CN110294701B - 一种5-甲基-2-吡咯烷酮或其衍生物的合成方法 - Google Patents

一种5-甲基-2-吡咯烷酮或其衍生物的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种5‑甲基‑2‑吡咯烷酮或其衍生物的合成方法,包括如下步骤:将乙酰丙酸(酯)与尿素或酰胺以及甲酸充分混合,与催化剂一起加入高压反应釜中反应后,即得到目的产物5‑甲基‑2‑吡咯烷酮及其衍生物;反应完成后过滤回收催化剂,清洗并干燥之后回用。本发明方法可以实现无溶剂体系下乙酰丙酸(酯)的高效转化,廉价环保的尿素或酰胺作为N源,生物质基甲酸作为H源,具有良好的经济性。

Description

一种5-甲基-2-吡咯烷酮或其衍生物的合成方法
技术领域
本发明属于有机催化合成技术领域,具体涉及一种5-甲基-2-吡咯烷酮或其衍生物的合成方法。
背景技术
吡咯烷酮类化合物是一类重要的工业化学品和精细中间体,除了已经广泛作为溶剂使用,还可以在石化加工、聚合物合成、农业和医药中间体、油墨和涂料的表面活性剂、工业清洗剂和分散剂以及在石墨烯和锂离子电池的制造等领域加以利用。但是部分吡咯烷酮类化合物,如N-甲基吡咯烷酮,在生产过程中不可避免的毒性和高成本以及日益严格的规章制度,迫使人们去寻求更安全更廉价的吡咯烷酮类化合物来替代N-甲基吡咯烷酮作为溶剂使用。其中,5-甲基-2-吡咯烷酮及其衍生物已经被认为是极具潜力的N-甲基吡咯烷酮替代物。目前,5-甲基-2-吡咯烷酮及其衍生物的获取仍然主要通过石油基化学品为基础原料,通过不同的氢源(氢气、甲酸、含氢硅烷)和N源(胺基化合物、硝基化合物、腈基化合物、氨气或者氨水)对乙酰丙酸或乙酰丙酸乙酯进行还原胺化。
中国专利CN1764376A公开了一种乙酰丙酸和硝基化合物还原胺化制备5-甲基-N-芳基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-烷基-2-吡咯烷酮的方法。该方法以氢气为还原剂,所选催化剂为带载体的金属催化剂,乙酰丙酸的还原胺化在水、醇或醚溶剂中进行。该体系下较好的压力范围是1.3-7.6MPa,较适宜的温度范围是75-200℃,整体条件较为苛刻但产物选择性并不理想。如乙酰丙酸和硝基苯制备5-甲基-N-苯基-2-吡咯烷酮以及5-甲基-N-环己基-2-吡咯烷酮的反应需要在150℃、5.52MPa氢气下反应4h,所得的5-甲基-N-苯基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-环己基-2-吡咯烷酮的选择性分别仅为8.6-23.7%和4.0-15.2%。此外,该方法适用的吡咯烷酮类产物不包括5-甲基-2-吡咯烷酮。
中国专利CN1764451A公开了一种乙酰丙酸和芳基氰基化合物还原胺化制备5-甲基-N-(甲基芳基)-2-吡咯烷酮、5-甲基-N-(甲基环烷基)-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-烷基-2-吡咯烷酮的方法。该方法以氢气为还原剂,所选催化剂为带载体的金属催化剂,在多种溶剂中进行乙酰丙酸的还原胺化。该体系制备的吡咯烷酮在N上的取代基为至少含有2个碳的取代或未取代的烷基,不涉及5-甲基-2-吡咯烷酮的制备,且该体系优选压力范围是1.3-7.6MPa,较适宜的温度范围是75-200℃,整体条件较为苛刻但产物得率并不理想。如5%Ru/C催化的乙酰丙酸和3-戊烯腈制备5-甲基-N-亚戊基-2-吡咯烷酮的反应,需要在水溶液中150℃、6.9MPa氢气下反应6h,但是5-甲基-N-亚戊基-2-吡咯烷酮的产率仅为0.7%。
中国专利CN1764449A公开了一种乙酰丙酸及其衍生物和芳基胺还原胺化制备5-甲基-N-芳基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-环烷基-2-吡咯烷酮的方法。该方法以氢气为还原剂,芳基胺、氨和氢氧化铵为N源,所选催化剂为带载体的金属催化剂,在多种溶剂中进行乙酰丙酸的还原胺化。该体系制备的两类吡咯烷酮是在N上取代基为含有6-30个碳的芳基或者环烷基,不涉及5-甲基-2-吡咯烷酮及其N上取代基为5个碳以内烷基的制备。此外,该还原胺化体系的反应条件较为苛刻但产物得率并不理想佳。如5%Rh/C催化的乙酰丙酸和苯胺制备5-甲基-N-环己基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-苯基-2-吡咯烷酮的反应,需要在二恶烷中150℃、6.9MPa氢气下反应6h,但是5-甲基-N-环己基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-苯基-2-吡咯烷酮的产率分别仅为25.3%和7.6%。使用致癌物二恶烷作为溶剂不环保,对环境和人体均不利,同时催化过程的氢气压力很大,操作存在一定安全隐患,催化过程整体成本高经济效益却不乐观。
中国专利CN1764638A公开了一种用氰基化合物将乙酰丙酯还原胺化来生产5-甲基-N-(甲基芳基)-2-吡咯烷酮、5-甲基N-(甲基环烷基)-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-烷基-2-吡咯烷酮的方法。该方法以氢气为还原剂,所选催化剂为带载体的金属催化剂,在多种溶剂中进行乙酰丙酸的还原胺化。该体系不涉及5-甲基-2-吡咯烷酮的制备。此外,苛刻的反应条件、大量副产物的存在以及最终较低的吡咯烷酮的产率限制了其在生物质化工领域中的大规模生产。如5%Pd/C催化乙酰丙酸乙酯和己二腈还原胺化制备己烷-1,6-(5-甲基-2-吡咯烷酮)时,需要在二氧六环中150℃、5.52MPa氢气下反应4h,但是乙酰丙酸乙酯的转化率仅为38.3%,己烷-1,6-(5-甲基-2-吡咯烷酮)的选择性仅为1.8%。此外,其他非贵金属催化剂的制备所需原料较多,制备流程复杂,活化耗时长,这些因素同样也直接限制了该方法的大规模推广。
中国专利CN1764640A公开了一种用硝基化合物将乙酰丙酸酯还原胺化生产5-甲基-N-芳基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-烷基-2-吡咯烷酮的方法。该方法以氢气为还原剂,所选催化剂为带载体的金属催化剂,在多种溶剂中进行乙酰丙酸酯的还原胺化。该体系同样不涉及5-甲基-2-吡咯烷酮的制备。苛刻的反应条件、目标产物的低选择性、非金属催化剂的繁琐制备流程以及不可避免的大量副产物的存在导致其无法在工业上大规模使用。如5%Ru/C催化乙酰丙酸乙酯和硝基苯还原胺化制备5-甲基-N-芳基苯基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-环己基-2-吡咯烷酮时,需要在二氧六环中150℃、5.17MPa氢气下反应7h,但是乙酰丙酸乙酯的转化率仅为54.1%,5-甲基-N-芳基苯基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-环己基-2-吡咯烷酮的选择性分别仅为0.1%和7.8%。
中国专利CN1764379A公开了一种5-甲基-N-芳基-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-烷基-2-吡咯烷酮的合成方法。以乙酰丙酸酯为原料,芳基或烷基胺为N源,氢气为还原剂,多种载体金属为催化剂。该体系的还原胺化适用面广,但是反应条件较为严苛,副反应比主反应更为激烈,如5%Ru/Al2O3催化乙酰丙酸乙酯和2-乙基苯胺还原胺化制备5-甲基-N-(2-乙基环己基)-2-吡咯烷酮和5-甲基-N-(2-乙基苯基)-2-吡咯烷酮时,需要在150℃、6.9MPa氢气下反应8h,乙酰丙酸乙酯的转化率仅为82.1%,但是5-甲基-N-(2-乙基环己基)-2-吡咯烷酮的选择性仅为16.9%。目标产物的选择性过低,体系组成较为复杂,会给后续的分离提纯产生极大困扰,也增加了整体工艺的成本。此外,该合成方法不适用于5-甲基-2-吡咯烷酮的制备。
上述方法中均存在一定缺陷:如需要使用大量的有机溶剂,原料昂贵或消耗大;或需要外加氢气导致压力大、操作存在安全隐患;或在5-甲基-2-吡咯烷酮的制备上受限,且产物的产率或选择性低等,在实际生产中实用性大打折扣。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处,提供了一种5-甲基-2-吡咯烷酮或其衍生物的合成方法,解决了上述背景技术中外加氢源使氢气压力大、大量有机溶剂使用导致的溶剂挥发和回收的问题,还解决了产物选择性低、产物分离提纯困难等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种5-甲基-2-吡咯烷酮或其衍生物的合成方法,包括如下步骤:
(1)按摩尔份数将1份的乙酰丙酸或乙酰丙酸酯、1.0~5.0份的尿素或酰胺、1.0~10.0份的甲酸充分混合,与催化剂一起加入高压反应釜中,在80~180℃的温度下反应0.5~48h后,即得到目的产物5-甲基-2-吡咯烷酮或其衍生物;
(2)反应完成后过滤回收催化剂,清洗并干燥之后回用。
本技术方案的反应路线为乙酰丙酸或乙酰丙酸酯和作为N源的尿素或酰胺反应,生成对应酰胺中间产物,再环化、加氢脱水生成对应5-甲基-2-吡咯烷酮或其衍生物,
Figure BDA0002101521910000041
在本发明一较佳实施例中,所述乙酰丙酸或乙酰丙酸酯、尿素或酰胺、甲酸的摩尔比为1:1.0~2.0:1.0~2.0。
在本发明一较佳实施例中,所述催化剂与乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的质量比为(1~100):100。
在本发明一较佳实施例中,所述酰胺包括甲酰胺、乙酰胺、丙酰胺、苯甲酰胺、苯乙酰胺、N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、N-甲基丙酰胺、N-甲基苯甲酰胺、N-甲基苯乙酰胺。
在本发明一较佳实施例中,所述所用乙酰丙酸酯包括乙酰丙酸甲酯、乙酰丙酸乙酯、乙酰丙酸丙酯、乙酰丙酸丁酯、乙酰丙酸戊酯。
在本发明一较佳实施例中,所述催化剂为钌碳、铂碳、铑碳、钯碳、雷尼镍、铜铬、铜锆、铜镍、钌碳/氧化铜、铂碳/氧化铜、铑碳/氧化铜、钯碳/氧化铜、铂/氧化钼、铂/二氧化钛、铂/氧化锆催化剂中的一种。
在本发明一较佳实施例中,反应温度为100~150℃。
在本发明一较佳实施例中,反应时间为6~24h。
本技术方案与背景技术相比,它具有如下优点:
1.本发明提出了利用生物质酸水解制备乙酰丙酸的另一产物甲酸作为氢源,无需外加氢源,在金属催化剂催化下实现以高得率的5-甲基-2-吡咯烷酮及其衍生物合成,具有较强工业生产的操作安全性和良好的工业化应用潜力;
2.本发明中的乙酰丙酸(酯)还原胺化的反应路径不同于常见的伯胺、硝基化合物或者氰基化合物作为N源时的亚胺路径,乙酰丙酸(酯)先和N源反应生成对应酰胺中间产物,再环化、加氢脱水生成对应5-甲基-2-吡咯烷酮及其衍生物;
3.本发明实现了无溶剂体系下乙酰丙酸(酯)的高效转化,避免了大量有机溶剂的使用,无需担心高温下溶剂本身的蒸汽压给操作带来的安全隐患,同时避免溶剂引发的副反应,反应体系简单,也有利于目的产物的分离;
4.本发明首次提出以较为廉价的酰胺或尿素作为N源,用于乙酰丙酸(酯)还原胺化制备5-甲基-2-吡咯烷酮及其衍生物。
附图说明
图1为实施例1制备5-甲基-2-吡咯烷酮的GC-MS图谱;
图2为实施例1中间产物的GC-MS图谱。
具体实施方式
实施例1~6
分别取0.05mol的乙酰丙酸、乙酰丙酸甲酯、乙酰丙酸乙酯、乙酰丙酸丙酯、乙酰丙酸丁酯、乙酰丙酸戊酯,与等摩尔的尿素和甲酸置于高压反应釜中,再加入0.174g钌碳催化剂混合均匀,密封反应釜,磁力搅拌下加热到130℃并分别保持6h,结束反应冷却至室温并过滤回收催化剂。使用GC-MS(岛津)和GC(安捷伦)进行定性和定量检测,检测结果列于表1中序号为1~6。
实施例7~16
分别取0.1mol的甲酰胺、乙酰胺、丙酰胺、苯甲酰胺、苯乙酰胺、N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、N-甲基丙酰胺、N-甲基苯甲酰胺、N-甲基苯乙酰胺,与0.05mol乙酰丙酸乙酯和0.1mol甲酸置于高压反应釜中,再加入0.29g铂碳催化剂混合均匀,密封反应釜,磁力搅拌下加热到100℃并分别保持24h,结束反应冷却至室温并过滤回收催化剂。使用GC-MS(岛津)和GC(安捷伦)进行定性和定量检测,检测结果列于表1中序号为7~16。
实施例17~25
取0.05mol乙酰丙酸、0.06mol甲酸、0.075mol尿素置于高压反应釜中,再分别加入0.58g的铑碳、钯碳、钌碳/氧化铜、铂碳/氧化铜、铑碳/氧化铜、钯碳/氧化铜、铂/氧化钼、铂/二氧化钛、铂/氧化锆催化剂混合均匀,密封反应釜,磁力搅拌下加热到80℃并分别保持4h,结束反应冷却至室温并过滤回收催化剂。使用GC-MS(岛津)和GC(安捷伦)进行定性和定量检测,检测结果列于表1中序号为17~25。
实施例26~29
取0.1mol苯甲酰胺、0.06mol甲酸、0.05mol乙酰丙酸置于高压反应釜中,再分别加入5.81g的Raney Ni、铜铬、铜锆、铜镍催化剂混合均匀,密封反应釜,磁力搅拌下加热到160℃并分别保持12h,结束反应冷却至室温并过滤回收催化剂。使用GC-MS(岛津)和GC(安捷伦)进行定性和定量检测,检测结果列于表1中序号为26~29。
实施例30
取0.05mol乙酰丙酸甲酯、0.25mol甲酸、0.075mol甲酰胺、0.058g铂碳/氧化铜催化剂置于高压反应釜中,混合均匀,密封反应釜,磁力搅拌下加热到150℃并保持0.5h,结束反应冷却至室温并过滤回收催化剂。使用GC-MS(岛津)和GC(安捷伦)进行定性和定量检测,检测结果列于表1中序号为30。
实施例31
取0.05mol乙酰丙酸、0.5mol甲酸、0.25mol尿素、0.29g钌碳/氧化铜催化剂置于高压反应釜中,混合均匀,密封反应釜,磁力搅拌下加热到180℃并保持8h,结束反应冷却至室温并过滤回收催化剂。使用GC-MS(岛津)和GC(安捷伦)进行定性和定量检测,检测结果列于表1中序号为31。
实施例32
取0.05mol乙酰丙酸、0.3mol甲酸、0.15mol N-甲基甲酰胺、4.0g铂/二氧化钛催化剂置于高压反应釜中,混合均匀,密封反应釜,磁力搅拌下加热到120℃并保持36h,结束反应冷却至室温并过滤回收催化剂。使用GC-MS(岛津)和GC(安捷伦)进行定性和定量检测,检测结果列于表1中序号为32。
表1各实施例中的检测结果
Figure BDA0002101521910000081
Figure BDA0002101521910000091
以上所述,仅为本发明较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种5-甲基-2-吡咯烷酮的合成方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)按摩尔份数将1份的乙酰丙酸、1.0~2.0份的尿素、1.0~2.0份的甲酸充分混合,与催化剂一起加入高压反应釜中,在80-180℃的温度下反应0.5-48h后,即得到目的产物5-甲基-2-吡咯烷酮;所述催化剂为钌碳、铂碳、铑碳、钯碳、雷尼镍、铜铬、铜锆、铜镍、钌碳/氧化铜、铂碳/氧化铜、铑碳/氧化铜、钯碳/氧化铜、铂/氧化钼、铂/二氧化钛、铂/氧化锆催化剂中的一种;
(2)反应完成后过滤回收催化剂,清洗并干燥之后回用。
2.根据权利要求1所述的一种5-甲基-2-吡咯烷酮的合成方法,其特征在于:反应路线为乙酰丙酸和作为N源的尿素反应,生成对应酰胺中间产物,再环化、加氢脱水生成对应5-甲基-2-吡咯烷酮,
Figure FDA0002990678560000011
3.根据权利要求1所述的一种5-甲基-2-吡咯烷酮的合成方法,其特征在于:所述催化剂与乙酰丙酸的质量比为1~100:100。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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