（应用化学专业论文）235三甲基吡嗪的合成研究.pdf

硕士论文2 , 3 。5 三甲基毗嗪的合成研究 摘要 本论文研究以异丙醇胺为原料经催化氨化合成1 ，2 丙二胺的方法，考察了r a n e y n i 催化剂用量、原料配比、反应温度、反应时间和氢气加入量对实验结果的影响。确定了 合成l ，2 一丙二胺的最佳反应条件：r a n e yn i 催化剂用量为异丙醇胺质量的4 ，异丙醇 胺与氨气的物质的量比为1 ：3 5 ，反应温度为1 6 0 ，氢气加入量与原料异丙醇胺的物质 的量之比为1 ：5 ，反应时间为5 h 。1 ，2 丙二胺收率在9 0 3 以上，纯度9 9 5 以上。大大 减少了工业三废的排放量，探索出了一条绿色的合成工艺。 以1 ，2 丙二胺和2 ，3 丁二酮为原料经缩合氧化合成了2 ，3 ，5 三甲基吡嗪，分别考察了 影响缩合反应和氧化反应的各种因素，确定了缩合反应的最佳条件为：将原料2 ，3 丁二 酮溶于乙醇( 2 ，3 丁二酮与乙醇的质量比为1 ：5 ) ，匀速滴加到1 , 2 丙二胺的乙醇溶液( 1 , 2 丙二胺与乙醇质量比为1 ：6 ) 中，滴加时间3 h ，反应温度为5 ，1 ，2 丙二胺与2 ，3 丁二 酮的物质的量比为1 1 ：1 。最佳的脱氢氧化反应条件为：以空气做氧化剂，氢氧化钾与 2 ，5 三甲基一5 ，6 一二氢吡嗪的物质的量比为3 ：1 ，乙醇与2 ，3 ，5 一三甲基5 ，6 二氢吡嗪的质量 比1 0 ：1 ，反应温度6 8 ，反应时间7 l l ，两步反应的总收率为8 3 0 ，产物2 ，3 ，5 三甲基 吡嗪的纯度可达9 9 5 。 关键词： 异丙醇胺，1 , 2 丙二胺，缩合，2 , 3 ，5 三甲基吡嗪，绿色工艺 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t l ，2 - d i a m i n o p r o p a n ew a ss y n t h e s i z e db ya m i n a t i o no fi s o p r o p a n o l a m i n ei nt h ep r e s e n c e o fa m m o n i aa n dah y d r o g e n a t i o nc a t a l y s tr a n e yn i t h ee f f e c to ft h ea m o u n to fr a n e yn i c a t a l y s t , t h em o l a rr a t i oo fm a t e r i a l s ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m e o nt h e e x p e r i m e n tw e r es t u d i e d 1 1 1 eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w s ：t h ea m o u n to fc a t a l y s t u s e dw a s4 b yw e i g h to ft h ea m o u n to fi s o p r o p a n o l a m i n eu s e d t h em o l a rr a t i oo f i s o p r o p a n o l a m i n et oa m m o m i aw a s1 ：3 5 ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s1 6 0 ，t h er e a c t i o n w a s5 h ，t h em o l a rr a t i oo f h y d r o g e n t o i s o p r o p a n o l a m i n e w a s1 ：5 y i e l do f 1 2 - d i a m i n o p r o p a n ea sh i g ha s8 9 w a so b t a i n a b l ea n dt h ep u r i t yi sa b o v e9 9 5 1 1 1 eg r e e n s y n t h e s i st e c h n o l o g yw i t hv e r yl i t t l ee m i s s i o nw a sd e v e l o p e d ， s y n t h e s i s o f2 , 3 ，5 - t r i m e t h y l p y r a z i n ef r o m2 , 3 一b u t a n e d i o n ea n d1 , 2 - d i a m i n o p m p a n e t h r o u g h2 , 3 ，5 - t r i m e t h y l 一5 ，6 - d i h y d r o p y r a z i n ew a ss t u d i e d t h er e a c t i o nw a sc o m p r i s e do f s y n t h e s i s o f 2 , 3 ，5 - t r i m e t h y l 一5 ，6 一d i h y d r o p y r a z i n e a n d 2 , 3 ，5 - t r i m e t h y l p y r a z i n e ( 1 ) n l e o p t i m u mc o n d i t i o n so f2 , 3 ，5 t r i m e t h y l 一5 ，6 一d i h y d r o p y r a z i n es y n t h e s i s w e r ee s t a b l i s h e d ： 2 ，3 - b u t a n e d i o n ew h i c hw a sm i x e dw i t ha n h y d r o u se t h y la l c o h o l ( t h em a s sr a t i oo fa n h y d r o u s e t h y la l c o h o lt o2 ，3 一b u t a n e d i o n ew a s5 ：1 ) w a sd r o p e dt ot h em i x t u r eo fa n h y d r o u se t h y l a l c o h o la n d 1 ，2 - d i a m i n o p r o p a n e ( t h e m a s sr a t i oo fa n h y d r o u s e t h y l a l c o h o lt o 1 ，2 一d i a m i n o p r o p a n ew a s6 ：1 ) a tt h ee v e np a c ef o r3 h , t h em o l a rr a t i oo f2 , 3 一b u t a n e d i o n et o 1 ，2 一d i a m i n o p r o p a n ew a s1 ：1 1 ，t h ec o n d e n s a t i o nr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s 5 c ( 2 ) t h eb e s t d e h y d r o g e no x i d a t i o nc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w s ：a i rw a su s e da so x i d a n t ，t h em o l a rr a t i oo f p o t a s s i u mh y d r o x i d ea n d2 , 3 ，5 一t r i m e t h y l 一5 ，6 一d i h y d r o p y r a z i n ew a s3 ：1 ，t h em a s sr a t i oo f e t h a n o lt o2 , 3 ，5 一t r i m e t h y l 5 ，6 一d i h y d r o p y r a z i n e10 ：1 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e6 8 ，r e a c t i o n t i m e7 h t h et o t a ly i e l do f t h i st w o s t e pr e a c t i o nw a s8 3 0 k e yw o r d s ：i s o p r o p a n o l a r n i n e ，1 , 2 d i a m i n o p r o p a n e ，2 , 3 ，5 一t r i m e t h y lp y r a z i n e ，g r e e n t e c h n o l o g y i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：立j 2 垒 矿钥旁 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：羔盈冬 才幻夕 硕士论文2 , 3 ，5 - - e p 基吡嗪的合成研究 l 绪论 1 1 选题的科学意义和应用前景 丙二胺作为低级脂肪胺，是一种非常重要的有机合成原料，有两个同分异构体：1 ，2 丙二胺和1 ，3 一丙二胺。丙二胺和其他脂肪酸一样是极性化合物，能形成氢键，氮原子上 有未共用电子对，由于这对未共用电子对具有亲核性，容易与一些亲电性化合物发生反 应。如它是一种有机碱可以和无机酸、有机酸作用生成相应的无机盐、有机盐；与卤代 烃、醇等烷基化试剂作用；与有机酸、酰氯、酯和酸酐发生酰化作用；与羰基化合物反 应生成不稳定的s c h i f f 碱，s c h 谁碱加氢还原可以制取烷基取代的丙二胺；还可以和不 饱和化合物，氰化物、腈、硫化物、环氧化合物磷化物等作用【l 】。丙二胺用途十分广泛， 可用于选矿剂、金属钝化剂、生物保护剂、燃料油和润滑油添加剂【2 】、用于染料、电镀 和分析试剂( 汞、铜和银的检定) 【3 j ，还可用作航空用树脂固化剂、橡胶硫化促进剂以 及选矿药剂1 4 j 等。 丙二胺是重要的有机合成原料，广泛应用于医药、农药、染料、炼油工业添加剂和 聚合物。例如1 ，2 丙二胺可以用作消化纤维、涂料、植物油和松香等的溶剂，医药、汽 油添加剂等的制造原料。医药工业中由1 ，2 丙二胺合成1 ，2 丙二胺四乙酸，是抗癌药丙 亚胺的中间体【5 j 。另外由l ，2 丙二胺合成的2 甲基4 对氯苯基咪唑【6 】是很好的铜材料腐 蚀抑制剂，丙二胺还可用于生产环氧树脂固化促进剂2 乙基4 甲基咪唑1 7 ，目前天津化 学试剂厂生产这一产品。由1 ，3 一丙二胺合成的1 。氨基3 甲氨基丙烷和1 氨基3 二甲氨 基丙烷是环氧树脂的组分【8 j 。由1 ，3 丙二胺合成的含三嗪的化合物是一种反应性染料【9 】。 丙二胺还可以合成2 ，3 ，5 三甲基吡嗪【1 0 1 ，是吡嗪类香料中应用最广泛、用量最大的品种 之一；相应的手性丙二胺可以合成抗肿瘤药右雷佐生( 又称右丙亚胺) 【1 1 1 ，近十几年里， 国外研究结果表明丙亚胺的右旋体右雷佐生具有保护心脏的作用，可以避免或减少葸环 类抗癌药物( 如阿霉素等) 的毒性，因此已经作为肿瘤治疗的辅助药物上市，这也是目 前1 ，2 丙二胺作为中间体最有用的用途之一，对于该药物的合成，其消旋体丙亚胺的合 成早已鉴于文献报道，并且已在国内生产，其右旋体右雷左生的合成关键在于对主要原 料1 ，2 丙二胺的拆分，以得到右旋1 ，2 丙二胺，这是目前提高1 ，2 丙二胺附加值的最有 效的方法之一。另外l ，2 丙二胺还可以用作合成有重要用途的s c k f r 碱，这种s c h i 仃碱 及其配合物具有良好的生物活性、药物活性、仿酶催化活性，并在分子设计中具有重要 作用，例如像目前国内外研究较多水杨醛及其衍生物与二胺形成的s c h i f r 碱是良好的单 核、多核配体，此类配体与金属离子的配合物多有报道，像3 羧基水杨醛与1 ，2 丙二胺 形成的单s c h i f r 碱h 2 c s p ( h 2 c s p = n 3 羧基水杨醛1 ，2 一丙二胺) 及其镍单核配合物【1 2 】， 3 一羧基水杨醛与l ，2 丙二胺形成的单s c h i f f 碱( h 4 m e s ) 及其铜双核配合物【l3 1 ，目前这 1 l 绪论 硕士论文 类化合物在生物医药方面有着很广泛的应用前景。 吡嗪于1 9 8 8 年首次合成，起初人们只注意到了此类化合物在医药上的应用，例如： 它们常用作结核、驱饶虫、抗惊厥药物和抗菌剂等这些都是早期的吡嗪类化合物在医药 上的应用，近些年来吡嗪类化合物在医药上的应用研究较多的像格列吡嗪 ( c 2 l h 2 7 n 5 0 4 s ) t 1 4 】，它作为第二代磺酰尿类口服降糖药，主要是通过作用于胰岛p 细胞， 促进内源性胰岛素分泌，抑制肝糖元分解并促进肌肉利用葡萄糖而达到快速降解血糖作 用，目前该药物对糖尿病的治疗已通过临床验证。吡嗪酰胺i l5 】作为一种药物目前在治疗 结核病方面有一定的效果，吡嗪酰胺为酰胺类抗结核药，对处于酸性环境的细胞内非繁殖 期的结核菌有抑制和杀灭作用，目前为抗结核病和预防结核病复发的一线药物。近年来， 结核病采用短程化疗获得了良好效果，很多国家将吡嗪酰胺定为常规化疗方案中的一种 抗结核药物。但是临床发现病人对这种药过敏现象比较普遍，因此该药物也开始逐渐退 出市场。四甲基吡嗪( 川芎嗪) 1 1 6 j 是活血化瘀中草药川芎的主要成分之一，现在已经可 以由人工合成，它的磷酸盐是一种目前研究较多的医用化合物，并且从上世纪7 0 年代起 已经成为国内临床治疗心脑血管病的常用药物，研究发现它不仅具有不易升华，较稳定 且给药方便、见效快、疗效好、副作用少，同时具有增加冠脉流量、降低动脉压力、增 进微循环、溶栓的作用。试验中发现给麻醉大鼠口服显示有抑制子宫自发运动作用。具 有神经节阻断、降压、抗菌作用。用于治疗缺血性脑血管病、肝炎、流行性出血热、心 脏病、脉管炎、糖尿病慢性并发症、肾绞痛、妊娠高血压等，目前吡嗪类化合物在医药 上的应用也是全世界研究的热门课题之一。同时吡嗪类化合物在含能材料领域的研究也 是目前热门的课题之一，现代武器要求含能材料在具有尽可能高能量的同时，应具有尽可 能好的安全性能。l ，3 ，5 三氨基2 ，4 ，6 三硝基苯( t a t b ) 是目前最为安全的钝感高能炸药， 但能量仅为1 ，3 ，5 ，7 四硝基1 ，3 ，5 ，7 四氮杂环辛烷( h m x ) 的6 0 。富氮杂环化合物被认为 是理想的高能炸药，因为这些化合物大多具有高的晶体密度、低易损性和正的生成焓。 2 , 6 二氨基3 ，5 二硝基吡嗪1 氧化物( 代号l l m 1 0 5 ) 堪称是含能材料研究领域的一个突 破【l7 1 。这种吡嗪类含能材料与传统的含能材料相比，杂环通常具有更高的密度或更好的 氧平衡，特别是富氮杂环还普遍具有高的正生成焓，因此可以作为设计富氮杂环化合物 的理想结构单元，而且目前的研究发现l l m 1 0 5 具有密度高( 1 9 1 3 9 c m 3 ) 、物理性能优异、 安全性能好、能量比t a t b 高2 0 的特点。l l m 1 0 5 耐热性能优于大多数高能炸药，d s c ( d i f f e r e n t i ms c a n n i n gc m o f i m e t r y ) 放热峰值( 3 5 4 4 c ) 与t a t b 几乎一致。对撞击、火花、摩 擦和冲击波钝感，目前l l m 1 0 5 的合成与配方研究正成为含能材料研究领域的热点之 一。由于有着优异的综合能，l l m 1 0 5 可以用作钝感引发药、传爆药以及特殊弹药的主装 药，在武器上应用前景十分广阔。自1 9 2 8 年，从咖啡中检测出甲基吡嗪，2 ，5 二甲基吡嗪 和2 ，6 二甲基吡嗪后，到目前为止，人们发现在许多天然食品中( 像马铃薯、韭菜、罗 望子果) 或食品在煮、炒、发酵过程中( 像炒花生、爆米花、炒咖啡) 都能检测出吡嗪 2 硕士论文2 , 3 ，5 三甲基吡嗪的合成研究 类化合物，其品种己近百种。例如：5 烃基2 ，3 二甲吡嗪是重要的有机合成中间体，可用 于医药、香料等的合成，这类物质本身也是一类重要香料，广泛存在于某些食物中，是构 成这些食物香味的微量有效成分，这类香料具有香气特征突出、香势强、用量少、安全 可靠而受到重视，可用于饮品等的加香，现已有好几种产品实现了商业化生产。我国目前 只有2 ，3 二甲基吡嗪，2 ，3 ，5 三甲基吡嗪等少数几种香料投放市场，大多数此类香料目前 国内仍处于空白状态，因此，大力开发此类香料，是具有葱肉香，咖啡香等特殊风味的 食品添加剂，更好地为我国的食品工业服务，无疑有着重大的意义。 2 ，3 ，5 三甲基吡嗪是近年来发展起来的一种高档食用香料，具有浓郁的烤花生或烤 马铃薯的香气，主要存在于烘烤制品、可可制品、咖啡、花生、乳制品、暴米花等食品 中，是重要的香精和烟用香精原料。食品行业可直接用于调用面包、布丁、口香糖、软 饮料、牛奶、肉类等各种食品，其用途十分广泛。 1 21 , 2 丙二胺和2 , 3 ，5 三甲基吡嗪的研究现状 1 2 11 , 2 丙二胺的合成现状 1 。2 丙二胺的工业化生产方法主要有两种： ( 一) 以卤代烷( 1 , 2 二氯丙烷) 为原料，经胺化生产【1 8 j9 】。该反应为釜式间歇式反 应，设备腐蚀比较严重，三废多，原料消耗大。 反应式为： c 坞彳h f h n h 3 ? 3 f h 下蟛m c ih c i h 2 + 烈砌+ 2 h 2 。 c la c 1h n h 2n h 2 h c l n h 2n h 2 c e s a r eb a r b i e r i 曾提出向该反应体系中加入乳化剂( 如油酸) ，反应物经乳化后可以 提高反应产率降低反应温度。 ，( 二) 以有机含氧化合物( 例如：环氧丙烷、1 ，2 丙二醇、异丙醇胺) 为原料，与 氨反应，得到1 ，2 丙二胺 2 0 2 4 1 。该方法便于连续生产，三废相对较少。 反应式为： c n s h c + n h 3 0 3 c h - 亍h 坐t 心c h _ 比。 一i l jil o 。o hn h 2 n h 2n h 2 c h l c h c h ，c h 3 c h c h ， ii + 2 n h 3 一 ll + 2 h 2 0 o h o hn h 2n h 2 国内生产1 ，2 丙二胺主要采用第一种方法，主要生产厂家是沈阳石油化工厂，锦州炼油 l 绪论 硕士论文 厂，沈阳选矿药剂厂。该生产方法设备腐蚀比较严重，三废多，已停止使用。 国外生产1 ，2 丙二胺两种方法都使用，主要生产者有b a y e r 、b a s f 和j e f f e r s o n c h e m i c a ld i v 等公司。如b a s f 公司采用异丙醇胺为原料，经胺化得到【2 5 】。该方法可以 采用固定床连续式反应，三废相对较少。 另外a z i z ab e n a l i l 等 2 6 1 1 9 9 1 年提出以氨基氯代烃、2 甲基氮杂环丙烷或醇胺与叠 氮化反应，再还原得到氨基烷烃。但这种方法反应步骤较多，涉及到较多种反应试剂， 产率并没有太大提高，因此工业上还未有采用此方法的。 反应式为： 叩 l h 3 h h 3 c + n h 2 h e n 型h c 如c 入l h h 3 ( b o c h o - - - - - - - - n - h 2 h h 2 nn h 2 h p h 3 p ，h n 3 - - - - - - - - d e a d n h c o b h h c l n h 2 一hp d c 心c h 2ncl-1hcl ， - - - 卜 二乙l h 2 n 7 n h ， 1 2 22 , 3 ，5 一三甲基吡嗪的合成现状 吡嗪类化合物是合成医药，农药的重要中间体，例如：它们常用作结核、驱饶虫、 抗惊厥药物和抗菌剂，也是一类食用香料。六十年代发现，在焙烧或煨煮食物的香味中 4 硕士论文 2 ，3 ，5 三甲基毗嗪的合成研究 吡嗪类化合物起着重要作用。已经发现的含有吡嗪类化合物的食品有：牛肉类食品、烘 烤过的大麦、可可产品、咖啡、花生、爆米花、大豆产品、青胡椒、鸡汤等在国外己广 泛使用于饮料、谷物糖果、乳酪、烘烤食品、肉制品、乳制品及调味品，由于吡嗪类香 料使用浓度极低，一般用量都在1 0 p p m 以下，因此毒性问题可以不考虑。自1 9 2 8 年， 从咖啡中检测出甲基吡嗪，像2 ，5 二甲基吡嗪和2 ，6 二甲基吡嗪后，到目前为止，人们 发现在许多天然食品中( 像马铃薯，韭菜，罗望子果) 或食品在煮、炒、发酵过程中( 像 炒花生、爆米花、炒咖啡) 都能检测出吡嗪类化合物，其品种已近百种。 吡嗪类化合物一般用气相催化剂合成制得。以往国外多用哌嗪类气相催化脱氢或以 环氧丙烷与乙二胺气相催化脱水脱氢来制取，但前者原料价贵，后者收率较低。从七十 年代开始，用廉价的二胺类与二醇类为原料进行一步气相催化合成，产率较高，且成本 大幅度降低。合成时所用催化剂大多是现有的略加改进的。 目前2 ，3 ，5 三甲基吡嗪化合物的合成路线大致有如下几种： ( 1 ) 哌嗪类气相催化脱氢合成吡嗪类化合物【2 7 乏9 1 ，反应为： r 1 、p n 彳h 2催化剂凡c | i n c l h il 啼i l l 叫斜c h r 3 加热 c 彩c r ， 式中：r l 、r 2 、r 3 可以是h 、c h 3 、一c h 2 c h 3 ，c h 2 c h 2 c h 3 等低烷烃基，当它们分别都 是甲基时即为2 ，3 ，5 三甲基吡嗪。1 9 6 4 年报导了用甲基基哌嗪脱氢制备吡嗪类的方法【3 0 】。 该法是用7 4 的2 ，3 ，5 三甲基哌嗪水溶液为原料，通过在3 5 0 3 6 0 下，以摩尔比4 倍 于原料2 ，3 ，5 三甲基哌嗪的预氢化的氧化铜三氧化二铬催化剂的量来制备2 ，3 ，5 三甲基 毗嗪，2 ，3 ，5 一三甲基哌嗪类的转化率为8 9 。但是由于催化剂孔易被堵塞及结炭，活性 衰退较快，致使原料转化率及吡嗪类的收率降低。 为了克服以上缺点，1 9 7 4 年山茂夫等【3 1 】对催化剂进行了改进，在氧化铜中加入了 少量的m n 0 2 和硅藻土载体。重量比可控制在c u o3 0 - 6 0 ，c r 2 0 34 0 - - 6 0 ，m n 0 2 3 8 ，载体4 - - 8 。如：在内经为2 5 m m 的不锈钢反应管内，装入含c u o4 5 ，c r 2 0 3 4 4 ，m n 0 25 ，硅藻土6 的催化剂2 0 0 9 ，在3 5 0 - - - 3 7 0 。c 下，以2 0 0 - 2 8 0 h 1 的空速通 入含水7 0 的甲基哌嗪溶液。反应结束后可使甲基吡嗪的收率及甲基哌嗪的转化率分别 提高到7 8 和8 3 。若以含水6 0 的哌嗪为原料时，反应经2 5 h 后也能使毗嗪收率达到 7 3 ，哌嗪转化率达8 0 。 为了防止哌嗪类的挥发、升华，可将其用适当的溶剂如：水、苯、甲苯等溶解。操 作温度最好是在3 0 0 - - 3 8 0 ，超过5 0 0 。c 时，哌嗪类易发生结炭现象。空速最好在1 5 - - 1 8 h - l 。 1 绪论 硕士论文 英国专利中曾经提出过单独用氧化铜、氧化镍、氧化锌、氧化铬或将其任意的两种 结合起来，或每种都加入氧化铬作为催化剂，但没有对催化剂中各组分加以研究。1 9 7 6 年日本专利【3 2 】中提出以氧化铜，氧化锌为载体，或加入氧化铝载体作为催化剂。专利还 指出：氧化铜和氧化铝只有在特定范围内才能显示出高活性。单独用氧化铜、氧化锌和 氧化铝为催化剂，效果不好；而含c u o2 0 5 0 ，z n o5 0 8 0 ，a 1 2 0 31 - 3 的催化剂效果 较好，最好的比例是c u o2 5 3 5 ，z n o5 5 7 0 ，a 1 2 0 35 1 0 。为了避免反应最初由于放 热使温度难以控制，最好将催化剂预先氢化还原。该专利推荐的最佳反应温度是3 8 0 - 4 8 0 。空速随催化剂的程度不同而异：4 目球形时空速3 0 - - 1 5 0 f f l 为最佳：1 5 目球形 时空速2 0 0 - 1 5 0 0 f f l 为最佳，同时可以用惰性气体如氮气、氩气、氦气、氢气等作为稀 释气体。 ( 2 ) n ( p 羟基烷基) 乙二胺气相催化剂合成法，反应为： r 1 r 2 ih c h c n | h h o 式中：r l 、r 2 、r 3 可以为h 及c l - - c 6 直支链烃基。 藤田明【3 3 】认为，用该方法合成得到的产品纯度高，收率也较高，有利于工业化。 可以用已知的脱氢催化剂，如单独用铜、锌、铬元素和铜锌、铜铬，也可以分别 加入二氧化硅、氧化铝、二氧化硅氧化铝作为载体。为了提高活性，增加寿命，最好 加入钡、锰、镍、钒、钼、铂、钯、铁、钴等元素。组分状态可以是氧化物，最好还原 为金属。 1 9 8 0 年的日本专利【3 4 】提出在c u o 、c r 2 0 3 中加入适量的粘合剂作为催化剂，二种氧 化物的含量最好在7 0 以上。含量少时，原料反应性能差。c f f c u 在0 2 5 - 0 1 5 时最适 宜。粘结剂可选用碳粉、硅藻土。催化剂在使用前需要用氢气在2 2 0 。c 下进行预还原， 活性下降时，可以用水蒸气出去催化剂上的有机物，然后在2 0 0 - - 4 0 0 c 下通入空气再生。 如：将6 0 m lc r 2 0 3 c u o = 1 2 5 和含5 碳粉做成的催化剂装入内径为l 英寸的反应管 内，层高约为1 2 c m 。先通氮气升温至1 7 0 , - , , 2 0 0 。c ，再通氢气将催化剂还原，还原结束 后再升温至2 0 0 , - - - , 3 0 0 。c ，用泵将原料n 一( p 羟丙基) l - - 胺以0 3 5 9 r a i n 的速度送入反应 系统中，反应结束后，原料转化率为8 3 1 ，吡嗪收率为7 8 o 。若以0 3 9 9 m i n 的速度 通入羟丙基乙二胺，在连续反应3 h 后，原料转化率为7 8 1 ，甲基吡嗪的收率为7 4 4 。 专利中认为最适宜的温度为2 0 0 - - - 4 0 0 ，低于2 0 0 则未反应的原料较多，且脱氢反应 不充分，致使哌嗪类含量增加，产物分解的气体量也增加，吡嗪类收率降低。原料和催 化剂接触时间以4 0 - - - 7 0 秒为最好。接触时间短，原料剩余多，产品收率低。接触时间 6 心ih 硕士论文2 , 3 ，5 - 三甲基吡嗪的合成研究 长，焦油状副产物增加，不仅吡嗪类产率减少，而且催化剂活性衰退得也快。 ( 3 )乙二胺和甲醛气相催化合成法反应为： 。争瑜 h c ；n c c h sh c n c c h 3 h c n c c h s ( il iil ii1 1 ) h 。三c n c c h ：眦n 叫，v c c h x + x 力： i + i 掣姜：生一 ii i c h n h 2o h c h r 4 删热 r c ，c r 4 7 h h m m c c 2 2 h h l 绪论硕士论文 为了克服收率低的缺点，1 9 7 4 年的日本专禾0 1 3 6 1 q h 提出，单独用氧化铜或氧化铬或 用双组分铜一铬系、铜锌系、氧化铝氧化铬系、锌铬系作催化剂。载体可以用二氧化 硅、氧化铝、二氧化硅氧化铝等。最好再加入钡、锰、铅、锡、铋、钙、钴等元素作 为催化剂，以提高其活性及寿命。铜及铬的含量一般在2 0 - - 一7 0 。 专利中推进的反应条件是：反应温度3 1 1 一4 5 0 原料二胺类和二醇类的物质的量比 可以控制在1 2 ，最好同时通入水蒸汽、氮气等。若有氨气、氢气、环己烷等还原物质 存在，有利于提高吡嗪类的收率和催化剂的寿命。原料气空速为1 0 0 - - 一2 0 0 0 h 1 。 据1 9 7 4 年冈田寿太郎【37 j 在日本专利中报导，于内径1 8 m m ，长8 9 c m 的反应管内， 装入4 0 9 氧化铝催化剂，在4 0 0 下，以2 0 m l m i n 的速度通入乙二胺和乙二醇的反应 液，以c u c r 系为催化剂，若以摩尔乙二胺为基准，产物的产量2 8 7 。 专利中指出：生成吡嗪、甲基吡嗪、乙基吡嗪( 总称为吡嗪) 的总量和比例，随原 料的组成和比例及催化剂的重量而变化。德国专利及日本专利【3 8 3 9 1 ，都认为催化剂应以 氧化锌为主体，然后用浸渍法加入镁、锰、铁、钯、铅、磷、硼等元素，加入量最好是 0 1 - - - 5 。也可以用氧化铝、硅藻土、氧化铝、二氧化硅作为载体。用这种催化剂，比 用氧化铝和铜铬系为主体的催化剂，吡嗪类收率高，副产物少，催化剂寿命长。失活 的催化剂可以通入水蒸汽于4 0 0 5 0 0 下用空气氧化再生，合成时的最佳温度是 4 5 0 5 0 0 。空速随催化剂粒度不同而异：5 目时最好是1 0 0 1 0 0 0h - 1 ；1 5 目时最好是 5 0 0 5 0 0 0h - 1 。原料的溶剂可用水、苯、二甲苯、环己烷等。以氮、氨、氩、氦、氢等 低级烷烃作为稀释气。二胺类和二醇类以等摩尔混合最好，二醇类过量时能生成极微量 的其它吡嗪类副产物，二胺过量时副产物较多。若以2 ，3 丁二酮和1 ，2 丙二胺等摩尔混 合物的水溶液为原料，以氧化锌在浸入各种活性组分为催化剂，三甲基吡嗪的收率和转 化率要分别高于7 0 和8 0 。 ( 5 )由1 ，2 丙二胺和2 ，3 丁二酮缩合制得二氢化三甲基吡嗪，再在催化剂( 如 m n 0 2 、c u o 、h 2 0 2 等) 存在于醇碱溶液中脱氢制得2 ，3 ，5 三甲基吡嗪 4 0 4 9 ，该方法反 应条件相对较温和，通过控制反应条件可得到较高的收率和香气纯正的产品，但是目前 该方法工艺流程相对较复杂繁琐，而且原料消耗较大，成产成本较高。 1 3 本论文研究内容 本学位论文主要包括以下两个方面的研究内容： 1 3 11 , 2 丙二胺的合成 1 主要研究以异丙醇胺为原料通过胺化反应来制取1 ，2 丙二胺，选择合适的催化剂， 使反应在比较温和条件下进行，减少工业三废排放，探索一条对环境更加友好的工艺路 线。 8 硕士论文2 , 3 ，5 三甲基吡嗪的合成研究 2 确定最佳的反应条件：主要研究反应温度、反应时间、原料配比、催化剂用量等 对合成1 ，2 一丙二胺产率的影响，提高原料转化率和目标产物的产率。 1 3 22 , 3 ，5 三甲基吡嗪的合成 1 以1 ，2 丙二胺和2 ，3 一丁二酮为原料寻找一种更加经济、节能、环保的合成工艺， 降低原料消耗，提高转化率。 2 确定最佳的反应条件：主要研究反应时间、反应温度、原料配比、不同碱及用量等 对合成2 ，3 ，5 三甲基吡嗪。 9 21 , 2 - 丙二胺的合成硕士论文 21 , 2 丙二胺的合成 2 1 实验部分 2 1 1 实验反应方程式 h 。c u 鲁r a 1 凹i n 2 2 + n h 3 氅黔即一n 占h n 占h h 2 ，、t t、t tt， 实验实际： 名称规格 r a n e y n i 异丙醇胺 工业级 氨气 工业级 氢气 工业级 苯分析纯 主要仪器： 生产厂家 美国进口 红宝丽公司 南京特种气体有限公司 南京特种气体有限公司 上海凌峰化学试剂有限公司 高压釜g s 1 型( 威海自动反应釜有限公司) ，数字控温仪器w h f 型( 威海自动反 应釜有限公司) ，a c s 3 0 型电子计价秤( 凯丰集团有限公司) ，电子天平j y l 0 0 2 型( 上 海精密科学仪器有限公司) ，增力电动搅拌机j b 5 0 d 型( 上海标本模型厂制造) ，循环 水式真空泵s h z d ( i i i ) 型( 巩义市子华仪器有限公司) ，单向电容起动电动机y c 7 1 2 4 型( 温岭市速加电机厂) ，电热恒温鼓风干燥箱g z x g f 9 0 5 3 b s 型( 上海博泰实验设 备有限公司) ，旋转蒸发仪r e 3 0 0 0 型( 上海亚荣生化仪器厂) ，油浴加热装置t d g c 2 j 0 5 型( 龙光集团上海华习机械设备有限公司) ，电磁搅拌8 1 2 型恒温( 上海斯乐仪器有限 公司) ，三口圆底烧瓶( 2 5 0 m l ) ，球形冷凝管( b o m e x ) ，量筒( b o m e x ) ，烧杯( b o m e x ) ， 温度计( b o m e x ) 等。 检测仪器：气相色谱( a g i l e n tg c 6 8 2 0 ，氢离子火焰检测器，p e g 2 0 m 型石英毛细 管柱( 3 0 m x o 3 2 m m x 0 5 1 a m ) ，岛津( s p d 2 0 a ) 高效液相色谱，b r u k e rt e n s o r - 2 7 型红 外光谱仪( 瑞士) ，b r u k e r 3 0 0 m 核磁共振仪，t r a c ed s q ( 美国f i n n i g a n 公司) 气质联用仪， 质谱t s qq u a n t u mu l t r a a m 高分辨三重四极质谱仪，美国f i n n i g a n 公司，电喷雾 离子源( e s i ) 。 气相色谱分析条件：采用程序升温起始柱温8 0 。c ，恒温1 m i n ，升温5 c a n i n ，终温 1 0 硕士论文 2 , 3 ，5 一三甲基吡嚷的合成研究 1 2 0 ；柱流量2 m l m i n ，氢气流速3 0 m l m i n ，氧气流速3 0 0 m l m i n ，分流比5 0 ：1 ，柱 前压l o p s i ，进样量0 2 此。 2 1 3 实验操作 称取异丙醇胺7 5 0 9 和3 o g 催化剂放入高压釜中，密封好高压釜，先用氢气置换高 压釜3 次，然后通入氨气6 0 瞻，氨气通入量用电子计价秤按重量加入，通入氨气后再 通入少许氢气( 室温下总压0 5 m p a 或氢气与异丙醇胺物质的量比l ：5 ) ，设定温度在 1 6 0 0 ，然后开动搅拌，设定转速为1 0 0 0 转m i n ，开始升温，反应5 h 后结束反应，结 束反应后通冷凝水冷却，待温度降到4 0 以下开启高压釜，用循环水式真空泵抽出产物， 对产物进行减压蒸馏以得到纯品1 ，2 丙二胺同时计算产率。 2 2 实验结果与讨论 2 2 1 反应温度对实验结果的影响及讨论 在固定催化剂用量、反应时间、氢气加入量和原料配比不变的情况下考察了温度对 本反应的影响，结果列于表2 1 中。 表2 1 反应温度对实验结果的影响 注：a 表示异丙醇胺的量在7 5 0 9 条件下的异丙醇胺与氨气的物质的量的比 b 表示以异丙醇胺为基准计算的转化率 c 表示纯品1 , 2 丙二胺的实际产量与1 , 2 丙二胺的理论产量的百分比 表2 1 表明，温度对该反应的影响较大，随着温度的升高原料的转化率也随之升高， 但是目标产物的产率伴随反应温度的升高呈现出先升高后降低，温度升高到1 8 0 的时 侯原料转化率可以达到1 0 0 ，而且反应产物呈淡黄色，并且目标产物1 ，2 丙二胺产率 在温度超过1 6 0 时温度继续升高产率随之降低，副产物占主要部分，通过气质联用仪 1 1 21 , 2 - 丙二胺的合成硕士论文 分析表明该副产物为2 ，5 二甲基哌嗪【50 。，且以两种同分异构体形式存在它们的比例大约 为1 ：1 。从整个实验过程和大量的理论研究发现本反应是一个吸热反应，当温度低于 1 3 5 。c 时反应很难进行，直接影响原料异丙醇胺的转化率和目标产物1 ，2 丙二胺的产率。 因此可以得出该反应的最佳反应温度为1 6 0 。 2 2 2 反应时间对实验结果的影响及讨论 在固定催化剂用量、反应温度、氢气加入量和原料配比不变的情况下考察了反应时 间对本反应的影响，结果列于表2 2 中。 表2 2 反应时间对实验结果的影响 注：a 表示异丙醇胺的量在7 5 0 9 条件下的异丙醇胺与氨气的物质的量的比 b 表示以异丙醇胺为基准计算的转化率 c 表示纯品l ，2 丙二胺的实际产量与l ，2 丙二胺的理论产量的百分比 表2 2 表明，反应时间对该反应影响较大，随着时间的增加原料异丙醇胺的转化率 和目标产物1 ，2 丙二胺的产率分别随之增加，当时间达到5 h 后原料转化率可达到9 4 ， 且目标产物产率也可达到8 9 ，继续延长反应时间对反应的结果影响不明显，因此最佳 的反应时间应该为5 h 。 2 2 3 催化剂用量对实验结果的影响及讨论 在固定反应时间、反应温度、氢气加入量和原料配比不变的情况下，考察了催化剂 用量对本反应的影响，结果列于表2 3 中。 表2 3 表明，随着催化剂用量的逐渐增加在开始阶段这种增加对目标产物1 ，2 丙二 胺的产率影响较明显，但是对原料异丙醇胺的转化率影响并不明显，随着催化剂用量的 继续增加，当催化剂的量超过3 5 9 时，原料异丙醇胺的转化率随着催化剂的这种增加其 1 2 硕士论文2 , 3 。5 三甲基毗嗪的合成研究 受到的影响很不明显，同时目标产物1 ，2 丙二胺的产率随催化剂的用量的增加受到的影 表2 3 催化剂用量对实验结果的影响 注：a 表示异丙醇胺的量在7 5 o g 条件下的异丙醇胺与氨气的物质量的比 b 表示以异丙醇胺为基准计算的转化率 c 表示纯品1 , 2 丙二胺的实际产量与i ，2 丙二胺的理论产量的百分比 响也不明显，产生这种结果的可能的原因是原料首先在不需要催化剂的条件下先转化生 成一种中间产物，然后这种中间产物在催化剂的作用下继续反应生成最终的目标物，通 过催化剂不同用量的实验及中途取样分析也证明了上述实验结论，在进行气相色谱分析 时，中途取样分析和反应结束取样分析发现色谱峰的出峰时间完全不一样的，因此可以 判断出在反应过程中有中间产物生成，当催化剂用量增加到一定程度时，目标产物1 ，2 一 丙二胺的产率增加很不明显，综合考虑实验结果和工业化的生产成本，该反应最佳催化 剂用量应该为原料的质量4 适宜。 2 2 4 氢气加入量对实验结果的影响 在固定催化剂用量、反应温度、反应时间和原料配比不变的情况下考察了氢气加入 量对本反应的影响，结果列于表2 4 中。 表2 4 表明，氢气加入量对该反应影响较大，在不加氢气的情况下，尽管原料异丙 醇胺的转化率比较高，但是目标产物1 ，2 一丙二胺的产率相对来说却较低，随着氢气加入 量的增加，原料异丙醇胺的转化率受到的影响很不明显但目标产物1 ，2 丙二胺的产率随 之明显增加，大量的实验研究发现反应过程中有中间体生成，且该中间体需要氢气参与 反应才能将中间体转化成目标产物，因此在本反应一定要加入一定量的氢气，当氢气加 入量超过0 5 m p a 时再继续增加氢气加入的量对反应结果影响的很不明显，考虑到氢气 加入量过高可能会带来安全隐患，因为随着氢气加入量增加反应过程中总压也会增加。 21 , 2 丙二胺的合成 硕士论文 注：a 表示异丙醇胺的量在7 5 o g 条件下的异丙醇胺与氨气的物质的量比 b 表示以异丙醇胺为基准计算的转化率 c 表示纯品1 , 2 丙二胺的实际产量与1 , 2 丙二胺的理论产量的百分比 因此最佳的氢气加入量为o 5 m p a 或原料异丙醇胺与氢气的物质的量的比为5 ：1 。 2 2 5 原料配比对实验结果的影响及讨论 在固定催化剂用量、反应温度、氢气加入量和反应时间不变的情况下考察了原料配 比对本反应的影响，结果列于表2 5 中。 表2 5 原料配比对实验结果的影响 注：a 表示异丙醇胺的量在7 5 0 9 条件下的异丙醇胺与氨气的物质的量比 b 表示以异丙醇胺为基准计算的转化率 1 4 硕士论文2 , 3 ，5 三甲基吡嗪的合成研究 c 表示纯品1 , 2 丙二胺的实际产量与1 , 2 丙二胺的理论产量的百分比 表2 5 表明，原料配比对该反应影响很大，观察实验过程及理论分析发现异丙醇胺 的胺化是一个连串反应，而且异丙醇胺上氨基基团也可以发生类似于氨气发生的反应， 所以随着异丙醇胺与氨气比的增加，尽管原料的转化率减小，但是减小的幅度相对产率 的减小还是小很多的，造成这种结果的原因可能是随着氨气加入量的减少，氨气与异丙 醇胺接触反应的几率随之减少，相反异丙醇胺上的氨基与其上的羟基接触反应几率增 加，这就造成了1 ，2 丙二胺的