CN111675677B - 一种n-甲基吗啉的合成工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种N‑甲基吗啉的合成工艺，包括以下步骤：向反应釜中加入吗啉、水，升温至80～90℃后加入多聚甲醛，保温至反应结束；经后处理，得到N‑甲基吗啉成品。本发明以高选择性和高产率获得纯度大于等于99.9％的N‑甲基吗啉，无副产物产生，降低了三废的产生。

Description

一种N-甲基吗啉的合成工艺
技术领域
本发明涉及精细化工领域，特别涉及一种N-甲基吗啉的合成工艺。
背景技术
N-甲基吗啉是一种杂环叔胺，是一种重要的化工原料，它可用作聚氨酯泡沫生产的催化剂、医药合成和有机合成的催化剂，还可用于农药、表面活性剂、乳化剂、腐蚀抑制剂等精细化工产品，也可作为溶剂、萃取剂等。
N-甲基吗啉合成路线主要有四种，(1)吗啉甲基化法(2)二乙二醇法(3)二乙二醇胺法(4)二氯乙醚法，上述几种合成要求高温、高压并使用催化剂，工艺条件苛刻，对设备要求高。其中吗啉甲基化法属于Eschweiler–Clarke反应，所使用的甲基化试剂例如碘甲烷或甲苯磺酸甲酯由于其存在一定的毒性逐渐被弃用，目前多使用甲醛、甲酸作为吗啉的甲基化试剂。
Thomas Rosenau等人于2002年在Synthetic Communications报道了一种无溶剂且不使用福尔马林的氨基甲基化的Eschweiler–Clarke反应，具体报道了吗啉在多聚甲醛和草酸而水合物存在下以优异的产率转化为N-甲基吗啉，并提出了使用固体多聚甲醛代替福尔马林有明显的改善。但上述方法是以草酸分解产生的甲酸作为实际的还原剂，而草酸分解需要100摄氏度且会生成草酸铵，会引入不必要的杂质从而导致增大产物后处理的难度。
Heshmatollah Alinezhad等人于2006年在Synthetic Communications报道了一种高效温和的N-甲基化还原方法，具体为使吗啉在37％的甲醛水溶液存在下缩合成为亚甲基亚胺，再经N-甲基哌啶硼氢化锌还原得到N-甲基吗啉，但其收率仅为80％，且需要使用较复杂的还原剂。2010年又报道了使用硼氢化钠为还原剂、2,2,2-三氟乙醇为溶剂制备N-甲基吗啉的方法，收率提高至87％，反应时间需要3.2h。2012年Heshmatollah Alinezhad等人又报道了使用N-甲基吡咯硼氢化锌作为还原剂制备N-甲基吗啉的方法，但其收率也仅提高至88％。
Renato A.da Silva等于于2007年再Tetrahedron Letters报道了在水性介质中用甲醛和锌处理吗啉得到N-甲基吗啉的方法，并且达到了96％的高收率，但其需要使用大量的乙酸来调节水溶液的pH同时作为锌的质子来源。
马西功等人于2008年在青岛科技大学学报报道了使用甲醛、甲酸使吗啉转化为N-甲基吗啉的方法，但其收率并不令人满意，至高为92.2％，不适合大规模生产。
Xin Ge等人2014年在RSC Advances报道了使用雷尼镍和多聚甲醛进行N-甲基吗啉的制备，但由于需要对催化剂进行后处理且存在催化剂失活的情况，因此并不适合工业化生产使用。
Hongli Wang,等在ChemComm报道了吗啉在多聚甲醛和氢气、CuAlOx的存在下以THF为溶剂制备N-甲基吗啉的方法，但其收率仅为79％，并不足以令人满意，催化剂制备工艺繁琐，并且存在反应温度高、反应时间长的问题。
另外还有尝试使用Au、Ru、Pt、Pd等贵金属作为催化剂以及制备工艺繁琐复杂的催化剂的N-甲基吗啉的制备路线，均存在成本过高的情况。
因此，有必要研发一种可用于工业化生产的、无需使用还原剂的N-甲基吗啉的新合成工艺，以简化工艺条件、降低污染物排放以及提高产品收率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，采用多聚甲醛和吗啉直接进行反应，不用加入还原剂，以高选择性和高产率获得纯度≥99.9％的N-甲基吗啉，同时大大降低了三废的产生，从而完成本发明。
因此，本发明的目的在于提供一种N-甲基吗啉的合成工艺，包括以下步骤：
步骤1，向反应釜中加入吗啉、水；
步骤2，釜温升至80℃以上，加入多聚甲醛，搅拌并保温直至反应结束；
步骤3，经后处理，得到N-甲基吗啉成品。
以下对本发明进行具体描述和说明。
本发明提供一种N-甲基吗啉的合成工艺，包括以下步骤：
步骤1，向反应釜中加入吗啉，再加入水。
本发明加入水提供反应正向进行的质子，促进反应更快进行。
根据本发明，基于50重量份的吗啉，水的用量为20至30重量份，优选为25至28重量份
步骤2，釜温升至80～90℃时，加入多聚甲醛，维持反应釜在一定温度下进行反应，直至无气体冒出。
本发明使用的多聚甲醛代替传统的甲醛溶液和甲酸等还原剂，使之快速反应。
本发明公开的技术方案中无需催化剂，尤其是金属催化剂，另一方面，无需外加还原剂，因此，可以大大简化后续后处理分离工艺，提高了该反应的工业应用前景。
根据本发明，基于50重量份的吗啉，多聚甲醛的用量为50至60重量份，优选为55至58重量份。
在反应釜中，反应釜进行升温，并使多聚甲醛与吗啉和水混合对。
本发明人发现，在升温过程中，以固体加入的多聚甲醛逐渐溶解，并与吗啉相互混合、充分接触并进行反应。该操作方式能有效避免过早加入多聚甲醛后产生甲醛而导致的甲醛与水形成不利于反应的水合物或共聚物。同时生成的水合物或共聚物不利于后续产物的分离。
根据本发明，当反应釜温度达到80℃，优选达到85℃，开始保温。
根据本发明，在反应釜温度不低于80℃时，体系溶解不完全，反应不是均相，使得本发明的收率较低。当反应温度过高时，多聚甲醛溶解速度过快，容易生成水合物和共聚物，不利于反应进行，同时也不利于对后续目标产物的分离提纯。
步骤3，经后处理，得到N-甲基吗啉成品。
根据本发明，没有二氧化碳生成，可以视为反应结束，也可以经检测确定，当反应产物不再增加时，即为反应完成。
反应结束后，对反应液进行后处理，包括以下操作：
一、将温度降低，直至降至30℃以下。
二、向体系中加入吗啉质量的20％氯化钠，体系分层清晰。
三、对上层清液进行精馏，优选进行常压精馏，主馏分即为本发明目标产物N-甲基吗啉，单程精馏收率为95％以上，下层水相套用于下批投料反应中。
根据本发明，氯化钠的加入量控制在主原料质量的20％即可分层，精馏操作中在获得主馏分之前，先回收前馏分，其中，通过回收前馏分留置进行下批加盐套用，或者通过回收前馏分获得产品，或者留置套用于下批精馏。
通过上述反应步骤和后处理操作，在大大降低三废产生的情况下以高选择性和高产率获得N-甲基吗啉，选择性为99％，单程精馏收率为95％以上。
本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：
(1)吗啉在水中与多聚甲醛直接进行反应，反应历程简单，避免产生不易精馏分离的副反应或中间阶段或中间产物(尤其是甲醛溶于水中形成的水合物或共聚物)，简化了工业化生产对设备和工艺的要求。
(2)避免使用酸性物质作为还原剂，降低了对设备的腐蚀强度，反应条件温和，降低了能源消耗。
(3)能够实现水相的回收套用，避免排放，降低了制造成本并大大减少了三废产生。
(4)获得纯度大于等于99％的高品质N-甲基吗啉产品。
(5)本发明从根本上改变了体系中加入还原剂，本发明方法还具有简便、易于控制和工业化生产的特点。另一方面，本发明不适用催化剂，尤其是金属催化剂，可以简化生产工艺且得到的产品中无金属残留，符合一些金属含量耐受率较低的应用场景。
附图说明
图1为本发明反应方程式。
具体实施方式
以下以N-甲基吗啉的合成工艺为例，通过具体实例进一步描述本发明。不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例1
如附图1的反应式所示：
将50g吗啉、25g水加入到反应釜中；
反应釜升温至85℃，加入55g多聚甲醛，并搅拌、保温5小时，至尾气无气体流出，反应结束。
降温至30℃，向反应釜加入10g氯化钠，体系分层，上层有机相精馏提纯，下层水相套用于下一批，以单程98.7％收率得到N-甲基吗啉，纯度为99.3％，为淡黄色液体。
经检测，其GC-MS分析分子量为101.15，经1H-NMR检测确认为N-甲基吗啉。
实施例2
将50g吗啉、28g水加入到反应釜中；
反应釜升温至85℃，加入58g多聚甲醛，并搅拌、保温6小时，直到尾气无气体流出，反应结束。
降温至30℃，向反应釜加入10g氯化钠，体系分层，上层有机相精馏提纯，下层水相套用于下一批，以单程99.2％收率得到N-甲基吗啉，纯度99.5％，为淡黄色液体。
经检测，其GC-MS分析分子量为101.15，经1H-NMR检测确认为N-甲基吗啉。
实施例3
具体操作与实施例2相同，区别在于吗啉、水、多聚甲醛同时加入到反应釜中。
单程收率87.3％，纯度98.3％，为淡黄色液体。同时通过分离得到到4.3％的N-甲酰吗啉。
经检测，其GC-MS分析分子量为101.15，经1H-NMR检测确认为N-甲基吗啉。
实施例4
具体操作与实施例2相同，区别在于反应温度为80℃后，加入多聚甲醛。
单程收率95.5％，纯度99.3％，为淡黄色液体。
经检测，其GC-MS分析分子量为101.15，经1H-NMR检测确认为N-甲基吗啉。
实施例5
具体操作与实施例2相同，区别在于反应温度为75℃后，加入多聚甲醛。
单程收率65.4％，纯度99.1％，为淡黄色液体。
经检测，其GC-MS分析分子量为101.15，经1H-NMR检测确认为N-甲基吗啉。
实施例6
具体操作与实施例2相同，区别在于反应温度为90℃后，加入多聚甲醛。
单程收率96.5％，纯度99.3％，为淡黄色液体。
经检测，其GC-MS分析分子量为101.15，经1H-NMR检测确认为N-甲基吗啉。
实施例7
具体操作与实施例2相同，区别在于反应温度为100℃后，加入多聚甲醛。
单程收率86.5％，纯度98.7％，为淡黄色液体。
经检测，其GC-MS分析分子量为101.15，经1H-NMR检测确认为N-甲基吗啉。
应该理解，虽然本发明结合实例进行了详细的说明，但上述说明旨在举例说明，而不以任何方式限制其发明内容。对本领域技术人来说，基于本文的说明可以最大程度地利用本发明，并可在没有脱离本发明的权利要求范围或精神内进行多种修改或修饰。

Claims (12)

1.一种N-甲基吗啉的合成工艺，由以下步骤组成：
步骤1，向反应釜中加入吗啉，水；
步骤2，釜温升至80℃以上后，加入多聚甲醛，搅拌并保温至反应结束；
步骤3，经后处理，得到N-甲基吗啉成品；
在步骤1和步骤2中，无需加入金属催化剂；且在步骤1和步骤2中无需加入还原试剂。
2.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，步骤1中，基于50重量份的吗啉，水的用量为20至30重量份。
3.根据权利要求2所述的合成工艺，其特征在于，步骤1中，基于50重量份的吗啉，水的用量为25至28重量份。
4.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，步骤2中，
反应温度控制在80～90℃。
5.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，步骤2中，基于50重量份的吗啉，多聚甲醛用量为50至60重量份。
6.根据权利要求5所述的合成工艺，其特征在于，步骤2中，基于50重量份的吗啉，多聚甲醛用量为55至58重量份。
7.根据权利要求1至6之一所述的合成工艺，其特征在于，步骤3中，反应完毕加入金属盐以析出有机相，所述金属盐选自氯化钠、氯化钾、碳酸钾和无水硫酸钠中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述的合成工艺，其特征在于，步骤3中，后处理包括以下操作：
下层液体套用，对上层清液精馏。
9.根据权利要求8所述的合成工艺，其特征在于，所属精馏为常压精馏。
10.根据权利要求7所述的合成工艺，其特征在于，所述金属盐的用量为吗啉重量的20％。
11.根据权利要求7所述的合成工艺，其特征在于，步骤3中反应结束后先降温再加入金属盐。
12.根据权利要求11所述的合成工艺，其特征在于，步骤3中降温至30℃以下。
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