CN111556863A - 制备双环胍及其衍生物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双环胍及其衍生物的生产方法。特别地，本发明涉及生产三氮杂双环癸烯(TBD)及其衍生物，特别是烷基衍生物，例如甲基三氮杂双环癸烯(MTBD)和MTBD衍生的离子液体的方法。本发明还涉及所述化合物在纤维素溶解和随后加工中的应用。

Description

制备双环胍及其衍生物的方法

技术领域

本发明涉及一种双环胍及其衍生物的生产方法。特别地，本发明涉及生产三氮杂双环癸烯(TBD)及其衍生物，特别是烷基衍生物，如甲基三氮杂双环癸烯(MTBD)和MTBD衍生的离子液体的方法。本发明还涉及所述化合物在纤维素溶解和加工中的应用。

背景技术

三氮杂双环癸烯或1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)为双环强胍碱。它是一种有机超强碱，可用作有机催化剂和金属配体前体，具有潜在的广泛应用，例如用于各种碱介导的有机转化。例如，它是用于酯化、环氧树脂形成和环状碳酸酯开环化学的已知催化剂。

发现TBD的甲基衍生物(MTBD)和MTBD衍生的离子液体(酸碱共轭物)特别用于纤维素溶解应用中。已确定源自MTBD的离子液体，特别是[mTBDH][OAc]，比以前用于纤维素溶解的离子液体(例如[DBNH][OAc])具有更高的水解稳定性。

已经对TBD，其甲基衍生物(MTBD)和相关的离子液体的合成进行了彻底的研究。

WO 2011/112594A1描述了在弱酸存在下，使用近化学计量的二氧化碳作为酸，由双氰胺和双(3-氨基丙基)胺(或二亚丙基三胺，DPTA)合成TBD。所公开的合成在添加的溶剂的存在下进行并且产生盐形式的TBD。WO 2011/079041A1公开了一种制备多环胍的方法，其中三胺化合物与胍、氰胺或三聚氰胺化合物在溶剂中反应。该方法产生作为盐的TBD，如甲磺酸盐或碳酸盐。在WO2012/116080A1的方法中，通过使碳酸胍盐或双氰胺与酸和二亚丙基三胺反应，在水性介质中制备双环胍盐。

最后，WO 2013/163130A1公开了一种通过双取代的碳二亚胺、二亚丙基三胺与醚溶剂和/或醇的反应生产1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯的方法。

在目前的方法中，TBD是以游离碱形式获得的，这不同于以前的方法中通常以其盐形式获得的TBD。由于不需要在甲基化之前从盐形式中释放TBD，因此可以轻松进行后处理和甲基化(衍生化)。而且，因此可以获得TBD的各种盐，使其与酸反应。此外，用于合成TBD的现有方法涉及与合成和纯化步骤相关的相当大的成本，而产率仅中等或较低。此外，许多现有技术方法还涉及有毒试剂或产生难以分离或本身可能是危险的副产物。

因此，总体上需要一种成本有效的TBD制备方法，用于进一步转化为MTBD和MTBD衍生的离子液体，而不会形成不希望的副产物。MTBD衍生的离子液体被设计用于纤维素溶解和随后加工的目的，如莱赛尔型纤维纺丝或化学改性。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的双环胍，特别是TBD的合成方法，以最大化产率并降低与合成和昂贵的纯化步骤有关的成本。

本发明的另一个目的是提供一种新的TBD合成方法，所述方法避免形成大量不希望的副产物并产生碱形式的TBD，可用于分离或进一步加工。通过本发明的方法以碱形式获得的TBD及其甲基化衍生物MTBD也具有高纯度。

本发明的又一个目的是提供一种新的基本上不含添加的溶剂的双环胍，特别是TBD的合成方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种制备双环胍，特别是1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)及其衍生物的方法，该方法包括在高温下，特别是在由多胺形成的液相中使氰胺与多胺接触，以使所述氰胺与所述多胺反应的步骤。

根据本发明的第二方面，提供了由根据本发明的所述的方法生产的双环胍或其衍生物在生产其类似物或缀合物，特别是离子液体或酸碱缀合物中的应用。

根据本发明的第三方面，提供了包含根据本发明所述的方法形成的，特别是用于纤维素溶解的化合物的离子液体。

本发明由独立权利要求的特征限定。一些具体实施方案在从属权利要求中限定。

通过本发明获得了明显的优点。因此，本发明的合成方法使与双环胍，特别是TBD的当前合成和纯化步骤有关的产率最大化并降低成本。

此外，所述方法避免了形成大量的三聚氰胺作为不想要的副产物，同时产生了碱形式的TBD，可用于分离或进一步加工。因此，不需要从化学计量的或接近化学计量的形成盐的酸中释放TBD。(例如HCl、对甲苯磺酸、碳酸盐、碳酸氢盐或碳酸/氨基甲酸衍生物)。

本发明还通过纤维纺丝提高了MTBD衍生的离子液体的稳定性。更高的稳定性意味着离子液体的回收更加有效。

附图说明

图1示出了根据本发明的至少一些实施方式的针对MTBD的反应方案。图1还表明可以以低成本从氨和丙烯腈制备DPTA。

具体实施方式

定义

在本文中，术语“双环胍”是指由未取代或取代的环组成的胍，其包含至少5个成员，即位于环结构中的原子。双环胍因此可以具有例如5元环、6元环和/或7元环。环状胍的每个环中的成员数可以相同或不同。

在本文中，双环胍的“衍生物”包括但不限于其中双环胍的一个或多个环原子被取代基如烷基、取代的烷基、烯基、羟烷基、烷氧基或取代的烷氧基、单或二烷基氨基、氨基烷基或取代的氨基烷基取代的化合物。双环胍的衍生物还包括取代的或未取代的双环胍，它们已经被进一步加工形成例如酸碱缀合物(离子液体)。

包括以下更详细讨论的实施方案的本技术适用于制备双环胍及其衍生物，特别是TBD及其衍生物，例如烷基衍生物。

在本文中，术语“烷基”是指含有一个至八个碳原子的饱和、直链或支链的烃基。在某些实施方案中，烷基含有1-6个碳原子或1-5个碳原子。在一些实施方案中，烷基含有1-4个碳原子、1-3个碳原子或1-2个碳原子。烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、戊基、己基等。

如本文所用，术语“烯基”是指具有至少一个碳-碳双键的直链或支链烃基。在某些实施方案中，烯基含有2-12个碳原子。在一些实施方案中，烯基基团包含2-8个碳原子，2-6个碳原子或2-5个碳原子。在一些实施方案中，烯基基团包含2-4个碳原子或2-3个碳原子。烯基的实例包括但不限于乙烯基，丙烯基，丁烯基，1-甲基-2-丁烯-1-基等。

在本发明的一个实施方案中，在高温下使氰胺和多胺接触，以使所述氰胺与所述多胺反应以形成双环胍。

氰胺是指氰胺和双氰胺或2-氰基胍，优选是指双氰胺。

多胺优选为三胺，但也可以为四胺。合适的多胺的实例包括但不限于双(3-氨基丙基)胺或二亚丙基三胺(DPTA)、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、三亚丙基四胺、乙烯丙烯三胺、3-(2-氨基乙基氨基)丙胺或其组合。

“高温”是指这样的温度范围，其包括在所施加的压力下，例如在大气压下或在超压下的多胺的沸点。在本发明的一个实施方案中，所述温度范围为150-250℃，例如180-230℃，特别是220-230℃。为了避免形成不希望的副产物，例如三聚氰胺，优选在高于约150℃的温度下进行反应。

可以调整允许反应进行的时间，以使所需产物的产率最大化并且使副产物的形成最小化。这种调整对于本领域技术人员而言是显而易见的。举例来说，双氰胺与DPTA的反应时间可以为0.5小时至24小时，或者优选为4至8小时。

在一个实施方案中，本发明利用了新发现，即双(3-氨基丙基)胺或二亚丙基三胺(DPTA)是双氰胺(DCD)的出乎意料的良好溶剂，否则其难以溶解。出乎意料的是，DPTA溶解DCD的量超过反应的化学计量比。在一个实施方案中，用于双氰胺的另一种出乎意料的良好溶剂是3-(2-氨基乙基氨基)丙胺(N3-胺)，其溶解DCD的量超过反应的化学计量比。其他复杂的溶剂将需要额外的纯化步骤，这将显着增加总成本。

在一个实施方案中，本发明的方法因此包括特别是在液相中使双氰胺(DCD)与双(3-氨基丙基)胺(DPTA)接触。优选地，DCD在由双(3-氨基丙基)胺组成或基本上由双(3-氨基丙基)胺组成的液相中接触。如上所述，所述反应在高温下进行，优选在一定量的多胺存在下进行，该量超过反应的化学计量比。

在优选的实施方案中，因此使氰胺与化学计量过量的多胺接触，特别是与摩尔量为1.5至1000倍，例如2至500倍，特别是2至50倍，例如3至10倍氰胺摩尔量的多胺接触。

在另一个实施方案中，本发明的方法包括使双氰胺(DCD)与3-(2-氨基乙基氨基)丙胺(N3-胺)接触，特别是在由N3-胺组成或基本上由N3-胺组成的液相中。

当双氰胺与DPTA或N3-胺接触时，双氰胺可以粉末形式逐步添加，或者以液态形式作为DPTA或N3-胺溶液添加。作为反应的典型副产物，形成气态氨。在一些实施方案中，氨可以被回收和再循环，从而消除了可能的废物流。

在一个实施方案中，本发明的方法包括将氰胺溶解在多胺的第一溶液中，并将所述溶液逐步添加到多胺的第二溶液中，其中将多胺的第二溶液保持在高温下。

在一个实施方案中，使氰胺与多胺接触在酸催化剂的存在下进行。合适的酸催化剂可以包括但不限于无机酸，例如盐酸、硫酸或磷酸，以及有机酸，例如磺酸或乙酸。合适的磺酸包括本领域技术人员已知的烷基或芳基磺酸。示例性的磺酸包括但不限于甲烷磺酸、三氟甲烷磺酸和对甲苯磺酸及其混合物。合适的乙酸包括但不限于氟乙酸，例如三氟乙酸。然而，本发明的方法可以在不添加酸催化剂的情况下或在少量酸催化剂的存在下完成。

在本发明的一个实施方案中，TBD的合成是通过在高温(例如220℃)下使双氰胺(DCD)(优选在双(3-氨基丙基)胺(DPTA)溶液中)与DPTA以及优选的酸催化剂(例如对甲苯磺酸)接触来进行的和气态氨作为副产物。

本发明的方法还包括一个实施方案，其中将双氰胺溶解在双(3-氨基丙基)胺的第一溶液中，并将包含双(3-氨基丙基)胺和双氰胺的第一溶液逐步加入到温度保持在至少为150℃，优选至少为200℃的双(3-氨基丙基)胺的第二溶液中。

在一个实施方案中，将双氰胺溶解在由双(3-氨基丙基)胺形成的液相中以形成溶液，并且使双氰胺和双(3-氨基丙基)胺在酸催化剂的存在下反应以产生TBD。可以在将双氰胺添加到由双(3-氨基丙基)胺形成的液相中之前或之后添加酸催化剂。

优选地，所使用的酸催化剂可溶于双(3-氨基丙基)胺，在这种情况下，获得均匀的反应混合物。

通常，在以上实施方案中，没有或少量的三聚氰胺形成为反应的副产物。术语“无三聚氰胺”应解释为使得反应完成后三聚氰胺的量小于液相的2重量％，优选小于0.2重量％。

在一个实施方案中，针对MTBD的反应方案如图1所示。

可以通过将TBD与合适的溶剂混合并添加烷基化试剂，如烷基碳酸酯、烷基卤化物、烷基硫酸盐、烷基磺酸盐或烷基膦酸酯，来将TBD烷基化为其烷基衍生物，例如甲基和乙基衍生物。因此，例如通过使TBD与碳酸甲酯、卤代甲烷、硫酸甲酯、磺酸甲酯或膦酸甲酯反应，将TBD甲基化为MTBD。类似的乙基化试剂适用于TBD的乙基化。

在一个实施方案中，用碳酸二甲酯进行TBD的甲基化。

可以分批或连续地进行本发明的方法。

根据本发明的方法形成的TBD或其甲基衍生物MTBD可以以极纯的形式获得。在一些实施方案中，可以对通过本发明的方法获得的TBD进行升华、蒸馏或结晶。

使用本发明的方法，可获得高于60％或高于65-70％的TBD产率。此外，与制备TBD的现有技术方法相比，所述方法产生的副产物，特别是三聚氰胺的数量要少得多。

令人惊讶地，在本发明的方法中，DPTA既可以充当试剂又可以充当溶剂，因此不需要将外部溶剂添加到反应混合物中。备选地，例如在连续过程中，反应中形成的氨可以充当氰胺的溶剂。

以成本有效的方式制备TBD并随后转化为MTBD，然后转化为MTBD衍生的离子液体(酸碱缀合物)在纤维素溶解方面具有优势。所述离子液体被设计用于纤维素溶解和随后加工的目的，例如莱赛尔型纤维纺丝或化学改性。已确定源自MTBD的离子液体，特别是[mTBDH][OAc]，其水解稳定性要比先前的IONCELL-F代(例如，[DBNH][OAc])更稳定。

应当理解，所公开的本发明的实施方案不限于本文所公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是扩展至本领域技术人员将认识到的等同形式。还应理解，本文采用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而无意于进行限制。

在整个说明书中对“一个实施方案(one embodiment)”或“一个实施方案(anembodiment)”的引用是指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施方案中”或“在一个实施方案中”并不一定都指同一实施方案。

如在此使用的，为了方便，可以在共同的列表中呈现多个项目、结构要素、组成要素和/或材料。但是，这些列表应被解释为好像列表的每个成员都被单独标识为单独且唯一的成员。因此，仅基于它们在共同组中的呈现而没有相反指示，该列表的任何单个成员都不应被解释为等同于同一列表的任何其他成员的事实上的等同物。另外，在此可以参考本发明的各种实施方案和实施例以及用于其各种组件的替代方案。应当理解，这样的实施方案、实施例和替换不应被理解为彼此的实际上等同，而应被认为是本发明的独立和自主的表示。

此外，在一个或多个实施方案中，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的实施例，以提供对本发明实施方案的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者利用其他方法、组件、材料等来实践本发明。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明的各个方面不清楚。

实施例

实施例1.在装有滴液漏斗、恒温器温度探头和顶部装有鼓泡器的Allihn冷凝器的两升三颈烧瓶中装入搅拌磁铁和594克(4.53mol)DPTA，其中含有4.31克(0.0227mol)甲苯磺酸一水合物。将烧瓶用氩气冲洗，将混合物剧烈搅拌并使用恒温器加热至内部温度220℃。通过滴液漏斗在六小时内滴加140克(1.67mol)双氰胺在280g(2.13mol)的DPTA中的溶液，该溶液含有2.03克(0.0107mol)的甲苯磺酸一水合物。添加结束时，将温度升至230℃，以保持氨的释放速率。加完后，通过减压蒸馏从混合物中回收过量的DPTA，得到浅色残余物，其含有356克TBD的浅色残留物(2.55mol，理论产率的76.7％)。

实施例2.将按照实施例1制备的粗产物溶于350ml热甲苯中。在配备有Vigreux柱的蒸馏装置中将混合物加热至100℃，并将碳酸二甲酯添加至混合物中直至达到100℃的沸点。通过蒸馏从混合物中除去甲醇和CO₂以及一些碳酸二甲酯和甲苯，同时滴入更多的碳酸二甲酯以保持沸点。当NMR分析显示完全转化时，在减压下从混合物中汽提过量的碳酸二甲酯。将混合物用2升甲苯稀释并冷却，倾析甲苯相，并通过旋转蒸发除去甲苯。在真空下蒸馏残留物以得到MTBD(302g，理论产率的77.1％)。

实施例3.在三颈烧瓶中装入搅拌磁铁和732.8克(4.78mol)MTBD。将加料漏斗安装在烧瓶上，用氩气吹扫设备，并快速从加料漏斗中加入287.2克(4.78mol)冰醋酸，以达到并保持85-100℃的温度，得到1020克黄色的[mTBDH][OAc]，在80-83℃下固化。

实施例4.将9.05克[mTBDH][OAc]和搅拌磁铁引入20毫升的小瓶中，在搅拌下加热到85℃。将1.02克Avicel PH-101(微晶纤维素)添加到小瓶中，得到澄清的黄色纤维素溶液。

尽管上述实施例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是，可以在不进行形式、用法和细节的情况下进行多种修改。在不背离本发明的原理和概念的情况下，发挥创造力。因此，除了由下面阐述的权利要求书之外，无意限制本发明。

动词“包含(to comprise)”和“包含(to include)”在本文中用作开放的限制，其既不排除也不要求还存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应当理解，在整个文件中使用“一个”或“一种”，即单数形式并不排除多个。

工业实用性

TBD是有机超强碱，其具有广泛的应用。它也是几种化学反应的已知催化剂。TBD及其衍生物(尤其是MTBD和相关的离子液体)的合成可用于从精细化学品生产商到批量合成的化工公司，MTBD衍生的离子液体可用于纤维素溶解和纤维纺丝，它们可提供更高的稳定性并因此可以经济高效地回收离子液体。

缩略词列表

DCD 双氰胺

DPTA 双(3-氨基丙基)胺或二亚丙基三胺

IL 离子液体

MTBD 7-甲基-1,5,7-三氮杂[4.4.0]双环癸-5-烯

TBD 1,5,7-三氮杂[4.4.0]双环癸-5-烯

引用列表

专利文献

WO 2011/112594A1

WO 2011/079041A1

WO 2012/116080A1

WO 2013/163130A1

Claims (23)

1.一种制备双环胍及其衍生物的方法，其包括在高温下使氰胺和多胺接触以使所述氰胺与所述多胺反应，其中所述方法基本上不含添加的溶剂并且生成碱形式的双环胍。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述双环胍由包含至少5个成员或环原子的未取代或取代的环组成，其中每个环中的成员数相同或不同。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述双环胍的衍生物包括其中双环胍的一个或多个环原子被取代基取代的化合物，所述取代基如烷基、取代的烷基、烯基、羟烷基、烷氧基或取代的烷氧基、单或二烷基氨基、氨基烷基或取代的氨基烷基。

4.根据权利要求1所述的方法，其用于制备1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)及其衍生物，特别是烷基衍生物，如甲基和乙基衍生物。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述氰胺包括双氰胺。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多胺包括三胺或四胺，如双(3-氨基丙基)胺或二亚丙基三胺(DPTA)、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、三亚丙基四胺、乙烯丙烯三胺、3-(2-氨基乙基氨基)丙胺或其组合。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述三胺包括双(3-氨基丙基)胺或二亚丙基三胺(DPTA)。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述多胺包括3-(2-氨基乙基氨基)丙胺。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述氰胺溶解在所述多胺的第一溶液中，并且将所述第一溶液逐步添加到所述多胺的第二溶液中，其中将所述多胺的第二溶液保持在高温下。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述高温为所述多胺在施加压力下的沸点。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述高温为150-250℃，例如180-230℃，特别是220-230℃。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在酸催化剂如对甲苯磺酸的存在下使所述氰胺与所述多胺接触。

13.一种制备1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)及其衍生物的方法，其包括在至少150℃的温度下使双氰胺与双(3-氨基丙基)胺在双(3-氨基丙基)溶液中接触，使所述双氰胺与所述双(3-氨基丙基)胺反应生成碱形式的TBD的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，其中双(3-氨基丙基)胺的第一溶液包含双氰胺，并且将包含双(3-氨基丙基)胺和双氰胺的第一溶液逐步添加至保持在至少150℃的温度下的双(3-氨基丙基)胺的第二溶液中。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述温度为150-250℃，例如180-230℃，特别是220-230℃。

16.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其基本上不含添加的溶剂。

17.根据权利要求13-16中任一项所述的方法，其中使双氰胺与双(3-氨基丙基)胺接触的步骤是在酸催化剂的存在下进行的。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中形成小于2重量％，优选小于0.2重量％的三聚氰胺作为反应的副产物。

19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其用于制备TBD的烷基衍生物，如TBD的甲基和乙基衍生物，特别是TBD的甲基衍生物(MTBD)。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述双环胍被进一步加工以形成其类似物或缀合物，特别是酸碱缀合物或离子液体。

21.由根据权利要求1-20中任一项所述的方法生产的双环胍或其衍生物在生产其类似物或缀合物，特别是离子液体或酸碱缀合物中的应用。

22.一种离子液体，包含根据权利要求1-20中任一项所述的方法形成的双环胍或其衍生物。

23.根据权利要求22所述的离子液体，其中所述双环胍为根据权利要求1-19中任一项所述的方法形成的1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)或其衍生物，特别是甲基衍生物。

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