CN112457273B - 一种n-羟乙基哌嗪联产n-乙基哌嗪的合成方法 - Google Patents

一种n-羟乙基哌嗪联产n-乙基哌嗪的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种N‑羟乙基哌嗪联产N‑乙基哌嗪的合成方法，以煤炭法制乙二醇工艺中间体乙醇酸甲酯为原料，与哌嗪反应，生成中间产物羰基羟乙基哌嗪，然后在加氢催化剂存在下，在一定压力及温度条件下进行加氢还原脱水得到N‑羟乙基哌嗪，同时联产部分N‑乙基哌嗪。本发明方法简便、成本低、总收率高，选择性好，产物易分离，对环境友好。

Description

一种N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法
技术领域
本发明属于有机化工技术领域，也属于兽药和医药原料药合成技术领域，特别是涉及一种N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法。
背景技术
N-羟乙基哌嗪是生产三乙烯二胺、表面活性剂、医药、农药的重要中间体，可用于合成精神病药氟奋乃静等；同时是一种优良的脱硫脱碳剂，可广泛用于环保行业；还可以作为电子化学品，应用于电子行业。而N-乙基哌嗪作为中间体，则主要用于生产兽药乙基环丙沙星、蒽诺沙星，同时也可用作染料、植物保护剂的合成原料。
目前，工业上合成N-羟乙基哌嗪的路线主要为哌嗪与环氧乙烷加成而来，但环氧乙烷活性很高，容易产生N,N-二羟乙基哌嗪杂质，且以环氧乙烷为原料合成，原料价格较高，为易燃易爆有毒气体，在生产时具有一定危险性。
目前生产N-乙基哌嗪的主要原料是哌嗪和乙醇，但乙醇的活性相对较高，哌嗪单程转化率若高于40％，就容易产生杂质N,N-二乙基哌嗪杂质，影响N-乙基哌嗪的生产效率。
以上两种产品的生产均存在一定的缺陷，实际生产中解决上述缺陷就成了当务之急。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法，克服了现有技术中的缺陷，方法简便、成本低、总收率高，选择性好，产物易分离，对环境友好。
本发明以煤炭法制乙二醇工艺中间体乙醇酸甲酯为原料，与哌嗪反应，生成中间产物羰基羟乙基哌嗪，然后在加氢催化剂存在下，在一定压力及温度条件下进行加氢还原脱水得到N-羟乙基哌嗪，同时联产部分N-乙基哌嗪。反应式如下：
Figure BDA0002809189760000021
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法，包括以下步骤：
a.将哌嗪溶解于2～6倍重量比的有机溶剂中，加入催化剂，催化剂与哌嗪的摩尔比为0.01～0.1:1，控制温度在0～50℃，搅拌速度在200～800rpm，缓慢滴加乙醇酸甲酯进行反应，乙醇酸甲酯与哌嗪的摩尔比为0.9～1.0:1，滴加时间控制在2～10h，滴加完后继续搅拌1～2h；
b.将步骤a得到的产物在真空条件下回收有机溶剂，回收完后对料液进行加氢反应；
c.将步骤b得到的产物中加入料液重量1～2倍加氢反应溶剂，并加入加氢催化剂，加氢催化剂与哌嗪的重量比为0.01～0.2:1，经过氮气置换空气后，充入氢气进行加氢反应；
d.在充入氢气时，开启搅拌并升温，保持温度恒定，通过不断补入氢气使氢气压力恒定，直至反应压力不再下降为止(不再补充氢气)，其中温度控制在100～250℃、氢气压力控制在2～10MPa；
e.反应结束后，将加氢催化剂和物料料液进行过滤分离；
f.将步骤e得到的物料料液进行蒸馏，收集不同温度区间的馏分，即得到N-乙基哌嗪或N-羟乙基哌嗪成品。
优选的，所述的步骤a中哌嗪溶解于2～6倍重量比的有机溶剂，催化剂与哌嗪的摩尔比为0.05:1，控制温度在15～35℃,搅拌速度在500～700rpm，乙醇酸甲酯与哌嗪的摩尔比为0.95～0.97:1，滴加时间控制在2～8h,滴加完后继续搅拌2h。
优选的，所述的步骤a中催化剂为碱性催化剂，包括甲醇钠、乙醇钠、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾或氢氧化钾；有机溶剂为甲醇、乙醇、甲苯、环己烷、四氢呋喃或二恶烷。
进一步的，所述的步骤a中催化剂为甲醇钠，有机溶剂为甲醇。
优选的，所述的步骤c中加氢反应溶剂的加入量为料液重量的1～2倍，加氢催化剂与哌嗪的重量比为0.05～0.15:1。
优选的，所述的步骤c中加氢反应溶剂为水、环己烷、二恶烷、甲苯或四氢呋喃，加氢催化剂为雷尼铜、雷尼镍、钯炭或钌炭。
进一步的，所述的步骤c中加氢反应溶剂为甲苯，加氢催化剂为雷尼镍。
优选的，所述的步骤d中反应温度为180～220℃，氢气压力为5～8MPa，搅拌速度在500～700rpm。
优选的，所述的步骤f中N-乙基哌嗪为156～158℃温度区间得到的馏分，N-羟乙基哌嗪为244～246℃温度区间得到的馏分。因为两者蒸馏所需的温度区间差异较大，所以两者能得到彻底的分离。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明以哌嗪、乙醇酸甲酯为原料合成N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成路线中，以价格更低、更安全的乙醇酸甲酯代替现有技术中价格高、危险性大的环氧乙烷，在碱性催化剂存在下与哌嗪发生氨解反应生成羰基羟乙基哌嗪，然后在催化剂存在下进行加氢脱水，再经过后续分离得到N-乙基哌嗪及N-羟乙基哌嗪。且通过实施例证明，本发明较优化的合成反应工艺得到的总摩尔收率达到90％以上。
本发明工艺操作简单，原料价格更低、更安全，转化率高，总收率高，选择性好，后处理简单，产物易分离，环境友好，具有很好的工业化前景。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
取无水哌嗪172g(2mol)加入至带机械搅拌的四口瓶中，加入344g无水甲醇溶解后，加入5.4g(0.1mol)无水甲醇钠，600～700rpm搅拌下，缓慢往里滴加172.8g(1.92mol)乙醇酸甲酯，控制滴加时间6小时，滴加过程控制温度为30℃；滴加完毕，300～500rpm搅拌2小时，开启真空系统，回收溶剂，中间取样检测直至溶剂回收干净，将物料转移入高压釜中；
加入344g甲苯，投入17.2g雷尼镍做催化剂，上紧釜盖，氮气试漏后置换空气三次，冲入氢气置换2次；
开启搅拌400～600rpm，同时升温，升温到200℃，充入氢气使压力维持在5±0.5MPa，中间过程观察氢气压力变化，直至氢气压力不再下降为止；
降至室温，过滤掉催化剂，精馏，收集156～158℃馏分为N-乙基哌嗪，244～246℃馏分为N-羟乙基哌嗪，共得到N-乙基哌嗪68.63g，纯度99.7％；N-羟乙基哌嗪164.81g，纯度99.6％，两者总摩尔收率93.5％。
实施例2
本实施方法和实施例1不同的是氨解催化剂为10.6g(0.1mol)的碳酸钠，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪59.51g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪158.34g，纯度99.7％，总摩尔收率87.0％。
实施例3
本实施方法和实施例1不同的是氨解催化剂为10.0g(0.1mol)的碳酸氢钾，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪57.68g，纯度99.6％；N-羟乙基哌嗪152.36g，纯度99.6％，总摩尔收率83.9％。
实施例4
本实施方法和实施例1不同的是氨解催化剂为1.08g(0.02mol)的无水甲醇钠，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪61.1g，纯度99.7％；N-羟乙基哌嗪159.64g，纯度99.5％，总摩尔收率88.2％。
实施例5
本实施方法和实施例1不同的是氨解催化剂为10.8g(0.2mol)无水甲醇钠，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪67.94g，纯度99.8％；N-羟乙基哌嗪166.4g，纯度99.5％，总摩尔收率93.8％。
实施例6
本实施方法和实施例1不同的是哌嗪稀释溶剂为相同当量溶剂的乙醇，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪65.21g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪161.04g，纯度99.7％，总摩尔收率91.7％。
实施例7
本实施方法和实施例1不同的是哌嗪稀释溶剂为相同当量溶剂的环己烷，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪57.91g，纯度99.4％；N-羟乙基哌嗪157.56g，纯度99.5％，总摩尔收率86％。
实施例8
本实施方法和实施例1不同的是哌嗪稀释溶剂为相同当量溶剂的甲苯，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪60.88g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪155.74g，纯度99.8％，总摩尔收率86.6％。
实施例9
本实施方法和实施例1不同的是乙醇酸甲酯滴加时间为2小时，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪55.40g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪145.86g，纯度99.8％，总摩尔收率80.4％。
实施例10
本实施方法和实施例1不同的是乙醇酸甲酯滴加时间为10小时，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪68.40g，纯度99.7％；N-羟乙基哌嗪165.88g，纯度99.5％，总摩尔收率93.8％。
实施例11
本实施方法和实施例1不同的是乙醇酸甲酯用量为162g(1.8mol)，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪58.14g，纯度99.6％；N-羟乙基哌嗪149.76g，纯度99.7％，总摩尔收率83.1％。
实施例12
本实施方法和实施例1不同的是乙醇酸甲酯用量为180g(2.0mol)，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪67.03g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪163.02g，纯度99.4％，总摩尔收率92.1％。
实施例13
本实施方法和实施例1不同的是乙醇酸甲酯滴加温度为0℃，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪56.54g，纯度99.6％；N-羟乙基哌嗪150.54g，纯度99.4％，总摩尔收率82.7％。
实施例14
本实施方法和实施例1不同的是乙醇酸甲酯滴加温度为50℃，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪61.10g，纯度99.7％；N-羟乙基哌嗪154.44g，纯度99.6％，总摩尔收率86.2％。
实施例15
本实施方法和实施例1不同的是加氢溶剂为相同当量溶剂的水，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪56.09g，纯度99.6％；N-羟乙基哌嗪153.66g，纯度99.5％，总摩尔收率83.7％。
实施例16
本实施方法和实施例1不同的是加氢溶剂为相同当量溶剂的环己烷，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪61.33g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪155.22g，纯度99.6％，总摩尔收率86.6％。
实施例17
本实施方法和实施例1不同的是加氢溶剂为相同当量溶剂的二恶烷，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪64.75g，纯度99.6％；N-羟乙基哌嗪156.58g，纯度99.6％，总摩尔收率88.7％。
实施例18
本实施方法和实施例1不同的是加氢催化剂为相同当量催化剂的雷尼铜，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪66.35g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪159.12g，纯度99.7％，总摩尔收率90.3％。
实施例19
本实施方法和实施例1不同的是加氢催化剂为相同当量催化剂的钯炭，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪68.63g，纯度99.7％；N-羟乙基哌嗪161.46g，纯度99.5％，总摩尔收率92.2％。
实施例20
本实施方法和实施例1不同的是加氢催化剂用量为1.72g的雷尼镍，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪56.77g，纯度99.6％；N-羟乙基哌嗪145.86g，纯度99.5％，总摩尔收率81.0％。
实施例21
本实施方法和实施例1不同的是加氢催化剂用量为8.60g雷尼镍，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪66.58g，纯度99.6％；N-羟乙基哌嗪159.38g，纯度99.7％，总摩尔收率90.5％。
实施例22
本实施方法和实施例1不同的是加氢催化剂用量为34.4g雷尼镍，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪67.03g，纯度99.6％；N-羟乙基哌嗪160.42g，纯度99.4％，总摩尔收率91.1％。
实施例23
本实施方法和实施例1不同的是加氢温度为100℃，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪59.74g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪153.92g，纯度99.7％，总摩尔收率85.4％。
实施例24
本实施方法和实施例1不同的是加氢温度为150℃，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪66.80g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪162.50g，纯度99.6％，总摩尔收率91.8％。
实施例25
本实施方法和实施例1不同的是加氢温度为250℃，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪67.94g，纯度99.7％；N-羟乙基哌嗪161.20g，纯度99.6％，总摩尔收率91.8％。
实施例26
本实施方法和实施例1不同的是加氢压力为2±0.5MPa，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪61.33g，纯度99.5％；N-羟乙基哌嗪150.54g，纯度99.7％，总摩尔收率84.8％。
实施例27
本实施方法和实施例1不同的是加氢压力为8±0.5MPa，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪70.68g，纯度99.4％；N-羟乙基哌嗪163.02g，纯度99.7％，总摩尔收率93.7％。
实施例28
本实施方法和实施例1不同的是加氢压力为10±0.5MPa，其它步骤相同，得到N-乙基哌嗪70.68g，纯度99.7％；N-羟乙基哌嗪164.04g，纯度99.6％，总摩尔收率94.1％。
总结：
由实施例1/2/3可知：甲醇钠做氨解催化剂，效果最佳：
由实施例1/4/5可知：氨解催化剂的量控制在0.05为佳；
由实施例1/6/7/8可知：在不同的溶剂中，甲醇做哌嗪溶剂条件下，产品收率最高；
由实施例1/9/10可知：随乙醇酸甲酯滴加时间延长，产品收率在逐渐提高，应该是跟选择性被提高有关，但滴加时间6小时跟10小时差别并不大，所以6小时的滴加时间比较合理；
由实施例1/11/12可知：当乙醇酸甲酯用量少时，相对乙醇酸甲酯的选择性更高，但相对哌嗪收率较低，当乙醇酸甲酯当量过高时，生成的氨解产物容易继续与乙醇酸甲酯反应生成其他杂质，反而会导致最终产品收率降低，所以优选0.96当量下的反应；
由实施例1/13/14可知：氨解反应低温下反应慢收率低，高温下容易生成其他杂质收率也低，优选30℃；
由实施例1/15/16/17可知：在不同溶剂下进行加氢反应，以甲苯效果最佳；实施例1/18/19可知：不同的加氢催化剂，以雷尼镍为佳；
由实施例1/20/21/22可知：随加氢催化剂用量的提高，产品收率逐渐提高，0.1重量当量时达到最高，继续提高，收率反而有所下降，可能与活性过高生成其他杂质有关，优选0.1当量催化剂；
由实施例1/23/24/25可知：不同温度下加氢反应，低温下反应不完全，收率较低；高温下反应会有少量杂质产生，收率也会略低，200℃左右收率最高；
由实施例1/26/27/28可知：随加氢压力的提高，反应效果逐渐增加，但5MPa以上再增加压力，效果提高不明显，压力维持在5MPa左右为佳。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将哌嗪溶解于2～6倍重量比的有机溶剂中，加入催化剂，催化剂与哌嗪的摩尔比为0.01～0.1:1，控制温度在0～50℃, 搅拌速度在200～800rpm，缓慢滴加乙醇酸甲酯进行反应，乙醇酸甲酯与哌嗪的摩尔比为0.9～1.0:1，滴加时间控制在2～10h，滴加完后继续搅拌1～2h；所述催化剂为甲醇钠、碳酸钠或碳酸氢钾；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、甲苯、环己烷、四氢呋喃或二恶烷；
b.将步骤a得到的产物在真空条件下回收有机溶剂，回收完后对料液进行加氢反应；
c.将步骤b得到的产物中加入料液重量1～2倍加氢反应溶剂，并加入加氢催化剂，加氢催化剂与哌嗪的重量比为0.01～0.2:1，经过氮气置换空气后，充入氢气进行加氢反应；所述步骤c中加氢反应溶剂为水、环己烷、二恶烷、甲苯或四氢呋喃，所述加氢催化剂为雷尼铜、雷尼镍或钯炭；
d.在充入氢气时，开启搅拌并升温，保持温度恒定，通过不断补入氢气使氢气压力恒定，直至反应压力不再下降为止，其中温度控制在100～250℃、氢气压力控制在2～10MPa；
e.反应结束后，将加氢催化剂和物料料液进行过滤分离；
f.将步骤e得到的物料料液进行蒸馏，收集不同温度区间的馏分，其中156～158℃温度区间得到的馏分为N-乙基哌嗪，244～246℃温度区间得到的馏分为N-羟乙基哌嗪。
2.如权利要求1所述的N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法，其特征在于：所述步骤a中哌嗪溶解于2～6倍重量比的有机溶剂，催化剂与哌嗪的摩尔比为0.05:1，控制温度在15～35℃, 搅拌速度在500～700rpm，乙醇酸甲酯与哌嗪的摩尔比为0.95～0.97:1，滴加时间控制在2～8h, 滴加完后继续搅拌2h。
3.如权利要求1所述的N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法，其特征在于：所述步骤a中催化剂为甲醇钠，有机溶剂为甲醇。
4.如权利要求1所述的N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法，其特征在于：所述步骤c中加氢反应溶剂的加入量为料液重量的1～2倍，加氢催化剂与哌嗪的重量比为0.05～0.15:1。
5.如权利要求1所述的N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法，其特征在于：所述步骤c中加氢反应溶剂为甲苯，加氢催化剂为雷尼镍。
6.如权利要求1所述的N-羟乙基哌嗪联产N-乙基哌嗪的合成方法，其特征在于：所述步骤d中反应温度为180～220℃，氢气压力为5～8MPa, 搅拌速度在500～700rpm。
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