磺基甜菜堿的合成研究進展

牛瑞霞 ，任偉東 ，孫雙波 ，宋 華，李征鴻

（1 東北石油大學化學化工學院，石油與天然氣化工省高校重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2 大慶油田有限責任公司天然氣分公司，黑龍江 大慶 163500）

三元復合驅（ASP）綜合了表面活性劑驅、堿驅、聚合物驅的優點，可將油水界面張力降至10-3mN/m 以下，大大提高原油采收率[1]，已成為一種重要的三次采油技術。在實際應用中發現[2]，ASP復合驅中的堿雖發揮著重要作用，但由于堿能與地層水中的Ca2+、Mg2+及地層中的黏土礦物作用生成鋁硅垢結晶，從而堵塞油層孔隙，使油層受到傷害；另一方面，堿與聚合物發生反應，使聚合物發生降解，使體系增黏效果變差[3]。因此，使用弱堿或者不使用堿成為復合驅的一個研究方向。其中表面活性劑的選擇是關鍵，尤其對于高溫、高鹽油田，若表面活性劑不能很好地與地層流體配伍，則無法形成超低界面張力，達不到提高采收率的目的[4]。

兩性離子表面活性劑在水溶液中電離生成的兩性離子對金屬離子具有螯合作用，抗鹽能力強、耐多價陽離子的性能好且臨界膠束濃度低，因而對于高礦化度、高溫度的油藏，兩性表面活性劑是一個重要的、極具潛力的研究方向[5]。其中磺基甜菜堿具有性能溫和、易生物降解、鈣皂分散性強、界面活性高、耐硬水和高濃度酸堿等性能，已被廣泛應用于洗滌劑、化妝品、皮革等領域[6-7]。此外，由于磺基甜菜堿本身具有一定黏彈性，可輔助降低水油流度比；分子結構中含磺酸基，可與當前油田普遍使用的石油磺酸鹽和重烷基苯磺酸鹽進行復配而不發生色譜分離；遇水后可形成兩性離子對，在含鹽體系（當前研究的大多數無堿驅油體系中含一定量的無機鹽）中具有良好的穩定性，而鹽的存在有利于其在油水界面的穩定吸附，表現出超低油水界面張力，所以近年來成為科研人員研發無堿驅油表面活性劑的一個主攻方向[8-10]。

甜菜堿是由Sheihler 早期從甜菜中提取出來的天然含氮化合物，其化學名為三甲銨基乙酸銨。目前，“甜菜堿”一詞已冠于所有類似結構的化合物，并已擴展到含硫及磷的類似化合物。天然甜菜堿不具有表面活性，只有其中一個CH3被長鏈烷基取代后才具有表面活性，人們稱該類物質為甜菜堿型表面活性劑[11]，通式可表示為RN+(CH3)2(CH2)nCOO-，n=1～3。

磺基甜菜堿的合成方法大都采用兩步法：第一步，合成中間體N,N-二甲基烷基叔胺；第二步，中間體發生季銨化反應，生成目標產物磺基甜菜堿。本文作者著重介紹幾種中間體的合成工藝，并從原料性能、收率、環保性、可操作性等方面進行分析比較，這對研究開發適用于高礦化度和高二價陽離子油藏的新型表面活性劑具有重要指導意義。

1 中間體N,N-二甲基烷基叔胺的合成

N,N-二甲基烷基叔胺是合成甜菜堿的重要中間體。目前，長鏈烷基叔胺的合成路線主要包括羥基鹵化胺化法、醇一步催化胺化法、甲醛加氫法、羰基還原胺化法等。

1.1 鹵化胺化法

鹵化胺化法采用脂肪醇(醚)、鹵化試劑、二甲胺等為原料，首先脂肪醇(醚)與鹵化試劑發生鹵代反應，生成鹵化物，然后再與二甲胺作用，生成目標產物。

孫文斌等[12]以烷基酚聚氧乙烯醚、亞硫酰氯、二甲胺、3-氯-2-羥基丙磺酸鈉等為原料，合成出了烷基酚聚氧乙烯醚羥基磺酸鹽型甜菜堿，產品收率為83%。叔胺的合成路線見式（1）。

該方法的優點是操作簡單，條件溫和，設備要求低，原料成本低，但原料中包括鹵化試劑，對設備有一定的腐蝕，且污染環境。

1.2 醇一步催化胺化法

醇的催化胺化反應是制備N,N-二甲基烷基叔胺的重要方法之一，和上述工藝相比具有明顯的優勢。最早見諸于1909年，由Sabatier 研究成功，此后大量學者都對此反應進行了研究。經過幾十年的研究開發，目前已經到了成熟穩定時期，可以滿足工業化生產的要求。

醇的催化胺化按照催化劑作用機理可分為脫水胺化和脫氫胺化兩種[13]。其中脫水胺化催化劑活性相對較低，且回收困難，反應條件高，不適合工業化生產[14]。目前，工業化的催化胺化催化劑均采用脫氫胺化催化劑。目前，對其反應機理，大都贊同Baiker 提出的機理，包括醇脫氫成醛、醛與二甲胺加成和脫水加氫3個基元反應。

醇催化胺化法的關鍵是催化劑的選擇，以銅為主要成分的催化劑表現出了良好的活性、脫氫性能與選擇性。目前，多采用以Cu和Ni為活性組分的負載型或無載體的金屬或金屬氧化物作為胺化催化劑，也可以加入其它金屬作為助催化劑來提高催化劑的性能。此外，二甲胺在反應過程中會發生兩分子間的歧化反應，生成甲胺和三甲胺[15]。因此，在選擇催化劑時需考慮催化劑對二甲胺的歧化反應的抑制作用。譚平等[16]對研究了在以Cu和Ni為活性組分、以碳酸鈣為載體的催化劑體系中加入其它金屬元素作為助催化劑對催化劑選擇性和活性的影響，研究發現，助催化劑La、Ba和Zn的加入均能提高Cu-Ni 催化劑的選擇性，Ba的效果尤其明顯，但也降低了催化劑的活性。安倍裕[17]對催化劑的研究引起廣泛關注，主要有：對于單長鏈烷基叔胺的制備，催化劑中Cu、Ni的比例為4∶1時活性最高；Cu、Ni 比例在4∶1時選擇性最好，原料醇（十二烷醇）轉化率為93%以上，目的產物叔胺（N,N-二甲基十二烷胺）的選擇性為97%；三價Ni 有利于提高催化劑的選擇性，若Ni 不易被還原時則催化劑的選擇性好。

田在龍[18]以醇、二甲胺和自制催化劑等為原料，首先將醇與自制催化劑投入反應器，然后邊攪拌邊升溫至100℃，用N2吹洗系統。繼續升溫至180℃，通入氫氣，繼續升溫至200～210℃恒溫1 h，同時通入二甲胺，氫氣與二甲胺的比例保持在1∶0.45，催化劑用量不低于3%，生成目標產物烷基叔胺，其產率都在97%以上。

劉學民等[19]對N,N-二甲基十二烷基叔胺的合成工藝進行了研究，以十二醇、二甲胺等為原料，以Cu-Ni等三元或四元多組分載體催化劑的催化作用下，催化劑用量為脂肪醇質量的1.5%～3.5%，反應溫度為190～210℃，合成了N,N-二甲基十二烷基叔胺，其收率都在93%以上。

李運玲等[20]在Cu-Ni 催化劑作用下利用C12～C13合成醇（OXO 醇）進行催化胺化反應，并與月桂醇的胺化反應進行比較，月桂醇胺化反應3 h，醇的轉化率達99.9%，單烷基叔胺選擇性為95.6%，OXO 醇的轉化率為91.3%，選擇性為96.6%。

該方法的優點是產率高，質量穩定；缺點是副反應較多，對催化劑、反應裝置的要求較高，催化劑容易失活，原料相對較貴。

1.3 甲醛加氫法

甲醛加氫法具有反應條件溫和、收率較高等優點。蔣澤英等[21]以烷基伯胺、甲醛、催化劑和醇為原料，在500 mL 壓力釜中進行反應，目的產物收率達到98%。其反應流程為式（2）。

此反應對反應釜的攪拌要求較高，攪拌效果不良會使轉化率降低，同時溶劑的種類與添加量也對轉化率有一定影響。在反應過程中，曾發現生成物中含有雙烷基仲胺，通過調整加氫的速度、控制溶液添加量、調整實驗工藝、改變催化劑體系等，有效抑制了雙烷基叔胺副產物的生成，使產品純度較好。

1.4 羰基還原胺化法

羰基還原胺化法是合成烷基叔胺及其衍生物的一種重要方法[22]。1885年，德國化學家Leuchart第一次報道了用甲酸銨鹽或甲酰胺還原羰基化合物。20世紀初期，Wallack等[23]在Leuchart 研究的基礎上進行了更深入的研究，后來該方法被命名為Leuchart-Wallack 法。該方法最大的優點是原料試劑價格低廉，弊端在于羰基化合物和固態甲酸銨需在一個密閉的容器內加熱，反應會釋放出CO2，使密閉容器內的壓強變大。此反應最初未引起關注，直至1936年，Ingersoll 實驗組[24]把實驗條件進行了優化，才引起足夠重視。他們采用了復雜的氫化物作為還原劑，并在一個敞開的容器中進行反應，這是當時用羰基化合物合成胺的最簡便方法。

羰基化合物與氨、伯胺或者仲胺發生還原胺化反應，分別生成伯胺、仲胺或者叔胺。常用的還原劑有金屬氫化物、活潑金屬與酸、甲酸及其衍生物。下文將分別闡述以甲酸及其衍生物、金屬氫化物為還原劑、以金屬配合物為催化劑的羰基還原胺化反應。

1.4.1 Eschweilar-Clarke 反應

當采用甲酸或者衍生物作為還原劑時，伯胺、甲醛（羰基化合物）和甲酸會反應生成仲胺，仲胺繼續與甲酸、甲醛反應生成目標產物N,N-二甲基烷基叔胺。將伯胺、仲胺和甲醛及甲酸進行還原性甲基化制備叔胺的反應成為Eschweilar-Clarke 反應[25]。

1945年，Icke等[26]以苯乙胺、甲醛、甲酸為原料合成出了N,N-二甲基苯乙胺，其合成路線如式（3）。

段明峰等[27]以十二胺、甲酸和甲醛為原料，反應物摩爾比十二胺∶甲酸∶甲醛=1∶3.6∶2.51，反應時間6 h，合成N,N-二甲基十二烷基叔胺。其合成路線如式（4）。

該方法的優點是副產物為CO2和H2O，容易分離，但是存在三廢污染和設備腐蝕問題，目前該工藝已被淘汰[28]。

1.4.2 金屬氫化物為還原劑的還原胺化

羰基還原胺化反應的還原劑，除了可以采用甲酸及其化合物，也可以采用其它化合物。如可以采用NaBH4-Ti(OiPr)4體系還原劑。NaBH4是一種性能優良的還原劑，由于它可以將羰基還原成醇，故此方法需要分成兩步完成。Ti(OiPr)4在其中起路易斯酸催化劑與去水劑的作用[29]，可以與醛或酮、二甲胺生成中間體，然后被NaBH4還原成目標產物。反應機理為式（5）。

Bhattacharyya等[30]選取了C6H5CHO、o-ClC6H4CHO、p-BrC6H4CHO等14 種羰基化合物、二甲胺、甲醇、Ti(OiPr)4、硼氫化鈉等為原料在室溫條件下合成出了烷基叔胺，其收率都在78%以上，其中有8 種收率在90%以上。其中，Ti(OiPr)4能夠促進羰基與胺縮合，硼氫化鈉能夠成功地還原—C=N為—C—N，同時也可容易地將醛（或酮）羰基還原成醇。Miriyala等[31]也對NaBH4-Ti(OiPr)4將酮直接還原胺化的工藝進行了報道。

金屬氫化物為還原劑的還原胺化方法具有收率高、操作簡單、安全、條件溫和、在室溫下反應、綠色、無毒、原料價格低廉、制取時間短等優點[32]。目前采用該工藝合成短鏈烷基叔胺，而對于合成長鏈的烷基叔胺的工藝條件介紹很少。

1.4.3 金屬絡合物的還原胺化

目前，很多還原劑在提高叔胺產率上已經顯示了優良的性能。尤其是當采用H2和催化劑共同作用時，既經濟又環保，有些已經成功應用到工業領域中，是一種前景很好的工藝方法。兩相（水相/有機相）催化是均相催化的一個特殊情況，采用水溶性膦配體可以解決過渡金屬催化劑分離和循環使用的問題。該催化劑具有催化活性高、適用范圍廣、催化劑用量少以及可回收重復利用等優點。其中以Rh系手性配合物應用較為廣泛，大部分性能較好的手性配合物都是以二膦化合物為配體。

Tararov等[33]對Rh 系金屬還原胺化羰基化合物進行了深入的研究，通過一系列實驗，驗證了羰基化合物與胺生成叔胺的反應機理，其反應機理見反應式（6）。首先，羰基化合物1'與胺2'反應，生成半縮醛胺3'，N,O-縮醛4'、縮醛胺5'、亞胺6'和烯胺7'隨后生成，其中3'和4'為主要的中間產物。

隨后Tararov等[33]又通過實驗，驗證了副產物醇的生成路線，見反應式（7）。

該反應說明副產物醇的生成與起始羰基化合物有關；在催化劑的選擇上，應選擇對中間體催化效果好的催化劑，而不是對羰基化合物催化效果好的催化劑。他們通過考察催化劑種類對中間體選擇性的影響，發現[Rh(DBBP)(COD)]+可以顯著提高還原胺化脂肪醛的效率，水的存在對產物的產率無影響。

2 磺基甜菜堿的合成

2.1 N,N-二甲基烷基叔胺與3-氯-2-羥基丙磺酸鈉的反應

N,N-二甲基烷基叔胺與3-氯-2-羥基丙磺酸鈉的反應是合成磺基甜菜堿常用的方法之一，其合成路線見式（8）。

丁偉等[34]以十六醇、環氧氯丙烷、二甲胺和3-氯-2-羥基丙磺酸鈉為原料，在反應溫度60℃、反應時間4 h、n(環氧氯丙烷)∶n(十六醇)=1.5∶1、催化劑用量（相對于醇的摩爾分數）為4%的條件下，合成了N,N-二甲基-N-(2-羥基-3-十六烷氧基)丙銨基-(2-羥基)丙磺基甜菜堿表面活性劑，其產率平均值為89.2%。張榮明等[10]用亞硫酸氫鈉作磺化劑，在85℃下合成3-氯-2-羥基丙磺酸鈉；然后以異丙醇水溶液為溶劑，十八烷基二甲基胺與3-氯-2-羥基丙磺酸鈉在90℃下反應4 h，合成了十八烷基羥基磺基甜菜堿，十八烷基二甲基胺的轉化率可達97%。此后，張榮明等[35]以亞硫酸氫鈉和環氧氯丙烷為原料，首先生成了中間體3-氯-2-羥基丙磺酸鈉，然后與十四烷基二甲基胺反應生成了目的產物十四烷基羥基磺基甜菜堿（THSB）。王軍等[36]以環氧氯丙烷、亞硫酸氫鈉、十二烷基叔胺為原料，反應溫度為75℃，n(十二烷基叔胺)∶n(3-氯-2-羥基丙磺酸鈉)=1∶1.3，乳化劑用量為總質量的1%，反應4 h 后用滴加的方式加入適量堿性催化劑并調節pH=8；反應7 h 后，合成了十二烷基二甲基羥丙基磺基甜菜堿，叔胺轉化率大于93%。

2.2 N,N-二甲基烷基叔胺與磺酸內酯的反應

N,N-二甲基烷基叔胺與磺酸內酯的反應是制取磺基甜菜堿的另一種常用反應。

Qu等[37]分別選取了碳鏈長度為12、14、16、18的N,N-二甲基長鏈叔胺和1,3-丙烷磺內酯和1,4-丁烷磺內酯為原料，合成了具有表面活性的系列烷基磺丙基甜菜堿和磺丁基甜菜堿，其收率都在90%以上。毛程等[38]將甲基丙烯酰氧乙基二甲基胺（DM）和1,3-丙基磺內酯，在55℃下反應20 h，合成了2-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)磺酸鹽（DMAPS），將其在鹽溶液中與丙烯酰胺（AM）單體進行自由基共聚合反應，獲得了凈電荷為零的磺基甜菜堿型兩性離子共聚物，其收率在90%以上。合成路線見式（9）。

該方法制取磺基甜菜堿，收率很高，但是由于丙烷磺內酯易爆、易致癌、有公害及價格昂貴，只適合實驗室操作，難以大規模工業化生產。

3 結語與展望

在合成叔胺的4 種方法中，從原料成本上來看，羥基鹵化胺化法與羰基還原胺化法的原料相對較為經濟；從可操作性上來看，羥基鹵化胺化法、甲醛加氫法和羰基還原胺化法的條件較為溫和，尤其是羰基還原胺化法不需加熱，只需在室溫下反應即可，而醇一步催化胺化法對條件和儀器要求較高，甲醛加氫法對攪拌等條件要求較高；從收率的角度來看，醇一步催化胺化法、甲醛加氫法與羰基還原胺化法的收率相對較高；從綠色環保角度來看，羰基還原胺化法是綠色、無毒的反應。綜上可知，羰基還原胺化法是一種是實現綠色工業化生產應該努力的方向。

在伯胺與季銨化試劑發生季銨化反應的過程中，從原料的價格來看，3-氯-2-羥基丙磺酸鈉要比磺酸內酯低得多；從可操作性上來看，丙磺酸內酯易爆，可操作性略差；從產物的性能上看，含羥基的磺基甜菜堿比不含羥基磺基甜菜堿的水溶性好，采用3-氯-2-羥基丙磺酸鈉與長鏈烷基叔胺進行季銨化反應，可制得單一的、純度較高的含羥基的磺基甜菜堿產物；從收率角度來看，采用丙磺酸內酯作為季銨化試劑的收率略高于采用3-氯-2-羥基丙磺酸鈉作為季銨化試劑；從綠色環保角度來看，磺酸內酯具有致癌性。綜上可知，采用3-氯-2-羥基丙磺酸鈉作為季胺化試劑是既一種經濟，又綠色環保的方法，同時其產物性能也很好。

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