CN112469693B - N-甲基(甲基)丙烯酰胺的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及N‑甲基(甲基)丙烯酰胺的制备方法并涉及其用途。

Description

N-甲基(甲基)丙烯酰胺的制备方法

技术领域

本发明涉及制备N-甲基(甲基)丙烯酰胺的方法。

背景技术

N-甲基(甲基)丙烯酰胺可通过用酰卤和甲胺进行反应来制备。然而在这种情况下需要额外当量的碱，其中所形成的卤化氢被所述额外当量的碱清除。在有疑问的情况下，这种碱是甲胺本身，其需要两当量的甲胺，这会不利地影响所述制备的经济可行性。

DE4027843概括性地描述了另一种制备，一种制备N-取代的丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺的连续方法。在该方法中，通过以连续模式使摩尔比例为1:≥2的丙烯酸的烷基酯或甲基丙烯酸的烷基酯与脂族或芳族胺进行反应，获得了相应的N-取代的丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺。与用酰氯进行所述制备类似，这种方法需要两当量的所述胺，并且因此仅具有有限的原子经济性。尽管所述反应不需要催化剂，但它是在>150℃和约160巴的压力下的苛刻条件下进行的。如果使用比化学计量量的甲基丙烯酸酐更多的胺制备N-甲基甲基丙烯酰胺，则会形成真空不稳定的盐。在随后的后处理中，它会分解，并且因此不能维持真空，温度以不受控的方式升高，和产物最终会聚合。

DE102011089363同样公开了N-烷基(烷基)丙烯酰胺的制备，类似地，其是由相应的酸酐和烷基胺进行的。此处要求保护的是添加在水溶液中的胺，并在取出产物之前中和所述溶液。对于N-甲基(甲基)丙烯酰胺的制备，在水溶液中的制备是非常不利的。N-甲基(甲基)丙烯酰胺是一种液体，以任何比例溶于水中，仅能在非常困难的情况下萃取，并且由于蒸馏分离时沸点相近导致非常高的损失。然而，使用所述胺的水溶液具有的关键优点是，在水的存在下，作为中间体形成的酸的铵盐被强迫达到离解平衡。结果是，在体系中总是存在痕量的胺，所述胺可与所述酸酐反应，使得总收率达到>95％。

WO 2010/021956公开了N-烷基(烷基)丙烯酰胺的制备，类似地，其是由相应的酸酐和烷基胺进行的。此处要求保护的是将所述酸酐添加到以在初始时加入的水溶液形式的胺中。这种方法变体与显著的放热性相关联，所述放热性可导致变色。另外，存在与DE102011089363中相同的缺点。

发明内容

解决的问题是提供一种用于制备N-甲基(甲基)丙烯酰胺的特别经济可靠的方法。

通过在不存在水的情况下使(甲基)丙烯酸酐和甲胺反应来制备N-甲基(甲基)丙烯酰胺的方法解决了所述问题。

更特别地，所述问题通过制备N-甲基(甲基)丙烯酰胺的方法得到解决，所述方法的特征在于

a)使(甲基)丙烯酸酐与甲胺反应，

b)所述甲胺的水含量为<10重量％，

c)酸酐:胺的化学计量为小于1:2。

已经发现，令人惊奇地，根据本发明的方法实现了几乎定量的产率，并且在为了得到纯材料而进行后处理时的损失是特别低的。另外，(甲基)丙烯酸副产物可作为用于制备所述酸酐的起始材料而被再利用，并且因此所述反应具有完全的原子经济性，并且因此不仅是特别有效的，而且是非常可持续的。

已经发现，当所述反应几乎无水时，根据本发明的方法可以特别有利地进行。

另外，已经发现，所述反应可以在不添加催化剂的情况下进行，这导致所述方法的经济可行性得到进一步提高。

此处术语“(甲基)丙烯酸酯”意思指甲基丙烯酸酯(例如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯等)和丙烯酸酯(例如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯等)二者，以及二者的混合物。

催化剂

所述反应可在没有催化剂的情况下进行。在不添加催化剂的情况下，所述反应是足够快的。

(甲基)丙烯酸酐

使用的(甲基)丙烯酸酐是甲基丙烯酸酐或丙烯酸酐。

稳定剂

所述(甲基)丙烯酸酐优选以被稳定化的形式使用。合适的稳定剂是：吩噻嗪，2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚，N,N'-二苯基-对苯二胺，4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基，4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚，丙烯酸2-叔丁基-6-(3-叔丁基-2-羟基-5-甲基苄基)-4-甲基苯酯，1,4-苯二胺，N,N'-混合的苯基和甲苯基衍生物(DTPD)，2,6-二叔丁基-α-(二甲氨基)-对甲酚，叔丁基邻苯二酚，癸二酸双-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯，2,2,6,6-四甲基哌啶N-氧基和它们的混合物。

在所述反应开始时，所述量的稳定剂是与(甲基)丙烯酸酐一起作为溶液引入到反应器中的，是在初始时加入的或者是在所述(甲基)丙烯酸酐之后加入的。

甲胺

甲胺可以液体形式、以气态形式(例如单甲胺，得自GHC Gerling,Holz+Co，Hanau，德国)或者在无水溶剂中(例如在THF、MTBE、乙腈、氯仿、二氯甲烷或乙醚中)使用。甲胺水溶液不适用于此方法。

优选地，所述甲胺的水含量为<10重量％，优选<5重量％，更优选<1重量％，和最优选<0.1重量％。

优选地，在所有反应物的添加结束后，反应混合物的水含量为<10重量％，优选<5重量％，更优选<1重量％，和最优选<0.1重量％。

溶剂

所述反应可以在没有溶剂的情况下或在存在溶剂的情况下进行。合适的溶剂选自：THF、MTBE、乙醚、二氧六环、乙腈、硝基甲烷、氯仿、二氯甲烷、苯或甲苯和它们的混合物。

反应条件

所述反应是在-20℃至100℃，优选0℃至80℃，和更优选20℃至50℃的温度下进行的。

为了避免形成不想要的副产物，采用特别低的温度以防止胺被迈克尔加成到(甲基)丙烯酸系化物((meth)acrylate)的双键上。

使(甲基)丙烯酸酐与甲胺在0.5巴至10巴，优选1巴至5巴的绝对压力下反应。

反应时间在0.1-10小时，优选0.5-5小时范围内。

化学计量

(甲基)丙烯酸酐:胺的化学计量为小于1:2，优选小于1:1.5，更优选小于1:1.1，和最优选恰好1:1。

在其中采用环境压力的另一个方法变体中，也可以将甲胺鼓泡到反应溶液中。在这种情况下，并非所有的甲胺都反应。反应成功的关键是，与(甲基)丙烯酸酐反应的胺的过量为0.5至1.5。

中和及后处理：

可以借助于分馏在反应结束后直接将得到的粗产物进行后处理，而无需中和。

优选的方法变体

将(甲基)丙烯酸酐在初始时加入到高压釜中，并旋紧关闭所述高压釜。将钢制甲胺气瓶通过盘绕的VA进料管连接于所述高压釜，并监测当引入甲胺时重量的降低。

在室温下以约4g/3分钟的进料速率开始甲胺的引入。反应是强烈放热的。温度不应超过40℃(35℃±5℃)。将混合物用丙酮-干冰混合物冷却。将计量速率提高到6g/3分钟甲胺。一旦已经引入了化学计量量的甲胺，就将所述瓶关闭，使导管中剩余的气体反应10分钟，并然后移开冷却，和将所述高压釜排气。

备选的另一种方法是在溶剂的存在下进行反应。将(甲基)丙烯酸酐和适当的溶剂，例如MTBE，初始加入，并将其冷却。在约2℃-10℃下引入甲胺气体。反应是弱放热的。

由于在该温度下反应仅非常缓慢地进行，因此可以较快的速率下引入气体。底部温度可升高到最高至50℃。当不再能检测到(甲基)丙烯酸酐时，结束所述引入。将溶剂例如用旋转蒸发器排出。将残余物蒸馏。

根据本发明制备的N-甲基(甲基)丙烯酰胺可用作(甲基)丙烯酸系化物聚合物中的共聚物，以增加聚合物的水溶性。

具体实施方式

下文给出的实施例是为了更好地举例说明本发明而给出的，但不能将本发明限制于其中公开的特征。

本文实施例中使用的甲基丙烯酸酐总是用2000ppm的2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚来稳定化。

实施例1：N-甲基甲基丙烯酰胺的制备

反应方程式：

装置：2升高压釜，其带有玻璃嵌件，Ni-Cr-Ni热电偶，气体进料：金属，钢制甲胺气瓶，压力计，丙酮/干冰浴

混合物：

6.0mol甲基丙烯酸酐＝940.2g

6.0mol甲胺，气体＝186.4g

理论产量：(＝起始重量)1126.6g

操作过程：将所述甲基丙烯酸酐在初始时加入到所述高压釜的玻璃嵌件中，并旋紧关闭所述高压釜。使所述钢制甲胺气瓶处于平衡，并通过盘绕的VA进料管连接于所述高压釜；因此可监测当引入甲胺时重量的降低。

在室温下以约4g/3分钟的计量速率开始甲胺的引入。反应是强烈放热的。温度不应超过40℃(35℃±5℃)。将混合物用丙酮-干冰混合物冷却。将计量速率提高到6g/3分钟甲胺；由于所述玻璃嵌件导致的传热不佳而造成冷却，因此更大的速率是不可能的。一旦已经引入了化学计量量的甲胺(186.4g，6mol)，就将所述瓶关闭，使导管中剩余的气体反应10分钟，并然后移开冷却，和将所述高压釜排气。

产量：1125g

产物的GC，方法：(GC：DB5，30m，膜厚0.25μm，50℃，3分钟等温，14℃/分钟→280℃，8分钟等温；检测：280℃，注射：250℃)

HB＝高沸物

实施例2：通过蒸馏后处理N-甲基甲基丙烯酰胺

装置：2升三颈圆底烧瓶，其带有沸腾毛细管，Pt100温度传感器，30cm镜面柱(mirrored column)，其装有8×8拉西(Raschig)环，自动柱头(分液器)，回流冷凝器，盘绕冷凝器，Thiele-Anschütz连接件，接收器，油浴，真空泵，压力计

混合物：

1122g得自实施例1的N-甲基甲基丙烯酰胺

22.4mg 4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(自由基)(20ppm)

224.4mg对苯二酚单甲醚(200ppm)

1122mg 3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八烷基酯(1000ppm)

操作过程：

RR＝回流比

产量和GC分析：

*粘稠的，另外的峰：11.257分钟：25.653％；11.688分钟：15.458％；12.259分钟：5.177％+另外的较小的峰

实施例3：在溶剂中制备N-甲基甲基丙烯酰胺

装置：1升四颈圆底烧瓶，其带有精密玻璃搅拌器(聚四氟乙烯套筒)，Pt100温度传感器，进气口(聚四氟乙烯)，聚四氟乙烯的出气口，其带有作为安全瓶的洗瓶，回流冷凝器，钢制甲胺气瓶，直接导入通风橱的废气导管，用于压缩空气作为添加空气的进料，丙酮/干冰冷却浴

混合物：

1.0mol甲基丙烯酸酐＝156.4g

250ml甲基叔丁基醚(MTBE)

1.0mol甲胺，气体

理论产量：99.1g

操作过程：在初始时加入甲基丙烯酸酐和MTBE，并将其冷却。在约2℃-10℃下引入甲胺气体。反应是弱放热的。

由于在该温度下反应仅进行得非常缓慢，因此将气体更快地引入，并且可以将底部温度升高到最高至50℃。当不再能检测到甲基丙烯酸酐时，结束所述引入。在60℃的浴温和低至200毫巴的压力下在旋转蒸发器(RE)上排出MTBE。

至200毫巴的馏出物：151.5g

至200毫巴的残余物：181.7g

将所述残余物(180g)通过15cm Vigreux柱在减压下蒸馏，其中添加1000ppm 3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八烷基酯，500ppm对苯二酚单甲醚和20ppm 4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(自由基)。

分析：(GC：DB5，30m，膜厚0.25μm，50℃，3分钟等温，14℃/分钟→280℃，8分钟等温；检测：280℃，注射：250℃)

*不包括在整体中

经由GC分析的产量：89.9g N-甲基甲基丙烯酰胺＝理论值的90.7％

对比例1：以过量的甲胺气体制备N-甲基甲基丙烯酰胺

装置：1升四颈圆底烧瓶，其带有精密玻璃搅拌器(聚四氟乙烯套筒)，Pt100温度传感器，聚四氟乙烯的气体进料，其带有作为安全瓶的洗瓶，进气口(聚四氟乙烯)，回流冷凝器，钢制甲胺气瓶，直接导入通风橱的废气导管，用于压缩空气作为添加空气的进料，丙酮/干冰冷却浴

混合物：

1.0mol甲基丙烯酸酐＝156.4g

250ml甲基叔丁基醚

约2mol甲胺，气体

理论N-甲基甲基丙烯酰胺产量：99.1g

操作过程：在初始时加入甲基丙烯酸酐和MTBE，并在剧烈搅拌下引入甲胺气体。通过GC监测转化率。如果不再能检测到甲基丙烯酸酐，仍然进一步引入甲胺，因为仍在发生放热反应。一旦这变得较弱，就结束所述引入。在搅拌已经停止后，形成两相。在浴温60℃和低至200毫巴的压力下在旋转蒸发器上排出MTBE。

至200毫巴的馏出物：177.1g

至200毫巴的残余物：215.0g

*未包括

将180g旋转蒸发器残余物通过15cm Vigreux柱在减压下蒸馏，其中添加1000ppm3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八烷基酯，500ppm对苯二酚单甲醚和20ppm 4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(自由基)。

由于甲基丙烯酸甲基铵的分解，从40℃的底部温度起不再能保持压力。从90℃的底部温度起，在接收器和装置中起雾。这是胺与酸发生反应的明显标志。在获得馏出物后立即在底部形成固体，并且混合物在10分钟内完全聚合。

产量：级分1：16.2g

对比例2：由含水甲胺制备N-甲基甲基丙烯酰胺

装置：2升四口圆底烧瓶，其带有精密玻璃军刀式搅拌器，500ml滴液漏斗，Pt-100液相温度计，回流冷凝器，冷却浴

混合物：

6.15mol甲基丙烯酸酐＝961.5g

6.15mol甲胺，在H₂O中40％＝477.4g

理论产量：609.65g

操作过程：

在初始时加入甲基丙烯酸酐，并将其在搅拌的同时冷却到低于10℃。然后开始计量加入甲胺(放热反应，冰浴冷却和轻微起雾)。进行滴加和冷却，使得温度上升不高于10℃。在滴加结束后(4小时)，继续搅拌另外2小时以进行进一步反应；将冷却移开。

后处理：

将混合物(1419g)在旋转蒸发器上浓缩，其中添加1000ppm3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八烷基酯，500ppm对苯二酚单甲醚和20ppm 4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(自由基)。

在所述烧瓶中的残余物： 229.7g

至35毫巴的馏出物，浴80℃ 340.8g

至5毫巴的馏出物，浴80℃ 273.4g

至0毫巴的馏出物，浴80℃-95℃ 531.6g

GC分析：(DB5，30m，膜厚0.25μm，50℃，3分钟等温，14℃/分钟→280℃，8分钟等温；检测：280℃，注射：250℃)

在不中和水相的情况下，在简单蒸馏后，可以分离410.2g(理论值的67.3％)产物，作为与水和甲基丙烯酸的混合物形式，剩下约230g固体。在对比例3中，分馏出至5毫巴和至1毫巴的馏出物(805g，具有399g产物)。

对比例3：从含水甲基丙烯酸中蒸馏N-甲基甲基丙烯酰胺。

装置：1升三颈圆底烧瓶，沸腾毛细管，30cm镜面柱，其装有6×6拉西(Raschig)环，Liebig冷凝器，Claisen连接件，Thiele-Anschütz连接件，接收器，油浴，真空泵

混合物：805g 得自对比例2的馏出物

66.5mg 对苯二酚单甲醚(100ppm)

665mg 3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八烷基酯(1000ppm)

33.3mg 2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚(50ppm)

操作过程：

第一级分 156.3g

第二级分 48.5g(混浊馏出物，“微团块”)

将液相过滤经过陶瓷吸滤器。滤液→292.5g→GC

将滤饼样品溶解在MeOH中→307g→聚合物。

GC分析：(Meth.F241，DB5，30m，膜厚0.25μm，50℃，3分钟等温，14℃/分钟→280℃，8分钟等温；检测：280℃，注射：250℃)

尽管可以几乎完全分离水和甲基丙烯酸，但用含水甲胺制备的产物仍发生聚合，并且因此在蒸馏90分钟后仅存在约25％的N-甲基甲基丙烯酰胺。

对比例4：由含水甲胺制备N-甲基甲基丙烯酰胺，通过萃取进行后处理

装置：类似于对比例2

混合物：

2.5mol F49(18770-45，96.61％；1000ppm S49)＝398.9g

2.5mol N-甲胺，在H₂O中40％＝194.1g

2.5mol 氨，25％＝170g

理论产量：247.8g

操作过程：类似于对比例2制备粗产物

在部分冷却的情况下，将粗产物用NH₃溶液中和。没有相分离。

然后将混合物用MTBE萃取(通过GC仅存在甲基丙烯酸)。这之后每次用300毫升甲基丙烯酸甲酯(MMA)萃取3次，和然后每次用200毫升MMA再萃取3次(最后一次萃取物中仍存在4％产物)。将合并的MMA相在减压下在旋转蒸发器上浓缩(浴温60℃)，其中仍然存在夹带的H₂O。

产量：115.8g

GC分析：20.4％甲基丙烯酸，69.28％N-甲基甲基丙烯酰胺

水/甲基丙烯酸和N-甲基甲基丙烯酰胺体系彼此之间非常类似。萃取只能很费力地实现取出产物，并且产量很低。

对比例5：通过含水甲胺制备N-甲基甲基丙烯酰胺，并用KOH中和残余物

装置：2升四颈圆底烧瓶，其带有精密玻璃军刀式搅拌器，500ml滴液漏斗，Pt-100液相温度计，回流冷凝器，冰浴

混合物：

6.0mol 甲基丙烯酸酐＝938.1g

6.0mol 甲胺，在H₂O中40％＝465.9g*

理论产量：594.8g

操作过程：在初始时加入甲基丙烯酸酐并将其冷却至低于10℃。然后开始计量加入甲胺(放热反应，用冰/H₂O冷却，轻微起雾)。进行滴加和冷却，使得温度上升不高于10℃。在滴加已经结束后，将混合物搅拌另外2小时以进行进一步反应。将冷却移开。

贮存过夜后(混合物变为浅黄色)，将混合物转移至4升烧瓶中，并用5.9mol KOH(在H₂O中50％，经由滴液漏斗加入，用H₂O浴冷却，添加2滴酚酞溶液)中和→pH 6.5。

然后使用陶瓷吸滤器吸滤出沉淀的固体，并在减压下(浴最高至80℃，压力见下文)在旋转蒸发器上浓缩滤液，其中添加1000ppm3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八烷基酯，500ppm对苯二酚单甲醚和20ppm 4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(自由基)(基于N-甲基甲基丙烯酰胺的理论收率)。

在吸滤器上的残余物77.5g (b)

在烧瓶中的残余物1026.2g (a)

GC分析：(DB5，30m，膜厚0.25μm，50℃，3分钟等温，14℃/分钟→280℃，8分钟等温；检测：280℃，注射：250℃)

LB＝低沸物

为了确定级分中产物的质量，添加精确限定量的二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺，并经由积分值的比较确定确切的质量。

当用KOH中和水相时，在蒸馏后，仅可分离出144.9g(理论值的29.6％)产物，作为稀的水溶液形式。

对比例6：通过含水甲胺制备N-甲基甲基丙烯酰胺，并用NaOH中和残余物

装置：2升四颈圆底烧瓶，其带有精密玻璃军刀式搅拌器，500ml滴液漏斗，Pt-100液相温度计，回流冷凝器，冷却浴

混合物：

6.0mol甲基丙烯酸酐＝938.1g

6.0mol甲胺，在H₂O中40％＝465.9g*

理论产量：594.8g

操作过程：在初始时加入甲基丙烯酸酐并将其冷却至低于10℃。然后开始计量加入甲胺(放热反应，用冰/H₂O冷却，轻微起雾)。进行滴加和冷却，使得温度上升不高于10℃。在滴加已经结束后，继续搅拌另外2小时以进行进一步反应；将冷却移开。

随后，将混合物转移至4升烧瓶中，并用5.9mol在H₂O中50％的NaOH(236g NaOH，236g H₂O*)进行中和(通过经由滴液漏斗进行添加，同时用H₂O浴冷却，并添加2滴酚酞溶液)直至pH 6.5-pH7.0。

使用陶瓷吸滤器将沉淀的固体滤出→过滤非常差，因为所述固体是蜡状的。

滤液：1634g

为了进行分析，在GC小瓶中，将1.5g滤液与内标掺混，并将其用于测定N-甲基甲基丙烯酰胺的含量：

通过GC分析计算的产物含量：理论值的

将滤液在旋转蒸发器上减压浓缩(1)。将在冷凝器上冷凝(冻结)的冷凝液融化过夜，并且第二天，将烧瓶残余物在浴温80℃和1毫巴下再次浓缩至干(2)。在此过程中，显著量的固体沉淀出来。借助于GC分析所获得的馏出物。

GC：(DB5，30m，膜厚0.25μm，50℃，3分钟等温，14℃/分钟→280℃，8分钟等温；检测：280℃，注射：250℃)

当用NaOH中和水相时，在蒸馏后，仅可分离出144.9g(理论值的24.4％)产物，作为稀的水溶液形式。

Claims (14)

1.制备N-甲基(甲基)丙烯酰胺的方法，

其特征在于

a)使(甲基)丙烯酸酐与甲胺反应，

b)所述甲胺的水含量为<10重量％，

c)(甲基)丙烯酸酐:胺的摩尔比在1:小于2至1:1的范围内；

其中在所有反应物的添加结束后水含量为<0.1重量％。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述甲胺的水含量为小于5重量％。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于所述甲胺的水含量为小于1重量％。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于所述甲胺的水含量为<0.1重量％。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于所述反应是在极性非质子溶剂中进行的。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于所述甲胺是作为纯物质、以液体或气态形式添加的。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于所述甲胺是作为气体添加的。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于(甲基)丙烯酸酐:胺的摩尔比为1:1。

9.根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于通过蒸馏除去或分离(甲基)丙烯酸副产物。

10.根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于所述(甲基)丙烯酸酐与甲胺在-20℃至100℃的温度下反应。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于所述(甲基)丙烯酸酐与甲胺在0℃至80℃的温度下反应。

12.根据权利要求10的方法，其特征在于所述(甲基)丙烯酸酐与甲胺在20℃至50℃的温度下反应。

13.根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于所述(甲基)丙烯酸酐与甲胺在0.5巴至10巴的绝对压力下反应。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于所述(甲基)丙烯酸酐与甲胺在1巴至5巴的绝对压力下反应。