n-氨乙基吗啉绿色化学合成工艺研究

n-氨乙基吗啉绿色化学合成工艺研究

氨基乙醇基二羧基，即n-2-氨基丙烯酸，是抗抑郁药物二氯贝胺的重要手段。二氯贝胺是一种新型的单氨基丙烯酸抗抑郁剂，具有可逆性和选择性。异丙醇和苯乙烯等早期单胺磺酸没有出现对肝脏造成严重伤害的风险。它对抗抑郁和缺氧也有效。尤其适用于患有心脏和肾脏疾病的老年人。合成N-(2-氨乙基)吗啉的方法有如下几种.1)乙二胺法,即用2,2’-二氯二乙醚和乙二胺在60℃下反应,产物中除了产品外还有氯化氢及一系列副产物.其中2,2’-二氯二乙醚的合成采用二氯亚砜作氯化剂,反应中伴随二氧化硫的产生.此工艺路线存在原子经济性差、反应中产生氯化氢和二氧化硫两种有毒气体的缺点.2)吗啉基乙氰还原法,即以吗啉基乙氰为原料,镍为催化剂,在70～80℃及8106.4kPa的反应条件下用氢气还原.在此工艺路线中原料吗啉基乙氰的制备比较困难,同时使用了有毒基团氰基,使得吗啉基乙氰的合成过程容易对环境造成污染,而且反应在高压下进行对设备要求较高.3)4-(2-羟乙基)吗啉氯化氨解法,即以4-(2-羟乙基)吗啉为原料,先用氯化剂氯化生成4-(2-氯乙基)吗啉,再在密封加热的条件下在氨氛围中进行氨解反应.该工艺存在原料制备困难、原子经济性低、氯化反应容易造成环境污染等缺点.4)吗啉法,即将一乙醇胺溴化后再与吗啉在145～150℃下反应.反应中首先利用溴化氢进行溴化,反应结束后再将溴化氢除去.该合成方法原子经济性低,而且浪费资源、污染环境.以往合成N-(2-氨乙基)吗啉的工艺大多会对环境造成污染,有些对设备要求较高.因此,为了探索绿色化学合成技术,寻找简单的合成工艺路线,本文尝试开发以吗啉(morpholine,MOR)和一乙醇胺(monoeathanolamine,MEA)为原料,在填充固体酸催化剂的管式反应器中发生气固相催化反应一步合成N-(2-氨乙基)吗啉的工艺.1测试1.1存在条件下进行吗啉和一乙醇胺在催化剂作用下加热合成N-(2-氨乙基)吗啉,反应方程式为该反应可看作是仲胺与醇之间的氨解反应,通常需要在酸性催化剂存在条件下进行;原料由仲胺上的氢和醇胺上的羟基结合脱去一分子水生成N-(2-氨乙基)吗啉.吗啉与一乙醇胺一步合成N-(2-氨乙基)吗啉,有利于原料利用率的提高,同时使得工艺简单化.反应生成物只含有产品和水,不产生污染环境的有害物质,是绿色的化学合成工艺.由于使用的是非均相催化反应,催化剂的使用寿命较长,不存在与反应生成物分离的问题.反应在常压下即可进行,对设备要求不高,工艺易于工业化.1.2熔融盐浴工艺原料:吗啉,化学纯,中国医药集团上海化学试剂公司;一乙醇胺,分析纯,五联化工厂.设备:反应在自制的管式固定床反应器内进行.反应管是由长为30cm,外径为12mm,壁厚为2mm的不锈钢管加工而成;加热介质为熔融盐浴;温度由Pt-100热电偶检测,精度为±1℃.反应产品由7890F型气相色谱仪分析.试验装置如图1所示.1.3生成物的提取1)在反应器中加入10g催化剂,升温熔盐浴并保持在指定温度下,用氮气吹扫系统.2)吗啉、一乙醇胺和水按一定摩尔比配成溶液,开启计量泵并调至适当流量,将反应原料送入反应器.3)在操作条件稳定后,收集生成物样品进行分析.2结果与讨论2.1目标函数的确定反应产物经气相色谱-质谱联用分析,得到的质谱图如图2所示.以质谱检定化合物及确定结构更为快捷、直观的方法是计算机谱图检索.图3是计算机谱库中与产品质谱图相似指数最高的N-(2-氨乙基)吗啉谱图,相似指数为91.因此可以确证产品为N-(2-氨乙基)吗啉.2.2催化剂的活性在n(MOR)∶n(MEA)∶n(H2O)=1∶1∶1,进料体积流量为6mL/h的试验条件下,分别考察了ZSM-5分子筛、酸化硅酸钠和A3分子筛的催化剂活性,实验结果列于表1中.由表1可知,在其他条件相同的情况下,不同的催化剂对产品收率(yield)有较大影响.从实验数据可知,酸性较强的ZSM-5分子筛的催化效果最好,酸化硅酸钠次之,A3分子筛较差.2.3不同时点条件对产品收率的影响表2列出了在以ZSM-5型分子筛为催化剂,进料体积流量为6mL/h,不同温度及配料摩尔比条件下,单程反应后反应物及产品的质量分数和产品收率的气相色谱分析数据.实验中分别考察了在260、300、330、370℃下不同配料摩尔比对产品收率的影响,同时考察了在1∶1配料摩尔比下6种不同温度对产品收率的影响.表2中的吗啉、一乙醇胺及产品的质量分数均为在气相色谱中其特征峰面积经校正后占总峰面积的百分比.产品收率的计算公式为η=生成产品所消耗的关键组分量关键组分的起始量.η=生成产品所消耗的关键组分量关键组分的起始量.图4根据表2数据示出了在不同温度下配料摩尔比对产品收率的影响曲线.2.3.1反应温度对收率的影响由图4可知,在不同配料比条件下,产品收率在260～330℃随反应温度升高而逐渐增加;但超过330℃后产品收率随反应温度升高而逐渐减小.这是由于当温度较低(低于280℃)时反应难以进行,因此产品收率较低;但当温度较高(高于350℃)时一乙醇胺容易自身缩合生成副产品,从而降低产品收率.在330℃时,吗啉和一乙醇胺的反应比较容易发生,产品收率比在其他温度下反应的产品收率要高,同时一乙醇胺自身缩合反应不明显.因此确定330℃为最佳反应温度.2.3.2最佳配方的确定由图4可知,在温度较低(260℃)时产品的转化率较低,随着配料比n(MOR)∶n(MEA)的降低而增大,因此在此温度下增加一乙醇胺的浓度有利于提高产品收率.当温度升高到300℃以上,在试验考查范围内产品收率随配料比n(MOR)∶n(MEA)的升高而先增大后减小,在摩尔比为1∶1处达到最大值.因此确定最佳配料比n(MOR)∶n(MEA)=1∶1.3种催化剂的催化反应(1)反应产物经气质联用分析可以确定:分别以ZSM-5分子筛、A3分子筛、酸化硅酸钠为催化剂,以吗啉和一乙醇胺为原料进行气固相反应可以合成N-(2-氨乙基)吗啉.(2)使用不同的催化剂,产品的收率也不同.在试验所用的3种催化剂中,ZSM-5型分子筛催化剂的催化效果最优,在试验反应条件下,产品的单程收率可以达到17.71%.(3)随着反应温度的升高,产品收率先增大后减小,在330℃时收率最高;当高于300℃时,在n(MOR)∶n(MEA)=1∶1时收率最高.(4)在该试验流程中配上分离装置和循环进料装置即可进行连续反应,易于实现工业化生产.在最佳反应