CN113061092B - 一种1-金刚烷基三甲基铵盐的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1‑金刚烷基三甲基铵盐的制备方法。本发明的制备方法包括如下步骤：在水中，在氢氧化1‑金刚烷基三甲基铵的存在下，将1‑金刚烷胺与硫酸二甲酯进行如下所示的反应，得到1‑金刚烷基三甲基铵盐即可。本发明的制备方法仅需一步反应，反应条件温和，而且可以避免金属离子的引入，所得产品质量易控，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种1-金刚烷基三甲基铵盐的合成方法。
背景技术
金刚烷是一种高度对称的笼状烃，其基本骨架类似于金刚石的一个晶格结构，其结构上的氢原子易于发生取代反应，活性较高。由于其具有良好的润滑能力和亲油性，其衍生物用途广泛。本发明涉及的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵就是金刚烷的一种引人注意的衍生物。
氢氧化1-金刚烷基三甲基铵是将活性较高的金刚烷结构通过化学过程合成的季铵碱。季铵碱常用来做相转移催化剂，和阳离子表面活性剂；有些季铵碱也具有生理活性，可以促进碳水化合物和蛋白质的新陈代谢。氢氧化1-金刚烷基三甲基铵，兼具金刚烷和季铵碱的特性，具有广泛的市场需求，其不仅在催化剂的制备方面覆盖面广，有广泛地应用，也可用作催化剂(组分)的沸石的合成中的模板。因此需要制备它的经济方法。
对于氢氧化1-金刚烷基三甲基铵的制备，CN102348676报道了1-金刚烷基二甲基胺在高温高压条件下与硫酸二甲酯反应的方法，这个方法需对生产设备有较高要求；CN102115448报道了1-金刚烷基二甲基胺与甲醇-溴甲烷溶液反应的方法，但溴甲烷沸点低且属于温室气体，不利于环保，难实现产业化。对于有机胺的铵盐的制备，长期建立的实践为用硫酸二烷基酯在碱金属氢氧化物(氢氧化钠、氢氧化钾)的作用下将胺烷基化，按照此常规方法得到的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵产品中必将含有含量高于产品标准的碱金属离子，已知产品的质量标准要求产品需对金属阳离子进行严格控制，此常规方法在合成过程中无法根除金属阳离子的干扰，无法保证产品质量，难以实现产品产业化。
发明内容
本发明所解决的技术问题是为了克服现有技术中氢氧化1-金刚烷基三甲基铵的制备方法存在对生产设备有较高要求、不利于环保、难实现产业化和无法根除金属阳离子的干扰，无法保证产品质量等缺陷，而提供了一种1-金刚烷基三甲基铵阳离子的制备方法。本发明的制备方法仅需一步反应，反应条件温和，而且可以避免金属离子的引入，所得产品质量易控，适合工业化生产。
本发明提供了一种1-金刚烷基三甲基铵盐的制备方法，其包括如下步骤：在水中，在氢氧化1-金刚烷基三甲基铵的存在下，将1-金刚烷胺与硫酸二甲酯进行如下所示的反应，得到1-金刚烷基三甲基铵盐即可；
其中，A为阴离子，m等于A的电荷数。
所述的A可为本领域进行此类反应的常规阴离子，优选包括甲基硫酸根阴离子和/或硫酸根阴离子。
所述的水的用量可为本领域进行此类反应的常规用量，优选其与所述的1-金刚烷胺的体积摩尔比为5.0L/mol～15.0L/mol，例如，9.1L/mol。
所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵与所述的1-金刚烷胺的摩尔比值优选为2.0～3.0，例如，2.42。
所述的硫酸二甲酯的用量可为本领域进行此类反应的常规用量，优选其与所述的1-金刚烷胺的摩尔比值为3.0～4.0，例如，3.0。
所述的反应的pH可为本领域进行此类反应的常规pH，优选为9～14，更优选12-12.5。
所述的反应的温度可为本领域进行此类反应的常规温度，优选为0-55℃，更优选25～30℃。
优选的所述的反应的操作步骤为：向所述的1-金刚烷胺和部分所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵和所述的水形成的溶液中加入剩余部分所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵和所述的硫酸二甲酯，进行所述的反应即可。所述的加入的方式优选为滴加。所述的部分优选为一半的量。
在本发明一优选实施方案中，所述的制备方法的原料为：所述的水、所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵、所述的1-金刚烷胺和所述的硫酸二甲酯。较佳地，所述的水与所述的1-金刚烷胺的体积摩尔比为5.0L/mol～15.0L/mol，所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵与所述的1-金刚烷胺的摩尔比值为2.0～3.0，所述的硫酸二甲酯与所述的1-金刚烷胺的摩尔比值为3.0～4.0。
所述的反应的进程可采用本领域中的常规监测方法(例如TLC、HPLC或NMR)进行检测，一般以1-金刚烷胺消失或不再反应作为反应终点。所述的反应时间优选1.0～5.0小时，例如，1.0小时。
本发明还提供了一种氢氧化1-金刚烷基三甲基铵的制备方法，其包括如下步骤：(1)在水中，在氢氧化1-金刚烷基三甲基铵的存在下，将1-金刚烷胺与硫酸二甲酯进行如下所示的反应；(2)当所述的反应完成后，用酸酸化反应液至pH＝3-6，将酸化后的反应液通过阴离子交换树脂，得到氢氧化1-金刚烷基三甲基铵，即可；
其中，A为阴离子，m等于A的电荷数。
步骤(1)中，所述的反应的方法和条件如前所述。
所述的酸优选为醋酸。所述的阴离子交换树脂优选为弱碱性阴离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂。所述的弱碱性阴离子交换树脂柱和强碱性阴离子交换树脂柱的顺序优选为先弱碱性阴离子交换树脂，再强碱性阴离子交换树脂。
所述的弱碱性阴离子交换树脂可为本领域进行此类交换的常规弱碱性阴离子交换树脂，优选为330弱碱性环氧系阴离子交换树脂，更优选为醋酸活化后的安徽三星树脂330弱碱性环氧系阴离子交换树脂。
所述的强碱性阴离子交换树脂可为本领域进行此类交换的常规强碱性阴离子交换树脂，优选为201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，更优选为活化成OH-型的201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。
在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明中，弱碱性阴离子交换树脂，是指树脂含有弱碱性基团，如伯胺基-NH2、仲胺基-NHR或叔胺基-NR2，它们在水中能离解出OH-而呈弱碱性。330弱碱性环氧系阴离子交换树脂是氯代环氧丙烷与乙烯多胺在高温下缩聚而成的带有伯胺、仲胺、叔胺及季胺的弱碱性阴离子交换树脂。它在酸性、中性甚至碱性中都显示离子交换功能。
本发明中，强碱性阴离子交换树脂，主要是含有较强的反应基如具有四面体铵盐官能基之一-N+(CH3)3，在氢氧形式下，-N+(CH3)3OH中的氢氧离子可以迅速释出，以进行交换，强碱性阴离子交换树脂可以和所有的阴离子进行交换去除。苯乙烯系阴离子交换树脂是在苯乙烯-二乙烯苯共聚交联结构的高分子基体上带有季铵基[-N(CH3)3]的离子交换树脂。其碱性相当于一般季铵碱，在酸性、中性、甚至强碱性介质中都显示离子交换功能。
本发明的积极进步效果在于：本发明的制备方法仅需一步反应，反应条件温和，而且可以避免金属离子的引入，所得产品质量易控，适合工业化生产。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例中的弱碱性阴离子交换树脂柱是指：醋酸活化后的安徽三星树脂330弱碱性环氧系阴离子交换树脂。
实施例中的强碱性阴离子交换树脂柱是指：安徽三星树脂201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，需用氢氧化钠活化成OH-型。
实施例1
在3L反应釜中加入50.0g(0.33mol)1-金刚烷胺，和4.0×10-4mol/g氢氧化1-金刚烷基三甲基铵水溶液1.0kg,搅拌过程中同时滴加4.0×10-4mol/g氢氧化1-金刚烷基三甲基铵水溶液1.0kg与硫酸二甲酯125.0g(0.99mol)，维持反应液pH在12-12.5，并控制反应温度25-30℃，加料完成后，维持此温度再搅拌反应1小时，醋酸酸化反应液至pH＝5。
分别安装弱碱性阴离子交换树脂柱和强碱性阴离子交换树脂柱，将酸化后的反应液先通过弱碱性阴离子交换树树脂柱，再通过强碱性阴离子交换树脂柱，将醋酸根阴离子、硫酸根阴离子交换成氢氧根阴离子。弱碱性阴离子离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂的用量分别为400g，用去离子水湿法上样。得到的流动相，经减压浓缩至800.0g料液，用盐酸标定溶液滴定氢氧化1-金刚烷基三甲基铵，用酚酞作指示剂，进行酸碱滴定得料液。
精确称量上述料液0.0100g加入0.60ml氘水，进行氢谱核磁(400M)检测，核磁数据：1HNMR(D2O)δ：2.94(s，9H)，2.26(s，3H)，2.02(s，6H),1.70～1.59(m，6H)。
说明料液中含氢氧化1-金刚烷基三甲基铵1.13mol，产品收率定量，产品为29.8％(1.13mol*211.35/800.00)的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵水溶液。氢谱核磁分析(精确称量产品0.0100g加入0.60ml氘水，进行氢谱核磁分析；再精确称量对照品30.0％0.0100g加入0.60ml氘水，进行氢谱核磁分析。分别积分δ＝2.94ppm处的甲基峰，峰面积比＝99.2％。
ICP测试其他金属离子：样品前处理(精确称取上述产品1.0g投入50ml容量瓶中，用去离子水定量。再加入2ml硝酸)后，用PerkinElmer Optima5300DV(ICP-AES)仪器进行分析。测试结果Na、K、Al、Mg、Ca等阳离子均小于100ppm。
实施例2
在3L反应釜中加入50.0g(0.33mol)1-金刚烷胺，和4.0×10-4mol/g氢氧化1-金刚烷基三甲基铵水溶液1.0kg,搅拌过程中同时滴加4.0×10-4mol/g氢氧化1-金刚烷基三甲基铵水溶液1.2kg与硫酸二甲酯125.0g(0.99mol)，维持反应液pH在14，并控制反应温度25-30℃，加料完成后，维持此温度再搅拌反应1小时，醋酸酸化反应液至pH＝5。
分别安装弱碱性阴离子交换树脂柱和强碱性阴离子交换树脂柱，将酸化后的反应液先通过弱碱性阴离子交换树，再通过强碱性阴离子交换树脂柱，将醋酸根阴离子、硫酸根阴离子交换成氢氧根阴离子。得到的流动相，经减压浓缩至850.0g料液，用盐酸标定溶液滴定氢氧化1-金刚烷基三甲基铵，用酚酞作指示剂，进行酸碱滴定得料液，说明料液中含氢氧化1-金刚烷基三甲基铵1.21mol，产品收率定量，产品为30.0％(1.13mol*211.35/800.00)的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵水溶液。
实施例3
在500mL反应釜中加入5.0g(0.033mol)1-金刚烷胺，和1.6％氨水溶液100.0g,搅拌过程中同时滴加1.6％氨水溶液100.0g与硫酸二甲酯12.5g(0.099mol)，维持反应液pH在12-12.5，并控制反应温度25-30℃，加料完成后，再搅拌反应1小时，醋酸酸化反应液至pH＝5。
所得产品中的铵离子，难以有效去除，产品质量无法合格。
实施例4
在500mL反应釜中加入5.0g(0.033mol)1-金刚烷胺，和4.0％三乙胺水溶液100.0g,搅拌过程中同时滴加4.0％三乙胺水溶液100.0g与硫酸二甲酯12.5g(0.099mol)，控制反应温度25-30℃，加料完成后，再搅拌反应12小时，反应液与对照品核磁定量分析，原料转化率为30％。
对比实施例1
在3L反应釜中加入50.0g(0.33mol)1-金刚烷胺，和4.0×10-4mol/g氢氧化1-金刚烷基三甲基铵水溶液1.0kg,搅拌过程中同时滴加4.0×10-4mol/g氢氧化1-金刚烷基三甲基铵溶液1.0kg与硫酸二甲酯125.0g(0.99mol)，维持反应液pH在12-12.5，并控制反应温度25-30℃，加料完成后，再搅拌反应1小时。
反应料液通过强碱性阴离子交换树脂柱(安徽三星树脂201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，需用氢氧化钠活化成OH-型)进行阴离子交换，以除去硫酸根离子和甲基硫酸根阴离子。得到的流动相，经酸碱滴定，料液中含氢氧化1-金刚烷基三甲基铵1.08mol，产品收率84.8％。产品经核磁(400M，D2O)分析，可见甲基硫酸根阴离子相关信号峰(δ：3.64(s)，即产品中仍含有甲基硫酸根阴离子未交换完全。将料液再次通过强碱性阴离子交换树脂柱(安徽三星树脂201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，需用氢氧化钠活化成OH-型)进行阴离子交换，产品经核磁分析，依旧含有甲基硫酸根阴离子相关信号峰，即产品中的甲基硫酸根阴离子难以完全消除。
Claims (10)
1.一种1-金刚烷基三甲基铵盐的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：在水中，在氢氧化1-金刚烷基三甲基铵的存在下，将1-金刚烷胺与硫酸二甲酯进行如下所示的反应，得到1-金刚烷基三甲基铵盐即可；
其中，A为阴离子，m等于A的电荷数。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的A包括甲基硫酸根阴离子和/或硫酸根阴离子。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，
所述的水与所述的1-金刚烷胺的体积摩尔比为5.0 L/mol~15.0 L/mol；
和/或，所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵与所述的1-金刚烷胺的摩尔比值为2.0~3.0；
和/或，所述的硫酸二甲酯与所述的1-金刚烷胺的摩尔比值为3.0~4.0；
和/或，所述的反应的pH为9~14；
和/或，所述的反应的温度为0-55℃。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
所述的反应的pH为12-12.5；
和/或，所述的反应的温度为25~30℃。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述的反应的操作步骤为：向所述的1-金刚烷胺和部分所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵和所述的水形成的溶液中加入剩余部分所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵和所述的硫酸二甲酯，进行所述的反应即可；
和/或，所述的制备方法的原料为：所述的水、所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵、所述的1-金刚烷胺和所述的硫酸二甲酯。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
当所述的反应的操作步骤为向所述的1-金刚烷胺和部分所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵和所述的水形成的溶液中加入剩余部分所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵和所述的硫酸二甲酯，进行所述的反应即可时，所述的部分为一半的量；
和/或，当所述的反应的操作步骤为向所述的1-金刚烷胺和部分所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵和所述的水形成的溶液中加入剩余部分所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵和所述的硫酸二甲酯，进行所述的反应即可时，所述的加入的方式为滴加；
和/或，当所述的制备方法的原料为：所述的水、所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵、所述的1-金刚烷胺和所述的硫酸二甲酯时，所述的水与所述的1-金刚烷胺的体积摩尔比为5.0 L/mol~15.0 L/mol，所述的氢氧化1-金刚烷基三甲基铵与所述的1-金刚烷胺的摩尔比值为2.0~3.0，所述的硫酸二甲酯与所述的1-金刚烷胺的摩尔比值为3.0~4.0。
7.一种氢氧化1-金刚烷基三甲基铵的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：（1）在水中，在氢氧化1-金刚烷基三甲基铵的存在下，将1-金刚烷胺与硫酸二甲酯进行如下所示的反应；（2）当所述的反应完成后，用酸酸化反应液至pH=3-6，将酸化后的反应液通过阴离子交换树脂，得到氢氧化1-金刚烷基三甲基铵，即可；
其中，A为阴离子，m等于A的电荷数。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
步骤（1）中，所述的反应的方法和条件如权利要求1-6任一项所述；
和/或，所述的酸为醋酸；
和/或，所述的阴离子交换树脂为弱碱性阴离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
当所述的阴离子交换树脂为弱碱性阴离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂时，所述的弱碱性阴离子交换树脂柱和强碱性阴离子交换树脂柱的顺序为先弱碱性阴离子交换树脂，再强碱性阴离子交换树脂；
和/或，当所述的阴离子交换树脂为弱碱性阴离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂时，所述的弱碱性阴离子交换树脂为330弱碱性环氧系阴离子交换树脂；
和/或，当所述的阴离子交换树脂为弱碱性阴离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂时，所述的强碱性阴离子交换树脂为201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
当所述的弱碱性阴离子交换树脂为330弱碱性环氧系阴离子交换树脂时，所述的弱碱性阴离子交换树脂为醋酸活化后的安徽三星树脂330弱碱性环氧系阴离子交换树脂；
和/或，当所述的弱碱性阴离子交换树脂为330弱碱性环氧系阴离子交换树脂时，所述的强碱性阴离子交换树脂为活化成OH-型的201×7强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。
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