季銨堿的合成研究進展

孟 飛, 黃俊生, 黃冬婷, 張衛東, 謝建偉

[1. 廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所)，廣東 廣州 510316；2. 廣東省生物材料工程技術研究中心，廣東 廣州 510316； 3. 湖南科技學院 化學與生物工程學院，湖南 永州 425199]

季銨堿在工業和科研領域具有廣闊的應用前景，主要用作制備有機硅的催化劑[1]，具有結構導向作用可形成有序分子篩的模板劑[2]、促進兩相反應的相轉移催化劑[3]、氣相色譜儀的前處理劑[4]、有機酸滴定標準液[5]等，還被廣泛應用于電子行業中，可用作蝕刻劑、正膠顯影液、微電子工藝中的清洗劑等。市售季銨堿根據雜質含量，可分為工業級別和電子級別兩類。電子領域對季銨堿的純度具有要求較高[6]。

Scheme 1

Scheme 2

目前對季銨堿的研究較多集中在單季銨堿，如四甲基氫氧化銨(TMAH)、四乙基氫氧化銨(TEAH)、四丙基氫氧化銨(TPAOH)和四丁基氫氧化銨(TBAOH)等。以及具有離子表面活性劑顯著特征的長鏈季銨堿、金剛烷季銨堿，雙季銨堿等。季銨堿主要通過以季銨鹵代鹽或季銨碳酸氫鹽為原料制備得到，合成方法包括有氧化銀法、堿置換法、離子交換樹脂法、雙極膜電滲析法和電解法(電膜反應器法)等。

以鹵代季銨鹽溶液為原料，與氧化銀反應得到相應的季銨堿，稱為氧化銀法(Scheme 1)[7]：稱取一定量的季銨鹽置于反應容器中，加入一定量的水以及氧化銀，室溫下劇烈攪拌1 h。取樣離心分離，檢測上清液是否仍含有鹵素離子，如仍含有鹵素離子，則補加氧化銀，直至檢測不出鹵素離子為止。過濾反應液，濾液即為季銨堿的水溶液。為避免溶液中的季銨堿被空氣中的二氧化碳氧化，過濾需要在氮氣氛圍中進行。

氧化銀法具有操作簡便的優點，但是氧化銀價格昂貴，且產品中不可避免地混雜銀離子，影響產品質量，應用受到限制，該法從成本上或是質量上都難以滿足工業化大規模生產的要求。

堿置換法將季銨鹽溶于甲醇或乙醇等有機溶劑，與懸浮的無機堿(如NaOH， KOH， AgOH等)反應，生成不溶于醇溶液的鹵化物，過濾除去，最終得到季銨堿產品(Scheme 2)。

2005年，劉啟波等[9]先將四甲基氯化銨固體溶于甲醇，加入NaOH固體常溫攪拌，在氮氣保護下過濾，濾液為四甲基氫氧化銨母液，再加入甲醇稀釋，并加入適量水，將溶劑蒸發，即得到固體狀氫氧化銨水合物產品。

2009年，丁克鴻等[10]報道用NaOH或KOH的甲醇溶液在微微加熱的條件下將一系列自制的雙季銨溴化鹽轉化為熱穩定性良好的雙季銨堿。

2009年，徐博剛等采用KOH和甲醇混合，分別與四甲基溴化銨(TMABr)[11]、四乙基溴化銨(TEABr)[12]、四丁基溴化銨(TBABr)[13]的甲醇溶液反應，過濾、精制后分別得到固體結晶形態的四甲基氫氧化銨、四乙基氫氧化銨、四丁基氫氧化銨成品。

2011年，王漫[14]報道一種采用堿金屬的氫氧化物在沉淀促進劑存在下將季銨鹽轉化為季銨堿的方法，該方法制出的產品的產率大于85%，雜質的質量分數低于7%。

2016年，馬鵬飛等[15]用Mg(OH)2、十六烷基三甲基溴化銨為原料，以三氯甲烷為溶劑，回流攪拌，制備十六烷基三甲基氫氧化銨，產率為84.8%。張志明等[16]公開了用類似方法制備系列長鏈烷基季銨堿的專利。

堿置換法生產成本低廉，操作簡單，是生產結晶狀或白色固體季銨堿水合物的優越方法，但無機堿在醇溶液中具有一定的溶解度，季銨堿溶液中不可避免地存在Na+， K+等金屬離子，應用受到限制。

離子交換樹脂法采用的是強堿性陰離子交換樹脂，利用其離子交換的性質將鹵代的季銨鹽轉化制備為季銨堿。反應原理為：首先將陰離子交換樹脂上的酸根離子預處理轉化成氫氧根，隨后季銨鹽的鹵素離子與其進行交換，最終得到季銨堿水溶液(Scheme 3)。離子交換樹脂可用無機強堿溶液再生，重復利用。

Scheme 3

Scheme 4

1998年，戴延鳳等[17]用在預處理201×7陰離子交換樹脂時，除使用NaOH溶液常規預處理外，額外采用稀氨水洗滌，再按常規采用去離子水洗滌，直到中性為止，然后將四丙基溴化銨進行離子交換，得到質量分數為20%的四丙基氫氧化銨，交換度為95%，鈉離子的質量濃度僅為3 mg·L-1，可用作模板劑合成高質量的TS-1分子篩。

2002年，孫斌等[18]用非氨洗法處理201×7陰離子交換樹脂，將質量分數為10%的四丙基溴化銨交換得到質量分數為5%的四丙基氫氧化銨，交換度大于87%。

2010年，高彥春等采用凝膠型強堿性陰離子交換樹脂201×4與四丁基溴化銨(TBABr)溶液進行離子交換，制得四丁基氫氧化銨(TBAOH)溶液，最優條件為：TBABr質量分數為27%，交換樹脂再生堿液質量分數為5%時，交換度大于86%，制得的產品質量分數大于10%。

2011年，黃明剛等[21]自制出N,N,N-三甲基-1-金剛烷基季銨碘化鹽后，采用201×4強堿性陰離子交換樹脂在甲醇溶液中對其進行離子交換，得到相應的金剛烷基季銨堿(Scheme 4),產率為84.3%。

季銨堿堿性較強，限制了離子樹脂的OH-離子與季銨鹽鹵素離子的離子交換反應平衡，影響交換效率，季銨鹽轉化率降低；產品中含有鹵素離子，產品純度不高。同時，離子交換樹脂重生過程需使用較多強堿，造成批量含鹵素離子、鈉離子的廢水，難以處理。

電滲析技術是利用在直流電場作用下，帶電粒子(陰、陽離子)會發生定向遷移的特性，采用離子交換膜對溶質中的帶電粒子進行選擇性透過的分離提純過程。電滲析過程必備的兩個條件為：直流電場、離子交換膜。

雙極膜電滲析法(BMED)將電滲析技術與雙極膜裝置相結合，利用雙極膜的中間催化層在雙極性膜反向偏壓作用下發生水分子自解離形成H+和OH-的特點，將雙極膜與陰、陽離子交換膜進行有序間隔排列，使其自解離產生的OH-與季銨鹽解離過程產生的季銨根相結合形成季銨堿。

2008年，徐銅文課題組[22]最早將雙極膜電滲析法應用于制備季銨堿。他們自制A-BP(陰離子交換樹脂-雙極膜)兩隔室構型的雙極膜電滲析膜堆(圖1)，將四甲基氯化銨(TMACl)轉化為四甲基氫氧化銨(TMAH)。過程最高效率達到99.99%，最低能耗低至1.43 kWh·kg-1。但是該法產生的四甲基氫氧化銨濃度較低，產率較低，且反應過程中有Cl2產生，后處理復雜。

圖 1徐銅文課題組采用A-BP的BMED膜堆制備四甲基氫氧化銨示意圖

2011年，邊艷芳等[23]在徐銅文課題組雙極膜電滲析膜堆裝置基礎上增加了一個填充離子交換樹脂的酸室(圖2)，將Cl-轉化為HCl并除去，制備四甲基氫氧化銨。結果表明，在電流密度為400 A·m-2，原料濃度為0.1 mol·L-1時，轉化率達91.2%，并避免了Cl2的生成。

圖 2邊艷芳課題組的BMEDI制備四甲基氫氧化銨示意圖

圖 3余杰等的四隔室雙極膜電滲析技術制備四丙基氫氧化銨示意圖

2013年，余杰等[24]以四丙基溴化銨(TPABr)為原料，采用四隔室構型的雙極膜電滲析膜堆制備四丙基氫氧化銨(TPAOH)(圖3)，結果證明，當原料濃度為0.3 mol·L-1，電流密度為2000 A·m-2時，轉化率最高達到91.6%，可得到痕量金屬離子和低Br-質量比(176 mg·Kg-1)的質量分數為25%的四丙基氫氧化銨溶液，過程能耗為1.897 kWh·kg-1。并在此基礎上開展中試規模的四丙基氫氧化銨連續生產試驗，從生產成本上，四隔室雙極膜電滲析技術是經濟可行的，但其純度還有待進一步提高。他們還將此裝置應用于制備其他季銨堿[25]：分別從四甲基氯化銨(TMACl)、甲基三乙基氯化銨、芐基三甲基氯化銨三種水溶液制備相應的季銨堿，所制得的季銨堿中鹵素離子均低于500 mg·kg-1，實驗結果表明，季銨鹽的結構越復雜，BMED過程能耗越高，電流效率越低。

2017年，侯震東等[26]以四甲基碳酸氫銨(TMAHC)溶液為原料，采用二隔室雙極膜電滲析設備制備四甲基氫氧化銨(TMAH)(圖4)，有效避免鹵素離子對產物純度的影響。結果表明：二隔室膜組件BP-C-BP(雙極膜-陽離子交換膜-雙極膜)的電流效率、收率、能耗等結果都高于三隔室膜組件BP-A-C-BP(雙極膜-陰離子交換膜-陽離子交換膜-雙極膜)的運行結果；采用二隔室膜組件時，當原料濃度設為1.5 mol·L-1，電流密度為1400 A·m-2，電流效率可達80.3%，收率達到96%。同時，他們還將雙極膜電滲析技術應用于制備雙銨化合物[27]；選取溴化六甲基己烷雙銨為原料，采用新型的BP-C-A-BP四隔室膜堆組件制備氫氧化六甲雙銨(Scheme 5)。此方法的最佳工藝參數為：原料濃度為0.27 mol·L-1，電流密度為132 A·m-2，控制一定的流量比，電流效率可達76.3%。

圖4侯震東的兩隔室膜堆制備四甲基氫氧化銨原理圖

Scheme 5

雙極膜電滲析法的特點在于過程中無O2和H2等氣體產生，節約電能；無需引入其他酸堿組分，產品純度較高。

傳統電解法采用電解槽，將季銨鹽水溶液電解制備季銨堿。此法產生鹵氣，對環境造成污染；鹵氣可溶于水形成次鹵酸，對電解設備有腐蝕作用，并導致產品溶液中含有鹵素離子，分離難度大，產品純度降低。

電膜反應器法(EMR)是一種將離子膜和電解結合起來制備季銨堿的方法，是對傳統電解法的改進，即在兩塊電極板之間加入一張或者多張陰、陽離子交換膜，利用離子交換膜的選擇透過性，實現季銨鹽溶液轉化成季銨堿溶液的過程。

電解法按照制備工藝的連續與否，分為間歇法和連續法。目前主要采用間歇法工藝，但該方法存在問題有：隨著反應進行，極室中的季銨鹽或季銨堿濃度發生變化，影響離子膜的使用壽命；反應到后期時，產物濃度增加，能耗變大，電流效率變低。目前采用連續電解法制備季銨堿的研究較少。

根據電解槽中離子交換膜的張數不同，劃分為單膜法與多膜法。

5.1 單膜法

單膜法使用的裝置為兩室一膜電解槽，即由一個陽極室，一個陰極室，一張離子交換膜構成，兩個極室被離子交換膜隔開。根據離子交換膜的交換基團可分為兩種方法：陽離子交換膜法和陰離子交換膜法，其電解過程分別如下。

(1) 陽離子交換膜法

兩個極室之間使用陽離子交換膜隔開，陰極室中加入去離子水或者季銨堿溶液以增加電導性，陽極室中加入季銨鹽水溶液。在兩極之間增加電壓后，陽極室中的季銨陽離子被電場作用驅動通過中間的陽離子交換膜進入陰極室，與陰極室中電解水產生的OH-結合形成季銨堿產物。

2010年，任保增課題組以四甲基碳酸氫銨為原料，在H型電解槽中電解合成四甲基氫氧化銨，如圖5所示。采用的陽離子交換膜是旭華成F4403，原料濃度控制為1.41 mol·L-1，電解液溫度控制為50 ℃，電流密度792 A·m-2，電流效率達83.5%，金屬離子質量比小于5 mg·kg-1。 2018年，張新勝課題組的柳俊等[30]用相似的H型電解槽裝置電解四乙基氯化銨(TEACl)制備四乙基氫氧化銨(TEAH)，電流密度為1200 A·m-2，溫度80 ℃，陽極室原料濃度3 mol·L-1，電解終點為陰極室產物質量分數為25%，電流效率為81.81%。

圖 5任保增課題組電解合成四甲基氫氧化銨裝置示意圖

2013年，耿濤課題組的滕曉光等[31-32]利用陽離子交換膜的電解槽制備系列長鏈季銨堿產品：十二烷基三甲基氫氧化銨、十四烷基三甲基氫氧化銨、十八烷基三甲基氫氧化銨，均具有良好的表面活性劑性能。優化工藝具體條件：反應溫度控制為65 ℃，原料濃度控制為0.8 mol·L-1，電流密度控制為400 A·m-2，此條件下三種產品的制備具有較高電流效率及較低能耗。

2015年，耿濤課題組的董子良等[33-34]以長鏈烷基碳酸氫銨為原料，用陽離子膜連續電解法制備十四烷基三甲基氫氧化銨(圖6)，反應溫度控制為65 ℃，電流密度控制為450 A·m-2，原料濃度控制為1.40 mol·L-1，電流效率達67%。

圖6董子良采用連續電解法制備長鏈烷基季銨堿示意圖

(2) 陰離子交換膜法

兩個極室中間使用陰離子交換膜隔開時，陽極室中加入導電介質，陰極室中加入季銨鹽水溶液。在兩極之間施加電壓后，季銨鹽的陰離子受電場的驅動作用，穿過陰離子交換膜進入陽極室，陰極室中剩下的季銨陽離子與電解水產生的OH-結合形成季銨堿產物[35-36]。

單膜法中的陰、陽離子膜交換法各有優缺點，目前電解法制備季銨堿多采用陽離子交換膜法。陽離子交換膜法中，只有季銨陽離子可透過交換膜進入到陰極室中，陰離子無法通過，所以制得的季銨堿產品陰離子雜質少，但是季銨陽離子較Na+， K+大，Na+， K+等離子更易通過陽離子交換膜進入陰極室，所以無法去除金屬陽離子雜質；此外，當季銨鹽的陰離子是鹵素離子時，陽極室會產生鹵氣造成環境污染。陰離子交換膜法中，產物和原料共處一個電解槽中[37]，較難分離；此外，陰離子交換膜與陽離子交換膜相比抗氧化性較低，存在鹵素時，易發生氧化劣化。

5.2 多膜法

多膜法中最廣泛應用的是三室兩槽裝置，主要由一個陽極室、一個中間鹽室、一個陰極室構成，比較常見的膜堆構型是：中間鹽室與陽極室之間采用陰離子交換膜隔開，中間鹽室與陰極室之間采用陽離子交換膜隔開(圖7)。中間鹽室中加入季銨鹽溶液，陽極室中加入導電介質，陰極室中加入去離子水或者低濃度季銨堿溶液以增加電導性。通電后，中間鹽室的季銨陽離子受到電場的驅動穿過陽離子交換膜進入陰極室，與陰極室中電解水產生的OH-形成季銨堿產物；陰離子進入陽極室。該法可得到純度很高的季銨堿產物。

圖7 三室兩膜電解裝置

2009年，Kumar等[38]采用三隔室的膜堆構型的電解設備制備四丁基氫氧化銨(TBAOH)，獲得了較高的電流效率。三隔室為三室兩槽構型，中間兩張離子膜均為陰離子交換膜，其電解TBABr制備TBAOH的過程如圖8所示。結果顯示，此三隔室裝置中，原料不直接接觸電極，避免了季銨堿達到最高濃度時可能產生的分解。

2011年，張新勝課題組[39]采用三室兩膜電解槽及四室三膜電解槽同樣對TBABr進行電解制備四丁基氫氧化銨(TBAOH)。三室兩膜電解槽如圖7所示，四室三膜電解槽就是在三室兩膜電解槽基礎上，在陰極室和中間鹽室之間再加一張陽離子交換膜。結果證明，四室三膜電解槽制得的產物鹵素含量更低。

圖 8Kumar等將TBABr用三室兩槽設備電解為TBAOH示意圖

2012年，任保增課題組[40]以四甲基碳酸氫銨為原料，避免鹵素對產物的影響，以三室兩膜電解裝置合成四甲基氫氧化銨，三室兩膜電解槽如圖7所示，陽離子交換膜選用旭化成F4602，所得產品的金屬離子質量比很低(小于5 μg·kg-1)。在優化的工藝條件下，電流效率可達87%。

2015年，郭良科[41]電解四丁基溴化銨制備四丁基氫氧化銨，采用四室三膜電解槽裝置，與張新勝課題組研究的不同之處在于，該課題組采用連續法模擬工業化生產，電流效率可達到50.5%。

電膜反應器法制備季銨堿的優點如下：首先，電膜反應器法制備季銨堿流程簡單，過程相對安全；其次，不易混入雜質，能夠獲得高純度的產品，滿足電子級別標準的要求；第三，電解原料廣泛，幾乎所有的烷基季銨鹽都可通過此法來實現季銨堿的制備。但是電極板上不可避免地會生成H2和O2等氣體，導致能耗損失，因此該法仍具有一定的改善空間。

6 總結與展望

季銨堿是一類具有多用途的化學品，不同應用對其純度和品質的要求不同。季銨堿的諸多制備方法中，氧化銀法、堿置換法和離子交換樹脂法均具有裝置簡單、操作方便的優點，其中堿置換法是制備固體季銨堿的優越方法，但是這些方法都不可避免地將Ag+， Na+， K+， Br-， Cl-等雜質離子引入產品中，因此制備出的季銨堿產品應用受到限制。雙極膜電滲析法和電膜反應器法均通過設置膜堆來獲得高純度的季銨堿產品，滿足電子級別標準的要求。與電膜反應器法相比，雙極膜電滲析在制備過程中無需引入其他酸堿組分，無O2和H2等氣體產生，較為節約電能，但是技術上實現較為困難；電膜反應器法生產過程相對安全，電解原料廣泛，幾乎可將所有烷基季銨鹽制備成季銨堿，且三廢少，是較綠色的制備方法。

綜上，基于超純試劑具有較大市場需求，研究雙極膜電滲析法和電膜反應器法制備高純度季銨堿將具有較好的發展前景。