咪唑合成工藝優化

（武漢工程大學化工與制藥學院，湖北省新型反應器與綠色化學工藝重點實驗室，綠色化學工程省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢430074）

咪唑合成工藝優化

（武漢工程大學化工與制藥學院，湖北省新型反應器與綠色化學工藝重點實驗室，綠色化學工程省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢430074）

通過對現有工業上乙二醛法合成咪唑的方法改進，選擇價廉易得的碳酸氫銨作為環合劑，改變溫度、反應時間、原料配比，并結合單因素實驗和正交實驗法對實驗數據進行統計與分析，得到碳酸氫銨合成咪唑的最佳工藝條件.

咪唑；合成；碳酸氫銨

0 引 言

咪唑是一種重要的精細化工原料，它的用途很廣，主要用于制備環氧樹脂固化劑，用量占總消費量的90%以上.近年來隨著我國電子電氣工業的快速發展，環氧樹脂固化劑的需求不斷增加［1］.二十世紀末，國內一些廠家陸續成功開發了咪唑的生產，但一般年產量都在50 t以下，生產裝置小規模，且收率低、經濟效益不明顯，下游產品的開發也不順暢，用量很少［2］.隨著咪唑用量的增加，因此有必要對該產品的工藝路線進行研究.尋求一種操作簡便，產品收率較高，原料成本低廉的咪唑合成工藝日益成為人們關注的焦點.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗試劑：乙二醛，分析純，武漢華松精細化工有限公司生產；甲醛、碳酸氫銨均為國藥集團化學藥劑有限公司產品；苯，分析純，天津市富宇精細化工有限公司生產.實驗儀器：DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華化工有限公司生產；SHZ－D（III）型循環水真空泵，上海東璽制冷儀器設備有限公司生產；LS801－2型超級恒溫器，遼陽市恒溫儀器廠生產；DZF－6050型真空干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司生產；2X－8型旋片式真空泵，沈陽真空泵廠（有限公司）生產；WRS－2A型微機熔點儀，上海精密科學儀器有限公司生產；101A－2型電熱鼓風干燥箱，上海亞明熱處理設備公司生產；美國Thermo Electron Nicolet 6700傅里立葉紅外光譜儀.

1.2 咪唑的合成及檢測方法

1.2.1 合成原理 咪唑的主要合成路線有兩條：a.乙二醛法，此法由乙二醛、甲醛與氨水［3］或者硫酸銨［4］作用得到產品，這類反應均為Radiszewski反應［5］；b.鄰苯二胺法，以鄰苯二胺為原料，與甲酸環合得到苯并咪唑；再經過雙氧水反應開環，最后脫羧得到咪唑產品［6］.考慮到原料來源廣泛和工藝易操作性，本研究采用Radiszewski反應合成咪唑產品.

Radiszewski反應生產咪唑的環合反應機理［5］如圖1.

一分子氨與乙二醛進行親核加成，脫掉一份子水，形成亞胺（a），（a）再與一分子氨進行親核加成，脫掉一分子水，形成二亞胺（b），亞胺（b）再對醛進行親核加成，形成季銨鹽，隨后可能經過兩種途徑：（1）氨對醛進行親核加成，分子重排關環脫水，得到咪唑；（2）氧對氨進行親核加成，脫氨得到副產物惡唑.

1.2.2 咪唑的制備 稱取適量碳酸氫銨加水溶解后轉移至三口反應瓶，再稱取一定量的質量分數40%乙二醛和質量分數37%甲醛混合溶液于滴液漏斗，調節滴加速度，使乙二醛和甲醛的混合液緩慢滴入三口燒瓶，邊滴加邊攪拌，且滴加溫度低于40℃，滴加時間為2 h左右.滴加完畢后，在40～50℃的條件下繼續攪拌2～3 h，停止反應，將反應液過濾，濾液用循環水真空泵減壓蒸餾進行濃縮，接著將濃縮液轉入油浴鍋，換用旋片式真空泵進行減壓蒸餾，收集105～160℃（0.133～ 0.267 kPa）餾分，得到粗咪唑.將粗咪唑用苯重結晶即得咪唑產品，咪唑質量分數98%.

圖1 合成機理Fig.1 Synthesis mechanisms

1.2.3 咪唑質量含量檢測 精確稱取0.2～0.4 g咪唑，精確到0.000 2 g，置于干燥的錐形瓶中，用蒸餾水溶解，加甲基紅－溴甲酚綠指示劑3～5滴，用濃度為0.125 mol／L硫酸標準溶液滴定至由綠色變為紅色，同時做空白試驗.

質量分數＝0.025×（V－V1）×M÷G（%）式中：V為硫酸滴定毫升數，mL；V1為空白滴定毫升數，mL；M為咪唑的分子量，g／mol；G為樣品質量，g.

1.2.4 咪唑紅外表征 采用溴化鉀壓片法對咪唑進行樣品制備，把咪唑樣品和溴化鉀以質量比1∶100混合，在已用甲醇洗凈的瑪瑙研缽中研碎成粉末，使用壓片裝置在常壓或真空條件下加壓成型制成透明狀片劑.對透明片劑用傅立葉紅外光譜儀進行紅外掃描，得到樣品的紅外光譜圖，與咪唑的標準圖譜比較，從而對樣品定性分析.通過紅外光譜儀檢測產品，其紅外光譜圖如圖2所示.

從圖1紅外光譜圖可知：實驗室得到的樣品咪唑在3 100 cm－1處為（—N—H），3 000 cm－1（—C—H），1 680.2 cm－1（—C—N），1 650 cm－1（—C＝C），1 576.7 cm－1（—C＝N），678.2 cm－1為＝C—H的面外彎曲振動，2 820 cm－1為咪唑環上N—H鍵彎曲振動的特征峰.樣品的紅外圖譜與咪唑的標準圖譜非常接近，在特征官能團處都出現了特征振動峰，因此可以判斷實驗所得產品即為咪唑.

圖2 咪唑的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrum of imidazole

2 合成工藝的優化

以反應溫度、反應時間、反應原料配比為影響因素，以合成的產率為考察指標進行L9（33）正交實驗，其因素水平表見表1，實驗數據及方差分析結果見表2.

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels

表2 正交實驗及方差分析表Table 2 Results and analysis of orthogonal test

由表2可知，當改變反應溫度、反應時間及反應原料配比的情況下，對不同反應條件進行的實驗設計L9的正交實驗.結果表明：RA＞RC＞RB，即反應溫度（A）是合成咪唑的最主要的影響因素，其次是配比（C），反應時間（B）是次影響因素.而在溫度A中A2是最優的溫度條件，反應時間B中B3是最優反應時間，C中C2或者C3是最優的反應原料配比.所以實驗得出的以碳酸氫銨為原料合成咪唑的最佳工藝條件是A2B3C2或者A2B3C3，即反應溫度45℃，反應時間5 h，反應原料配比乙二醛：甲醛：碳酸氫銨＝1∶1∶3.5.

3 結果與討論

3.1 反應溫度對咪唑收率的影響

實驗條件：反應時間4 h，原料配比乙二醛為甲醛：碳酸氫銨＝1∶1.5∶3；考察反應溫度對咪唑收率的影響，結果見圖3.

圖3 反應溫度對咪唑收率的影響Fig.3 The effect of reaction temperature on yield of imidazole

由圖3可知，合成的收率隨著反應溫度的上升先升高后降低.反應溫度從35℃升高到45℃，咪唑收率隨著溫度的升高而增加.當反應溫度達到45℃，咪唑收率達到51.7%.繼續提高溫度，由于環合劑碳酸氫銨分解速率加快，原料損失較大，因此咪唑收率反而降低.

3.2 反應時間對咪唑收率的影響

實驗條件：原料配比乙二醛∶甲醛∶碳酸氫銨＝1∶1∶3.5，反應溫度為40℃；考察反應時間對咪唑收率的影響，結果見圖4.

圖4 反應時間對咪唑收率的影響Fig.4 The effect of reaction time on yield of imidazole

由圖4可知，反應時間為2～4 h時，隨著反應時間的延長，咪唑收率由45.3%升高至58.4%，當反應時間為5 h，咪唑收率達到59.2%，再延長反應時間，咪唑收率曲線趨于平穩.則實驗選取的反應時間為5 h.

3.3 碳酸氫銨用量對咪唑收率的影響

實驗條件：取反應溫度45℃，反應時間4 h，乙二醛，甲醛和碳酸氫銨的的配比為1∶1∶n（NH4HCO3）；考 察 碳 酸 氫 銨 的 用 量n（NH4HCO3）對咪唑收率的影響，結果見圖5.

圖5 n（NH 4 HCO3）對咪唑收率的影響Fig.5 The effect of n（NH4 HCO3）on yield of imidazole

由圖5可知，咪唑的收率隨著碳酸氫銨的物質的量的增加而上升.當原料乙二醛，甲醛，碳酸氫銨的摩爾比達到1∶1∶3.5時，咪唑產率已達到58.4%.再增加碳酸氫銨的物質的量，收率上升已不明顯.

4 結 語

a.以碳酸氫銨為原料能夠合成高純度的咪唑產品，其純度可達98%.此合成方法操作簡便，原料成本低廉，是適合咪唑工業化生產的一種有效的合成方法.

b.通過正交實驗及方差分析，得出最佳的反應條件為：反應溫度45℃，反應時間5 h，反應原料配比1∶1∶3.5，在此最佳條件下咪唑的合成產率可達67.8%.

［1］ 伍曉春.咪唑類化合物的合成與應用研究［J］.精細與專用化學品，2010（7）：51－55.

［2］ 陸忠民，劉炘正.咪唑合成工藝綜述［J］.化工時刊，1999，13（2）：26－27.

［3］ 蔣宗林，鄢家明，謝如剛.咪唑環合成方法的新進展［J］.合成化學，1998，6（1）：11－18.

［4］ Schulze H.Imidazole synthesis：US，3715365［P］.1973－02－06.

［5］ Wang Z R.Comprehensive Organic Name Reactions and Reagents［M］.New Jersey：John Wiley ＆Sons，Inc，2009.

［6］ 孟暉.咪唑及其同系物開發與應用［J］.化工文摘，2004（4）：29－30.

Optimization for imidazole synthesis

YANG Hui，DING Yi－gang，YANG Chang－yan，XIA Yun，YANG Guang－hong，ZHANG Li－li，WEI Yun
（School of Chemical Engineering＆Pharmacy，Hubei Key Lab of Novel Reactor＆Greeen Chemical Technology，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China）

The existing industrial synthesis method of imidazole was improved，whose main material was glyoxal.The cheap ammonium bicarbonate was selected as a ring mixture.Through changing temperature，reaction time and the ratio of raw materials，and combined with the single factor experiment and the orthogonal experiment method of the experimental data statistics and analysis，the optimum technological conditions for ammonium bicarbonate of imidazole synthesis were obtained.

imidazole；synthesis technology；ammonium bicarbonate

張 瑞

TQ252.3

A

10.3969／j.issn.1674－2869.2011.11.005

1674－2869（2011）11－0019－04

2011－10－12

楊 卉（1985－），女，湖北武漢人，碩士研究生.研究方向：化學工程與工藝.

指導老師：丁一剛，男，教授，博士，博士研究生導師.研究方向：化學工程與工藝.＊通信聯系人