CN115745826A

CN115745826A - 一种n,n-二甲基甲酰胺和丙烯酰胺型化合物的联产方法及分离优化

Info

Publication number: CN115745826A
Application number: CN202111029579.0A
Authority: CN
Inventors: 胡朗希; 王智刚
Original assignee: Shenzhen Youwei Technology Holding Co ltd
Current assignee: Shenzhen Youwei Technology Holding Co ltd
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本发明涉及精细化学品材料领域，特别涉及一类丙烯酰胺型化合物和N,N‑二甲基甲酰胺（DMF）的温和高效且经济性联产制备新工艺技术。上述物质均是应用广泛的化学原材料。其中N,N‑二甲基甲酰胺为常用的溶剂，丙烯酰胺型化合物则是含不饱和双键的可辐射聚合单体化合物。本发明中DMF作为其中一个产物，沸点低，生成的丙烯酰胺型化合物沸点高，二者沸点相差巨大，大大降低了分离难度，降低了精馏时的分离温度，很大程度避免了丙烯酰胺型化合物精馏时聚合的可能性。降低了生产风险。

Description

一种N,N-二甲基甲酰胺和丙烯酰胺型化合物的联产方法及分离优化

技术领域

本发明涉及精细化学品材料领域，特别涉及DMF及丙烯酰胺类化合物的高效经济性联产工艺技术。通过固定其中一种产品（DMF），制备多种丙烯酰胺产品。本路线降低了分离难度，优化了分离条件，通过低温精馏，分离DMF，然后增加系统真空度，可分离得到高品质的丙烯酰胺产品。

背景技术

结构通式为CH₂=CHC(O)NR₁R₂丙烯酰胺类化合物是重要的有机化学品，其独特的含烯不饱和可聚合特性，生物安全性，油溶性和水溶性，使得其尤其在作为光固化反应性单体，树脂前体，或医药新材料领域，有着日趋广泛的应用。

文献已知的丙烯酰胺类化合物合成技术有如下八种，以制备丙烯酰吗啉（Acryloyl morpholine，简称ACMO）这一代表性化合物为例逐一说明：其一是丙烯酰氯和吗啉进行酰胺化反应（刘茵，巨雪霞，祁自和，姚桃花，精细与专用化学品，2011，第19卷第5期，35），该方法的问题是不可避免地要使用三氯化磷，二氯亚砜等强腐蚀性酰氯化试剂首先制备丙烯酰氯这一危化品作为关键反应原料，同时酰胺化反应副产物较多；其二是丙烯酸甲酯与甲醇发生双键加成反应，经酯胺解得到甲氧丙酰吗啉，再在催化热裂解条件下制备目标产物（日本专利JP09-279395），该方法的问题是热裂解反应使用磷酸锂等催化剂且反应温度高达摄氏390度，工艺安全性和产品自发热聚合倾向性大；其三是丙烯酸甲酯和两当量的吗啉反应，得到的吗啉基丙酰吗啉（日本专利JP49-66625），该中间体同样需要在苛刻的高真空和加热条件下进行高温热裂解反应；其四是丙烯酸甲酯和环戊二烯先行Diels-Alder加成，再和吗啉进行酯的胺解，最后再进行高温高真空减压裂解反应制备产物（日本专利JP49-66625和国际专利WO2015/146876）；其五是丙烯酸乙烯酯和吗啉反应，先加成再经分子内消除和酯的胺解（日本专利JP05-163279）；其六是使用氨甲酰基咪唑盐和丙烯酸反应（A. G. Justyna, A. B. Robet, Tetrahedron Lett. 2003, 44, 7485）；其七是使用乙酰胺类化合物在强碱作用下和醛/酮羰基缩合后发生消除反应（P. Hullot, T.Cuvigny, M. Larcheveque, H. Normant, Can. J. Chem.1976, 266），上述五六七三种方法的共同问题是使用的试剂昂贵且反应条件较苛刻；其八是使用乙酰吗啉在氢氧化钠等强碱存在下和甲醛水溶液发生加成-脱水反应制备目标产物（中国申请CN103992294）。

由当前的技术状况总结可知，仍然亟需发展简单温和，高效安全，绿色环保，且具备经济竞争力的生产新工艺来制造系列丙烯酰胺类化合物，以应对产业领域对上述产品日益增长的需求。

N,N-二甲基甲酰胺（DMF）是一种用途极广的化工原料，也是一种用途很广的优良溶剂。可用于聚丙烯腈纤维等合成纤维的湿纺丝、聚氨酯的合成;用于塑料制膜;也可作去除油漆的脱漆剂;它还能溶解某些低溶解度的颜料，使颜料带有染料的特点。DMF可用于芳烃抽提以及用于从碳四馏分中分离回收丁二烯和从碳五馏分中分离回收异戊二烯，还可用作从石蜡中分离非烃成分的有效试剂。它对间苯二甲酸和对苯二甲酸的溶解性有良好的选择性:间苯二甲酸在二甲基甲酰胺中的溶解度大于对苯二甲酸，在DMF中进行溶剂萃取或部分结晶，可将两者分离。在石油化学工业中，DMF可作为气体吸收剂，用来分离和精制气体。在有机反应中，DMF不但广泛用作反应的溶剂，也是有机合成的重要中间体。农药工业中可用来生产杀虫脒;医药工业中可用于合成磺胺嘧啶、强力霉素、可的松、维生素B6、碘苷、驱蛲净、噻嘧啶、N-甲酰溶肉瘤素、抗瘤氨酸、甲氧芳芥、卞氮芥、环己亚硝脲、呋氟脲嘧啶、止血环酸、倍分美松、甲地孕酮、胆维他、扑尔敏等等。DMF在加氢、脱氢、脱水和脱卤化氢的反应中具有催化作用，使反应温度降低，产品纯度提高。

合成DMF的方法主要有以下几种。1.甲醇脱氢法：甲醇气化后，在以铜为主体的复合型催化剂上催化脱氢生成甲酸甲酯，少量甲醇发生副反应，生成一氧化碳和氢气。反应温度为220-280℃，常压。产品回收分离后得到的中间产物甲酸甲酯再与二甲胺发生胺化反应，得到粗品DMF和甲醇，精制后得到高纯度DMF。此方法使用廉价的甲醇为原料制取甲酸甲酯，并连续胺化和精制，消除了水和胺的危害，生成的DMF品质高，生产成本较低。2.一氧化碳一步合成法：本工艺是以甲醇为溶剂，甲醇钠为催化剂，在高压下一氧化碳与二甲胺连续反应，直接合成DMF。到目前为止，该方法仍然是工业上最先进、最经济的方法。将无水二甲胺与溶于甲醇的催化剂甲醇钠一起加入环形的连续反应器，控制反应温度和压力，经分离后得到高纯度DMF。此方法在反应过程中无水生成，可得无水的高纯度产品。因无需分离水，可大大节省能耗。3.甲酸甲酯/二甲胺法：此方法分两步进行：首先甲酸与甲醇进行酯化反应生成甲酸甲酯，甲酸甲酯再与二甲胺反应生成DMF和甲醇。这种方法工艺流程简单，收率高，投资少，原料易得，但是生产甲酸甲酯较复杂，生产成本高，不符合行业发展的需要，目前已很少采用此法生产。4.DMF合成的新方法：寻找新的原料代替二甲胺，比如氨气，甲胺，一甲胺，三甲胺或季铵盐等，这种方法不仅可以降低二甲胺的使用成本，还可以生产如甲酰胺等其他的有用产物。但是由于使用混合原料，分离困难，反而降低了DMF的纯度，所以一直没有能产业化。还有用其他原料代替一氧化碳等方法。

由当前的技术状况总结可知，DMF的合成方法要求较高，生产条件较为苛刻，仍然亟需发展简单温和，高效安全，绿色环保，且具备经济竞争力的生产新工艺来生产DMF，若能运用合适的生产工艺联产DMF，可以大大降低DMF的生产成本。由于DMF应用广泛，联产相关的丙烯酰胺产品变得可行。

发明内容

本项申请发现，在深圳有为原有专利（CN108947937A）的基础上，通过对产品结构的改造，固定生成产物N,N-二甲基甲酰胺（DMF），降低了产物的分离温度，减少了精馏塔的塔板数，降低了丙烯酰胺的聚合程度，提高了生产的安全性，降低了生产成本，设计了一条安全，环保，经济的联产路线。

在上述方程式中，R₁和R₂分别独是含有1-24个碳原子（以下标记为C¹-C²⁴）的直链或支链的烷基基团，该基团可以为1-6个非连续的氧原子，氮原子，硫原子，氟原子，硅原子，羰基，羟基，胺基，羧基，双键，三键，硅氧基，或芳环取代；或者，R₁和R₂分别独立的是C⁶-C²⁴芳基，该芳基可以含有0-4个取代基；R₁和R₂之间也可以形成一个C³-C¹²环结构，该环结构可以为1-4个非连续的氧原子，氮原子，硫原子，双键，或羰基间断。

Conditions是指有机碱，无机碱，催化剂或促进剂，阻聚剂，热，真空或压力，溶剂等条件中的任意一种，或是上述任意两种或两种以上因素的联合使用，并无特别限定。有机碱是脂肪或芳香叔胺型化合物，包括含有C=N双键的叔胺；无机碱是碱金属，碱土金属，或过渡金属的氢氧化物，氧化物，硫化物，碳酸盐，羧酸盐，或磺酸盐；催化剂或促进剂是指路易斯酸性或碱性化合物；反应中优选地使用到阻聚剂，常用的阻聚剂是苯酚、酚噻嗪、苯酚类衍生物（包括但不限于对苯二酚，对甲基苯酚，对甲氧基苯酚，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚，焦性没食子酸等）、三(N-亚硝基-N-苯基羟胺)铝盐ZJ-701、ZJ-705、CuCl或上述阻聚剂的混合体系，阻聚剂的用量按照原料的摩尔百分比计为0.01-5%，优选的是0.05-3%；热是指反应体系在加热条件下进行，反应温度是25-400摄氏度，优选的是50-200摄氏度，更优选的是100-150摄氏度；压力是指反应体系在加压或一定真空度条件下进行，反应压力可以是0.001-50个大气压，优选的是0.01-20个大气压，更优选的是0.05-10个大气压。

溶剂可以是芳香性或脂肪性烃，卤代芳香性或脂肪性烃，或各类酯，醇，醚，腈，酮，酰胺，砜，碳酸酯，或水，或新兴的“离子液（Ionic Liquids）型”所谓绿色溶剂；或上述任意二者或二者以上的混合溶剂体系。溶剂的使用是优选但非必需的，在某些条件下，可以不使用溶剂，反应原料直接混合后在加热或气相条件下进行反应。

结构式A所示的取代丙酰胺原料可以直接商业采购和/或经由文献已知方法加以制备（Bai, D.-L.; et. al, Tetrahedron Lett.2008, 49, 5147），因此本发明披露的工艺具有很强的实用性。

一个示例性的合成是制备代表性化合物丙烯酰吗啉（ACMO）。如下所示，自文献已知的方法（日本专利JP09-279395或JP2006182676）可方便制备的吗啉基丙酰吗啉和甲酸作用得到的中间体物种，不必经任何分离纯化，在合适的碱和/或热作用下，即在温和条件下发生消除反应，得到丙烯酰吗啉目标产物的同时，可以副产DMF这一有广泛用途的溶剂。因DMF和ACMO沸点相差巨大，分离简单，通过精馏即可得到高纯度的DMF和ACMO产品，因分离温度低，ACMO聚合少，工艺安全，收率高，该项技术可以温和高效地联产丙烯酰吗啉和DMF，具有突出的经济竞争优势。

可以经由本申请披露技术制备的丙烯酰吗啉类化合物的示例性而非限定性化合物例如如下结构：

在实施例中我们将进一步说明。

附图说明

图1，精馏塔。

图2，精馏过程流程图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施例进一步说明本发明要旨：

实施例一：

在氮气保护下，将37.2克3-(N,N-二甲胺基)丙酰吗啉，9克甲酸，0.2克阻聚剂吩噻嗪和200毫升甲苯加入反应瓶中，升温到120摄氏度反应2小时，分水除掉含水甲酸，补加8克甲酸，继续搅拌反应3h后脱除溶剂，残留混合物减压蒸馏得到产品42.2克，气相色谱GC检测主要为两个产品峰，分别为DMF和丙烯酰吗啉（ACMO），含量分别为44.9%和54.1%。进一步精馏分离后得到DMF12.3克，含量99.1%，收率84.2%；得到ACMO27.2克，含量99.3%，收率96.4%。

实施例二：

在氮气保护下，将28.8克3-(N,N-二甲胺基)-N,N-二甲基丙酰胺，9克甲酸，0.2克阻聚剂吩噻嗪和200毫升甲苯加入反应瓶中，升温到120摄氏度反应2小时，分水除掉含水甲酸，补加8克甲酸，继续搅拌反应3h后脱除溶剂，残留混合物减压蒸馏得到产品33.8克，气相色谱GC检测主要为两个产品峰，分别为DMF和N,N-二甲基丙烯酰胺，含量分别为46.8%和52.3%。进一步精馏分离后得到DMF12.6克，含量99.2%，收率86.3%；得到N,N-二甲基丙烯酰胺18.5克，含量99.0%，收率93.4%。

实施例三：

在氮气保护下，将34.8克3-(N,N-二甲胺基)-N,N-二乙基丙酰胺，9克甲酸，0.2克阻聚剂吩噻嗪和200毫升甲苯加入反应瓶中，升温到120摄氏度反应2小时，分水除掉含水甲酸，补加8克甲酸，继续搅拌反应3h后脱除溶剂，残留混合物减压蒸馏得到产品39.5克，气相色谱GC检测主要为两个产品峰，分别为DMF和N,N-二乙基丙烯酰胺，含量分别为45.6%和53.1%。进一步精馏分离后得到DMF12.5克，含量99.0%，收率85.6%；得到N,N-二甲基丙烯酰胺23.5克，含量99.4%，收率92.5%。

实施例四：

在氮气保护下，将31.6克3-(N,N-二甲胺基)-N-甲基-N-乙基丙酰胺，9克甲酸，0.2克阻聚剂吩噻嗪和200毫升甲苯加入反应瓶中，升温到120摄氏度反应2小时，分水除掉含水甲酸，补加8克甲酸，继续搅拌反应3h后脱除溶剂，残留混合物减压蒸馏得到产品36.5克，气相色谱GC检测主要为两个产品峰，分别为DMF和N-甲基-N-乙基丙烯酰胺，含量分别为47.2%和51.6%。进一步精馏分离后得到DMF12.1克，含量99.5%，收率82.9%；得到N-甲基-N-乙基丙烯酰胺21.5克，含量99.4%，收率95.1%。

实施例五：

在氮气保护下，将41.5克3-(N,N-二甲胺基)-N-丙酰环庚亚胺，9克甲酸，0.2克阻聚剂吩噻嗪和200毫升甲苯加入反应瓶中，升温到120摄氏度反应2小时，分水除掉含水甲酸，补加8克甲酸，继续搅拌反应3h后脱除溶剂，残留混合物减压蒸馏得到产品47.1克，气相色谱GC检测主要为两个产品峰，分别为DMF和丙烯酰环庚亚胺，含量分别为44.5%和54.3%。进一步精馏分离后得到DMF12.2克，含量99.1%，收率83.6%；得到丙烯酰环庚亚胺31.8克，含量98.9%，收率94.9%。

实施例六：

在氮气保护下，将45.6克3-(N,N-二甲胺基)-N,N-二丁基丙酰胺，9克甲酸，0.2克阻聚剂吩噻嗪和200毫升甲苯加入反应瓶中，升温到120摄氏度反应2小时，分水除掉含水甲酸，补加8克甲酸，继续搅拌反应3h后脱除溶剂，残留混合物减压蒸馏得到产品49.8克，气相色谱GC检测主要为两个产品峰，分别为DMF和N,N-二丁基丙烯酰胺，含量分别为44.1%和54.4%。进一步精馏分离后得到DMF12.7克，含量99.3%，收率87%；得到N,N-二丁基丙烯酰胺35.1克，含量99.2%，收率95.9%。

实施例七：

在氮气保护下，将40.8克3-(N,N-二甲胺基)-N,N-二丁基丙酰胺，9克甲酸，0.2克阻聚剂吩噻嗪和200毫升甲苯加入反应瓶中，升温到120摄氏度反应2小时，分水除掉含水甲酸，补加8克甲酸，继续搅拌反应3h后脱除溶剂，残留混合物减压蒸馏得到产品45.2克，气相色谱GC检测主要为两个产品峰，分别为DMF和N,N-二羟乙基丙烯酰胺，含量分别为45.2%和52.8%。进一步精馏分离后得到DMF12.4克，含量98.8%，收率84.9%；得到N,N-二羟乙基丙烯酰胺29.5克，含量98.9%，收率92.8%。

需要强调的是，上述实施例仅仅为示例性而非限定性说明，基于本项申请披露，任何从业技术人员所通常可能采用的反应条件或参数等调整或变动均不会偏离本发明的要旨，本专利的保护范围应以相关的权利书记载条目为准。

Claims

1.方程式描述的反应工艺技术，结构式A所示的N,N-二甲基取代丙酰胺原料和甲酸在适当的Conditions下作用，即可制备N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和一系列结构式B所示的目标产物。

2.DMF作为常见的有机溶剂，应用广泛，其沸点为152.8℃（760mmHg）。

3.除N,N-二甲基丙烯酰胺外[沸点为172℃（760mmHg）]，其他丙烯酰胺型化合物沸点普遍在200℃（760mmHg）以上，生成的DMF和丙烯酰胺型化合物沸点相差大，分离温度低，在很大程度上避免了丙烯酰胺因高温而产生的聚合现象，确保了反应的有效性和产品收率，避免了生产风险。

4.

。

5.在上述方程式中，R₁和R₂分别独立的是含有1-18个碳原子（以下标记为C¹-C¹⁸）的直链或支链的烷基基团，该基团可以为1-6个非连续的氧原子，氮原子，硫原子，硅原子，羰基，羟基，胺基，羧基，双键，三键，硅氧基，或芳环取代；或者，R₁和R₂分别独立的是C⁶-C¹⁸芳基，该芳基可以含有0-3个取代基；R₁和R₂之间也可以形成一个C³-C⁸环结构，该环结构可以为1-4个非连续的氧原子，氮原子，硫原子，双键，或羰基间断。

6.Conditions是指有机碱，无机碱，催化剂或促进剂，阻聚剂，热，真空或压力，溶剂等条件中的任意一种，或是上述任意两种或两种以上因素的联合使用，并无特别限定。

7.根据权利要求（1）描述的工艺方法，有机碱是脂肪或芳香叔胺型化合物，包括含有C=N双键的叔胺；无机碱是碱金属，碱土金属，或过渡金属的氢氧化物，氧化物，硫化物，碳酸盐，羧酸盐，或磺酸盐；催化剂或促进剂是指路易斯酸性或碱性化合物。

8.根据权利要求（1）描述的工艺方法，阻聚剂是苯酚、酚噻嗪、苯酚类结构衍生物（包括但不限于对苯二酚，对甲基苯酚，对甲氧基苯酚，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚，焦性没食子酸等）、三(N-亚硝基-N-苯基羟胺)铝盐、ZJ-701、ZJ-705、氯化亚铜或上述阻聚剂的混合体系；阻聚剂的用量按照原料的摩尔百分比计为0.01-5%，优选的是0.05-3%。

9.根据权利要求（1）描述的工艺方法，反应温度是25-400摄氏度，优选的是50-200摄氏度，更优选的是100-150摄氏度。

10.根据权利要求（1）描述的工艺方法，反应压力可以是0.001-50个大气压，优选的是0.01-20个大气压，更优选的是0.05-10个大气压。

11.根据权利要求（1）描述的工艺方法，溶剂可以是芳香性或脂肪性烃，卤代芳香性或脂肪性烃，或各类酯，醇，醚，腈，酮，酰胺，砜，碳酸酯，或水，或新兴的“离子液（IonicLiquids）型”所谓绿色溶剂；或上述任意二者或二者以上的混合溶剂体系。

12.溶剂的使用是优选但非必需的，在某些条件下，可以不使用溶剂，反应原料直接混合后在加热或气相条件下进行反应。

13.根据权利要求（1）描述的工艺方法，精馏温度为40-150摄氏度，优选的是50-130摄氏度，更优选的是60-120摄氏度。

14.根据权利要求（1）描述的工艺方法，精馏压力可以是5-5000帕，优选的是10-3000帕，更优选的是20-1000帕。

15.根据权利要求（1）描述的工艺方法，由如下所示系列二甲胺基丙酰胺和甲酸在合适的条件下，同时制备系列丙烯酰胺和N,N-二甲基甲酰胺；

。

16.根据权利要求（1）和（7）描述的工艺方法，由二甲胺基丙酰吗啉和甲酸在合适的条件下，同时制备N-丙烯酰吗啉（ACMO）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）；

。

17.根据权利要求（1）描述的工艺方法，制备N,N-二甲基甲酰胺（DMF）的同时，制备下述丙烯酰胺类化合物：

。