N,N-二烷基乙醇胺合成工藝開發(fā)

竺貝貝，蔣紅華，錢 超，陳新志

1.浙江省化工高效制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.杭州新德環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 建德 311604

N,N-二烷基乙醇胺包括N,N-二甲基乙醇胺（DMAE）、N,N-二乙基乙醇胺（DEAE）、N,N-二正丙基乙醇胺（DPAE）和N,N-二正丁基乙醇胺（DBAE）等，是一類具有重要商業(yè)用途的精細(xì)化工產(chǎn)品，可作為醫(yī)藥中間體、聚氨酯發(fā)泡催化劑、脫硫劑和二氧化碳捕獲劑等[1]。其國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家為一些制藥廠，國(guó)外主要有BASF和ICI公司等[2]。

目前此類化合物的合成路線可分為仲胺的羥乙基化法和乙醇胺的N-烷基化法兩大類，主要有以下7條路線：1）以仲胺為原料，環(huán)氧乙烷（EO）為羥乙基化試劑[3]。該法具有合成步驟少、原子利用率高和產(chǎn)物易分離等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝?yán)锃h(huán)氧乙烷損耗大且不易控制，生成的產(chǎn)物會(huì)和環(huán)氧乙烷繼續(xù)反應(yīng)生成高階羥乙基化合物；2）仲胺與鹵乙醇發(fā)生親核取代反應(yīng)[4]。該工藝路線產(chǎn)生的鹵化氫需用當(dāng)量的堿作為縛酸劑除去，生成環(huán)境不友好的含鹽廢水；3）仲胺與乙二醇在金屬催化劑和較高溫度下反應(yīng)[5]。該路線原料低廉，環(huán)境友好，但是對(duì)反應(yīng)條件要求嚴(yán)苛；4）伯胺與醛在還原劑作用下發(fā)生還原胺化，缺點(diǎn)在于系統(tǒng)的產(chǎn)物選擇性較差[6]；5）鹵代烷與氨或胺發(fā)生Hofmann烷基化[7]。該反應(yīng)操作簡(jiǎn)便，但生成的產(chǎn)物會(huì)與鹵代烴進(jìn)一步連串反應(yīng)，該方法同時(shí)會(huì)產(chǎn)生鹵代酸（HX），需要加入當(dāng)量堿中和，產(chǎn)生鹽廢水；6）脂肪醇與乙醇胺在催化劑催化下可發(fā)生親核取代反應(yīng)[8]。該工藝的反應(yīng)原料脂肪醇價(jià)格便宜，副產(chǎn)物為水，綠色環(huán)保；7）乙醇胺與硫酸二甲酯、碳酸二甲酯也會(huì)發(fā)生N-烷基化，但是該方法原子經(jīng)濟(jì)性差[9]。

本工作對(duì)路線1）（圖1）進(jìn)行了改進(jìn)：①以二正丁胺（DBA）和環(huán)氧乙烷為原料合成DBAE，只需微量水催化，便可得到63%的單次產(chǎn)品收率和92%的總收率；②以氣相形式緩慢通入EO，控制體系的壓力不超過(guò)1 MPa來(lái)調(diào)節(jié)通加速率，使得傳統(tǒng)生產(chǎn)中EO損耗大的問(wèn)題得以改進(jìn)；③通過(guò)優(yōu)化工藝條件（包括原料配比、EO的進(jìn)料速率、催化劑水用量、反應(yīng)壓力與反應(yīng)溫度），提高目標(biāo)產(chǎn)物選擇性，減少EO消耗和副產(chǎn)物N,N-二正丁基二甘醇胺（DBAEE）的生成；④底物拓展實(shí)驗(yàn)證明路線1）適用于合成DMAE，DEAE和DPAE，為工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

圖1 環(huán)氧乙烷法合成路線Fig.1 Process of epoxy ethane method

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 合成與分離

往高壓釜中加入一定量DBA和水，密封高壓釜；氮?dú)庵脫Q4～5次；升溫至所需溫度，恒溫反應(yīng)5 h左右，原料EO在反應(yīng)過(guò)程中以氣相形式緩慢通入反應(yīng)體系中，控制體系壓力不超過(guò)1 MPa。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻泄壓，取樣減壓精餾（壓力0.004 MPa），分別獲得30～70 ℃，70～120 ℃，120 ℃以及殘留餾分。

1.2 表征與分析

產(chǎn)物的定性分析在美國(guó)安捷倫公司GC6890-MS5973型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）儀上進(jìn)行，氣相條件為氫氣和載氣氮?dú)獾闹皦簽?.1 MPa，空氣柱前壓為0.03 MPa，進(jìn)樣器和檢測(cè)器的溫度為260 ℃，柱箱的起始溫度為100 ℃，初始時(shí)間為2 min，升溫速率為20 ℃/min。質(zhì)譜檢測(cè)條件為采用電子轟擊離子化法（EI），載氣為高純He，加速電壓1 800 kV，離子電流300 μA，離子源溫度230 ℃，電子能量70 eV，質(zhì)譜四級(jí)桿溫度150 ℃，溶劑延遲2.5 min，掃描范圍33～450 u，輔助加熱器280 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品GC-MS結(jié)果

最終產(chǎn)品DBAE經(jīng)GC-MS分析，結(jié)構(gòu)正確，見(jiàn)圖2。圖2（a）為產(chǎn)品DBAE的氣相色譜圖，結(jié)合產(chǎn)品的質(zhì)譜圖（b）可以看出，保留時(shí)間為5.855 min的為DBAE峰，且產(chǎn)品的純度很高。氣相色譜圖中保留時(shí)間為 5.855 min處的峰質(zhì)譜圖如圖 2（b）所示，EI-MS(m/z):173(M+)，155(M+-H2O)，142(M+-CH2OH)，130(M+-C3H7)，100[C4H9(CH3)N+=CH2]，88[HOC2H4(CH3)N+=CH2]，74(CH2=N+C2H4OH)，56(C4H8+)，29(C2H5+)，與文獻(xiàn)[10]的報(bào)道一致。

圖2 N,N-二正丁基乙醇胺的GC-MS圖譜Fig.2 GC-MS spectra of DBAE

2.2 原料配比的影響

原料配比（EO/DBA，物質(zhì)的量之比）是影響產(chǎn)物分布的一個(gè)重要因素，調(diào)節(jié)原料配比可調(diào)節(jié)反應(yīng)的選擇性。在水量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），溫度80 ℃，控制EO通入速率緩慢且一定，反應(yīng)5 h的條件下，探究EO通入量對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性隨EO/DBA變化曲線Fig.3 The conversion of DBA and the selectivity of DBAE varies with the molar ratio of EO to DBA

由圖可知，在EO/DBA小于1時(shí)，隨著EO/DBA的增加，原料DBA的轉(zhuǎn)化率逐漸增加，產(chǎn)物DBAE選擇性逐漸降低。說(shuō)明EO的量會(huì)影響產(chǎn)物進(jìn)一步羥乙基化生成DBAEE。當(dāng)EO/DBA為0.8時(shí)，可使原料轉(zhuǎn)化率在盡可能大的情況下，DBAE的選擇性也較大，因此可控制EO/DBA為0.8為宜。

2.3 催化劑的影響

2.3.1 催化劑類型的影響

在高溫高壓下，EO可以進(jìn)行堿性開環(huán)與胺類發(fā)生SN2反應(yīng)，此過(guò)程可以在無(wú)水條件下反應(yīng)。在普通條件下，EO和胺類在無(wú)水條件下是很難發(fā)生反應(yīng)的，因?yàn)镋O與胺類反應(yīng)的活化能較高，提供活性氫原子是提高胺化活性的重要途徑[11,12]。因此，可選用水或醇類作為催化劑。從反應(yīng)機(jī)理來(lái)看，水和醇類物質(zhì)可以誘導(dǎo)極化環(huán)氧乙烷，使得環(huán)氧乙烷的亞甲基帶部分正電，易被DBA孤對(duì)電子進(jìn)攻發(fā)生開環(huán)加成，催化機(jī)理如圖4所示：

圖4 活性質(zhì)子對(duì)反應(yīng)的催化機(jī)理Fig.4 Active proton catalytic mechanism of the reaction

在EO/DBA為1，控制EO通入速率緩慢且一定，反應(yīng)溫度65 ℃，反應(yīng)5 h，分別在無(wú)催化劑和催化劑為乙醇或水的條件下，探究催化劑類型對(duì)反應(yīng)的影響。此時(shí)催化劑乙醇或水的用量均為原料胺的5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同催化劑對(duì)原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的影響Table 1 Effects of different catalysts on the conversion of DBA and the selectivity of DBAE

由表可看出，水作催化劑可以明顯加快DBA羥乙基化的反應(yīng)速率，提高原料轉(zhuǎn)化率，乙醇次之；以水為催化劑，產(chǎn)物DBAE的選擇性較高，DBAEE控制在微量范圍內(nèi)。以上結(jié)果也說(shuō)明了本反應(yīng)需要活性質(zhì)子催化，醇因?yàn)榉肿芋w積較大，其催化效果不如水。

2.3.2 催化劑用量的影響

在EO/DBA為0.8，控制EO通入速率緩慢且一定，以水為催化劑，反應(yīng)溫度65 ℃，反應(yīng)5 h的條件下，探究催化劑用量對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖 5所示。由圖可看出，隨著水用量的增加，原料DBA的轉(zhuǎn)化率先上升后逐漸下降，產(chǎn)物中DBAE選擇性先上升后逐漸下降。當(dāng)水用量控制在5%時(shí)，可有效控制副產(chǎn)物的量，提高產(chǎn)物DBAE的選擇性，此時(shí)原料轉(zhuǎn)化率最高。實(shí)驗(yàn)條件下，水用量應(yīng)控制在5%為宜。

圖5 原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性隨催化劑水用量變化的曲線Fig.5 The conversion of DBA and the selectivity of DBAE varies with the water consumption

圖6 原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性隨溫度變化的曲線Fig.6 The conversion of DBA and the selectivity of DBAE varies with the temperature

2.4 反應(yīng)溫度的影響

從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度分析，溫度越高反應(yīng)速率越快，原料轉(zhuǎn)化越高。但是并不是溫度越高越好，隨著溫度的升高目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性就會(huì)降低，生成更多的高階副產(chǎn)物。在EO/DBA為0.8，水用量為5%，控制EO通入速率緩慢且一定，反應(yīng)5 h的條件下，探究溫度對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，隨著溫度上升，DBAE選擇性逐漸下降，且下降速率逐漸加快，DBA的轉(zhuǎn)化率先升高后下降，此時(shí)最佳溫度應(yīng)為65 ℃。以上結(jié)果也說(shuō)明了隨著溫度升高，反應(yīng)速率和副反應(yīng)速率均會(huì)加快，不能通過(guò)升高溫度來(lái)大幅調(diào)節(jié)目標(biāo)產(chǎn)物比例。因此，反應(yīng)溫度為65 ℃較適宜。

2.5 EO加料方式的影響

在EO/DBA為0.8，反應(yīng)溫度65 ℃，反應(yīng)5 h，水用量為5%條件下，探究EO一次性加入和緩慢持續(xù)加入兩種方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)果如表2所示。由表可知，控制EO緩慢持續(xù)加入可以控制DBAE進(jìn)一步被羥乙基化。這是由于EO和DBA合成DBAE反應(yīng)主要是N-羥乙基化（主反應(yīng)）與O-羥乙基化（副反應(yīng)）的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，EO少量時(shí)，體系中的DBA優(yōu)先與EO反應(yīng)；EO過(guò)量時(shí)，體系中的產(chǎn)物DBAE會(huì)與EO進(jìn)一步生成副產(chǎn)物DBAEE以及更高階副產(chǎn)物，而控制EO的緩慢持續(xù)通入可以盡可能地使EO在體系里少量存在。

表2 EO投料方式對(duì)原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的影響Table 2 Effects of feeding mode of EO on the conversion of DBA and the selectivity of DBAE

2.6 工藝流程設(shè)計(jì)

在后處理精餾階段共得到水和DBA的混合餾分、DBA與DBAE的混合餾分、DBAE以及精餾余液4個(gè)部分。分離的原料DBA與水可投入到下一次產(chǎn)品生產(chǎn)中繼續(xù)使用，而DBA與DBAE的混合餾分、精餾余液可隨下一批產(chǎn)品精餾進(jìn)一步純化。工藝流程圖如圖7所示：

圖7 工藝流程示意Fig.7 Production flow chart

考慮到精餾所得的原料和水可以繼續(xù)使用，因此本工作在EO/DBA為0.8，水用量為5%，反應(yīng)溫度85 ℃，反應(yīng)5 h，在EO緩慢通加的情況下，考察了溶劑水和未反應(yīng)完全的原料循環(huán)套用對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 循環(huán)次數(shù)對(duì)反應(yīng)的影響Table 3 Selectivity of the product varies with the DBA recycle

在本實(shí)驗(yàn)中，由于投料比的限制，導(dǎo)致DBA的理論轉(zhuǎn)化率最多為80%，同時(shí)這一因素也限制了產(chǎn)品的單程收率。由表3可以看出，循環(huán)次數(shù)不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生特別的影響，但隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，總收率相應(yīng)提高，循環(huán)10次后可達(dá)到82.2%。因此，本工藝流程對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

2.7 底物拓展適用性

將上述工藝進(jìn)行底物拓展。以二甲胺（DMA），二乙胺（DEA）和二丙胺（DPA）為原料，EO為羥乙基化試劑，在投料比為0.8，水用量為5%（DMA為市售33%水溶液），反應(yīng)溫度85 ℃，反應(yīng)5 h條件下，合成DMAE，DEAE和DPAE。結(jié)果如表4所示。

表4 底物拓展結(jié)果Table 4 The substrate development results

由表4可知，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的由DBA和EO生產(chǎn)DBAE也同樣適用于底物DMA，DEA和DPA。4個(gè)底物的單程收率略有不同，主要受底物仲胺的烷基側(cè)鏈長(zhǎng)度影響。本實(shí)驗(yàn)的主反應(yīng)機(jī)理是仲胺上的N原子親核進(jìn)攻環(huán)氧乙烷上的C，若仲胺側(cè)鏈較長(zhǎng)，則會(huì)增加新鍵形成的難度，影響反應(yīng)活性。其中底物DBA的N原子周圍空間位阻是這4個(gè)底物中最大的，收率相對(duì)低。

3 結(jié) 論

a）合適的工藝條件：EO和DBA物質(zhì)的量之比為0.8，水用量5%，溫度65 ℃，反應(yīng)5 h。此時(shí)，原料轉(zhuǎn)化率可達(dá)73%（理論最大轉(zhuǎn)化率為80%），產(chǎn)物選擇性可達(dá)93%。EO/DBA是本反應(yīng)原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品選擇性的主要影響因素。在EO/DBA小于0.8時(shí)，原料DBA轉(zhuǎn)化率較低；大于0.8時(shí)，副產(chǎn)物DBAEE的含量升高。控制EO的加料方式與加料速率可以顯著控制反應(yīng)的選擇性。本實(shí)驗(yàn)控制EO以氣相形式緩慢通入到體系中，使得體系中的EO相對(duì)于原料DBA是極少量的，從而控制了副產(chǎn)物的生成，同時(shí)使原料DBA的轉(zhuǎn)化率相對(duì)大。減壓精餾回收所得的原料和水，以及未分離的混合餾分可循環(huán)利用到下一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)中，循環(huán)10次后總收率可達(dá)82.2%。

b）進(jìn)行了底物拓展性研究，包括DMA制DMAE、DEA制DEAE和DPA制DPAE。其結(jié)果可供工業(yè)化生產(chǎn)參考。

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