專利名稱：氮雜季碳伯胺的合成工藝的制作方法
氮雜季碳伯胺的合成工藝技術領域
本發(fā)明屬于精細有機合成領域，涉及一種以叔醇為原料，在苯乙烯系酸性樹脂的催化作用下，經(jīng)叔脲堿解合成氮雜季碳伯胺化合物的整體工藝。工藝中反應類型的選擇，相關促進與鈍化因素的科學協(xié)調(diào)，以及細致的后處理設計，保證了整體過程原子利用經(jīng)濟合理，反應條件溫和，原料與催化劑易回收，催化劑循環(huán)利用，該工藝已具備工業(yè)化的先決技術條件。
背景技術：
氮雜季碳伯胺化合物在化學結(jié)構上含有季碳原子，季碳原子周圍相連原子中有一個為N原子，如叔丁胺、叔戊胺等。氮雜季碳伯胺化合物是化學工業(yè)生產(chǎn)的基礎原料，尤其在醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料的中間體和橡膠促進劑等精細化工領域有廣泛的應用。然而，由于其分子結(jié)構特殊性，常規(guī)的合成方式不適合其制備，如烯烴的催化氨化。這是因為氨氣和烯烴都是富電子的親核試劑，相互排斥，二者的加成非常困難。強迫反應需要非?？量痰姆磻獥l件。即使在高溫高壓和催化劑條件下，轉(zhuǎn)化率依然很低[Ma, H., Huo, ff. Z., “Synthesis of tert-butylamine by direct amination of iso-butene，，，Petrochemical Technology (Chinese), 34 (8)，766 - 769 (2005) ; U. S. Pat. , 20110009671 Al, (2011)]。氮雜季碳伯胺化合物特征選擇性合成目前還限于微有機的探討階段[Bloch，R., “Additions of organometallic reagents to C=N bonds: reactivity and selectivity，，，Chem. Rev. , 98 (4)，1407 - 1438 (1998)]，無法滿足越來越多的工業(yè)需求。在93 %比504溶液中，叔丁醇和尿素縮合反應可制得叔丁脲，叔丁脲堿解后得到叔丁胺[Organic Syntheses Collective Volume 3. tert-butylamine, 149 - 156],該類方法原料廉價、條件非常溫和、設備投入少，工藝啟動靈活，非常適合叔丁胺類精化產(chǎn)品的生產(chǎn)，然而此類技術前期發(fā)表文獻與專利中普遍采用大量濃硫酸為催化劑和溶劑，嚴重腐蝕設備。這些濃硫酸反應后要中和掉，以獲得的產(chǎn)品叔丁脲，此過程極劇放熱，伴隨大量副產(chǎn)物生成。因此，濃硫酸降低了該工藝的整體優(yōu)勢，如能用其它固體酸代替硫酸，該工藝將發(fā)揮出其工業(yè)化的巨大潛力。 日本專利JP 06087818關于烷基胺前驅(qū)體N-烷基脲的合成中所述在強酸性離子樹脂的作用下，尿素與叔醇反應合成烷基胺的前驅(qū)體N-烷基脲。但專利中并沒有至為關鍵的后處理設計，致使產(chǎn)品叔丁脲最大收率僅為3. 6 % ;該專利也未涉及后續(xù)氮雜季碳伯胺的制備方法。這樣低的收率將導致原料傳質(zhì)過重與經(jīng)濟損失過大，使其不具備工業(yè)的實用性，更不適合作為氮雜季碳伯胺化合物合成的前驅(qū)體技術。其它專利中叔丁胺的合成方法或采用濃硫酸催化[中國專利200510044322. 7，(2006)]，對設備腐蝕性大；或采用HCN為原料[中國專利200710016829. O, (2008)]，毒性大，生產(chǎn)成本高，對設備密封性要求高，不適合國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明設計并實施了以尿素為氨基化劑，叔醇為烷基化劑，在苯乙烯系酸性樹脂的催化作用下，經(jīng)叔脲的催化合成、包含堿脫附在內(nèi)的三濾三回收的后處理，叔脲堿解，合成氮雜季碳伯胺化合物的整體工藝路線。重點通過包括堿脫附在內(nèi)的三濾三回收的方法，解決光譜檢測發(fā)現(xiàn)叔脲在苯乙烯系酸性樹脂上的化學吸附問題，使得叔丁脲的收率達到 23.6 wt %，叔丁胺的收率為18.4 wt %，該收率超過最新報道的在苛刻條件下、或在貴金屬催化下反應的收率[U. S. Pat. , 20110009671 Al, (2011), European Pat. , 1289925 BI]。同時兩種原料和催化劑都得到有效回收，可循環(huán)使用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是一種氮雜季碳伯胺的合成工藝，目的在于提供一種以叔醇和尿素為原料，在苯乙烯系酸性樹脂的催化作用下，經(jīng)叔脲的催化合成、包含堿脫附在內(nèi)的三濾三回收的后處理，叔脲堿解，合成氮雜季碳伯胺化合物的整體工藝路線。原料、催化劑可回收，循環(huán)利用，過程綠色環(huán)保，產(chǎn)物氮雜季碳伯胺收率較高。
本發(fā)明的技術方案如下
一種氮雜季碳伯胺的合成工藝，包括中間體叔脲的合成和堿解過程；中間體叔脲的合成如下，采用苯乙烯系酸性樹脂為催化劑，常壓下將叔醇、尿素和苯乙烯系酸性樹脂混合進行反應，反應溫度為20 V 150 V，優(yōu)選反應溫度為70 V 120 °C，回流20 h 35 h ;反應后生成的叔脲經(jīng)包括堿脫附在內(nèi)的三濾三回收的后處理，生成的叔脲，再經(jīng)堿解、精餾，生成高純度的氮雜季碳伯胺化合物。其中，叔醇和尿素的摩爾比為10 I :1，苯乙烯系磺酸樹脂與叔醇質(zhì)量比為O. I I :1。堿脫附在內(nèi)的三濾三回收過程如下
(I) 一濾一回收中間體叔脲的合成反應結(jié)束，趁熱抽濾，得到濾液I和吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂。
(2) 二濾二回收濾液I減壓蒸餾，回收叔醇，同時得到固體I ;而吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂進行堿脫附，置于強堿的水溶液中，加熱至20 V 120 °C，再趁熱抽濾回收苯乙烯系磺酸樹脂,并得濾液2 ；
(3)三濾三回收合并濾液2和固體1，經(jīng)重結(jié)晶和抽濾，得到固體叔脲和濾液3 ； 濾液3經(jīng)濃縮蒸干，回收尿素。
苯乙烯系酸性樹脂可以采用是苯乙烯系磺酸樹脂。R2
上述的叔醇具有下述通式結(jié)構R|~|~oh，其中R1 = R2 = R3 = CnH2n+1或R1 = R2 =R3R3 = RC6H4, R = H 或 CmH2m+1，η = m = I 5 ;
上述的堿為MOH、M2C03、RCOOM 時，M = K、Na 或 Li, R =H,或 CnH2n+l, η = I 3 ；
上述的堿為M(OH)2、MCO3, (RCOO)2M 時，M = Mg, Ca, R = H, CnH2n+l, η = I 3。
本發(fā)明的效果和益處是原料易得，反應條件溫和，過程綠色環(huán)保，原料和催化劑可回收再利用；產(chǎn)物氮雜季碳伯胺化合物收率較高。


附圖為本發(fā)明的三濾三回收及叔脲堿解流程示意圖。
具體實施方式
4
在配有冷凝管、攪拌器和恒溫加熱系統(tǒng)的反應器內(nèi)，按定量比加入叔醇、尿素和苯乙烯系磺酸樹脂，在20 °C 150 °C恒溫下，連續(xù)攪拌反應20 h 35 h。反應結(jié)束趁熱抽濾，并用熱的原料叔醇沖洗，得吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂和濾液I。濾液I減壓蒸餾回收原料叔醇，同時得到固體I ;吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂置于干凈容器內(nèi)，加蒸餾水，用I mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至7，加熱至沸并保持沸騰20 min，趁熱抽濾，并用沸水沖洗，回收苯乙烯系磺酸樹脂，并得濾液2。將濾液2與固體I合并，減壓蒸餾至有少量晶體析出，再置于5 °C以下冰水浴重結(jié)晶，抽濾得固體叔脲和濾液3 ;濾液3經(jīng)減壓蒸餾回收尿素。
在配有冷凝管、精餾管、攪拌器、恒溫加熱系統(tǒng)的反應器內(nèi)，依次加入乙二醇、水、 強堿固體和叔脲，混合物回流4 h。燒瓶冷卻，轉(zhuǎn)蒸餾裝置，接收瓶置于冰水浴中，收集氮雜季碳伯胺餾分。
具體實施例如下
(I)叔丁胺的制備
方法A :將2. 4 g尿素、18 g叔丁醇以及10 g苯乙烯系磺酸樹脂加入到50 mL 三口燒瓶中，置上冷凝管，70 °C恒溫磁力攪拌25 h。
反應結(jié)束趁熱抽濾，并用5 mLX2熱的叔丁醇沖洗，得吸附叔丁脲的苯乙烯系磺酸樹脂和濾液1，濾液I減壓蒸餾回收叔丁醇，同時得到淡黃色片狀固體I。吸附叔丁脲的苯乙烯系磺酸樹脂置于100 mL燒杯，加30 mL蒸餾水，用I mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至7， 加熱至沸并保持沸騰20 min，趁熱抽濾，并用20 mLX2沸水沖洗，回收苯乙烯系磺酸樹脂， 并得濾液2。將該濾液2與固體I合并，在60 1減壓蒸餾，及至有少量晶體析出，再置于5 °C以下冰水浴重結(jié)晶，抽濾得固體叔丁脲和濾液3，濾液3減壓蒸餾回收尿素。叔丁脲收率為 23. 6 wt % ο
將6 g的NaOH固體溶解于7. 5 g水，裝入100 mL的圓底燒瓶中，依次加入7 g 叔丁脲和23 g乙二醇，安裝冷凝管，混合物回流4 h。燒瓶冷卻，轉(zhuǎn)蒸餾裝置，接收瓶置于冰水浴中，收集42 V 60 °C餾分。GC-FID氣相色譜顯示叔丁胺純度為98 %，堿解收率為 78. O %。
方法B:將2. 4 g尿素、18 g叔丁醇以及10 g苯乙烯系磺酸樹脂加入到50 mL 三口燒瓶中，置上冷凝管，70 °C恒溫磁力攪拌25 h。
反應結(jié)束趁熱抽濾，并用5 mLX2熱的叔丁醇沖洗，得吸附叔丁脲的苯乙烯系磺酸樹脂和濾液1，濾液I減壓蒸餾回收叔丁醇，同時得到淡黃色片狀固體I。吸附叔丁脲的苯乙烯系磺酸樹脂置于100 mL燒杯，加30 mL蒸餾水，用I mol/L K2CO3溶液調(diào)節(jié)pH至7， 加熱至沸并保持沸騰20 min，趁熱抽濾，并用20 mLX2沸水沖洗，回收苯乙烯系磺酸樹脂， 并得濾液2。將該濾液2與固體I合并，在60 1減壓蒸餾，及至有少量晶體析出，再置于5 °C以下冰水浴重結(jié)晶，抽濾得固體叔丁脲和濾液3，濾液3減壓蒸餾回收尿素。叔丁脲收率為 22. 4 wt %。
將6 g的NaOH固體溶解于7. 5 g水，裝入100 mL的圓底燒瓶中，依次加入7 g 叔丁脲和23 g乙二醇，安裝冷凝管，混合物回流4 h。燒瓶冷卻，轉(zhuǎn)蒸餾裝置，接收瓶置于冰水浴中，收集42 V 60 °C餾分。GC-FID氣相色譜顯示叔丁胺純度為98 %，堿解收率為 78. 5 %。
(2) 2_甲基-I-苯基_2_丙胺的制備
方法A :將2. 4 g尿素，24 g 2_甲基_1_苯基_2_丙醇以及10 g苯乙烯系磺酸樹脂加入到50 mL三口燒瓶中，磁力攪拌，90 °C恒溫25 h。反應結(jié)束趁熱抽濾，并用5 mLX2 熱的2-甲基-I-苯基-2-丙醇的沖洗，得吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂和濾液1，濾液I減壓蒸餾回收2-甲基-I-苯基-2-丙醇，同時得到固體I。吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂置于100 mL燒杯，加30 mL蒸餾水，加熱至沸用I mol/KOH溶液調(diào)節(jié)pH至7，并保持沸騰20 min,趁熱抽濾，并用20 mLX 2沸水沖洗，回收苯乙烯系磺酸樹脂,并得濾液2。將該濾液2 與固體I合并，在120 1減壓蒸餾，及至有少量晶體析出，再置于5 °C以下冰水浴重結(jié)晶， 抽濾得固體叔脲和濾液3，濾液3經(jīng)減壓蒸餾回收尿素。產(chǎn)品叔脲的收率為20. 7 wt %
將6 g的NaOH固體溶解于7. 5 g水，裝入100 mL的圓底燒瓶中，依次加入7 g 2-甲基-I-苯基-2-丙基脲和23 g乙二醇，安裝冷凝管，混合物回流4 h。燒瓶冷卻，轉(zhuǎn)減壓蒸餾裝置，接收瓶置于冰水浴中，收集80 V 90 °C餾分。HPLC液相色譜顯示2-甲基-I-苯基-2-丙胺的純度為98 %，堿解收率為85. 4 %。
方法B:將2. 4 g尿素，24 g 2_甲基_1_苯基_2_丙醇以及10 g苯乙烯系磺酸樹脂加入到50 mL三口燒瓶中，磁力攪拌，120 °C恒溫35 h。反應結(jié)束趁熱抽濾，并用5 mLX2 熱的2-甲基-I-苯基-2-丙醇的沖洗，得吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂和濾液1，濾液I減壓蒸餾回收2-甲基-I-苯基-2-丙醇，同時得到固體I。吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂置于100 mL燒杯，加30 mL蒸餾水，加熱至沸用I mol/KOH溶液調(diào)節(jié)pH至7，并保持沸騰20 min,趁熱抽濾，并用20 mLX 2沸水沖洗，回收苯乙烯系磺酸樹脂,并得濾液2。將該濾液2 與固體I合并，在120 1減壓蒸餾，及至有少量晶體析出，再置于5 °C以下冰水浴重結(jié)晶， 抽濾得固體叔脲和濾液3，濾液3經(jīng)減壓蒸餾回收尿素。產(chǎn)品叔脲的收率為21. 9 wt %.
將6 g的NaOH固體溶解于7. 5 g水，裝入100 mL的圓底燒瓶中，依次加入7 g 2-甲基-I-苯基-2-丙基脲和23 g乙二醇，安裝冷凝管，混合物回流4 h。燒瓶冷卻，轉(zhuǎn)減壓蒸餾裝置，接收瓶置于冰水浴中，收集80 V 90 °C餾分。HPLC液相色譜顯示2-甲基-I-苯基-2-丙胺的純度為98 %，堿解收率為83. 7 %。與其他專利的效果見下表
權利要求
1.一種氮雜季碳伯胺的合成工藝，包括中間體叔脲的合成和堿解過程；其特征在于，采用苯乙烯系酸性樹脂為催化劑，常壓下將叔醇、尿素和苯乙烯系酸性樹脂混合進行反應，反應溫度為20 V 150 °C，回流20 h 35 h ;反應后生成的叔脲經(jīng)包括堿脫附在內(nèi)的三濾三回收的后處理，再經(jīng)堿解、精餾，生成高純度的氮雜季碳伯胺； 叔醇和尿素的摩爾比為10 I :1，苯乙烯系磺酸樹脂與叔醇質(zhì)量比為O. I I :1 ; 所述的包括堿脫附在內(nèi)的三濾三回收過程如下 (O 一濾一回收中間體叔脲的合成反應結(jié)束，趁熱抽濾，得到濾液I和吸附叔脲的苯乙稀系橫Ife樹脂； (2)二濾二回收將濾液I減壓蒸餾，回收叔醇，同時得到固體I ;將吸附叔脲的苯乙烯系磺酸樹脂進行堿脫附，置于強堿的水溶液中，加熱至20 V 120 °C，再趁熱抽濾回收苯乙烯系磺酸樹脂，并得濾液2 ； (3)三濾三回收合并濾液2和固體1，經(jīng)重結(jié)晶和抽濾，得到固體叔脲和濾液3;濾液3經(jīng)濃縮蒸干，回收尿素。
2.根據(jù)權利要求I所述的合成工藝，其特征在于，所述的苯乙烯系酸性樹脂是苯乙烯系橫Ife樹脂。
3.根據(jù)權利要求I所述的合成工藝，其特征在于，所述的叔醇具有下述通式結(jié)構 R2R1 十OH，其中 R1 = R2 = R3 = CnH2n+1 或 R1 = R2 = R3 = RC6H4,式中 R = H 或 CmH2m+1，Π =R3m = I 5。
4.根據(jù)權利要求要求I所述的合成工藝，其特征在于，所述的堿為MOH、M2C03、RC00M、M (OH) 2、MCO3 或(RCOO)2M ； 堿為 MOH、M2CO3 或 RCOOM 時，M = K、Na 或 Li, R =H,或 CnH2n+1, η = I 3 ;堿為 M(OH)2'MCO3, (RCOO)2M 時，M = Mg, Ca, R = H, CnH2n+1, η = I 3。
5.根據(jù)權利要求1-4任一所述的合成工藝，其特征在于，叔脲的合成反應中，反應溫度為 7Q V 120 O。
6.根據(jù)權利要求1-4任一所述的合成工藝，其特征在于，二濾二回收中的加熱溫度為.90 V 100。。。
全文摘要
本發(fā)明屬于精細有機合成領域，涉及一種氮雜季碳伯胺的合成工藝，以叔醇和尿素為原料，在苯乙烯系酸性樹脂的催化作用下，經(jīng)中間體叔脲堿解合成氮雜季碳伯胺化合物；催化劑為苯乙烯系酸性樹脂；叔醇具有下述通式結(jié)構，其中R1 = R2 = R3 = CnH2n+1或 R1 = R2 = R3 = RC6H4, 式中R = H或CmH2m+1 ，n = m = 1 ~ 5；叔醇和尿素的摩爾比為10 ～ 11，苯乙烯系磺酸樹脂與叔醇質(zhì)量比為0.1 ～ 11；反應溫度為20 ℃ ~ 150 ℃，優(yōu)選范圍為70 ℃ ~ 120 ℃，反應時間為20 h ~ 35 h；反應后生成的叔脲經(jīng)包括堿脫附在內(nèi)的三濾三回收的后處理，再經(jīng)堿解、精餾，生成高純度的氮雜季碳伯胺化合物；本發(fā)明原料易得，反應條件溫和，過程綠色環(huán)保，原料和催化劑可回收利用，產(chǎn)物氮雜季碳伯胺化合物的收率較高。
文檔編號C07C209/62GK102924287SQ201210424568
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權日2012年10月30日
發(fā)明者周新銳, 馮烈, 陳潔, 陳云斌, 金雅琴, 馬娥 申請人:浙江建業(yè)化工股份有限公司, 大連理工大學