CN112939799B - 一种n-羟甲基丙烯酰胺的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种N‑羟甲基丙烯酰胺的合成方法，本发明以固态的丙烯酰胺和多聚甲醛为原料，采用负载型季铵碱催化剂，通过控制季铵碱所连接的烃基基团的大小，利用烃基位阻效应，选择性的活化丙烯酰胺中的氨基基团，实现了减少N‑羟甲基丙烯酰胺生产过程中的自聚行为，高效的得到N‑羟甲基丙烯酰胺单体；本发明采用负载型季胺碱作为催化剂，反应条件温和，选择性高，有效的避免了传统无机碱液反应造成的体系聚合，反应体系无需添加大量的水作为反应溶剂，即可实现原料的高效转化，从而提高了产率；本发明的负载型季铵碱催化剂具有比表面大、反应活性高等特点，大大减少了反应过程中的溶剂水的使用量，在后处理过程中方便移除，减少了污水排放。

Description

一种N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法

技术领域

本发明涉及一种N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法。

背景技术

N-羟甲基丙烯酰胺是一种应用很广泛的功能性单体，其分子结构中含有可聚合的双键和可以缩合的羟甲基两个活性基团，因此具有交联剂单体的特性，可广泛的广泛用于纤维的改性树脂、树脂加工、涂料、塑料粘合剂、油田助剂及土壤稳定剂等。其本身具有较好的水溶性，稀释能力较强，并且其活泼双键能够在UV照射下发生聚合，固化速度较其他丙烯酸类单体更快，固化产物兼具柔韧性与硬度，且具有低毒性、低刺激性，低腐蚀性等特点，被广泛的应用于UV柔印，水性UV染料以及UV粘合剂中，并可在水系中与多种单体聚合制成性能优良的聚合物，是目前应用十分广泛的精细化学品。国外对此研究技术较为成熟，国内对其应用开发和制备方法研究还较为有限，不少应用领域还有待进一步的研究和开发，从而发挥N-羟甲基丙烯酰胺更大的潜力和价值。

目前，已经有多篇国内外专利公开了合成N-羟甲基丙烯酰胺的方法，例如：

(1)公开号为EP508455的欧洲专利，公开了以丙烯酰胺与多聚甲醛为起始原材料，采用氢氧化钠/钼酸钠混合催化剂，然后于50摄氏度，pH＝10条件下反应，得到N-羟甲基丙烯酰胺。该路线用到的氢氧化钠与钼酸钠催化剂易于潮解结块，不利于加料与保存；且加料过程中产生的粉尘为强碱性，对人呼吸系统刺激较大；同时在生产过程中产生的可溶性钼化物气溶胶易造成操作人员钼中毒，引起关节疼痛，造成血压偏低和血压波动，神经功能紊乱，代谢过程出现障碍等症状，不利于工业生产的人员安全和环境要求。

(2)公开号为JP61068453的日本专利，公开了以丙烯酰胺与36％甲醛水溶液为起始原材料，采用氢氧化钠为催化剂，得到44％的N-羟甲基丙烯酰胺的水溶液。此合成方法虽然避免了使用钼酸钠等毒性催化剂，但此反应未得到结晶化的N-羟甲基丙烯酰胺，水溶液应用场景较为有限，产品保存困难，生产效率较低。

(3)公开号为CN102351729的中国专利，公开了以丙烯酰胺和甲醛水溶液为原料，采用pH值为9.5-10的氢氧化钠水溶液为反应溶剂，制备了N-羟甲基丙烯酰胺。但是此方法需要精确的控制体系pH值以及反应温度，且在后处理中需要大量的硫酸作为中和试剂，产率较低，副产物较多并生成大量硫酸盐，经济性不足，不利于工业化大规模生产。

(4)公开号为CN102304057、CN102304058、CN102304059的中国专利，公开了以丙烯酰胺和多聚甲醛为原料，分别采用乙酸乙酯、矿物油、二氯乙烯作为反应溶剂，以有机碱三乙胺或者乙醇胺为催化剂得到N-羟甲基丙烯酰胺。此方法虽然避免了使用氢氧化钠等无机碱造成的粉尘污染，但是有机碱相对价格较高，并且反应在有机溶剂体系内进行，后处理较为复杂，产生的VOC较高，使得工业化中成本增高。

(5)公开号为CN102020582、CN102020583的中国专利，公开了以丙烯酰胺和多聚甲醛为原料，采用乙醇钠作为碱催化剂，使用丙酮作为反应溶剂得到N-羟甲基丙烯酰胺。此方法使用的催化剂与溶剂成本较高，生产中有机溶剂VOC难以控制，且溶剂回收体系工作复杂，难以得到工业化推广。

(6)公开号CN101462978的中国专利，公开了以丙烯酰胺和多聚甲醛为原料，采用甲醇钠作为碱催化剂，使用水作为反应溶剂，得到N-羟甲基丙烯酰胺，经冷却结晶得到产物晶体。此方法同样使用的甲醇钠较为昂贵，并且反应体系需要精确的控温和控制压力，体系容易产生聚合的羟甲基丙烯酰胺，生产工艺较为复杂，效率不高。

(7)公开号为CN101100442的中国专利，公开了以丙烯酰胺和甲醛溶液为原料，采用乙醇钠或者氯化铵、二乙醇胺等作为碱催化剂，使用水作为反应溶剂得到N-羟甲基丙烯酰胺溶液的方法。此方法虽然克服了丙酮作为溶剂的VOC缺陷，但是采用的甲醛溶液同样具有很高的挥发性。同时在反应过程中的温度较高，达到80-100摄氏度。同时体系易发生产物的聚合，不易得到结晶化的羟甲基丙烯酰胺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种反应条件温和、控制容易、安全性高、反应收率高、副产物少、后处理简单、产品纯度高、易于工业化生产N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法，包括以下步骤：

(1)将季铵盐R₄N⁺X^-溶于醇溶液中，加入氢氧化物MOH，加热回流反应一段时间，离心分离出生成的盐沉淀，留取上清液备用；将活化好的多孔催化剂载体浸渍入至上清液中静置一段时间，捞出然后氮气吹扫干燥，得到负载型季铵碱催化剂，

(2)以丙烯酰胺和多聚甲醛为原料，体系中加入阻聚剂及步骤(1)得到的负载型季铵碱催化剂，进行反应，

(3)将步骤(2)所得反应体系过滤，所得滤液加入少量无机酸，充分搅拌，调节体系至中性，静置冷却结晶，得到N-羟甲基丙烯酰胺晶体，即为目标产物。

优选地，步骤(1)中所述的多孔催化剂载体为分子筛、氧化铝、氧化锆、氧化锌中的任意一种；所述的醇为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、丙二醇中的任意一种。

优选地，所述的季铵盐为四甲基氯化铵、四甲基溴化铵、四甲基碘化铵、四乙基氯化铵、四乙基溴化铵、四乙基碘化铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵中的任意一种；所述的氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、氢氧化钙、氢氧化镁、羟胺中的任意一种或两种。

优选地，所述季铵盐与氢氧化物的摩尔比为1：(1.3～3)。

优选地，步骤(1)中所述的浸渍过程采用等体积浸渍法，浸渍时间为12h～48h，干燥时间为24h～48h。

优选地，所述步骤(2)具体为：将步骤(1)中制备的负载型季铵碱催化剂置于烧瓶内，加入水作为反应溶剂，然后按比例分别加入反应物丙烯酰胺、多聚甲醛、阻聚剂，体系加热反应，待反应结束后，趁热滤除催化剂，用少量清水洗涤催化剂，合并至滤液。

优选地，步骤(2)中，所述丙烯酰胺与多聚甲醛摩尔比为1：(0.94～0.96)，所述丙烯酰胺与阻聚剂的摩尔比为1：(0.005～0.008)，所述丙烯酰胺与水的摩尔比为1：(0.7～1.3)；所述阻聚剂为对甲氧基苯酚、对羟基苯酚中的任意一种。

优选地，步骤(2)中，所述的负载型季胺碱催化剂的加入量为丙烯酰胺的10wt％-35wt％；催化剂的含量过低则反应速率偏慢，催化剂含量过高则副产物增加。所述的反应温度为45℃～60℃，。反应温度过低则反应速度偏慢，温度过高体系中容易出现聚合产物，使得产物难以分离。所述的反应时间为2h～7h。

优选地，步骤(3)中所述的无机酸为稀硫酸或稀盐酸，无机酸的浓度为1mol/L。

优选地，步骤(3)中的冷却结晶温度为0～5℃，冷却结晶时间为12h～36h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明以固态的丙烯酰胺和多聚甲醛为原料，采用介孔硅负载季铵碱做为催化剂，通过控制季铵碱所连接的烃基基团的大小，利用烃基位阻效应，选择性的活化丙烯酰胺中的氨基基团，实现了减少N-羟甲基丙烯酰胺生产过程中的自聚行为，高效的得到N-羟甲基丙烯酰胺单体；

本发明采用负载型季胺碱作为催化剂，反应条件温和，选择性高，有效的避免了传统无机碱液反应造成的体系聚合，反应体系无需添加大量的水作为反应溶剂，即可实现原料的高效转化，从而提高了产率；

本发明制备负载型季铵碱催化剂所采用的制备原料价格便宜，操作方便，催化剂可回收利用；此外固体负载型季铵碱催化剂具有比表面大、反应活性高等特点，大大减少反应过程中的溶剂水的使用量，相较于传统使用无机或有机碱液为催化剂的制备条件，采用负载型季铵碱催化剂，在后处理过程中方便移除，省去了中和步骤，减少了污水排放；

综上，本发明反应条件温和、控制容易、安全性高、反应收率高、副产物少、后处理简单、产品纯度高、易于工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中N-羟甲基丙烯酰胺的1H NMR图谱。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法包括以下步骤：

在500mL圆底烧瓶中加入350mL无水乙醇，加入四甲基氯化铵11g(0.1moL)，氢氧化钠5.2g(0.13moL)，加热回流4小时，冷却至室温，离心分离出沉淀，取上清液200mL；向上清液中加入200g已焙烧活化过的4A级分子筛，保证分子筛全部浸入溶液中，室温静置24小时；滤出分子筛，室温氮气吹扫24小时至干燥，得负载型季胺碱催化剂，在真空干燥器中保存，备用，所得催化剂记为Cat Me₄NOH/4A；

在500mL圆底烧瓶中，加入120g Cat Me₄NOH/4A，加入110mL去离子水，室温下向体系中加入对甲氧基苯酚7.5g(0.06moL)，丙烯酰胺600g(8.45moL)，体系温度逐渐升温至60℃，机械搅拌至丙烯酰胺全部溶解，分三次向体系中加入多聚甲醛240g(8moL)，加料完成后，在60℃反应3小时，然后趁热将体系中的分子筛用纱布滤除，分子筛用少量去离子水(50mL)小心洗涤；

所得的滤液加入少量1M稀硫酸(10mL)，调节体系pH值到7.5～8.0，在1℃静置结晶24小时；将体系中的晶体过滤出来，室温风干，得到晶体570g，如图1所示，该晶体即为目标产物，剩余母液370g，所得晶体采出率为66.72％。

实施例2：

本实施例N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法包括以下步骤：

在500mL圆底烧瓶中加入350mL无水乙醇，加入四丁基溴化铵15g(0.1moL)，氢氧化钾11.2g(0.2moL)，加热回流4小时，冷却至室温，离心分离出沉淀，取上清液200mL，向上清液中加入约200g已焙烧活化过的4A级分子筛，保证分子筛全部浸入溶液中，室温静置24小时，滤出分子筛，室温氮气吹扫24小时至干燥，得负载型季胺碱催化剂，在真空干燥器中保存，备用，所得催化剂记为Cat Bu₄NOH/4A；

在500mL圆底烧瓶中，加入150g Cat Bu₄NOH/4A，加入170g去离子水，向体系中加入对苯二酚4.4g(0.04moL)，丙烯酰胺574g(8moL)，体系温度逐渐升温至50℃，机械搅拌至丙烯酰胺全部溶解，分三次向体系中加入多聚甲醛230g(7.67moL)。加料完成后，在50℃反应6小时，然后趁热将体系中的分子筛用纱布滤除，分子筛用少量去离子水(30ml)小心洗涤；

所得的滤液加入少量1M稀盐酸(8mL)，调节体系pH值到7.5～8.0。在1℃静置结晶24小时；将体系中晶体过滤出来，室温风干，得到晶体445g，该晶体即为目标产物，剩余母液512g，所得晶体采出率为52.61％。

Claims (6)

1.一种N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将季铵盐R₄N⁺X^-溶于乙醇溶液中，加入氢氧化物MOH，加热回流反应一段时间，离心分离出生成的盐沉淀，留取上清液备用；将活化好的多孔催化剂载体浸渍入至上清液中静置一段时间，捞出然后氮气吹扫干燥，得到负载型季铵碱催化剂，

所述季铵盐与氢氧化物的摩尔比为1：(1.3～3)；所述的浸渍过程采用等体积浸渍法，浸渍时间为12h～48h，干燥时间为24h～48h；

所述的季铵盐为四甲基氯化铵、四甲基溴化铵、四甲基碘化铵、四乙基氯化铵、四乙基溴化铵、四乙基碘化铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵中的任意一种；所述的氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、氢氧化钙、氢氧化镁、羟胺中的任意一种或两种；

(2)以丙烯酰胺和多聚甲醛为原料，体系中加入阻聚剂及步骤(1)得到的负载型季铵碱催化剂，进行反应，反应温度为45℃～60℃，反应时间为2h～7h，

(3)将步骤(2)所得反应体系过滤，所得滤液加入少量无机酸，充分搅拌，调节体系至中性，静置冷却结晶，得到N-羟甲基丙烯酰胺晶体，即为目标产物。

2.根据权利要求1所述的N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为：将步骤(1)中制备的负载型季铵碱催化剂置于烧瓶内，加入水作为反应溶剂，然后按比例分别加入反应物丙烯酰胺、多聚甲醛、阻聚剂，体系加热反应，待反应结束后，趁热滤除催化剂，用少量清水洗涤催化剂，合并至滤液。

3.根据权利要求2所述的N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法，其特征在于：步骤(2)中，所述丙烯酰胺与多聚甲醛摩尔比为1：(0.94～0.96)，所述丙烯酰胺与阻聚剂的摩尔比为1：(0.005～0.008)，所述丙烯酰胺与水的摩尔比为1：(0.7～1.3)；所述阻聚剂为对甲氧基苯酚、对羟基苯酚中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的负载型季胺碱催化剂的加入量为丙烯酰胺的10wt％-35wt％。

5.根据权利要求1所述的N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法，其特征在于：步骤(3)中所述的无机酸为稀硫酸或稀盐酸，无机酸的浓度为1mol/L。

6.根据权利要求5所述的N-羟甲基丙烯酰胺的合成方法，其特征在于：步骤(3)中的冷却结晶温度为0～5℃，冷却结晶时间为12h～36h。

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