1，3-二甲基-2-咪唑啉酮的合成工藝的研究

陳俊霞

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏石嘴山 753600）

1，3-二甲基-2-咪唑啉酮是一種強(qiáng)極性質(zhì)子溶劑，可替代有致癌性的HMPA，性能優(yōu)于普通惰性溶劑DMSO 和DMF，有其優(yōu)良溶劑性能，它對樹脂材料、無機(jī)化合物、有機(jī)化合物、聚合物等都有很好的溶解。該溶劑的使用可以提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性和減少環(huán)境污染，還能改善產(chǎn)品的質(zhì)量，因此被專家稱為“王牌溶劑”。這種溶劑的活性物質(zhì)能夠快速準(zhǔn)確的到達(dá)受損部位，并且?guī)缀醪粫碳てつw也沒有過敏反應(yīng)，能長時間保持穩(wěn)定。DMI[2]是一種低毒性溶劑，對人體幾乎沒有毒性，DMI 能溶解多種藥物，增強(qiáng)主藥的穩(wěn)定性及透皮吸收能力，延長藥物的使用時間。

該論文的主要意義在于將2-酰咪唑酮的兩步法合成工藝改進(jìn)為一步法，大大縮短反應(yīng)時間，簡化實(shí)驗(yàn)過程，兩步法合成，首先是尿素法合成2-咪唑啉酮，2-咪唑啉酮反應(yīng)生成1，3-二甲基-2-咪唑啉酮[3]。兩步法合成反應(yīng)過程繁雜，時間長，耗能多，合成過程中用到和產(chǎn)生大量有毒物質(zhì)，對人的身體有害[4]。目前大力倡導(dǎo)綠色化學(xué)，而此合成工藝的改進(jìn)目的就是希望能走綠色化學(xué)路線。找到生產(chǎn)1，3-二甲基-2-咪唑啉酮最優(yōu)化工藝[5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要藥品及儀器

所使用的化學(xué)藥品試劑（見表1）。

表1 主要試劑

本論文中所使用的儀器設(shè)備（見表2）。

表2 主要儀器

1.2 兩步法制備DMI

1.2.1 2-咪唑啉酮的制備 在100 mL 的三口燒瓶中，加入30 g 尿素、33 mL 乙二胺、蒸餾水12 mL，裝上攪拌器、250 ℃溫度計與刺型分餾柱，在分餾柱上裝上冷凝管，加熱攪拌10 min 后溶液澄清，溫度為56 ℃，加熱攪拌至120 ℃時開始有回流液流出，當(dāng)瓶內(nèi)反應(yīng)溫度升至128 ℃時，溫度不再上升，保溫反應(yīng)4 h，之后將回流裝置變換為蒸餾裝置，溶液溫度逐漸升高，當(dāng)溶液溫度達(dá)到140 ℃時開始計時，將溫度用兩個小時的時間從140 ℃到160 ℃，無色透明溶液從逐漸渾濁到完全凝固。加入2 mL 的乙二胺再繼續(xù)升溫，溶液逐漸溶解，到溫度升至220 ℃，固體完全溶解，攪拌大約10 min 后，溶液又變?yōu)闊o色透明。趁熱倒出反應(yīng)液，冷卻結(jié)晶。等完全干燥時，用研缽研成粉末，放入三口燒瓶中，用氯仿溶解，再趁熱抽濾，將濾液再抽濾，2-咪唑啉酮就是第二次抽濾出來的固體，將2-咪唑啉酮干燥。

反應(yīng)方程式為：反應(yīng)機(jī)理可能有三條路線（見圖1）：

反應(yīng)機(jī)理a 為: 乙二胺兩個末端胺基基團(tuán)同時進(jìn)攻尿素分子，進(jìn)行親核取代，消去兩個氨，得到咪啤啉酮（1）。

反應(yīng)機(jī)理b 為：乙二胺一個末端胺基基團(tuán)進(jìn)攻尿素分子，進(jìn)行親核取代，消去一個氨，得到過渡態(tài)（2）；過渡態(tài)（2）進(jìn)一步脫氧、加氫、脫氨得到咪嘩啉酮（1）。

反應(yīng)機(jī)理c 為: 乙二胺一個末端胺基基團(tuán)進(jìn)攻尿素分子，進(jìn)行親核取代，消去一個氨，得到過渡態(tài)（2）；過渡態(tài)（2）進(jìn)一步脫氨得到過渡態(tài)（3）；過渡態(tài)（P）進(jìn)一步環(huán)合得到咪嘩啉酮（1）。

1.2.2 用2-咪唑啉酮制DMI 將2-咪唑啉酮，甲酸，甲醛加入到三口燒瓶中，攪拌，升溫，溶液無色透明，在102 ℃時有回流液，在108 ℃時溫度不再上升，回流16 h。將產(chǎn)品中未反應(yīng)的甲酸、甲醛以及水蒸出，低溫150 ℃停止蒸餾。底液為土黃色。將產(chǎn)品在2.96 kPa，120 ℃進(jìn)行減壓蒸餾，然后用氯化鈣干燥，既而得到DMI。

反應(yīng)方程式為：

反應(yīng)機(jī)理（見圖2）為:2-咪啉酮在甲酸存在下，仲胺氮原子進(jìn)攻甲醇分子，得到過渡態(tài)（3），過渡態(tài)（3）在甲酸作用下進(jìn)一步脫水、脫CO2得到過渡單甲基咪嘩啉酮（2），兩按同樣原理甲基化得到1，3-二甲基-2-咪啉酮（1）。

圖1

圖2

1.3 一步法制備DMI

在100 mL 的三口燒瓶中，加入30 g 尿素、33 mL乙二胺、蒸餾水12 mL，裝上攪拌器、250 ℃溫度計與刺型分餾柱，在分餾柱上裝上冷凝管，加熱攪拌至56 ℃，固體全部溶解，為無色透明溶液，再加熱攪拌至120 ℃時開始有回流液流出，當(dāng)瓶內(nèi)反應(yīng)溫度升至128 ℃時，溫度不再上升，保溫反應(yīng)4 h，之后將回流裝置變換為蒸餾裝置，溶液溫度逐漸升高，當(dāng)溶液溫度達(dá)到140 ℃時開始計時，將溫度用2 h 的時間從140 ℃到160 ℃，無色透明溶液從逐漸渾濁到完全凝固。加入2 mL 的乙二胺再繼續(xù)升溫，溶液逐漸溶解，到溫度升至220 ℃，固體完全溶解，攪拌大約10 min 后，溶液又變?yōu)闊o色透明。將溶液降溫至室溫再加入甲酸，甲醛到三口燒瓶中，攪拌，升溫，在102 ℃時有回流液，在108 ℃時溫度不再上升，回流16 h。將產(chǎn)品中未反應(yīng)的甲酸、甲醛以及水蒸出，低溫150 ℃停止蒸餾。底液為土黃色。將產(chǎn)品在2.96 kPa，110 ℃～120 ℃進(jìn)行減壓蒸餾，然后用氯化鈣干燥，既而得到DMI。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 回流時間的影響

2-咪唑啉酮的合成過程先生成中間過渡態(tài)，再生成最終產(chǎn)品。中間過渡態(tài)的活化能都比較高，因此需要在一定溫度下進(jìn)行，而且反應(yīng)時間較長?；亓鞯淖饔镁褪鞘狗磻?yīng)體系的溫度盡可能的高。如果能夠控制好不讓反應(yīng)物揮發(fā)，反應(yīng)體系的溫度就能夠控制在反應(yīng)物的沸點(diǎn)或者反應(yīng)物形成的恒沸混合物的沸點(diǎn)上，利于反應(yīng)的進(jìn)行。

基本條件：尿素30 g，33 mL 乙二胺，蒸餾水12 mL其后的升溫過程不變，改變回流時間，經(jīng)過兩步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的質(zhì)量分析，其結(jié)果（見表3）。

表3 回流時間對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響

結(jié)論：回流時間是反應(yīng)控制關(guān)鍵點(diǎn)，回流過程是分子間脫氨，生成中間過渡態(tài)的過程?；亓鞯臅r間越長，反應(yīng)進(jìn)行的越充分，產(chǎn)率越高，但是反應(yīng)在4 h 后，產(chǎn)率升高不大，故選取回流的時間為4 h。

2.2 加水量的影響

基本條件：尿素30 g，乙二胺33 mL，回流時間4 h，其后的升溫過程都不變，改變加水量，經(jīng)過兩步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的質(zhì)量分析，其結(jié)果（見表4）。

表4 加水量對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響

結(jié)論：水既是反應(yīng)溶劑也是催化劑，加水量的多少對反應(yīng)收率影響較大。水量越多，乙二胺的濃度越低，回流溫度越低，產(chǎn)率也就越低，權(quán)衡考慮，選擇水的量為12 mL 時，產(chǎn)物的產(chǎn)率相對最高。

2.3 升溫時間的影響

基本條件：尿素30 g，乙二胺33 mL，回流時間4 h，將回流裝置改為蒸餾裝置后改變其升溫的時間，經(jīng)過兩步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的質(zhì)量分析，其結(jié)果（見表5）。

表5 升溫時間對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響

結(jié)論：由表5 可知，隨著升溫時間的增加，2-咪唑啉酮的收率逐漸增加。但是反應(yīng)在2 h 后，產(chǎn)率升高不大，故選取升溫的時間為2 h。

3 結(jié)論

DMI 是一種比較新的極性非質(zhì)子溶劑，在精細(xì)化工、高分子合成和石油化工等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。DMI 在國外已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，據(jù)報道日本三井高壓年產(chǎn)量已達(dá)到400 t。從原料、工藝、設(shè)備等方面看，我國完全具有開發(fā)DMI 的能力和條件。兩步法合成反應(yīng)過程繁雜，時間長，耗能多，合成過程中用到和產(chǎn)生大量有毒物質(zhì)，對人的身體有害。目前大力倡導(dǎo)綠色化學(xué)，而此合成工藝的改進(jìn)目的就是希望能走綠色化學(xué)路線。找到生產(chǎn)1，3-二甲基-2-咪唑啉酮最優(yōu)化工藝。

［1］ 戴林林.1，3-二甲基－2-咪唑啉酮的合成工藝研究［D］.南京理工大學(xué)，2006.

［2］ 吳達(dá)俊，楊悟子.新型溶劑DMI 的特性及其在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)試劑，1994，16（4）：235-237.

［3］ 鐵云峰，吳達(dá)俊，孫榮奇.1，3-二甲基-2-咪唑啉酮在有機(jī)合成中的應(yīng)用［J］.合成化學(xué)，2000，8（4）：301-306.

［4］ 張士英，吳達(dá)俊，楊子悟，等.N-N-二甲基-2-咪唑啉酮的合成［J］.化學(xué)試劑，1997，19（3）：181-182.

［5］ 曹忠誠.1，3-二甲基-2-咪唑啉酮合成工藝及應(yīng)用［D］.山東大學(xué)，2013.