N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酯上还存在的少量乙醇）和0.4至0.7重量份的水（包括可能与碱性化合物的水溶液一起被带入反应混合物中的水）组成的混合物中。
作为碱性化合物可使用例如碱金属氢氧化物，碱金属碳酸氢盐，碱金属碳酸盐，碱金属甲醇化物和/或碱金属乙醇化物或者在反应介质中生成的这些化合物之一。优选的是使用氢氧化钠或氢氧化钾，碳酸氢钠、碳酸钠，甲醇钠和/或乙醇钠，特别优选的是钠化合物，例如氢氧化钠。上述化合物或其水溶液可作为碱性化合物加入。因为加入碱性化合物特别是钠化合物时，按本发明主要析出可分离的硫酸钠沉淀。
碱的使用量按N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯为基础计算时约为双倍化学当量，也就是说，调节pH值约为6.0至7.8、优选约为6.2至7.5，特别优选的约为6.7至7.1。
为了分离出N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪，在分离出所使用的碱的硫酸盐之后，例如分离出硫酸钠之后，在滤液中按所使用的每重量份N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯加约1.4至2.6重量份的醇。
按照这种方法可获得产率≥84%、纯度≥95%的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪。与现有技术不同的是（见上述）（粘性油），N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪为结晶的粉末，分解点为232℃。
通过真空再蒸馏，可回收在磺化（酯化）时产生的含有硫酸的醇并可再加以使用。从其盐中释放出N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪后的醇母液不需进一步提纯就可使用。因此可显著降低废料量。
特别值得注意的是，在本发明使用的温度和醇/水混合物的条件下，可简单和干净地使N-（2-硫酸根合乙基）的和碱金属的硫酸盐特别是硫酸钠分离。
下面实施例用来说明本发明的方法，而本发明方法不限于这些实施例。
实施例1
在带搅拌器、滴液漏斗、温度计和回流冷凝器的1升四颈烧瓶中，先加上400.0克硫酸（100%的）并在约20分钟内加入260.4克（2摩尔）N-（2-羟乙基）哌嗪，温度上升应不超过150℃。紧接着同样计量加入246.2克发烟硫酸（65%的），温度应不超过150℃。把此反应混合物（906克）转移到一个滴液漏斗中，然后将其中约1/3计量加到890克乙醇（80%的）中，应使温度不超过45℃。再在搅拌下冷却到约20℃，在这种情况下，用0.1克N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯接种，并强烈搅拌直到产品结晶沉淀。然后保持温度不超过30℃下使余下的反应混合物在10分钟内流入。紧接着在搅拌下冷却到20℃并进行吸滤。用900克乙醇（96%的）洗涤产品，得到含有少量乙醇的848.2克N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯。
在带有搅拌器和内部温度计的一个2升四颈烧瓶中先加上339克水和470.8克乙醇（96%的），然后加入80.0克（4.0摩尔）氢氧化钠。将此溶液冷却到25℃之后，加入848.2克含少量乙醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯。将悬浮液加热到65℃，并在此温度下搅拌30分钟。pH值必须保持在6.7至7.1，过程中可用氢氧化钠溶液或硫酸进行调节。然后吸滤沉淀出的硫酸钠。用加热到65℃的314克乙醇（96%的）洗涤滤饼，得到320.4克含少量乙醇的硫酸钠。在滤液中加入813克乙醇和洗涤用碱，吸滤沉淀出的产品，再用300克乙醇（96%的）进行洗涤。在70℃100毫巴下烘干滤饼后，得到380.3克N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪白色粉末。用滴定法测定的纯度为95.5%，这相当于363.2克（1.73摩尔）N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪（按100%计算），产率为理论值的86.4%。
熔点：232℃（分解，与加热速度有关）
C6H14N2O4S的计算值：C34.3% H6.6% N13.3% S15.2%
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2H;NH,OSO3H).
实施例2
在带有搅拌器，滴液漏斗，温度计，回流冷凝器和进气管的1升四颈熔瓶中先加上206.3克硫酸（96%的），然后在冷却下约20分钟内加入130.2克（1.0摩尔）N-（2-羟乙基）哌嗪，保持温度上升不超过150℃。然后在加热保持在120℃时、在1小时内计量加入169.9克氯磺酸。由于反应混合物起泡（产生HCl），所以此时应不断加强通入氮气。结束加入氯磺酸后，在150℃下继续在通入氮和搅拌，直至证明废气中无氯化氢为止（约1.5小时）。将反应混合物（446.9克）转移到滴液漏斗中，然后把其中约1/3计量加到447克乙醇（80%的）中时，应使温度不超过45℃。紧接着如实施例1中所述继续进行转化。在70℃和100毫巴下烘干，得到189.2克N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪白色粉末。按滴定法测定的纯度为95.0%，这相当于179.7克（0.86摩尔）N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪（按100%计算），产率为理论值的85.6%。
熔点：237℃（分解，与加热速度有关）
光谱和分析数据与实施例1所述的相同。
实施例3
在带有搅拌器，滴液漏斗，温度计和回流冷凝器的1升四颈烧瓶中先加上200克硫酸（100%的），然后在约20分钟内加入130.2克（1.0摩尔）N-（2-羟乙基）哌嗪，应使温度上升不超过200℃。然后在1小时内计量加入123.1克发烟硫酸，应使温度不超过200℃。此后将反应混合物（453.2克）转移到一个滴液漏斗中，再把其中约1/3计量加到453克甲醇（80%的）中，应使温度不超过45℃。紧接着在搅拌下冷却到约25℃，在此情况下用0.1克N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯晶体接种，并激烈搅拌至产品析出晶粒。此后将剩余的反应混合物在10分钟内流入，使温度不超过25℃。紧接着在25℃下继续搅拌30分钟，然后进行吸滤。用412克甲醇洗涤产品，得到394.2克含少量甲醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯。
在带有搅拌器和内部温度计的1升四颈烧瓶中先加上186克水，然后加入80.0克（2.0摩尔）氢氧化钠。紧接着计量加入172.3克甲醇。把394.2克含少量甲醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯加到此溶液中。将悬浮液加热到45℃，并在此温度下继续搅拌30分钟。此悬浮液的pH值必须为6.7至7.1。吸滤沉淀出的硫酸钠。用加热到45℃的200克甲醇洗涤滤饼，得到含有少量甲醇的135.8克硫酸钠。在滤液（母液和洗涤用甲醇）中加370克甲醇，冷却到＜5℃，在此温度下继续搅拌30分钟，并吸滤沉淀出的产品。用150克甲醇洗涤滤饼，在70℃和100毫巴下烘干滤饼后，得到183.0克N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪白色粉末。按滴定法测定的纯度为97.0%，这相当于177.5克（0.84摩尔）N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪（按100%计算），产率为理论值的84.4%。
熔点：237℃（分解，与加热速度有关）。
光谱和分析数据和实施例1所述相同。
实施例4
（按照Tomalia等，J.Heterocycl.Chem.9，891-894（1972）的对比实施例）
在带有搅拌器，温度计和回流冷凝器的500毫升四颈烧瓶中将22.2克（0.18摩尔）硫酸亚乙酯（制备见实施例5）和15.4克（0.18摩尔）哌嗪在135毫升二氯甲烷中回流加热4小时。使反应混合物冷却到5℃。分离出沉淀的粘稠物料，烘干后得到26.2克产品。电位滴定和1H-NMR表明与N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪不相同。
实施例5
（按照DE 1049870的对比实施例，实施例1）
将23.4毫升硫酸单水合物在23℃与46克亚硫酸亚乙酯混合30分钟。气体终止发生后继续搅拌30分钟，并在搅拌下于室温与128毫升亚硫酰（二）氯混合。结束气体发生后，加热煮沸15小时。接着首先在常压下、然后在100毫巴下蒸去过量的亚硫酰（二）氯。将残留物在15毫巴下进行蒸馏，产生46.3克深棕色馏液。用乙醚萃取此馏液，得到28.9克米色粉末（产率：理论值的54.7%）。
Claims (27)
1、高纯度的N-(2-硫酸根合乙基)哌嗪的制备方法，其特征在于，使N-(2-羟乙基)哌嗪在由高浓度的或较高浓度的硫酸和发烟硫酸或氯磺酸组成的混合物中、在约80至250℃的温度下进行反应，将产生的磺化混合物加到一种可与水混合的脂肪醇中，分离出所生成的N-(2-硫酸根合乙基)哌嗪硫酸酯，用一种在由(C1-C2)-链烷醇和水组成的混合液中的碱性化合物在约35至90℃的温度下处理尚含有少量醇的这种N-(2-硫酸根合乙基)哌嗪硫酸酯，分离出由所使用的碱性化合物沉淀出的硫酸盐，并通过加入(C1-C2)-链烷醇分离出所生成的N-(2-硫酸根合乙基)哌嗪。
2、按权利要求1所述的方法，其特征在于，使N-（2-羟乙基）哌嗪在约100至约170℃的温度下进行反应。
3、按权利要求1和2中至少一项所述的方法，其特征在于，用碱性化合物在约40℃至70℃的温度下处理还含有少量醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯。
4、按权利要求1至3中至少一项所述的方法，其特征在于，用碱金属氢氧化物、碱金属碳酸氢盐、碱金属碳酸盐、碱金属甲醇化物和/或碱金属乙醇化物或者用在反应介质中生成这些化合物的一种物质作为碱性化合物来进行处理。
5、按权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，用氢氧化钠或氢氧化钾、碳酸氢钠、碳酸钠、甲醇钠和/或乙醇钠或用在反应介质中生成这些化合物的一种物质作为碱性化合物来进行处理。
6、按权利要求1至5中至少一项所述的方法，其特征在于，使用甲醇和/或乙醇作为（C1-C2）-链烷醇。
7、按权利要求1至6中至少一项所述的方法，其特征在于，高浓度的或较高浓度的硫酸是指约95至100%的硫酸。
8、按权利要求1至7中至少一项所述的方法，其特征在于，高浓度的或较高浓度的硫酸是指100%的硫酸。
9、按权利要求1至8中至少一项所述的方法，其特征在于，使每重量份N-（2-羟乙基）哌嗪在约0.8至约3份重量的100%硫酸中进行反应。
10、按权利要求1至9中至少一项所述的方法，其特征于，使每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪在约1.3至1.7重量份的100%硫酸中进行反应。
11、按权利要求1至10中至少一项所述的方法，其特征在于，在由高浓度的或较高浓度的硫酸和发烟硫酸组成的混合物中进行反应时，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪是和含约0.3至约0.8重量份三氧化硫的发烟硫酸进行反应。
12、按权利要求1至11中至少一项所述的方法，其特征在于，在由高浓度的或较高浓度的硫酸和发烟硫酸组成的混合物中进行反应时，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪是和约0.4至0.7重量份三氧化硫的发烟硫酸进行反应。
13、按权利要求1至12中至少一项所述的方法，其特征在于，在由高浓度的或较高浓度的硫酸和发烟硫酸组成的混合物中进行反应时，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪是和含约0.55至0.65重量份三氧化硫的发烟硫酸进行反应。
14、按权利要求1至10中至少一项所述的方法，其特征在于，在由100%的硫酸和氯磺酸组成的混合物中进行反应时，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪使用约0.6至1.3重量份的氯磺酸。
15、按权利要求1至10和14中至少一项所述的方法，其特征在于，在由100%的硫酸和氯磺酸组成的混合物中进行反应时，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪使用约0.7至1.0重量份的氯磺酸。
16、按权利要求1至10和14和15中至少一项所述的方法，其特征在于，在由100%的硫酸和氯磺酸组成的混合物中进行反应时，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪使用约0.80至0.95重量份的氯磺酸。
17、按权利要求1至16中至少一项所述的方法，其特征在于，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪所产生的磺化混合物要求使用约2.0至6.0重量份的甲醇或乙醇。
18、按权利要求1至17中至少一项所述的方法，其特征在于，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪所产生的磺化混合物要使用约3.0至5.0重量份的甲醇和乙醇。
19、按权利要求1至18中至少一项所述的方法，其特征在于，每重量份的N-（2-羟乙基）哌嗪所产生的磺化混合物要求用约3.2至3.8重量份的甲醇或乙醇。
20、按权利要求1至19中至少一项所述的方法，其特征在于，把磺化混合物加到含水量约10-30（重量）%的甲醇或乙醇中。
21、按权利要求1至20中至少一项所述的方法，其特征在于，把磺化混合物加到含水量约15-25（重量）%的甲醇或乙醇中。
22、按权利要求1至21中至少一项所述的方法，其特征在于，将N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯的晶种加到磺化混合物中。
23、按权利要求1至22中至少一项所述的方法，其特征在于，在分离出所生成的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯后所产生的含硫酸的醇可通过蒸馏回收，用于下次配方中。
24、按权利要求1至23中至少一项所述的方法，其特征在于，把还含有少量甲醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯加到下述混合物中，所说混合物由每重量份的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸盐有约0.7至1重量份甲醇（不包括在N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酯内所含的少量甲醇）和约0.5至0.7重量份的水（包括可能与碱性化合物的水溶液一起带入反应混合物中的水）组成。
25、按权利要求1至23中至少一项所述的方法，其特征在于：把还含有少量乙醇的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯加到下述混合物中，所说混合物由每重量份的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯有约1.0至1.3重量份乙醇（不包括在N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯中还含有的少量乙醇）和约0.4至0.7重量份的水（包括可能与碱性化合物的水溶液一起带入反应混合物中的水）组成。
26、按权利要求1至25中至少一项所述的方法，其特征在于，分离出所使用的碱性化合物的硫酸盐之后，在滤液中按每重量份的N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪硫酸酯加入约1.4至2.6重量份的甲醇和/或乙醇。
27、按权利要求1至26中至少一项所述的方法，其特征在于，助碱性化合物释放N-（2-硫酸根合乙基）哌嗪时所产生的醇母液，不用进一步提纯就再次使用。
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