李偉光,李偉憲,李麗敏,李愛(ài)軍*,陳波,高燕云,趙曉鵬

(1.河北利仕化學(xué)科技有限公司,河北 邯鄲 057550;2.河北鑫淘沅醫(yī)藥科技有限公司,河北 邯鄲 057250)

5,5-二甲基海因(簡(jiǎn)稱DMH),化學(xué)名為 5,5-二甲基咪唑二酮,分子式為C5H8N2O2,是一種用途很廣的有機(jī)化合物[1]。由于5,5-二甲基海因具有特定的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及氮原子上的活潑氫原子,使其成為十分優(yōu)秀的化學(xué)中間合成體[2],被廣泛用于有機(jī)合成、醫(yī)藥、塑料、食品、化妝品、農(nóng)藥等生產(chǎn)領(lǐng)域[3-5]。如在NaOH的催化作用下,于溫和條件下和環(huán)氧氯丙烷合成5,5-二甲基海因環(huán)氧樹(shù)脂,該樹(shù)脂具有較好的性能且能溶于水和常見(jiàn)的有機(jī)溶劑,利于樹(shù)脂后期的回收[6]。還可將其合成多種5,5-二甲基海因高分子鍵合劑,用于合成不同的高性能高分子材料[7];將其作為添加劑添加在彩色感光乳劑中,具有有效防止老化斑的作用,若將其添加在彩色印刷中則可有效防止色彩褪去[8];通過(guò)取代反應(yīng)可制備一系列有價(jià)值的衍生物,常被合成鹵代海因作為消毒劑、防腐劑和鹵代劑使用[9-10]。如通過(guò)季銨化反應(yīng)將5,5-二甲基海因、1,4-二溴丁烷和咪唑合成3-丁基-5,5-二甲基海因咪唑季銨鹽化合物,可作為鋼材的緩蝕劑吸附在鋼材表面,減緩其在酸性環(huán)境下的腐蝕[11];通過(guò)5,5-二甲基海因水溶液溴化法和5,5-二甲基海因溴堿法,可以合成十分重要的化學(xué)品二溴海因產(chǎn)品,由于其可溶于常用有機(jī)溶劑,具有活性溴含量高、貯存穩(wěn)定、作用緩和且價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),可作為催化劑,氧化劑,溴化劑和消毒劑使用,被廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)工業(yè)、制藥業(yè)、橡膠工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生消毒、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等工業(yè)產(chǎn)品的合成[12-15]。這些應(yīng)用都充分證明了5,5-二甲基海因在基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用和廣泛應(yīng)用。

然而,當(dāng)將5,5-二甲基海因應(yīng)用于高要求場(chǎng)合的時(shí)候,常因其原料純度達(dá)不到后續(xù)產(chǎn)品合成要求而受到一定的限制,如采用高純度5,5-二甲基海因通過(guò)取代反應(yīng)合成一系列的海因/三嗪類鍵合劑,用于合成火箭復(fù)合固體推進(jìn)劑,可在一定程度上提升固體推進(jìn)劑的綜合力學(xué)性能[16-18];同時(shí)高純度5,5-二甲基海因還常作為無(wú)氰電鍍配位劑使用,如采用尼克酸作為鍍液中銀離子輔助配位劑,5,5-二甲基海因?yàn)橹髋湮粍?通過(guò)篩選其他優(yōu)良的輔助劑,并在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)氰鍍銀,在航空航天工業(yè)中可較好地實(shí)施應(yīng)用[19];在合成分化誘導(dǎo)劑PMDH和抗雄激素藥物尼魯米特中[20],高純度5,5-二甲基海因表現(xiàn)出更加突出的優(yōu)勢(shì),如采用堿性和碘化鉀催化作用下,在溫和條件下將5,5二甲基海因和3三氟甲基4氰基氯苯在二甲基亞砜溶劑中進(jìn)行反應(yīng),可制備得到尼魯米特粗品,進(jìn)一步通過(guò)重結(jié)晶進(jìn)行純化得到高純度產(chǎn)品[21];尤其是在醫(yī)藥領(lǐng)域,則需要純度和雜質(zhì)含量等要求更高的5,5-二甲基海因[22-23]。因此,研發(fā)高純度低雜質(zhì)的5,5-二甲基海因生產(chǎn)工藝技術(shù)是推廣其高價(jià)值利用的關(guān)鍵。

國(guó)外在70年代對(duì)于5,5-二甲基海因的生產(chǎn)已經(jīng)有較為成熟的技術(shù),其中美國(guó)廠家麥克公司、格蘭科化學(xué)公司及龍佐公司等都已建立成熟的生產(chǎn)規(guī)模,年產(chǎn)量已有超過(guò)萬(wàn)噸。此外,瑞士、德國(guó)、英國(guó)、日本及前蘇聯(lián)等國(guó)家也擁有了相應(yīng)的規(guī)模生產(chǎn),其中日本的日本化學(xué)、三井東亞化學(xué)公司都實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)超過(guò)千噸的規(guī)模產(chǎn)量[1,24]。目前,5,5-二甲基海因的合成一般可采用丙酮氰氨、碳酸銨或者二氧化碳及液氮為合成原料,在溫和條件下通過(guò)Bnoherer-Bergs環(huán)化法進(jìn)行合成。其生產(chǎn)工藝路線可分為間歇法和連續(xù)法合成路線。相比于連續(xù)生產(chǎn)法,間歇法技術(shù)條件成熟,但產(chǎn)率較低約為80%,較難大規(guī)模生產(chǎn);連續(xù)法可以較好地彌補(bǔ)間歇法的缺點(diǎn),但設(shè)備復(fù)雜昂貴及操作復(fù)雜[25]。相比之下,國(guó)內(nèi)合成5,5-二甲基海因技術(shù)的起步較晚。20世紀(jì)初我國(guó)有學(xué)者采用間歇法,利用2-甲基-2羥基丙腈和碳酸銨作為原料,在溫和條件下通過(guò)環(huán)化法合成5,5-二甲基海因,優(yōu)化反應(yīng)條件后得到產(chǎn)品的收率達(dá)到88%[26]。相對(duì)于間歇法,采用連續(xù)法產(chǎn)品收率較高,如采用填料塔反應(yīng)器經(jīng)過(guò)連續(xù)生產(chǎn)合成5,5-二甲基海因,通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)備參數(shù)和反應(yīng)條件參數(shù),可得到產(chǎn)率為90%～92%的產(chǎn)品收率[27],該工藝中的反應(yīng)器參數(shù)設(shè)置比較重要,對(duì)得到產(chǎn)品質(zhì)量和收率影響較大[28]。當(dāng)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)合成催化劑后,也可進(jìn)一步提高產(chǎn)品收率,國(guó)內(nèi)有學(xué)者就采用芐基三甲基氯化銨為相轉(zhuǎn)移催化劑,通過(guò)催化丙酮、氰化鈉、碳酸銨合成5,5-二甲基海因,在低溫及較短反應(yīng)時(shí)間內(nèi)其產(chǎn)率可達(dá)到99%以上[29]。武漢大學(xué)相關(guān)學(xué)者曾對(duì)5,5-二甲基海因得合成工藝進(jìn)行了較為詳細(xì)地研究,并進(jìn)行了小試實(shí)驗(yàn)[24]。然而,國(guó)內(nèi)對(duì)于高純度的5,5-二甲基海因生產(chǎn)技術(shù)或工藝的研究還相對(duì)較少,如何高效低耗的生產(chǎn)高純度5,5-二甲基海因仍需進(jìn)一步探索。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用主要藥品包括:碳酸氫銨、丙酮氰醇、活性炭、蒸餾水,分析純;市售的普通工業(yè)品5,5二甲基海因。

實(shí)驗(yàn)所用儀器主要包括:反應(yīng)釜、結(jié)晶釜、離心機(jī)、烘箱;鈦棒微孔過(guò)濾器(型號(hào):T-17型,外型尺寸620 mm×850 mm,理論孔徑0.1～30 μm,理論流量5.0～7.0 t/h)、微孔袋式過(guò)濾器(型號(hào):DL-5P2S,5個(gè)濾袋數(shù)量,過(guò)濾面積2.5 m2,最大流量175 m2/h,工作壓力0.5 MPa)、陽(yáng)離子樹(shù)脂柱(選用001×4001×7等陽(yáng)離子樹(shù)脂)和陰離子樹(shù)脂柱(選用201×4201×7等陰離子樹(shù)脂);色度用鉑-鈷色度儀、高效液相色譜儀檢測(cè)、WRR熔點(diǎn)儀、電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(參考JY/T015-1996進(jìn)行檢測(cè))、離子光譜儀(參考JY/T020-1996極性檢測(cè))。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 5,5-二甲基海因粗品的制備

稱取重量比例為65/28/31的水、碳酸氫銨和丙酮氰醇原料;先將稱取的水和碳酸氫銨放入第一反應(yīng)釜中,在攪拌條件下完全溶解;然后加入稱取的丙酮氰醇,在第一反應(yīng)釜中于42 ℃和0.1 MPa壓力條件下恒溫反應(yīng)7 h,反應(yīng)結(jié)束后將第一反應(yīng)釜內(nèi)的物料降溫至33 ℃,得到5,5-二甲基海因(DMH)粗品。

1.2.2 5,5-二甲基海因粗品純化

稱取質(zhì)量比例為40∶55的5,5-二甲基海因粗品和水一并加入到第二反應(yīng)釜中攪拌溶解,將所述第二反應(yīng)釜加熱內(nèi)的物料加熱至52 ℃,并加入一定比例的活性炭,繼續(xù)加熱第二反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度達(dá)到88 ℃,脫色保溫30 min,然后將第二反應(yīng)釜中的物料依次通過(guò)鈦棒微孔過(guò)濾器和微孔袋式過(guò)濾器進(jìn)行二級(jí)過(guò)濾后,在0.28 MPa的壓力下壓到第三反應(yīng)釜中,在第三反應(yīng)釜溫度內(nèi)72 ℃左右保溫10 min,然后依次在0.25 MPa的壓力下依次壓到陽(yáng)離子樹(shù)脂柱和陰離子樹(shù)脂柱進(jìn)行過(guò)濾,最后進(jìn)入結(jié)晶釜中,在低于30 ℃的環(huán)境溫度下冷卻進(jìn)行重結(jié)晶。進(jìn)一步將結(jié)晶釜內(nèi)的物料在離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行脫液、烘干得到高純度5,5-二甲基海因。整體5,5-二甲基海因產(chǎn)品制備流程如圖1所示。

圖1 DMH產(chǎn)品制備流程圖

2 結(jié)果討論

5,5-二甲基海因(DMH)因其性能安全穩(wěn)定、反應(yīng)活性高等特殊優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域得到全面的應(yīng)用推廣。為了適應(yīng)高要求的特殊應(yīng)用場(chǎng)合,提高其利用價(jià)值,需進(jìn)一步優(yōu)化5,5-二甲基海因生產(chǎn)工藝來(lái)盡可能地提高其產(chǎn)品純度。本工藝?yán)帽璐己吞妓釟滗@為合成原料來(lái)生產(chǎn)5,5-二甲基海因產(chǎn)品。通過(guò)加熱碳酸氫銨分解生成氨,經(jīng)取代丙酮氰醇中的羥基與二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸,然后由環(huán)化反應(yīng)制備得到5,5-二甲基海因,進(jìn)一步純化得到5,5-二甲基海因精品。

本生產(chǎn)工藝是在常壓下,采用原料比為M(水)∶M(碳酸氫銨)∶M(丙酮氰醇)=65∶28∶31,反應(yīng)溫度42 ℃和0.1 MPa壓力下,連續(xù)反應(yīng)7 h,合成得到5,5-二甲基海因粗品。通過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)溶解脫色、過(guò)濾結(jié)晶、烘干等關(guān)鍵工序?qū)Φ玫降?,5-二甲基海因粗品進(jìn)行純化提升,并采用多種分析手段對(duì)純化過(guò)程中脫色(DMH-1)、一次過(guò)濾(DMH-2)、二次過(guò)濾(DMH-3)等關(guān)鍵步驟中的產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析,得到的5,5-二甲基海因精品技術(shù)指標(biāo)如表1～2所示。

表1 純化工藝對(duì) DMH產(chǎn)品質(zhì)量的影響及與市售DMH技術(shù)指標(biāo)比較

由表1～2中結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的脫色-一次過(guò)濾-二次過(guò)濾的純化工藝,5,5-二甲基海因粗品的含量逐步提高,經(jīng)脫色后5,5-二甲基海因含量為96%,經(jīng)過(guò)一次過(guò)濾升至96%,再次過(guò)濾后最終可達(dá)99.96%。同時(shí),在純化過(guò)程中,5,5-二甲基海因相應(yīng)的品質(zhì)也逐漸提高,色度由60降低至4,干燥失重從1%降至0.05%,而初熔點(diǎn)由173 ℃提升至178 ℃,整體物性參數(shù)值都在很大程度上優(yōu)于市售的5,5-二甲基海因產(chǎn)品指標(biāo);在純化工藝過(guò)程中,5,5-二甲基海因產(chǎn)品中的雜質(zhì)鈉離子、鐵離子、鈣離子、氯離子等在一次過(guò)濾和二次過(guò)濾后含量近似于等差減少,而鎂離子、硫酸根離子、溴離子、重金屬等含量隨純化步驟呈現(xiàn)指數(shù)快速下降,表明在不同過(guò)濾階段,不同過(guò)濾手段對(duì)不同雜質(zhì)離子的去除能力有所不同。純化后遠(yuǎn)低于市售DMH中雜質(zhì)含量值(如表2所示),表明該純化工序可高效地提高5,5-二甲基海因產(chǎn)品的含量,降低其中的雜質(zhì)含量。

表2 純化工藝對(duì)DMH產(chǎn)品中雜質(zhì)含量的影響及與市售DMH比較

3 結(jié)論

在反應(yīng)參數(shù)物料比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間一定條件下,合成5,5-二甲基海因粗品產(chǎn)品,進(jìn)一步通過(guò)溶解脫色、過(guò)濾結(jié)晶、烘干等工序?qū)铣傻?,5-二甲基海因粗品進(jìn)行純化。經(jīng)純化后的5,5-二甲基海因產(chǎn)品中所含金屬離子、鹵離子、酸根離子等雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于市售5,5-二甲基海因產(chǎn)品,純化后的5,5-二甲基海因產(chǎn)品含量可提高至99.96%,高于市售5,5-二甲基海因產(chǎn)品含量。本工藝簡(jiǎn)單高效、能耗物耗低,適合工業(yè)化生產(chǎn),可促進(jìn)5,5-二甲基海因產(chǎn)品在高要求場(chǎng)合的應(yīng)用擴(kuò)展和價(jià)值提高,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。