（化学工艺专业论文）Ritter反应合成N取代酰胺的工艺研究.pdf

硕士论文 r i t t e r 反应合成n 取代酰胺的工艺研究 摘要 本文主要研究了通过r i t t e r 反应合成烷基丙烯酰胺的工艺，并探讨了离子液体中的 r i t t e r 反应。 研究了丙酮与丙烯腈在硫酸催化作用下生成双丙酮丙烯酰胺的工艺路线。采用无溶 剂法合成了双丙酮丙烯酰胺，通过对反应影响因素的探讨，得到较佳的工艺条件为：物 质的量比n ( 丙酮) ：n ( 丙烯腈) ：n ( 硫酸) - 2 ：1 5 ：2 5 ，硫酸浓度9 5 ，反应温度为5 5 。c ，对苯 二酚0 1 9 ，反应时间为6 h ，产品收率达到7 0 以上，并成功在正己烷中实现了双丙酮 丙烯酰胺的重结晶，双丙酮丙烯酰胺的重结晶收率达到8 2 以上。 乙酸异丙酯与丙烯腈通过r i t t e r 反应生成n 异丙基丙烯酰胺。乙酸异丙酯与丙烯腈 反应的较佳工艺条件为：n ( 丙烯腈) ：n ( 乙酸异丙酯) ：n ( 浓硫酸) = 1 o ：1 5 ：3 o ，对苯二酚o 1 9 ， 水浴温度6 5 ，反应时间2 h ，产品收率达到7 0 。 研究了叔丁醇和苯乙腈在 m l m b s h s 0 4 和 t e b s a h s 0 4 两种离子液体中生成n - 叔丁基苯乙酰胺的工艺路线。通过对反应影响因素的探讨， m i m b s h s 0 4 中反应的较 佳工艺条件为：物质的量比为n ( 叔丁醇) ：n ( 苯乙腈) ：n ( m 1 m b s h s 0 4 ) = 1 2 ：1 ：2 ，反应温度 为7 5 * c ，反应时间为4 h ，产品收率达到6 2 ，且离子液体回收率达到9 9 ，并在循环 使用5 次后产品收率仍达到4 7 。 t e b s a h s 0 4 中反应的较佳工艺条件为：反应温度 为7 5 c ，物质的量比为n ( 叔丁醇) ：n ( 苯乙腈) ：n ( t e b s a h s 0 4 ) = 1 2 ：1 ：2 ，反应时间为6 h ， 产品收率达到7 0 ，且离子液体回收率达到9 9 ，并在循环使用5 次后产品收率仍达到 6 0 。 关键词：r i t t e r 反应，双丙酮丙烯酰胺，n 异丙基丙烯酰胺，离子液体 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t s y n t h e t i cm e t h o do fa u g la c r y l a m i d e sv i ar i t t e rr e a c t i o ni na q u o u ss u l f u r i ca c i do r a c i d i ci o m cl i q u i dw a ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n r e a c t i o no fa c e t o n ew i t ha c r y l o i l i 证l ei na q u o u ss u l f u r i ca c i dg a v eap r o d u c t , d i a c e t o n e a c r y l a m i d e t h er e a c t i o nw a sc a r r i e do u ti na q u e o u ss u l f u r i ca c i dw i t h o u tt h ep r e s e n c eo fa n y o r g a n i cs o l v e n t u n d e ro p t i m i z e dc o n d i t i o n s ，i e a t5 5 f o r6h o u r sw i t hm o l a rr a t i oo f a c e t o n e ，a c r y l o n i t r i l ea n ds u l f u r i ca c i d ( 9 5 ) 2 ：1 5 ：2 5 ，t h ey i e l do fd i a c e t o n ea c r y l a m i d ew a s u pt o7 0 r e c r y s t a l l i z a t i o no ft h ec r u d ed i a c e t o n ea c r y l a m i d ei nn - h e x a n eg a v ep u r i f i e d p r o d u c ti n8 2 y i e l d r i t t e rr e a c t i o no fi s o p r o p y la c e t a t ea n da c r y l o n i t r i l ei na q u o u ss u l f u r i ca c i dg a v e n i s o p r o p y l a c r y l a m i d e u n d e ro p t i m i z e dc o n d i t i o n s ，i e a t6 5 cf o r2h o u r s 谢n lm o l a rr a t i o o fa c r y l o n i t r i l e ，i s o p r o p y la c e t a t ea n dc o n c e n t r a t e ds u l f u r i ca c i d1 0 ：1 5 ：3 0i nt h ep r e s e n c eo f 0 1gh y d r o q u i n o n e ，t h ey i e l do ft h ep r o d u c tw a su pt o7 0 r e a c t i o no ft e a - b u t y la l c o h o la n dp h e n y l a c e t o n i t r i l ei ni o n i cl i q u i d s ，【m i m b s h s 0 4a n d 【t e b s a h s 0 4 ，g a v eap r o d u c to fn - t e r t - b u t y l - 2 - p h e n y la c e t a m i d e w h e nt h er e a c t i o nw a s c a r r i e do u ti n m i m b s h s 0 4 埘t hm o l a rr a t i oo ft e r t - b u t y la l c o h o l ，p h e n y l a c e t o n i t r i l ea n d m i m b s h s 0 41 2 ：1 ：2f o r4h o u ra t7 5 c ，t h ey i e l do f t h ep r o d u c tw a s6 2 9 9 o f t h ei o n i c l i q u i dw a sr e c o v e r e da n dm u s e di nt h er e a c t i o n t h ey i e l do ft h ep r o d u c tw a s4 7 a f t e r r e c y c l i n g5t i m e s w h e nt h er e a c t i o nw a sc a r r i e do u ti n t e b s a h s 0 4 研t 1 1m o l a rr a t i oo f t e r t b u t y la l c o h o l ，p h e n y l a c e t o n i t r i l ea n d t e b s a h s 0 41 2 ：1 ：2f o r6h o u ra t7 5 c ，t h ep r o d u c t w a so b t a i n e di n7 0 y i e l d 9 9 o ft h ei o n i cl i q u i dw a sr e c o v e r e da n dr e u s e di nt h er e a c t i o n t h e y i e l do f t h ep r o d u c tw a s6 0 a f t e rr e c y c l i n g5t i m e s k e y w o r d s ：r i t t e rr e a c t i o n , d a a m ，n i p a m ， i o n i cl i q u i d 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： 聋塾绛 勿f 。年明加日 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： 差套堑鉴 少，p 年多月少日 硕士论文r i t t e r 反应合成n 取代酰胺的工艺研究 1 前言 1 1r i t t e r 反应的机理和催化剂 1 1 1r i f l e r 反应的机理 1 9 4 8 年，化学家j j r i t t e r 和p p m i i l i 积发现腈与烯烃或叔醇在酸性介质中反应生 成n 叔烷基酰胺【。后来，就把腈和容易生成碳正离子的化合物( 如烯、醇、羧酸，酯 和酮等) 在强酸存在条件下得到n 取代酰胺的反应称作r i t t e r 反应【2 j 。 不仅氰化氢和脂肪族腈能发生此反应，许多芳香腈和不饱和腈、二腈、偕醇腈、腈 酸及其酯类都能发生这个反应。除了烯和醇可作为碳正离子的来源外，二烯、脂环醇、 氯代烷、二元醇、醛、氯代醇、醚、羧酸、酯、酮和酮肟等亦能发生这个反应。 r i t t e r 反应通式如下t r 毒+ 萨创 r 2 h + r 1 - o h + r 2 - c n 上 h s c 孓n 员带 r h r ，；j 丫r 2 o r j t t e r 反应的发生主要是由于在强酸催化下烯烃、醇等物质容易形成碳正离子中间 体，而氮原子可以接受强的亲电试剂的进攻。 以烯与腈类的r i t t e r 反应为例，反应机理【3 】如下： r 1 l 产一 r 2 h 3 0 + 母8 h 2 一卜帆 新n o r 弓。q 喊一一 r 码赫i 一 o 、 h h 量彳n 管 图1 1r i t t e r 反应的机理 f i g 1 1m e c h a n i s mo f r i t t e rr e a c t i o n 掣o y 即 1 前言硕士论文 1 1 2r i t t e r 反应的催化剂 催化剂的研究是r i t t e r 反应研究的最核心部分。r i t t e r 反应一般是在强酸( 如浓硫酸) 中发生的，反应中，硫酸可与正碳离子中间体结合形成相应的硫酸酯，溶解在反应介质 中。反应结束后，需加水分解硫酸酯才能分离出产物，同时硫酸被稀释，给硫酸的循环 使用造成困难【4 】。为了便于催化剂的回收利用，支持绿色化学的倡导【5 。，人们研究出了 各种催化剂，如( c f 3 s 0 2 ) 2 0 8 ，b f a e t 2 0 9 1 ，m e s 0 3 i - - i f a l 2 0 3 1 0 1 ，c o c l 2 a c 2 0 【1 l 】，高硅 m f i 沸石【1 5 1 ，p 2 0 5 s i 0 2 1 2 1 ，h 3 p w l 2 0 4 0 1 3 1 ，p m a s i 0 2 【1 锕，f e c l 3 - 6 h 2 0 1 6 】等。下面介绍 几种主要的催化剂： ( 1 ) p m a s i 0 2 催化剂 p m a ( 聚丙烯酸甲酯) 是一种固体酸，将其负载到s i 0 2 上形成负载酸p m a s i 0 2 ，用 它代替无机强酸如硫酸作催化剂有不易腐蚀反应容器、产品易分离、工艺简单、有效减 少三废污染和催化剂能重复使用等优点。 j s y a d a v ，b v ，s u b b ar e d d y 等人在文献f 】4 】中报道，p m a s i 0 2 催化剂对各种醇参 加的r i t t e r 反应都具有很好的催化作用，且具有廉价、绿色、高效、可回收等优点。 斗。h + 可cn一05 m 0 1 p m a - s i 0 2 扩科k p m a s i 0 2 催化该反应是在无溶剂的条件下进行的，降低了成本，催化剂易于回收， 而且有效提高了产品收率。 ( 2 ) c o c l 2 a c 2 0 催化剂 m a n o jm u k h o p a d h y a y 等人在文献【l l 】中报道了使用c o c l 2 a c 2 0 催化r i t t e r 反应，它 能催化烯丙基醇( 酯) 生成烯丙基酰胺，该催化剂起初用于催化伯醇和仲醇生成酯，但以 叔醇为底物时收率较低，因此它为r i t t e r 反应开拓了一个新的研究方向。 c o c l 2 a c 2 0 催化的r i t t e r 反应式如下： o h c o c l 2 n lh a c甲h a c r 协嚼r 坛r + r r ( 3 ) 高硅m f i 沸石催化剂 高硅m i 型沸石( z s m 5 沸石) 分子筛骨架中不含铝，具有开放的孔道结构，表面不 存在强静电中心，该沸石水热及热稳定性很高，固体酸性质特殊。 t o s h i oo k u s a r a 等在文献【1 5 】中报道，高硅m f i 沸石催化剂对仲醇类参加的r i t t e r 反应 具有很好的催化促进作用，得率优于其他固体酸，且可以在7 7 3 k 高温煅烧回收。 高硅m i 型沸石催化的r i t t e r 反应式如下： 2 硕士论文r i t t c r 反应合成n - 取代酰胺的工艺研究 o h + 允n 巳介； 丫 6 i ( 4 ) f e c l 3 - 6 h 2 0 催化剂 b r u n oa n x i o n n a t 在2 0 0 9 年的最新文献 1 6 1 中报道了f e c l 3 能够活化苄醇类物质产生 碳正离子中间体，从而催化r i t t c r 反应生成n 取代酰胺。该催化剂是一种优良的新型催 化剂，具有使用安全、污染小、廉价易得等优点，但是溶剂效应对于反应收率有较大影 响，合理选择溶剂能更好的促进反应。 f e c l 3 6 h 2 0 ( 10 m 0 1 ) h 2 0 ( 2 e q u i v ) m e c n ，1 5 ( j l f e c l 3 。6 h 2 0 ( 1 0 m 0 1 )。 h z o ( 2 e qu i v ) 夕入c n ，15 0 1 2r i t t e r 反应在合成方面的应用 ( 7 7 哟 ( 6 6 呦 r i t t e r 反应广泛应用于有机合成方面【l 刀。早在1 9 4 9 年，j o h aj r i t t c r 和j o s e p hk a l i s h 就报道了在浓硫酸催化下，利用腈与烯烃反应首先生成中间体n 取代酰胺，然后将其 水解便可得到相应的胺类化合物【1 8 1 。在当今有机合成研究中，r i t t e r 反应受到越来越多 的关注，可用于合成各种药物和功能材料的中间体。以下是其合成应用的一些典型实例。 1 2 1 双丙酮丙烯酰胺的合成 双丙酮丙烯酰胺( d a a 峋是一种新型的乙烯基功能单体，它具有两种反应性基团： 甲酮和n 取代的酰胺，极易与其他乙烯基单体共聚，从而向聚合物中引入酮羰基，利用 酮羰基活泼的化学性质，使聚合物发生交联接枝等反应，用于制备各种增稠剂、粘合剂、 交联剂、纸张补强剂等，是一种非常重要的化工产品【1 9 】。 据文献报道 2 02 1 1 ，合成双丙酮丙烯酰胺主要有以下四条路线： ( 1 ) 以丙烯腈和丙酮为原料，浓硫酸为催化剂； ( 2 ) 以丙烯腈和二丙酮醇为原料，浓硫酸为催化剂； ( 3 ) 以二丙酮醇和丙烯酰胺为原料，杂多酸或阳离子交换树脂为催化剂； ( 4 ) 以异丙叉丙醇和丙烯酰胺为原料，杂多酸或阳离子交换树脂为催化剂。 在文献【2 2 】中，采用了经i 主1 r i t t e r 反应合成双丙酮丙烯酰胺的工艺流程，产品收率为 5 8 6 。 1 前言硕士论文 反应式如下所示： 叉+ 殄c 芦村h 1 2 2n 异丙基丙烯酰胺的合成 n 异丙基丙烯酰胺为聚丙烯酰胺衍生物的单体，由于分子内有亲水性的酰胺基和疏 水性的异丙基，其均相聚合物具有较低的临界溶解温度( l c s t ) 等良好特性。由于其聚合 物具有在3 2 c 以下呈水溶性，3 2 c 以上呈水不溶性这一特殊的溶解特性，正在开发用于 制造某些感温性聚合物凝胶的原料】。 n 异丙基丙烯酰胺的合成有两条路线，以异丙胺和丙烯酰氯为原料的合成路线和以 异丙醇和丙烯腈为原料的合成路线【2 4 。2 5 1 。 谢磊冽研究了乙酸乙酯或苯为反应介质，丙烯酰氯和异丙胺为原料，活性二氧化锰 氧化芳醛与氰化钠的混合物为催化剂合成n 异丙基丙烯酰胺的方法，收率达到8 5 以 上，但是由于催化剂的价格昂贵和反应步骤多不易采用。 以异丙胺和丙烯酰氯为原料的合成路线如下： 、o， h + 吖a 一姒n 久- 。 o h 付玲【2 5 1 研究了异丙醇与丙烯腈在浓硫酸催化下合成n 异丙基丙烯酰胺的方法，最佳 条件下得到产品收率为5 4 2 ，但异丙醇和丙烯腈为原料经r i t t e r 反应合成| n 异丙基丙烯 酰胺存在产物分离困难，收率低等问题。 以异丙醇和丙烯腈为原料经r i t t e r 反应合成n 异丙基丙烯酰胺的反应式如下： i 广o h f + 允n j n h 1 2 3n 苄基丙烯酰胺的合成 n 苄基丙烯酰胺( n b a a ) 是重要的有机合成单体和高聚物合成单体，主要用于聚合 物的合成。n b a a 能赋予聚合物独特的特性，如增加聚合物的弹性，增强聚合物对水、 化学物质、热的抵抗性，提高聚合物膜的粘附力和抗静电性能等，应用范围广。n b a a 在药物控制释放、生物分离工程、传感器材料等方面也具有潜在的应用价值。 合成n 苄基丙烯酰胺的技术路线主要有4 条【2 6 】： 一是丙烯酸酯的氨解反应； 二是丙烯酰氯的氨解反应； 三是苄胺直接与丙烯酸进行酰胺化反应； 四是丙烯酰胺的n 苄基化反应。 4 硕士论文r i t t e r 反应合成n 取代酰胺的工艺研究 这4 条合成路线都不同程度地存在缺点，或分离复杂，或反应温度高，或成本高等， 均难以实现工业化应用。 在文献2 刀中，采用了经由r i t t e r 反应合成目标化合物的工艺流程，成功地提高了产 品收率，在最佳条件下，n b a a 收率可达9 2 。 o h + 分c no 佾h 弋办n 、。a l l o 1 2 4n - 取代酰胺水解合成相应的胺和羧酸 另外，n 取代酰胺水解能得到相应的酸和胺，如乙酸、苯乙酸、叔辛胺等。它们其 中的一些酸和胺具有较好的工业价值，也是重要的有机中间体。本课题组前期在这方面 也做了一定的研究澄3 0 】。 李赳2 8 1 研究了二异丁烯与乙睛在硫酸催化下反应生成n 1 ，1 ，3 ，3 四甲基丁基乙酰胺， 然后水解该中间体合成叔辛胺的工艺路线。提出了有溶剂法和无溶剂法两种合成中间体 n 1 ，1 ，3 ，3 。四甲基丁基乙酰胺的方法。而中间体的水解反应文献以乙二醇作溶剂，叔辛胺 得率6 8 。李建提出以水作溶剂水解得率8 3 以上，较文献的乙二醇法高1 5 。综合两 步反应，以二异丁烯计量，叔辛胺的最高总得率约为7 5 ，生产一吨叔辛胺的原料成本 不高于两万元人民币。 张述君1 2 9 】进一步改进了叔辛胺的合成方法。中间体n 1 ，l ，3 ，3 四甲基丁基乙酰胺的合 成与原实验工艺路线相比，改变了投料方式，简化了操作，节省了原料。并在中间体水 解实验中尝试加入相转移催化剂，改善了实验条件，收率由8 3 提升到9 8 左右，为工 业化生产提供了更加合理的工艺参数。 韩明吲3 0 】研究了二异丁烯( 或叔丁醇) 与苯乙腈在硫酸催化作用下生成n 叔辛( 丁) 基 苯乙酰胺中间体，然后通过相转移催化法水解中间体得到叔辛( 丁) 胺并联产苯乙酸的工 艺路线。中间体收率达到9 5 ( 9 6 ) ，水解采用相转移催化法，以水作反应溶剂，叔辛 胺和苯乙酸的收率均达至1 j 9 2 ( 9 0 ) 左右。苯乙酸也是重要的有机中间体，采用联产苯 乙酸的工艺合成叔烷基胺提高了原子经济性，有工业应用的前景。 1 2 5r i t t e r 反应的其他应用 盐酸美金刚胺【3 1 】是一种非竞争性的n 甲基d 天冬氨酸受体拮抗剂，最初用于治疗 帕金森症。近年来，盐酸美金刚胺也成为了涵盖中度及重度痴呆症的特效治疗药物。 王少仲等在文酬3 2 】中报道了无溶剂条件下锅法完成卤代、砌t t e r 反应，合成了1 乙酰胺基3 ，5 二甲基金刚烷，不用分离中间体直接醇解、水解，得到1 氨基一3 ，5 二甲基 金刚烷，最后用盐酸成盐得到目标产物。 l 前言硕士论文 由此可以看出r i t t e r 反应在现今有机合成中有着非常重要的作用，对医药、农药和 橡塑助剂等领域的发展都有着重要的意义。 1 3 课题的研究方案 本课题组前面已经研究过二异丁烯与乙腈( 苯乙腈) 通过p a t t e r 反应生成n 叔辛基乙 酰胺中间体，再将其水解得到叔辛胺，取得了很好的效果，并己应用于工业化生产。 为了进一步拓展r i t t e r 反应在工业上的应用，本文首先研究丙烯腈与丙酮、双丙酮 醇或异丙醇及其酯间的r i t t e r 反应，希望通过催化剂和反应条件的优化，开发出合成双 丙酮丙烯酰胺和n 异丙基丙烯酰胺的工艺。 为了便于催化剂的回收利用，更好的促进r i t t e r 反应的进行，实现清洁生产，参考 本课题组的前期研究工作和相关文献【3 3 。3 4 】，本文还将探讨离子液体中进行r i t t e r 反应的 可能性。拟采用磺酸型离子液体 m i m b s h s 0 4 和 t e b s a h s 0 4 替代硫酸来促进r i t t e r 反应，并研究离子液体的回收和循环使用。 课题的具体研究内容主要分为以下四方面： ( 1 ) 以丙酮与丙烯腈为原料制备双丙酮丙烯酰胺 。 人+ 夕入c n o l o m n 彤 i h 对丙酮与丙烯腈的反应条件进行改进，探索在无溶剂条件下硫酸催化酰胺化反应条 件，降低生产成本，尽可能提高产品纯度和收率。 ( 2 ) 以乙酸异丙酯和丙烯腈为原料制备n 异丙基丙烯酰胺 为了克服由异丙醇和丙烯腈为原料经r i t t e r 反应合成n 异丙基丙烯酰胺存在的产物 分离困难，收率低等问题，尝试以乙酸异丙酯( 代替异丙醇) 与丙烯腈为原料生产n 异丙 基丙烯酰胺的工艺，对反应条件进行探索，找出适宜的反应条件，进而改进n 异丙基 丙烯酰胺的生产工艺。 反应式如下： oiu 殄c n + 八。人上钳目丫 6 ( 3 ) 离子液体催化r i t t e r 反应合成n 叔丁基苯乙酰胺 6 硕士论文r i t t e r 反应合成n 取代酰胺的工艺研究 以叔丁醇和苯乙腈的r i t t e r 反应为探针反应，研究在两种磺酸型离子液体 【m i m b s h s 0 4 和i t e b s a h s 0 4 中进行r i t t e r 反应的可能性，并考察离子液体的回收利 用对反应的影响。 叔丁醇与苯乙腈的反应式如下： 十h + c 也迎9 1 n r ( 4 ) 探讨铁氰化钾与醇反应合成n - 取代甲酰胺的可能性 利用氢氰酸与腈的r i t t e r 反应可以合成n 取代甲酰胺，但氢氰酸的毒性限制了其在 工业上的广泛应用。论文尝试以无机物铁氰化钾作为供氰体与醇反应合成n 取代甲酰 胺，为n 取代甲酰胺的合成探索更为安全的合成路线。 宰h 2 0 h h +g h 2 n h 一暮h 0 川融m d 一囟 7 2r i t t e r 反应合成n 取代丙烯酰胺的工艺研究 硕士论文 2r i t t e r 反应合成n 取代丙烯酰胺的工艺研究 2 1 双丙酮丙烯酰胺的合成研究 2 1 1 实验仪器、试剂和操作步骤 2 1 1 1 实验仪器 j b 5 0 d 型增力电动搅拌器上海标本模型厂 数显恒温水浴锅h i - i 2国华电器有限公司 r e 5 2 c 旋转蒸发器上海亚荣生化仪器厂 电子天平天津市天平仪器有限公司 d z f 1 5 0 型数显恒温正空干燥箱郑州长城科工贸有限公司 z f - 1 型三用紫外分析仪上海顾村电光仪器厂 w a t e r s 6 0 0 型液相色谱仪美国w a t e r s 公司 b r u k e rd r x5 0 0 核磁共振仪 德国b r u k e r 公司 s h z d 循环水式真空泵巩义市予华仪器有限公司 2 1 1 2 实验试剂 丙酮a r国药集团化学试剂有限公司 丙烯腈工业品金坛东风化工公司 硫酸 a r 上海中试化工总公司 氨水 a r 南京化学试剂一厂 对苯二酚 c p国药集团化学试剂有限公司 石油醚( 3 0 - 6 0 ) a r北京益利精细化学品有限公司 正己烷a r国药集团化学试剂有限公司 环己烷 a r 国药集团化学试剂有限公司 石油醚( 6 0 - 9 0 ) a r 北京长海化工厂 2 1 1 3 反应式与反应机理 丙酮与丙烯腈生成双丙酮丙烯酰胺的反应式如下： 叉+ 夕c n 三u n 心 人+ 夕c n lm n 肜 硕士论文r i t t e r 反应合成n 取代酰胺的工艺研究 反应原理如图2 1 所示，丙酮在浓硫酸催化下发生羟醛缩合反应生成二丙酮醇，二 丙酮醇再与丙烯腈反应，生成环状中间体，中间体再与氨水反应得到双丙酮丙烯酰胺。 i i i堂垒， 人瑕 冒。h s 0 e 4 人术 o 甲h 人 i二 小 多入c n 图2 1 丙酮与丙烯腈的反应原理 f i g 2 1r e a c t i o nm e c h a n i s mo f a c e t o n ea n da c r y l o n i t r i l e 2 1 1 4 实验操作 将二定比例的丙烯腈和丙酮加入2 5 0m l - - n 烧瓶，加入o 1 9 对苯二酚作为阻聚剂， 冰水浴充分搅拌下缓慢滴加浓硫酸，控制反应温度低于4 0 ( 3 ，滴加完毕后，升高至一定 温度，保温反应。反应结束后，冷却至室温，在温度低于3 0 ( 2 下缓慢滴加浓氨水中和至 p h 约为7 5 ，过滤除去硫酸铵，用乙酸乙酯洗涤硫酸铵，合并滤液，分出有机相，旋蒸 有机相，称重，再对有机相进行水洗和盐析，用乙酸乙酯萃取，旋蒸有机相，加入少量 石油醚( 3 0 6 0 ) 析出粗产品，过滤，真空干燥得双丙酮丙烯酰胺固体，m p 5 6 - 5 8 。c ( 文 献值：m p 5 5 5 7 。c t 3 匀) 。 2 1 2 结果与讨论 2 1 2 1 硫酸浓度对反应的影响 研究了硫酸浓度对反应收率的影响，结果列于表2 1 中。 表2 1 硫酸浓度对反应的影响。 t a b l e2 1c o n c e n t r a t i o no f h 2 s 0 4o nt h er e a c t i o n 注：4 丙酮和丙烯腈的物质的量比n ( 丙酮) ：n ( 丙烯腈) ：2 3 ：1 0 ，丙烯腈用量为0 1 m o l ，硫酸用量为 0 2 5 m o l ，对苯二酚0 1 9 ，反应温度4 5 ，反应时间4 h 。 由上表的结果可以看出，硫酸浓度即硫酸中含水量对产品得率有较大的影响：随着 9 告 一麓 2r i t t e r 反应合成n 取代丙烯酰胺的工艺研究硕士论文 硫酸浓度的提高，产率先增后减，而且硫酸浓度稍低的话产率会迅速降低，本着产率高、 原料价廉易得，操作方便考虑选择硫酸浓度为9 5 。 2 1 2 2 硫酸用量对反应的影响 研究了硫酸用量对反应收率的影响，结果列于表2 2 中。 表2 2 硫酸用量对反应的影响。 t a b l e2 2d o s a g eo fh 2 s 0 4o nt h er e a c t i o n 注：。丙酮和丙烯腈的物质的量比n ( 丙酮) ：n ( 丙烯腈) _ 2 3 ：1 0 ，丙烯腈用量为o 1 m o l ，硫酸浓度为9 5 ， 对苯二酚o 1 9 ，反应温度4 5 ( 2 ，反应时间4 h 。 由上表可知，硫酸用量的适当增加可提高产品收率，这也可以从r i t t e r 反应的机理 得到解释：硫酸作为一种反应物也参加反应，硫酸用量增加有利于产物的生成，提高丙 酮的转化率，从而提高产品收率。硫酸用量对产率影响较大且硫酸用量较低的话产率会 迅速降低，本着产率从优且经济性的考虑硫酸用量选择0 2 5 m o l 。 2 1 2 3 反应时间对反应的影响 研究了反应时间对反应收率的影响，结果列于表2 3 中。 表2 3 反应时间对反应的影响。 m l b l e2 3e f 耗c to f r e a c t i o nt i m eo nt h er e a c t i o n 注：1 丙酮和丙烯腈的物质的量比n ( 丙酮) ：n ( 丙烯腈) - 2 3 ：1 0 ，丙烯腈用量为o 1 m o l ，硫酸浓度为9 5 ， 硫酸用量0 2 5 m o l ，对苯二酚o 1 9 ，反应温度4 5 。 由上表中可知，产品收率随着反应时间的延长而发生一定的变化。由于随着反应时 间的延长，浓硫酸对反应物的氧化作用就越强，副反应就越多，副产物就越多，而且不 同反应时间得到的产品纯度不同。由此可见，反应时间对产品产率和纯度都有较大影响， 综合考虑产率和纯度，取反应时间4 5 h 较合适。 2 1 2 4 反应温度对反应的影响 研究了反应温度对产物收率的影响，结果列于表2 4 中。 1 0 硕士论文 p a t t e r 反应合成n 取代酰胺的工艺研究 表2 4 温度对反应的影响。 t a b l e2 4e f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h er e a c t i o n 注：。丙酮和丙烯腈的物质的量比n ( 丙酮) ：n ( 丙烯腈) = 2 3 ：1 0 ，丙烯腈用量为o 1 m o l ，硫酸浓度为9 5 ， 硫酸用量0 2 5 m o l ，对苯二酚0 1 9 ，反应时间4 h 。 从上表中可知，产品收率随着反应温度的升高先增加后减少。但是不同反应温度得 到的产品纯度不同。综合考虑产率和纯度，确定反应温度为4 5 c 较合适。 2 1 2 5 原料配比对反应的影响 研究了丙酮与丙烯腈原料配比对反应收率的影响，结果列于表2 5 中。 表2 5 原料配比对反应的影响。 t i b l e2 5e f f e c to f t h er a t i oo nt h er e a c t i o n 注：4 丙酮用量为0 2 m o l ，硫酸浓度为9 5 ，硫酸用量0 2 5 m o l ，对苯二酚o 1 9 ，反应时间4 h ，反应 温度4 5 。o 以丙酮为基准。 由上表可见，在实验研究的范围内不同原料配比对产率和纯度均有影响，但不显著。 2 1 2 6 阻聚剂对反应的影响 研究了阻聚剂对反应收率的影响，结果列于表2 6 中。 表2 6 阻聚剂对反应的影响。 t a b l e2 6e 仃e c to fi n h i b i t o ro nt h er e a c t i o n 阻聚剂有机相质量馆产品质量儋收率觞h p l c 无 1 3 99 05 3 37 3 2 对苯二酚o 1 9 1 3 1 9 4 5 5 79 8 1 对甲氧基酚0 1 9 1 2 39 25 4 48 7 9 硫磺 1 2 58 75 1 5 8 8 4 注：。丙酮和丙烯腈的物质的量比n ( 丙酮) ：n ( 丙烯腈户2 0 ：1 1 ，丙酮用量为0 2 t o o l ，硫酸浓度为9 5 ， 硫酸用量0 2 5 m o l ，反应时间4 h ，反应温度4 5 3 2 。 由上表可以看出加入阻聚剂对反应有较大影响，如不加入阻聚剂产品纯度得不到保 2r i t t e r 反应合成n 取代丙烯酰胺的工艺研究硕士论文 证。对比对苯二酚和对甲氧基酚两种阻聚剂，对苯二酚效果更好。 2 1 3 正交实验优化实验条件 2 1 3 1 因素水平的选取 在以上实验的基础上，得到该反应三个重要影响因素：反应温度、反应时间及原料 配比。接下来主要对反应温度、反应时间及原料配比这三个因素作综合考察，通过正交 实验获取较好的工艺条件。 选取四因素三水平正交表( 表2 7 ) ，其中- n 为空白列，三因素为：a 原料配比，b 反应温度，c 反应时间。 表2 7 因素水平表 t a b l e2 7f a c t o r sa n dl e v e l so f l 9 ( 3 3 ) o r t h o g o n a ll a y o u t a l a 1 a l a 2 a 2 b l b 2 b 3 b l b 2 a 2b 3 a 3b l c l c 2 c 3 c 2 c 3 c l c 3 1 5 7 1 4 6 1 4 1 1 6 3 1 7 1 1 5 4 1 7 8 5 2 2 6 4 0 5 8 6 6 2 7 5 9 3 5 4 1 6 8 6 8a 3b 2c l1 8 5 6 7 8 9 a 3b 3c 21 7 25 7 7 k i 1 7 4 81 8 3 51 7 4 1 k 2 1 7 6 11 9 1 11 8 4 4 k 3 1 9 4 11 8 0 51 8 6 5 k l 5 8 36 1 2 5 8 0 k 2 5 8 76 3 7 6 1 5 k 3 “75 6 86 2 2 r 6 4 6 94 2 1 2 1 2 3 4 5 6 7 硕士论文 r i b c r 反应合成n 取代酰胺的工艺研究 注：4 丙酮用量为0 2 m o l ，原料配比为n ( 丙酮) ：n ( 丙烯腈) ，硫酸浓度为9 5 ，硫酸用量0 2 5 m o l ，对 苯二酚0 1 9 。 2 1 3 2 正交实验讨论 正交实验结果如表2 8 。由表2 8 可见，反应温度对反应结果有重大影响，在所研究 的温度范围内，随着反应温度的升高，产率先增加后降低。温度太低反应时间可能更久， 影响反应的进行，温度过高则会有较多的副反应发生，而且还会造成原料的挥发而降低 产品收率。原料配比对反应也有较大影响，随着反应配比的提高，反应更充分，产率也 有相应的提高。反应时间对反应也有影响，从正交实验结果看，随着反应时间的延长， 产品收率有一定的增加，但是产品的纯度会受到一定的影响，所以需要适当地控制反应 时间。 2 1 3 3 优化条件下的实验 由正交实验及以上分析得到反应的优化工艺条件为：物质的量比n ( 丙酮) ：n ( 丙烯 腈) ：n ( 硫酸) - 2 ：1 5 ：2 5 ，硫酸浓度9 5 ，反应温度为5 5 c ，对苯二酚0 1 9 ，反应时间为 6 h 。在此条件下进行多次重复实验，效果均较好。 实验数据如表2 9 所示： 表2 9 平行实验3 t a b l e2 9p a r a l l e le x p e r i m e n t 注：4 物质的量比为n ( 丙酮) ：n ( 丙烯腈) ：n ( 硫酸( 9 5 ) 产2 ：1 5 ：2 5 ，丙酮用量为0 2 m o l ，对苯二酚o 1 9 ， 反应时间为6 h ，反应温度5 5 。 2 1 4 产品的重结晶和结构表征 2 1 4 1 实验操作 将l g 双丙酮丙烯酰胺粗产品溶于适当的热溶剂中制成饱和溶液，水浴回流一定时 间，将热溶液趁热抽滤，以除去不溶的杂质，将滤液低温冷却一定时间，使结晶析出， 滤出结晶，必要时用适宜的溶剂洗涤结晶，真空干燥，称重。 2 1 4 2 结果与讨论 i 研究了重结晶溶剂对收率的影响，结果列于表2 1 0 中。 2r i t t e r 反应合成n 取代丙烯酰胺的工艺研究硕士论文 表2 1 0 重结晶溶剂对收率的影响 t ，l b l e2 10e f f e c to fs o l v e n to r lt h ey i e l d 注：1 石油醚4 重结晶所得产品呈微黄色，环己烷+ 熔点较低，冷冻时凝固，未得到重结晶产品；粗品 纯度为9 1 1 2 ，呈淡灰色。 由上表可以看出不同的重结晶溶剂所得到的重结晶效果是不一样的，从产品的外观， 纯度和得率来综合考虑，石油醚( 6 0 - 9 0 ) 所得的纯度和得率最高，但是考虑石油醚是混合 物，较难除尽，正己烷与其效果相差不大，选用正己烷作为结晶溶剂。 i i 研究了重结晶溶剂用量对收率的影响，结果列于表2 1 1 中。 表2 1 1 溶剂用量对收率的影响。 t a b l e2 1id o s a g eo fs o l v e n to nt h ey i e l d 注：。正己烷重结晶所得产品呈微黄色，粗品纯度为9 1 1 2 ，呈淡灰色。 由上表可以看出不同的重结晶溶剂用量所得到的重结晶效果也是不一样的，从产品 的纯度、色泽和得率来综合考虑，选用5 0 m l 正己烷作为重结晶溶剂。 2 1 4 3 产物结构表征 1 hn m r 检测双丙酮丙烯酰胺结构，图谱如图2 2 所示： 1 4 硕士论文r i t t e r 反应合成n 取代酰胺的工艺研究 6cdcl31 mn 豫b r u k e rd 1 0 c5 a 02 n 0 9 1 0 2 2 萎善 善暑詈兰娶曼善暑量毫宝量誉暑 r ：0 茁0 0 d 茹r ； fn 划矽矽 毒写；鞲霹；罢毒i ；罨器靼篙罨i i 器毒詈 n 沁n 沁l j 3 趟锵 lj j 瀚苗自目 图2 2 双丙酮丙烯酰胺的图谱( c d c l 3 ) f i g 2 21 hn m rs p e c t r u mo fd a a m 双丙酮丙烯酰胺的1 hn m r 图谱解析： 8 = 1 3 4 5 处单峰为c l 和c 2 两个甲基上六个氢的峰； 8 = 2 0 1 6 处单峰为c 3 甲基上氢的峰； 8 = 2 9 3 2 处峰为c 4 两个上氢的峰； 8 = 5 5 9 9 5 6 6 9 处多重峰为c 5 上一个氢的峰； 8 = 6 0 5 0 - - 6 2 8 1 处多重峰为c 6 上二个氢的峰； 6 = 7 3 8 8 处单重峰为n 上一个氢的峰； 1 hn m r 结果与产物双丙酮丙烯酰胺结构吻合。 2 1 5 本节小结 本文主要研究了以丙酮和丙烯腈为原料，通过r i t t e r 反应合成双丙酮丙烯酰胺的工 艺条件。在酰胺化反应过程中，通过单因素分析法和正交实验法，成功找到较好的工艺 条件，产品收率达到7 0 以上，比文献陋】提高了1 0 以上。且在双丙酮丙烯酰胺的重结 晶过程中，成功用正己烷完成了对双丙酮丙烯酰胺的重结晶，双丙酮丙烯酰胺的重结晶 收率达到8 2 以上。 2r i t t e r 反应合成n 取代丙烯酰胺的工艺研究硕士论文 2 2n - 异丙基丙烯酰胺的合成研究 2 2 1 实验仪器、试剂和操作步骤 2 2 1 1 实验仪器 m 5 0 d 型增力电动搅拌器 数显恒温水浴锅h h 2 r e 5 2 c 旋转蒸发器 电子天平 d z f 1 5 0 型数显恒温正空干燥箱 z f 1 型三用紫外分析仪 w a t e r s 6 0 0 型液相色谱仪 b r u k e rd r x5 0 0 核磁共振仪 s h z d 循环水式真空泵 2 2 1 2 实验试剂 上海标本模型厂 国华电器有限公司 上海亚荣生化仪器厂 天津市天平仪器有限公司 郑州长城科工贸有限公司 上海顾村电光仪器厂 美国w a t e r s 公司 德国b r u k e r 公司 巩义市予华仪器有限公司 乙酸异丙酯 a r南京化学试剂有限公司 丙烯腈 工业品金坛东风化工公司 硫酸a r上海中试化工总公司 氨水a r南京化学试剂一厂 正己烷 a r 国药集团化学试剂有限公司 氯化钠 a r国药集团化学试剂有限公司 2 2 1 3 反应式与反应机理 由于异丙醇和丙烯腈为原料经r i t t e r 反应合成n 异丙基丙烯酰胺存在的产物分离困 难，收率低等问题1 2 5 ，有文献报道1 3 q 羧酸酯与腈也可发生r i t t e r 反应生成n 取代酰胺， 借鉴文献方法，研究由乙酸异丙酯与丙烯腈经r i t t e r 反应合成n 异丙基丙烯酰胺的工艺。 反应式如下： 允n + 凡人j l 钳纣丫 6 l 反应原理如图2 3 所示，乙酸异丙酯在浓硫酸催化下与丙烯腈反应，首先生成中间 体，中间体再与氨水反应得到n - 异丙基丙烯酰胺。 1 6 硕士论文r i t t e r 反应合成n 取