CN113024485A - 一种4-丙烯酰吗啉的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种4‑丙烯酰吗啉的合成方法，主要包括两个步骤：1）将丙酸与吗啉在DCC的作用下发生脱水缩合，得到中间体4‑丙酰吗啉；2）4‑丙酰吗啉在强碱的条件下，在醋酸钯的催化下和氧气发生Saegusa反应，形成目标产物4‑丙烯酰吗啉。利用本发明涉及的4‑丙烯酰吗啉的合成工艺在常压下便可实施，反应温度也较为温和，副产物少，反应催化剂可以回收重复利用，具有较好的工业化前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，具体地来说，涉及一种名称为4-丙烯酰吗啉的化合物的合成工艺。
背景技术
丙烯酰胺类化合物因为具有高活性的碳-碳共轭双键，能够在常温下良好地发生均聚或共聚，因此可作为关键原材料，被广泛应用于UV固化材料中，如UV涂料、UV油墨、UV胶粘剂等各种不饱和体系的UV聚合反应领域；它们还可以用于3D打印材料，食品添加剂等行业。4-丙烯酰吗啉具有很多优良的特点，它是一种低气味，低刺激的单官能单体，能与水互溶，还可用于水性UV体系；此外，4-丙烯酰吗啉与高官能低聚物进行搭配使用，可以生产出既能保证硬度，又有优良韧性的高端产品，可以应用于医药新材料等领域，具有十分广阔的应用前景。
现有的4-丙烯酰吗啉的合成方法主要有以下几种：
1）公开号为CN107417644A的中国专利和公开号为JP09-279395，JP49-66625，JP05-163279，JP 2015101554的日本专利，公开了一种首先制备出杂原子取代的丙酰吗啉，如吗啉基丙烯吗啉、二乙胺基丙酰吗啉、丁氧基丙酰吗啉等，然后进行真空高温裂解得到目标产物的方法，具体的合成路线如下：
2）公开号为JP2015101553的日本专利和公开号为WO2015146876的国际专利，公开了一种将丙烯酸乙酯和环戊二烯经D-A反应后，再吗啉胺解，然后再经真空裂解得到目标产物的方法，具体的合成路线如下：
上述合成方法都涉及到真空和高温裂解的条件，裂解温度高达400度，对设备要求很高，具有较高的生产成本和安全风险；而且反应条件苛刻，因此导致过程中难以避免加成副产物的发生，对产物纯化带来很大的麻烦。
因此，有必要设计研发一种制备过程简单，安全性高的新的4-丙烯酰吗啉的合成方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，该方法丙酸和吗啉在缩合剂DCC的作用下生成中间体4-丙酰吗啉，然后4-丙酰吗啉在强碱的作用下发生烯醇化，并在醋酸钯催化下发生Saegusa-Ito氧化反应被氧气氧化成碳-碳双键。从而得到目标产物4-丙烯酰吗啉，由于合成策略与传统方法不同，因此可以避免高温和真空等苛刻反应条件。
本发明的技术方案为：一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，具体的合成路线如下：
其中，DCC为二环己基碳二亚胺；tBuONa指代强碱，Pd(OAc)2指代醋酸钯，O2为氧气。
具体合成步骤为：
1）中间体4-丙酰吗啉的合成：在0～30 ℃下，以丙酸和吗啉为起始原料，溶于一种酯类溶剂中，然后缓慢滴加DCC的乙酸乙酯溶液，滴加完后反应在室温下搅拌一定时间，反应结束后，过滤除去中间产物二环己基脲，滤液经减压浓缩除去乙酸乙酯，经减压蒸馏，最终反应生成中间体4-丙酰吗啉；
2）目标产物4-丙烯酰吗啉的合成：在室温下，以4-丙酰吗啉为反应原料，将反应原料、醋酸钯、强碱加入DMSO溶剂中，通入氧气，反应升至一定温度下搅拌反应一定时间，此时4-丙酰吗啉在强碱的作用下发生烯醇化，并在醋酸钯催化下发生Saegusa-Ito氧化反应，反应物在冷水中淬灭后用一种酯类溶剂萃取，有机相经饱和氯化铵溶液洗涤，无水硫酸钠干燥后，真空浓缩除去溶剂，然后加入一种酚类抗氧化剂，进行减压蒸馏，从而得到目标产物4-丙烯酰吗啉。
步骤1）中，酯类溶剂选择范围包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯，优选乙酸乙酯。
步骤1）中，丙酸和吗啉的摩尔数比优选为1：1。
步骤1）中， DCC摩尔数与原料丙酸的摩尔数之比优选为1.00 :1 ~ 1.50 : 1。
步骤1）中，搅拌反应时间优选范围为4~24小时，DCC在乙酸乙酯类的浓度选择范围包括1~10 摩尔/L。
步骤2）中，酯类溶剂优选范围包括乙酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸丁酯；酚类抗氧化剂选择范围包括4-甲氧基苯酚、4-叔丁基苯酚、4-甲基苯酚；强碱优选范围包括叔丁醇锂、叔丁醇钠、叔丁醇钾。
步骤2）中，反应原料4-丙酰吗啉在DMSO中的浓度优选范围是1 ~ 10 摩尔/L。
步骤2）中，催化剂醋酸钯的用量优选为反应原料4-丙酰吗啉摩尔数的0.001~0.05倍；强碱的用量优选为反应原料4-丙酰吗啉摩尔数的0.5-2.0倍；酚类抗氧化剂的摩尔数优选为反应原料4-丙酰吗啉的用量的0.01% ~ 0.2%。
步骤2）中，氧气压力为1个大气压；一定温度的优选范围是60 ~ 120 ℃；搅拌反应时间优选范围为6~36小时。
本发明的有益效果为：
本发明公开一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，利用本发明涉及的4-丙烯酰吗啉的合成工艺在常压下便可实施，反应温度也较为温和，副产物少，反应催化剂可以回收重复利用，具有较好的工业化前景。
附图说明
图1 本发明的4-丙烯酰吗啉的GC-MS 总离子流图，保留时间:12.779 min。
图2 本发明的4-丙烯酰吗啉的GC-MS 质谱图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
实施例1：
步骤一、中间体4-丙酰吗啉的合成：
在25 ℃下，一个装有机械搅拌器的1000 ml反应瓶中依次加入74 克 (1 摩尔) 丙酸、87克吗啉为起始原料，溶于200 ml乙酸乙酯中，配成5 摩尔/L的水溶液，然后在搅拌下滴加DCC 216克（1.05 摩尔）的乙酸乙酯（300 ml）溶液，滴加完后，在室温下搅拌反应12小时，反应结束后，抽滤，用冷的乙酸乙酯溶剂洗涤反应固体，收集滤液，然后将滤液在旋转蒸发仪上减压浓缩除去乙酸乙酯溶剂，得到4-丙酰吗啉粗产物，粗产物经减压蒸馏得到4-丙酰吗啉纯品131.5克，产率92%。
步骤二、目标产物4-丙烯酰吗啉的合成：
在一个装有机械搅拌器和温度计的1000 ml三颈反应瓶中加入131.5 克（1.0 摩尔）4-丙酰吗啉，叔丁醇钠 96 克 （1.0 摩尔），醋酸钯 4.5克（0.02 摩尔） 和400 ml DMSO 溶剂中，升温至90 ℃搅拌并向反应瓶中持续通入氧气（1.0 个大气压），然后将反应体系在90℃下反应 30 小时。反应结束后，将反应液冷却至室温，然后将反应液缓慢倒入2000 ml 冰水浴中淬灭，反应淬灭后用乙酸乙酯萃取反应液（3 100 ml 次）；合并有机相，有机相用饱和氯化铵溶液（5ml）洗涤，饱和氯化钠溶液洗涤，无水硫酸钠干燥后，经旋转蒸发仪浓缩除去乙酸乙酯溶剂，得到4-丙烯酰胺粗产物，最后向粗产物中加入 4-甲氧基苯酚124 毫克（1.0 毫摩尔），然后进行减压蒸馏，得到4-丙烯酰吗啉，产率84%，纯度97%。
实施例2：
步骤一、中间体4-丙酰吗啉的合成：
在0℃时，一个装有机械搅拌器的1000ml反应瓶中依次加入70 克 (1 摩尔) 丙酸、70克吗啉为起始原料，溶于200 ml乙酸甲酯中，配成5 摩尔/L的水溶液，然后在搅拌下滴加DCC 100克（1 摩尔）的乙酸乙酯（100 ml）溶液，滴加完后，在室温下搅拌反应4小时，反应结束后，抽滤，用冷的乙酸乙酯溶剂洗涤反应固体，收集滤液，然后将滤液在旋转蒸发仪上减压浓缩除去乙酸乙酯溶剂，得到4-丙酰吗啉粗产物，粗产物经减压蒸馏得到4-丙酰吗啉纯品120克，产率90%。
步骤二、目标产物4-丙烯酰吗啉的合成：
在一个装有机械搅拌器和温度计的2000 ml三颈反应瓶中加入120克（1摩尔）4-丙酰吗啉，叔丁醇锂80克（0.5摩尔），醋酸钯3克（0.001 摩尔）和1000 ml DMSO 溶剂中，升温至60℃搅拌并向反应瓶中持续通入氧气（1.0 个大气压），然后将反应体系在60 ℃下反应6小时。反应结束后，将反应液冷却至室温，然后将反应液缓慢倒入2000 ml 冰水浴中淬灭，反应淬灭后用乙酸甲酯萃取反应液（3 120 ml 次）；合并有机相，有机相用饱和氯化铵溶液（6ml）洗涤，饱和氯化钠溶液洗涤，无水硫酸钠干燥后，经旋转蒸发仪浓缩除去乙酸乙酯溶剂，得到4-丙烯酰胺粗产物，最后向粗产物中加入 4-叔丁基苯酚124 毫克 （0.1毫摩尔），然后进行减压蒸馏，得到4-丙烯酰吗啉，产率80%，纯度91%。
实施例3：
步骤一、中间体4-丙酰吗啉的合成：
在30℃下，一个装有机械搅拌器的2000 ml反应瓶中依次加入80 克 (1 摩尔) 丙酸、80克吗啉为起始原料，溶于250ml乙酸丁酯中，配成4摩尔/L的水溶液，然后在搅拌下滴加DCC 220克（1. 5 摩尔）的乙酸乙酯（1000 ml）溶液，滴加完后，在室温下搅拌反应24小时，反应结束后，抽滤，用冷的乙酸乙酯溶剂洗涤反应固体，收集滤液，然后将滤液在旋转蒸发仪上减压浓缩除去乙酸乙酯溶剂，得到4-丙酰吗啉粗产物，粗产物经减压蒸馏得到4-丙酰吗啉纯品140克，产率94%。
步骤二、目标产物4-丙烯酰吗啉的合成：
在一个装有机械搅拌器和温度计的1000 ml三颈反应瓶中加入140 克（1.0 摩尔）4-丙酰吗啉，叔丁醇钾100 克 （2.0 摩尔），醋酸钯 4.5克（0.05摩尔） 和100 ml DMSO 溶剂中，升温至90 ℃搅拌并向反应瓶中持续通入氧气（1.0 个大气压），然后将反应体系在120 ℃下反应 36小时。反应结束后，将反应液冷却至室温，然后将反应液缓慢倒入2000 ml 冰水浴中淬灭，反应淬灭后用乙酸丁酯萃取反应液（3 100 ml 次）；合并有机相，有机相用饱和氯化铵溶液（8ml）洗涤，饱和氯化钠溶液洗涤，无水硫酸钠干燥后，经旋转蒸发仪浓缩除去乙酸乙酯溶剂，得到4-丙烯酰胺粗产物，最后向粗产物中加入 4-甲基苯酚124 毫克 （2.0毫摩尔），然后进行减压蒸馏，得到4-丙烯酰吗啉，产率90%，纯度95%。
结合图1与图2，可以得出，目标产物即为4-丙烯酰吗啉。
Claims (10)
1.一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，具体的合成路线如下：
其中，DCC为二环己基碳二亚胺；tBuONa指代强碱，Pd(OAc)2指代醋酸钯，O2为氧气。
2.如权利要求1所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，具体合成步骤为：
1）中间体4-丙酰吗啉的合成：在0～30 ℃下，以丙酸和吗啉为起始原料，溶于一种酯类溶剂中，然后缓慢滴加DCC的乙酸乙酯溶液，滴加完后反应在室温下搅拌一定时间，反应结束后，过滤除去中间产物二环己基脲，滤液经减压浓缩除去乙酸乙酯，经减压蒸馏，最终反应生成中间体4-丙酰吗啉；
2）目标产物4-丙烯酰吗啉的合成：在室温下，以4-丙酰吗啉为反应原料，将反应原料、醋酸钯、强碱加入DMSO溶剂中，通入氧气，反应升至一定温度下搅拌反应一定时间，此时4-丙酰吗啉在强碱的作用下发生烯醇化，并在醋酸钯催化下发生Saegusa-Ito氧化反应，反应物在冷水中淬灭后用一种酯类溶剂萃取，有机相经饱和氯化铵溶液洗涤，无水硫酸钠干燥后，真空浓缩除去溶剂，然后加入一种酚类抗氧化剂，进行减压蒸馏，从而得到目标产物4-丙烯酰吗啉。
3.如权利要求2所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，步骤1）中，酯类溶剂选择范围包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯，优选乙酸乙酯。
4.如权利要求2所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，步骤1）中，丙酸和吗啉的摩尔数比优选为1：1。
5.如权利要求2所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，步骤1）中， DCC摩尔数与原料丙酸的摩尔数之比优选为1.00 :1 ~ 1.50 : 1。
6.如权利要求2所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，步骤1）中，搅拌反应时间优选范围为4~24小时，DCC在乙酸乙酯类的浓度选择范围包括1~10 摩尔/L。
7.如权利要求2所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，步骤2）中，酯类溶剂优选范围包括乙酸甲酯，乙酸乙酯，乙酸丁酯；酚类抗氧化剂选择范围包括4-甲氧基苯酚、4-叔丁基苯酚、4-甲基苯酚；强碱优选范围包括叔丁醇锂、叔丁醇钠、叔丁醇钾。
8.如权利要求2所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，步骤2）中，反应原料4-丙酰吗啉在DMSO中的浓度优选范围是1 ~ 10 摩尔/L。
9.如权利要求2所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，步骤2）中，催化剂醋酸钯的用量优选为反应原料4-丙酰吗啉摩尔数的0.001~0.05倍；强碱的用量优选为反应原料4-丙酰吗啉摩尔数的0.5-2.0倍；酚类抗氧化剂的摩尔数优选为反应原料4-丙酰吗啉的用量的0.01% ~ 0.2%。
10.如权利要求2所述的一种4-丙烯酰吗啉的合成方法，其特征在于，步骤2）中，氧气压力为1个大气压；一定温度的优选范围是60 ~ 120 ℃；搅拌反应时间优选范围为6~36小时。
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