CN103420939B - 一种氮杂环庚烷的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机合成领域，涉及一种氮杂环庚烷的合成方法，包括如下步骤：己内酰胺在惰性气体保护下，在有机溶剂中被金属还原剂还原生成氮杂环庚烷，经萃取、洗涤、干燥、浓缩和蒸馏得到质量分数≥98%的氮杂环庚烷纯化品。本发明原料价廉易得，合成步骤简单，反应条件温和，产品的收率和纯度高，具有良好的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于有机合成领域，涉及一种氮杂环庚烷的合成方法，特别涉及一种己内酰胺在惰性气体保护下，在有机溶剂中被金属还原剂还原生成氮杂环庚烷的方法。
背景技术
氮杂环庚烷（azacycloheptane），又名六亚甲基亚胺（hexamethyleneimine，简称HMI）、高哌啶，分子式为C6H13N，相对分子量为99.18，CAS号为111-49-9，结构式为：
氮杂环庚烷是一种重要的化学合成中间体，被广泛应用于医药、农药、石油化工等领域。目前工业上多以己二胺或己内酰胺为原料通过加氢还原来合成氮杂环庚烷。其中，以己二胺为原料合成氮杂环庚烷工艺目前已基本淘汰，因为己二胺易发生分子间脱氨，从而产生大量副产物，需要大量溶剂或稀释气体，既不经济又不环保，因此工业上主要通过己内酰胺加氢还原来合成氮杂环庚烷，其化学反应式为：
C6H11NO+2H2→C6H13N+H2O
下述专利文献公开了一种己内酰胺加氢还原来合成氮杂环庚烷的方法：将气化后的已内酰胺同预热后的氢气相混合，依次经过吸附塔、反应器、冷凝器、分离器以及精馏塔，最终得到含量≥98.5%的氮杂环庚烷。下述非专利文献的技术是：在二乙二醇二甲醚溶剂中，在Ra-Co的催化作用下，已内酰胺与氢气在高压釜中发生催化加氢反应生成氮杂环庚烷；
先行技术文献
专利文献：徐直.六亚甲基亚胺的制备方法[P].CN101481362.2009.
非专利文献：陈健.六亚甲基亚胺合成研究[J].化学工业与工程技术.2007,28(6)：35-37.
但是，上述方法均以氢气为还原剂，反应需在加温加压下进行，反应条件苛刻，对设备要求高；另一方面，己内酰胺在加温加压下易发生聚合反应，产生副产物，造成产品的产率和纯度的下降。此外，上述方法均需要重金属作为催化剂，不仅价格昂贵，而且易造成重金属污染，不利于环境保护。若用常规化学还原剂，还存在还原体系商业上不易实现、还原效果不佳、转化率低下等问题，因此这些方法的大规模工业化应用均受到一定限制。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于，己内酰胺在惰性气体保护下，在有机溶剂中被金属还原剂还原生成氮杂环庚烷，包括以下工艺步骤：
（1）已内酰胺的还原反应：将有机溶剂注入干燥的反应瓶中，降温至0℃，惰性气体置换，依次加入路易斯酸和硼氢化物，待反应液自然升温至25℃后搅拌1h，加入己内酰胺，已内酰胺、路易斯酸和硼氢化物投料物质的量比为1：2～3：2～3，将反应液升温至回流温度，回流反应6～10h；
（2）氮杂环庚烷粗产品的制备：将回流所得反应液降温至0℃，加入水，搅拌至反应液澄清，用氢氧化钾溶液将pH调至≥12，用二氯甲烷多次萃取反应液并合并有机相，用饱和食盐水洗涤有机相，无水硫酸镁干燥，过滤，浓缩滤液并回收溶剂，得到氮杂环庚烷粗产品；
（3）氮杂环庚烷纯化品的制备：蒸馏步骤（2）中所得浓缩后残余的粗产品，收集馏分，即得到化学纯度≥95%的氮杂环庚烷纯化品。
另外，步骤（1）中所述的有机溶剂为***或无水四氢呋喃。所述的路易斯酸为无水氯化铝。所述的硼氢化物为硼氢化钠或硼氢化钾。所述的惰性气体为氩气或氮气。所述的已内酰胺、路易斯酸和硼氢化物投料物质的量比为1：2.4～2.8：2.4～2.8。所述的回流状态温度为40～65℃，回流反应时间为8～10h，回流反应的压强为380～1520mmHg。
进一步，所述的蒸馏方式可以常压蒸馏，压强为760mmHg，沸点为137～140℃；所述的蒸馏方式也可以减压蒸馏，压强为40mmHg，沸点为54～58℃。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明采用金属还原剂，而不采用非金属还原剂氢气，故本方法具有以下优点：
1.由于本方法所采用金属还原剂为路易斯酸和硼氢化物原位反应形成，反应选择性高，还原效果好，还原剂在反应结束后即消耗，使得产品收率达到95%以上，产品纯度达到98%以上，简化了纯化工艺、降低了纯化成本。
2.由于本方法避免使用昂贵的、难回收的重金属如CH-4，Ra-Co作为催化剂，从而降低了合成成本，不产生重金属污染问题，有利于环境保护。
3.由于本方法不使用氢气为还原剂，反应无需在加温加压下进行，故不仅反应条件温和，能耗低，而且避免了已内酰胺在加温加压下的聚合反应，减少副反应产物，从而进一步提高了产品收率和纯度。
4.本发明已内酰胺的还原反应可在常压、加压或减压状态下进行，因此反应条件灵活；另外，本方法所用原料价格低廉、易于得到，便于实现大规模工业化应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明一种氮杂环庚烷的合成方法做进一步说明：
本发明的合成原理如下所述：
惰性气体保护下，有机溶剂中，金属硼氢化物和路易斯酸反应生成金属还原剂，然后已内酰胺被金属还原剂加氢还原生成氮杂环庚烷，经萃取、洗涤、干燥、浓缩和蒸馏等步骤得到质量分数≥98%的氮杂环庚烷纯化品。
本发明中己内酰胺还原反应的方程式为：
式中，Ⅱ为己内酰胺，Ⅰ为氮杂环庚烷。
本实施方式中，采用金属还原剂代替CH-4、Ra-Co等重金属催化剂和还原剂氢气，不仅降低合成成本和减少重金属污染，而且简化了反应流程，使所得产品纯度高，转化率高，有利于实现大规模工业化生产。
本发明的实施过程描述如下：
实施例1
将150mL无水四氢呋喃置于干燥反应瓶中，降温至0℃，氩气置换后依次加入33.3g无水三氯化铝（0.25mol）和10.0g硼氢化钠（0.26mol），待反应液自然升温至25℃后搅拌1h，加入11.3g己内酰胺（0.1mol）并将反应液升温至50℃，回流8h，然后将反应液降温至0℃，加入500mL水，搅拌至反应液澄清，用2M的氢氧化钾溶液将pH调至≥12，用二氯甲烷300mL萃取反应液3次并合并有机相，用60mL饱和食盐水洗涤有机相，无水硫酸镁干燥，浓缩滤液回收溶剂得到粗产品，常压蒸馏粗产品，收集137～140℃之间的馏分即得到9.4g氮杂环庚烷。本方法所得氮杂环庚烷的收率为95%，化学纯度为98%。
实施例2
将150mL无水四氢呋喃置于干燥反应瓶中，降温至0℃，氮气置换后依次加入36.1g无水三氯化铝（0.27mol）和15.2g硼氢化钠（0.28mol），待反应液自然升温至25℃后搅拌1h，加入11.3g己内酰胺（0.1mol）并将反应液升温至55℃，回流8h，然后将反应液降温至0℃，加入500mL水，搅拌至反应液澄清，用2M氢氧化钠溶液将pH调至≥12，用二氯甲烷300mL萃取反应液3次并合并有机相，用60mL饱和食盐水洗涤有机相，无水硫酸镁干燥，浓缩滤液回收溶剂得到粗产品，以40mmHg减压蒸馏粗产品，收集54～58℃之间的馏分即得到9.4g氮杂环庚烷。本方法所得氮杂环庚烷的收率为95%，化学纯度为98%。
实施例3
将150mL无水四氢呋喃置于干燥反应瓶中，降温至0℃，氮气置换后依次加入36.1g无水三氯化铝（0.27mol）和15.2g硼氢化钠（0.28mol），待反应液自然升温至25℃后搅拌1h，加入11.3g己内酰胺（0.1mol），引入氮气升压至1520mmHg并将反应液升温至65℃，回流10h，然后将反应液降温至0℃，加入500mL水，搅拌至反应液澄清，用2M的氢氧化钠溶液将pH调至≥12，用二氯甲烷300mL萃取反应液3次并合并有机相，用60mL饱和食盐水洗涤有机相，无水硫酸钠干燥，浓缩滤液回收溶剂得到粗产品，以40mmHg减压蒸馏粗产品，收集54～58℃之间的馏分即得到9.4g氮杂环庚烷。本方法所得氮杂环庚烷的收率为95%，化学纯度为98%。
实施例4
将150mL无水四氢呋喃置于干燥反应瓶中，降温至0℃，氩气置换后依次加入33.3g无水三氯化铝（0.25mol）和10.0g硼氢化钠（0.26mol），待反应液自然升温至25℃后搅拌1h，加入11.3g己内酰胺（0.1mol），降压至380mmHg并将反应液升温至55℃，回流6h，然后将反应液降温至0℃，加入500mL水，搅拌至反应液澄清，用2M的氢氧化钾溶液将pH调至≥12，用二氯甲烷300mL萃取反应液3次并合并有机相，用60mL饱和食盐水洗涤有机相，无水硫酸钠干燥，浓缩滤液回收溶剂得到粗产品，常压蒸馏粗产品，收集137～140℃之间的馏分即得到9.4g氮杂环庚烷。本方法所得氮杂环庚烷的收率为95%，化学纯度为98%。
Claims (10)
1.一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
（1）已内酰胺的还原反应：将有机溶剂注入干燥的反应瓶中，降温至0℃，惰性气体置换，依次加入路易斯酸和硼氢化物，待反应液自然升温至25℃后搅拌1h，加入己内酰胺，已内酰胺、路易斯酸和硼氢化物投料物质的量比为1：2～3：2～3，将反应液升温至回流温度，回流反应6～10h；
（2）氮杂环庚烷粗产品的制备：将回流所得反应液降温至0℃，加入水，搅拌至反应液澄清，用氢氧化钾溶液将pH调至≥12，用二氯甲烷多次萃取反应液并合并有机相，用饱和食盐水洗涤有机相，无水硫酸镁干燥，过滤，浓缩滤液并回收溶剂，得到氮杂环庚烷粗产品；
（3）氮杂环庚烷纯化品的制备：蒸馏步骤（2）中所得浓缩后残余的粗产品，收集馏分，即得到化学纯度≥95%的氮杂环庚烷纯化品。
2.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于有机溶剂为***或无水四氢呋喃。
3.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于路易斯酸为无水氯化铝。
4.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于硼氢化物为硼氢化钠或硼氢化钾。
5.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于惰性气体为氩气或氮气。
6.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于已内酰胺、路易斯酸和硼氢化物投料物质的量比为1：2.4～2.8：2.4～2.8。
7.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于回流温度为40～65℃，回流反应时间为8～10h。
8.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于回流反应的压强为380～1520mmHg。
9.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于蒸馏为常压蒸馏，压强为760mmHg，沸点为137～140℃。
10.如权利要求1所述的一种氮杂环庚烷的合成方法，其特征在于蒸馏为减压蒸馏，压强为40mmHg，沸点为54～58℃。
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