微波輻射合成N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽的研究

N,N-二甲氨基乙酸(DMG)，又稱維他命B15，是一種存在于生物體中的改性氨基酸，具有顯著的免疫促進(jìn)作用并能提高人體心理抗壓能力，是重要的醫(yī)藥化工中間體。由于DMG是一種強(qiáng)吸濕性固體，通常制成N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽(DMGC)。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的合成方法主要有以下幾種：(1) 以甘氨酸為原料,與甲酸和甲醛混合物加熱回流,再加入鹽酸，得DMGC。該方法操作復(fù)雜,不利于大規(guī)模生產(chǎn)；(2)以N,N-二甲氨基乙醇為原料，經(jīng)氧化，得DMG，收率為56%。該方法原料價(jià)格昂貴，副產(chǎn)物多，反應(yīng)條件不易控制，收率也不高；(3) 以甘氨酸和甲醛為原料，Pd/C為催化劑，采用常溫常壓氫化方法得DMG，收率為95%[1]。該方法的產(chǎn)物收率很高，但原料和催化劑的價(jià)格昂貴、反應(yīng)時(shí)間較長(5 h)；(4)以氯乙酸和二甲胺為原料，加熱反應(yīng)后減壓蒸餾,再加入鹽酸，得DMGC[2]。該方法雖然原料易得、操作簡單，但存在反應(yīng)時(shí)間太長(12 h)、產(chǎn)物收率偏低(80%)等缺陷。

近年來，微波給有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的研究提供了新方法，引起了愈來愈多化學(xué)工作者的關(guān)注[3～6]。但用微波輻射合成N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽還未見報(bào)道。

作者采用單因素實(shí)驗(yàn)研究了在微波輻射下，以氯乙酸和二甲胺為原料合成N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽的影響因素[2]，確定了適宜的合成條件,并對產(chǎn)物進(jìn)行了紅外光譜分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

氯乙酸，分析純，上海山浦化工有限公司；33%的二甲胺水溶液，化學(xué)純，西安化學(xué)試劑廠；丙酮，分析純，天津化學(xué)試劑有限公司；鹽酸，化學(xué)純，開封東大化工有限公司試劑廠。

XH100B型電腦微波催化合成萃取儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；X4DL型熔點(diǎn)測定顯微鏡，北京第三光學(xué)儀器廠；Prestige-21型紅外光譜儀，日本島津儀器公司；JJ500型精密電子天平，美國雙杰兄弟集團(tuán)有限公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.2 方法

向裝有磁力攪拌的三口燒瓶中加入24.59 g(0.18 mol) 33%的二甲胺水溶液和5.67 g(0.06 mol)氯乙酸，室溫下攪拌反應(yīng)30 min，再升溫至65℃于微波輻射功率為500 W的條件下恒溫反應(yīng)150 min。反應(yīng)結(jié)束后,減壓蒸餾,得到黃色粘稠狀液體，置于冰水中冷卻,緩慢加入10 mL 濃鹽酸,再次減壓蒸餾，然后趁熱倒出產(chǎn)物,放置冷卻，析出白色晶體。真空抽濾,用丙酮洗滌晶體,干燥,得到白色柱狀晶體7.20 g，m.p.為187～188℃(文獻(xiàn)值[2]187～189℃),收率86.02%。并通過紅外光譜分析對產(chǎn)物進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析(圖1)

圖1 產(chǎn)物的紅外光譜圖

由圖1可知，主要基團(tuán)的紅外特征吸收(cm-1)為：3415(胺鹽的N-H伸縮振動(dòng)吸收峰)，1159(C-N-C的伸縮振動(dòng)吸收峰)，2939～2559(固體二締合羧酸的O-H伸縮振動(dòng)吸收峰)，1411、933(羧酸O-H的彎曲振動(dòng)吸收峰)，1732(羧酸C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰)，1219(羧酸C-O的伸縮振動(dòng)吸收峰)，3032(-CH3、-CH2的C-H伸縮振動(dòng)吸收峰)，1471、1454(-CH3、-CH2的C-H彎曲振動(dòng)吸收峰)。上述紅外特征吸收與N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽的結(jié)構(gòu)相符合。

2.2 氯乙酸與二甲胺的摩爾比對產(chǎn)物收率的影響

在5.67 g(0.06 mol) 氯乙酸、微波輻射功率為500 W、反應(yīng)溫度為70℃、微波輻射時(shí)間為130 min的條件下，考察氯乙酸與二甲胺的摩爾比對產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見表1。

表1 n(氯乙酸)∶n(二甲胺)對產(chǎn)物收率的影響

由表1可以看出，隨著氯乙酸與二甲胺的摩爾比從1∶2.0降至1∶3.0，N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽的收率從68.22%提高到83.27%；然后隨著二甲胺用量的繼續(xù)增加，產(chǎn)物收率有所降低。從理論上講，氯乙酸與二甲胺的摩爾比應(yīng)該為1∶1，但是由于部分氯乙酸與二甲胺發(fā)生酸堿中和反應(yīng)生成了羧酸胺，同時(shí)還有一部分二甲胺作為縛酸劑來控制反應(yīng)的pH值，所以二甲胺必須是過量的。但是二甲胺過量太多，可能會引起生成酰胺等副反應(yīng)的發(fā)生。因此，氯乙酸與二甲胺的摩爾比以1∶3.0為宜。

2.3 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物收率的影響

在5.67 g(0.06 mol) 氯乙酸、24.59 g(0.18 mol)二甲胺、微波輻射功率為500 W、微波輻射時(shí)間為130 min的條件下，考察反應(yīng)溫度對產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物收率的影響

由表2可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為65℃時(shí)，產(chǎn)物收率達(dá)到最高值(84.22%)；繼續(xù)升高反應(yīng)溫度，產(chǎn)物收率明顯降低。這可能是因?yàn)榉磻?yīng)溫度太高，會引發(fā)其它副反應(yīng)。因此，反應(yīng)溫度以65℃為宜。

2.4 微波輻射功率對產(chǎn)物收率的影響

在5.67 g(0.06 mol)氯乙酸、24.59 g(0.18 mol)二甲胺、反應(yīng)溫度為65℃、微波輻射時(shí)間為130 min的條件下，考察微波輻射功率對產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見表3。

表3 微波輻射功率對產(chǎn)物收率的影響

由表3可以看出，產(chǎn)物收率隨微波輻射功率的增大先升高后降低。當(dāng)微波輻射功率小于500 W 時(shí)，產(chǎn)物收率較低；當(dāng)微波輻射功率為500 W時(shí)，產(chǎn)物收率達(dá)到最高值(84.22%)；當(dāng)微波輻射功率大于500 W后,產(chǎn)物收率又明顯降低。這是因?yàn)槲⒉ㄝ椛涔β侍r(shí)升溫速度慢、反應(yīng)不完全，而功率太大又易引發(fā)其它副反應(yīng)。因此，微波輻射功率以500 W為宜。

2.5 微波輻射時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響

在5.67 g(0.06 mol)氯乙酸、24.59 g(0.18 mol)二甲胺、微波輻射功率為500 W、反應(yīng)溫度為65℃的條件下，考察微波輻射時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見表4。

表4 微波輻射時(shí)間對產(chǎn)物收率的影響

由表4可以看出，產(chǎn)物收率隨微波輻射時(shí)間的延長先升高后降低。微波輻射時(shí)間較短時(shí),反應(yīng)不完全，產(chǎn)物收率較低； 隨著微波輻射時(shí)間的延長，產(chǎn)物收率逐漸升高；當(dāng)微波輻射時(shí)間為150 min時(shí)，產(chǎn)物收率達(dá)到最高值(86.02%)；之后繼續(xù)延長微波輻射時(shí)間，產(chǎn)物收率反而有所下降。因此，微波輻射時(shí)間以150 min為宜。

2.6 重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及與文獻(xiàn)比較

為了驗(yàn)證該合成方法的穩(wěn)定性，在5.67 g(0.06 mol)氯乙酸、24.59 g(0.18 mol)二甲胺、微波輻射功率為500 W、反應(yīng)溫度為65℃、微波輻射時(shí)間為150 min的優(yōu)化條件下，進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)，并與文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了比較，結(jié)果見表5。

由表5可見，微波輻射法的重現(xiàn)性較好，產(chǎn)物的平均收率達(dá)85.70%，最高達(dá)86.02%。與文獻(xiàn)[2]比較，反應(yīng)時(shí)間縮短了75%，產(chǎn)物收率提高了6.02%。

表5 重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及與文獻(xiàn)比較

3 結(jié)論

(1)以氯乙酸和二甲胺為原料，微波輻射合成N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽的優(yōu)化工藝條件為：氯乙酸與二甲胺的摩爾比1∶3.0,反應(yīng)溫度65℃，微波輻射功率500 W，微波輻射時(shí)間150 min。在此反應(yīng)條件下，N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽的收率達(dá)86.02%。

(2)采用微波輻射加熱法合成N,N-二甲氨基乙酸鹽酸鹽具有反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)物收率高和操作簡單等特點(diǎn),有著潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。

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