CN118439987A - 氮杂环丙烷的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化工技术领域，特别涉及一种氮杂环丙烷的合成方法，包括以下步骤：将β‑氨基乙基硫酸氢酯溶于氢氧化钠溶液，得混合溶液；在混合溶液中加入添加剂后利用惰性气体进行鼓泡处理，将所得混合原料液与经预热的高温水按质量比1：1～10进行混合后，进入管式反应器或微通道反应器中进行反应，所得反应液经过换热器降温后进行精馏；得到氮杂环丙烷。采用本发明的方法可以实现连续化生产氮杂环丙烷。

Description

氮杂环丙烷的合成方法

技术领域

本发明属于化工技术领域，特别涉及一种氮杂环丙烷的合成方法。

背景技术

氮杂环丙烷又称乙烯亚胺、氮丙啶、氮丙环等，结构式为是一种具有氨气味的无色液体，重要的有机合成中间体。氮杂环丙烷可用于制造染料、农药、感光材料、柔软剂、医药产品等等，其衍生物及聚合物在纤维工业中有着广泛用途，同时也可用于废水处理等。

氮杂环丙烷的制备方法有以下几种：

方法一、以乙醇胺为原料在部分特定的金属氧化制作而成的催化剂存在下，在高温高压条件下发生分子内环化得到氮杂环丙烷。例如：JP50-10593的专利介绍了乙醇胺在金属钨氧化物单独或与其他金属氧化物如：锂、镁、锡、铋、钼、镍或铝氧化物存在下，在惰性气体氛围下(如氨气、氮气)，350～450℃下最高以45％转化率，最高66％选择性得到氮杂环丙烷；例如：US4301036的专利介绍了乙醇胺在金属钨氧化物表面添加二氧化硅涂层可以将转化率提升至50％，同时可以有效的防止活性降低。例如US4289656、US4358405和US4337175的专利介绍了用铌或钽氧化物与铁和铬的氧化物组成复合氧化物在惰性气体氛围下，412℃下最高以42.7％转化率，最高83.1％选择性得到氮杂环丙烷；例如EP0227461、EP0230776和EP228898的专利公开了一种含磷的复合氧化物在醇胺类化合物分子内脱水中的应用，这些催化剂的使用解决了醇胺类化合物气相催化分子内脱水反应中生成副产较多的问题，但是反应中的副产羰基化合物及胺类易与原料醇胺类化合物发生反应，导致氮杂环丙烷收率较低；例如CN101284244A、CN103657694A和CN201510547872等专利报道了以分子筛，酸活化蒙脱土等物质为载体，负载碱金属或碱土金属和磷的催化剂的复合催化剂都不同程度改善了氮杂环丙烷的选择性或转化率，但氮杂环丙烷的总体收率均较低，同时也存在催化剂稳定性，寿命等问题。

方法二、Gabriel合成法，主要是由β-卤代乙胺类化合物通过浓碱或者氧化银作用发生闭环反应得到氮杂环丙烷；该方法工业生产步骤为乙醇胺与氯化氢在喷雾塔中发生反应，生成乙醇胺盐酸盐。乙醇胺盐酸盐在流化床反应器中与氯化亚砜反应，生成氯乙胺盐酸盐。再用碱处理氯乙胺盐酸盐，得到氮杂环丙烷水溶液。该方法工业化生产需要用到氯化氢气体，在喷雾塔中进行反应，对于设备耐腐蚀性以及体系水含量要求较高，同时也无法达到目前的环保要求。

方法三、氯乙烯类化合物(如：二氯乙烷等)与无水氨发生闭环反应制备氮杂环丙烷，对于设备耐腐蚀性以及体系水含量要求较高，不利于工业化生产。

方法四、由β-氨基乙基硫酸氢酯(即，β-氨基乙基硫酸酯，2-氨基乙基硫酸氢酯)在热的浓碱作用下制备得到，如申请号为CN107722953A提到向69.2g的β-氨基乙基硫酸氢酯中加入250g的40％的NaOH溶液(氢氧化钠为β-氨基乙基硫酸氢酯的5摩尔倍)，同时进行加热搅拌，使β-氨基乙基硫酸氢酯固体完全溶解，在100～120℃条件下进行环合反应(反应压力为常压)后，在温度105℃条件下进行常压蒸馏，向馏出物中加入固体氢氧化钠，收集上层有机相，用固体氢氧化钠干燥即得到氮丙啶，产率为94％；申请号为CN113527674A描述到向氨乙醇硫酸氢酯中缓慢加入过量40％NaOH溶液，并加热至溶液内温100℃，保温3～4小时(反应压力为常压)，并维持溶液pH为11～12。

根据上述介绍可以发现：以乙醇胺为原料在特定金属催化剂存在下高温高压下制备氮杂环丙烷的应用前景较好，但存在能耗高，制备得到氮杂环丙烷的转化率及选择性较低，同时催化剂的使用寿命及再生问题也限制了其工业化；而Gabriel合成法和氯乙烯与无水氨反应制备氮杂环丙烷反应收率不高，易腐蚀问题，对设备材质要求高，污染较为严重也不适合大规模的工业化生产；由β-氨基乙基硫酸氢酯在热的浓碱作用下制备氮杂环丙烷，虽然会得到硫酸钠副产，但其反应相对简单更适合目前工业化生产，是目前主流的制备氮杂环丙烷的技术路线。尽管由β-氨基乙基硫酸氢酯制备氮杂环丙烷技术相对成熟，但该反应反应时间较长，反应完成后需要再进行蒸馏，且蒸馏后仍然需要加入固体干燥剂处理增加了操作的难度。若能有效提升反应速率，同时简化氮杂环丙烷的浓缩提纯手段，对于工业化应用具有不言而喻的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氮杂环丙烷的合成方法，在有效提升反应的速率的同时提高反应收率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种氮杂环丙烷的合成方法，包括以下步骤：

1)、将β-氨基乙基硫酸氢酯溶于氢氧化钠溶液，得混合溶液；氢氧化钠用量为β-氨基乙基硫酸氢酯摩尔量的2.5～3.0倍；

在混合溶液中加入添加剂后利用惰性气体进行鼓泡处理5分钟～120分钟，得到混合原料液；添加剂用量为β-氨基乙基硫酸氢酯质量的0.1％～0.5％；

将混合原料液与经预热的高温水按质量比1：1～10进行混合后，进入管式反应器或微通道反应器中进行反应，控制反应温度120～310℃，反应压力0～10MPa，反应时间2.5s～300s(即，混合原料液在管式反应器或微通道反应器中的停留时间为2.5s～300s)；

所述经预热的高温水的温度为低于反应温度30℃～反应温度；

2)、步骤1)所得反应液经过换热器降温后进行精馏(收集55～57℃的馏分)；得到氮杂环丙烷。

作为本发明的氮杂环丙烷合成方法的改进：所述添加剂为丁基羟基茴香醚、4,4'-二(苯基异丙基)二苯胺、N,N'-双(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)丙二胺、2-巯基-1-甲基咪唑、4,4'-二辛基二苯胺中的至少一种(即，一种或多种)。

作为本发明的氮杂环丙烷合成方法的进一步改进：氢氧化钠溶液的质量浓度为5％～40％。

作为本发明的氮杂环丙烷合成方法的进一步改进：

氢氧化钠溶液的质量浓度为15％～20％；

添加剂用量为β-氨基乙基硫酸氢酯质量的0.1％～0.2％，添加剂为2-巯基-1-甲基咪唑；

鼓泡时间30分钟～60分钟；

反应混合液与经预热的高温水混合比例1:1～3(更优选为1:1～2)，反应温度150～300℃(更优选180～280℃)，反应压力1.0MPa～8.0MPa(更优选1.2～6.4Mpa)，反应时间2.7～29s。

作为本发明的氮杂环丙烷合成方法的进一步改进：惰性气体为氮气、氦气、氩气。

作为本发明的氮杂环丙烷合成方法的进一步改进：所述步骤2)为：步骤1)所得反应液经过换热器降温(降温至90～95℃，降温时间一般为10s左右)后进入精馏塔中进行精馏(连续精馏)，得到氮杂环丙烷。

精馏塔的塔釜温度为105±1℃，塔顶温度为55～57℃。

本申请的氮杂环丙烷合成方法，以β-氨基乙基硫酸氢酯和氢氧化钠溶液组成的混合溶液加入一定量的添加剂，并使用惰性气体进行鼓泡处理，随后将反应混合液与经预热的高温水进行混合后，进入管式反应器或微通道反应器中进行反应，得到氮杂环丙烷水溶液再通过精馏，得到所需浓度的氮杂环丙烷水溶液。

本发明的生成氮杂环丙烷的反应机理为：β-氨基乙基硫酸氢酯在NaOH的作用下发生分子内脱水，并得到氮杂环丙烷、硫酸钠及水：

在精馏过程中，硫酸钠及过量的NaOH存在于釜底母液中，不会进入精馏液中。

本发明所得氮杂环丙烷收率大于97％，精馏得到的氮杂环丙烷浓度大于99％。

本发明具有如下优点或有益效果：

相较于传统制备法，本发明首先在室温下将β-氨基乙基硫酸氢酯和氢氧化钠溶液混合，加入添加剂，添加剂的作用为减少或避免β-氨基乙基硫酸氢酯和氢氧化钠混合后发生副反应，增加反应液的稳定性，同时对反应液进行惰性气体鼓泡，将反应体系中的溶解氧、二氧化碳进行排尽，减少或尽可能避免反应生成的氮杂环丙烷被氧化，减少NaOH的消耗及氮杂环丙烷的聚合，随后将反应液与经预热的高温水直接混合可以有效的减少反应液在升温过程中发生的一系列的副反应(例如生成乙醛等副产物)，反应在高温高压下进行能够极大的推动反应朝正方向进行，大幅降低反应所需时间，反应结束后降温也能够避免长时间高温而引发聚合等副反应，通过上述手段可以有效的降低反应时间并尽可能避免副反应的发生，同时上述合成方法可以实现连续化生产，能够降低氮杂环丙烷的中间储存量，大幅提升安全性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

管式反应器的尺寸为：内径3mm，长度约为60m；

本发明所得产物经过HPLC及¹H-NMR检测，所得确实为氮杂环丙烷

实施例1、一种氮杂环丙烷合成方法，依次进行以下步骤：

1)、于配有温度计，搅拌器的250mL反应瓶中加入β-氨基乙基硫酸氢酯50g(0.35mol)，20％ NaOH溶液212.6g(1.06mol的NaOH)，2-巯基-1-甲基咪唑0.05g，氮气鼓泡45min后，将混合原料液通过计量泵与280℃高温水1：1.5的质量比混合，进入管式反应器中，反应压力为6.4Mpa，反应温度280℃，停留时间2.7s。

因此氢氧化钠：β-氨基乙基硫酸氢酯＝3：1(摩尔比)；

说明：混合原料液的流速约为62.8mL/s；管式反应器的长度约为60m，因此，混合原料液在管式反应器中的停留时间为2.7s。

高温水的温度同反应温度；

2)、所得反应液中包含氮杂环丙烷、硫酸钠、过量的NaOH、水；

所述反应液经冷凝器(换热器)冷却至95℃后进入精馏塔进行精馏(精馏塔的塔釜温度为105±1℃，塔顶温度为55～57℃)，得到浓度为的99.5％的氮杂环丙烷，余量基本为水。

说明：反应液经过冷凝器降温至95℃所需时间约为10s。

硫酸钠、NaOH在精馏过程中存在于精馏母液中，而氮杂环丙烷在馏出液中。

经HPLC检测，氮杂环丙烷收率为98.8％。

收率的计算公式为

实施例2、一种氮杂环丙烷合成方法，依次进行以下步骤：

1)、于配有温度计，搅拌器的250mL反应瓶中加入β-氨基乙基硫酸氢酯50g，20％NaOH溶液212.6g，2-巯基-1-甲基咪唑0.05g，氮气鼓泡45min后，将混合反应液通过计量泵与180℃高温水1：1.5混合，进入管式反应器中，反应压力为1.1Mpa，反应温度180℃，停留时间25s。

因此，氢氧化钠：β-氨基乙基硫酸氢酯＝3：1(摩尔比)；

说明：相对于实施例1而言，管式反应器的长度保持不变，相应调节混合原料液的流速，从而保证混合原料液在管式反应器中的停留时间为上述设定时间(25s)。

2)、反应液经冷凝器冷却至95℃后进入精馏塔进行精馏。所得氮杂环丙烷经HPLC检测，收率为：98.1％，浓度为：99.3％，余量基本为水。

实施例3、一种氮杂环丙烷合成方法，依次进行以下步骤：

1)、于配有温度计，搅拌器的250mL反应瓶中加入β-氨基乙基硫酸氢酯50g，30％NaOH溶液118.8g，2-巯基-1-甲基咪唑0.05g，氮气鼓泡30min后，将混合反应液通过计量泵与220℃高温水1：2混合，进入管式反应器中，反应压力为2.4Mpa，反应温度220℃，停留时间14s。

因此，氢氧化钠：β-氨基乙基硫酸氢酯＝2.5：1(摩尔比)；

2、反应液经冷凝器冷却至95℃后进入精馏塔进行精馏。所得氮杂环丙烷经HPLC检测，收率为：97.5％，浓度为：99.0％，余量基本为水。

实施例4、一种氮杂环丙烷合成方法，依次进行以下步骤：

1)、于配有温度计，搅拌器的250mL反应瓶中加入β-氨基乙基硫酸氢酯50g，20％NaOH溶液212.6g，丁基羟基茴香醚0.07g，氮气鼓泡30min后，将混合反应液通过计量泵与250℃高温水1：1混合，进入管式反应器中，反应压力为4.1Mpa，反应温度250℃，停留时间7s，

因此，氢氧化钠：β-氨基乙基硫酸氢酯＝3：1(摩尔比)；

2)、所得反应液经冷凝器冷却至95℃后进入精馏塔进行精馏。所得氮杂环丙烷经HPLC检测，收率为：98.3％，浓度为：99.7％，余量基本为水。

实施例5、将实施例1中2-巯基-1-甲基咪唑的用量分别调整为如下表1所述，其余等同于实施例1。所得结果如下表1所述。

表1

实施例6、将实施例1中氮气鼓泡时间分别调整为如下表2所述，其余等同于实施例1。所得结果如下表2所述。

表2

实施例7、将实施例1中氢氧化钠溶液的质量浓度改成如表3所述，氢氧化钠的摩尔用量保持不变，且相应调整混合原料液的流速，从而确保混合原料液在管式反应器中的停留时间保持不变，仍然2.7s；其余等同于实施例1。所得结果如下表3所述。

表3

实施例8、改变实施例1中氢氧化钠溶液的用量，从而相应改变氢氧化钠与β-氨基乙基硫酸氢酯摩尔比，如下表4所述，且相应调整混合原料液的流速，从而确保混合原料液在管式反应器中的停留时间保持不变，仍然2.7s；其余等同于实施例1。所得结果如下表4所述。

表4

实施例9、将实施例1中反应压力、反应温度、反应时间改成如表5所述，高温水的温度同反应温度；其余等同于实施例1。所得结果如下表5所述。

表5

实施例10、将实施例1中的添加剂由2-巯基-1-甲基咪唑改成如下表6所述，其余等同于实施例1。所得结果如下表6所述。

表6

对比例1

于配有温度计，搅拌器的250mL反应瓶中加入β-氨基乙基硫酸氢酯50g降温降至10℃时，缓慢加入177.3g质量百分数40％的NaOH溶液，同时进行加热搅拌，使β-氨基乙基硫酸酯固体完全溶解，在100～120℃条件下进行环合反应，反应时间约2h；环合反应完成后，在105℃条件下进行常压蒸馏约1h，向馏出物中加入固体氢氧化钠30g，收集上层有机相，用3g固体氢氧化钠干燥即得到氮杂环丙烷，收率为：90.5％，浓度为：95.1％。

对比例2

于配有温度计，搅拌器的250mL反应瓶中加入β-氨基乙基硫酸氢酯50g，20％ NaOH溶液212.6g，将混合反应液通过计量泵加入管式反应器中，反应温度280℃，停留时间3s，接着反应液经冷凝器冷却至95℃后进入精馏塔进行精馏。所得氮杂环丙烷经HPLC检测，收率为：38.3％，浓度为：99.0％。

对比例3、取消实施例1中冷凝器的使用；即自然降温至95℃后进入精馏塔进行精馏。其余等同于实施例1。

所得结果为：氮杂环丙烷收率为：85.6％，浓度为：99.3％。

说明：同样是在280℃的反应温度下，实施例1经过冷凝器降温至95℃所需时间约为10s，而对比例3自然降温至95℃需时间约为40s。

对比例4、将实施例1中与混合原料液配合使用的“高温水”的温度由280℃(同反应温度)改成如下表6所述，其余等同于实施例1。所得结果如下表7所述。

表7

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.氮杂环丙烷的合成方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、将β-氨基乙基硫酸氢酯溶于氢氧化钠溶液，得混合溶液；氢氧化钠用量为β-氨基乙基硫酸氢酯摩尔量的2.5～3.0倍；

在混合溶液中加入添加剂后利用惰性气体进行鼓泡处理5分钟～120分钟，得到混合原料液；添加剂用量为β-氨基乙基硫酸氢酯质量的0.1％～0.5％；

将混合原料液与经预热的高温水按质量比1：1～10进行混合后，进入管式反应器或微通道反应器中进行反应，控制反应温度120～310℃，反应压力0～10MPa，反应时间2.5s～300s；

所述经预热的高温水的温度为低于反应温度30℃～反应温度；

2)、步骤1)所得反应液经过换热器降温后进行精馏；得到氮杂环丙烷。

2.根据权利要求1所述的氮杂环丙烷的合成方法，其特征在于：

所述添加剂为丁基羟基茴香醚、4,4'-二(苯基异丙基)二苯胺、N,N'-双(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)丙二胺、2-巯基-1-甲基咪唑、4,4'-二辛基二苯胺中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的氮杂环丙烷的合成方法，其特征在于：

氢氧化钠溶液的质量浓度为5％～40％。

4.根据权利要求3所述的氮杂环丙烷的合成方法，其特征在于：

氢氧化钠溶液的质量浓度为15％～20％；

添加剂用量为β-氨基乙基硫酸氢酯质量的0.1％～0.2％，添加剂为2-巯基-1-甲基咪唑；

鼓泡时间30分钟～60分钟；

反应混合液与经预热的高温水混合比例1:1～3，反应温度150～300℃，反应压力1.0MPa～8.0Mpa，反应时间2.7～29s。

5.根据权利要求4所述的氮杂环丙烷的合成方法，其特征在于：

惰性气体为氮气、氦气、氩气。

6.根据权利要求1～5任一所述的氮杂环丙烷的合成方法，其特征在于所述步骤2)为：步骤1)所得反应液经过换热器降温后进入精馏塔中进行精馏，得到氮杂环丙烷。