N-甲基嗎啉合成及應(yīng)用研究

陳春玉，王少楠，胡 迎

(西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610225)

N-甲基嗎啉作為一種有機(jī)化工中間體，具有叔胺及醚的雙重性質(zhì)，應(yīng)用面廣，可作為聚氨酯泡沫生產(chǎn)的催化劑，阿撲西林、氨基芐青霉素及羧基芐青霉素合成過程中的催化劑，還可作表面活性劑、萃取劑、腐蝕抑制劑，其衍生物N-甲基氧化嗎啉，是制造 Lyocell 天然纖維和 Newcell 人造纖維長(zhǎng)絲十分理想的紡絲溶劑。

1 N-甲基嗎啉的合成方法

N-甲基嗎啉的合成工藝很多，按照原料劃分，有嗎啉法、N-甲基二乙醇胺法、二乙醇胺法、二甘醇法和二氯乙醚法。

(1)嗎啉法

選擇以嗎啉為起始原料進(jìn)行甲基化的研究是最多的，也是合成N-甲基嗎啉的重要方法。

嗎啉含有仲胺基團(tuán)，很容易發(fā)生N原子上的取代反應(yīng)，直接選用不同的甲基化試劑進(jìn)行N-甲基化反應(yīng)生成N-甲基嗎啉。

2003年，張想竹等[1]報(bào)道，嗎啉與氯甲院按照摩爾配比為1:1.1，氫氧化鈉為水溶液，35 ℃下反應(yīng)5 h，合成的N-甲基嗎啉純度達(dá)到98%，收率85%。但是一氯甲烷在強(qiáng)堿性介質(zhì)中易發(fā)生水解反應(yīng)，副產(chǎn)物多，不易分離，該工藝目前已被淘汰。

2004年，Del Zotto等[2]將嗎啉和甲醇在催化劑為Ru的三苯基磷配體作用下，合成N-甲基嗎啉，該反應(yīng)可以定量完成，反應(yīng)收率高，但是此工藝采用貴金屬作催化劑，價(jià)格昂貴，不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

2006年，Heshmatollah Alinezhad等[3]又報(bào)道，采用嗎啉、甲醛和甲酸在室溫下，以N-甲基哌啶鋅硼氫為催化劑，反應(yīng)6 min，收率達(dá)到80%，但反應(yīng)過程對(duì)pH值控制十分嚴(yán)格，僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，同時(shí)該催化劑制備過程繁瑣且不好回收，對(duì)環(huán)境不友好。

2007年，中國專利[4]報(bào)道采用嗎啉和甲醇在負(fù)載型的金屬催化劑下，200 ℃、0.3～0.6 MPa的條件下反應(yīng)，得到收率為85%的產(chǎn)物N-甲基嗎啉，這種合成工藝的缺點(diǎn)是高溫高壓反應(yīng)，設(shè)備費(fèi)用較高且投資比較大，同時(shí)反應(yīng)過程中加入金屬催化劑，給產(chǎn)物的純化造成困難，并且含有金屬催化劑的廢水也容易造成環(huán)境問題。

2009年，廖戎[5]報(bào)道了，嗎啉和碳酸二甲酯按照摩爾配比1:1.2，100 ℃反應(yīng)3 h，合成的N-甲基嗎啉純度達(dá)到97.5%，收率95%。但從原子利用率和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，采用嗎啉和碳酸二甲酯反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和甲醇，不利于C原子的有效利用，同時(shí)嗎啉和二氧化碳會(huì)繼續(xù)反應(yīng)生成副產(chǎn)物，造成后序分離比較困難。

2016年，中國專利[6]又報(bào)道，在非金屬催化劑DBU或DBU鹽的催化作用下，以嗎啉和甲醇為起始原料合成N-甲基嗎啉，該反應(yīng)為常溫常壓反應(yīng)，催化劑可循環(huán)套用，副產(chǎn)物為水，后處理簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境友好，產(chǎn)品純度達(dá)到98%，收率90%。

(2)N-甲基二乙醇胺法

N-甲基二乙醇胺兩端含有羥基，在酸的催化作用下易脫水縮合成醚，生成N-甲基嗎啉。

1998年，高樹藩等[7]報(bào)道，在氯化氫存在下，N-甲基二乙醇胺200 ℃脫水環(huán)化，生成N-甲基嗎啉，收率為98%。2015年，中國專利[8]又報(bào)道，在Fe-SiO2-Al2O3-Ni型負(fù)載催化劑下，N-甲基二乙醇胺200 ℃脫水環(huán)化，生成N-甲基嗎啉，收率90%。雖然N-甲基二乙醇胺法副產(chǎn)物少，收率高，但該法不僅采用貴金屬催化劑，成本較高，而且原料價(jià)格昂貴、來源較為困難，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

(3)二乙醇胺法

二乙醇胺法制備N-甲基嗎啉，實(shí)則分為兩步完成，第一步是二乙醇胺兩端的羥基在Cu、Ni、Cr等貴金屬催化劑下脫水環(huán)化成嗎啉，第二步是中間產(chǎn)物嗎啉再與甲基化試劑反應(yīng)生成N-甲基嗎啉。

1981年，美國專利[9]報(bào)道，在105～200 ℃條件下，二乙醇胺與硫酸二甲酯反應(yīng)，得到的N-甲基嗎啉，收率達(dá)81%～95%。此法收率較高，但硫酸二甲酯劇毒，不利于環(huán)保要求，尚未見到工業(yè)化報(bào)道。

(4)二甘醇法

二甘醇法制備N-甲基嗎啉分三步完成，首先二甘醇需要在加氫催化劑和H2存在下，高溫高壓，與液氨或氨水作用，同時(shí)完成氨解和環(huán)化反應(yīng)得到中間體嗎啉，接著嗎啉再與甲基化試劑反應(yīng)生成N-甲基嗎啉。

2005年，中國專利[10]報(bào)道在氫氣和 Ni-Cu-Al2O3-MgO、Ni-Cu-Al2O3-BaO 等催化劑存在下，二甘醇、液氨、一甲胺反應(yīng)生成N-甲基嗎啉，反應(yīng)壓力為 1.0～2.5 MPa，反應(yīng)溫度為 190～260 ℃。此法反應(yīng)過程復(fù)雜，所用催化劑較多，工業(yè)化較困難。

(5)二氯乙醚法

二氯乙醚法合成N-甲基嗎啉，分兩步完成，第一步二氯乙醚與伯胺發(fā)生胺化反應(yīng)，第二步在堿催化劑下，發(fā)生環(huán)化反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物。

1999年，趙淑梅等[11]報(bào)道二氯乙醚與甲胺在85 °C及堿的存在下反應(yīng)，產(chǎn)品收率約為94%。但二氯乙醚原料來源較為困難，同時(shí)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水和廢渣，未用于工業(yè)化生產(chǎn)。

綜上所述，N-甲基嗎啉的合成方法要么是從嗎啉出發(fā)，要么是通過合成嗎啉中間產(chǎn)物，要么是無嗎啉中間產(chǎn)物，而是通過自身或與外界發(fā)生縮合環(huán)化反應(yīng)生成N-甲基嗎啉，這些合成方法中，嗎啉法是相對(duì)而言，最有發(fā)展前途的。

2 N-甲基嗎啉的應(yīng)用領(lǐng)域

(1)醫(yī)藥領(lǐng)域

半合成的青霉素步驟較多，其中進(jìn)行到酰氯化反應(yīng)時(shí)，會(huì)用到N-甲基嗎啉作催化劑。比如阿撲西林[12]、氨基芐青霉素、羧基芐青霉素等此類制作過程中就用到了N-甲基嗎啉。由于這些藥品療效高，頗受人們歡迎，故N-甲基嗎啉在醫(yī)藥領(lǐng)域具有一定的市場(chǎng)潛力。

(2)聚氨酯領(lǐng)域

N-甲基嗎啉是中等強(qiáng)度的叔胺催化劑，在聚氨酯行業(yè)主要用作聚酯型聚氨酯軟泡催化劑，表皮形成性能好。

由于聚氨酯泡沫塑料一般用于高檔精密儀器、貴重器械、高檔工藝品等的緩沖包裝或襯墊緩沖材料，也可制成精致的、保護(hù)性極好的包裝容器；還可采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡對(duì)物品進(jìn)行緩沖包裝。N-甲基嗎啉發(fā)泡均勻、發(fā)泡速度快，是聚氨酯塑料發(fā)泡常用催化劑。

(3)化工領(lǐng)域

N-甲基嗎啉作為一種重要的精細(xì)化工原料，更多的使用價(jià)值是通過氧化合成衍生物N-甲基氧化嗎啉。

在生產(chǎn)人造纖維過程，以N-甲基氧化嗎啉為溶劑，具有無毒、無污染，且產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，特別是其法生產(chǎn)出的人造纖維的濕性質(zhì)和強(qiáng)度優(yōu)于普通粘膠纖維，溫度性能超過尼龍，許多性能指標(biāo)與棉纖維相似，被稱為“綠色人造纖維”；并且可以將原有的16道工序減少為9道工序。使已有百年歷史的二硫化碳作溶劑的人造纖維生產(chǎn)過程發(fā)生重大革命。

由此可見，N-甲基嗎啉及其下游產(chǎn)品的應(yīng)用前景十分廣闊。

3 結(jié) 語

通過對(duì)N-甲基嗎啉的合成工藝及應(yīng)用方面的介紹，可以看出嗎啉甲基化生產(chǎn)路線較為成熟，但生產(chǎn)過程中綠色、環(huán)保、清潔、高效、低成本仍是未來合成N-甲基嗎啉的方向，只有突破實(shí)驗(yàn)室局限，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，才能最終發(fā)揮市場(chǎng)應(yīng)用的作用。總之， N-甲基嗎啉作為重要的精細(xì)化學(xué)品，對(duì)其合成工藝及應(yīng)用領(lǐng)域的深入開發(fā)和研究是十分有價(jià)值的。