N-PMI的合成新方法及中試放大研究

李進京，吳義班，張召來，李林博，劉玉肖，姬金嶺,魏洪福，張 杰*

(1.佳木斯大學 藥學院，黑龍江 佳木斯 154007;2.嘉興市世誠科技有限公司，浙江 嘉興 314001)

N-苯基馬來酰亞胺(N-phenylmaleimide，簡稱N-PMI)，其外觀為淺黃色針狀晶體，熔點為88～90℃，沸點為162～163℃[1]。其結構式為：

因其具有1,2-二取代乙烯基結構，與高分子鏈結合后，在一定程度上提高了聚合物的耐熱性[2]。并且其與高分子聚合物如ABS樹脂等進行共混后，可以提高高分子聚合物的玻璃化轉變溫度和熱分解溫度，改善材料的加工性[3]。此外，N-PMI還在農藥、醫藥等領域有廣泛的應用[4]。

目前國內外N-PMI的合成方法已有大量報道，主要有一步法、共沸法、醋酐法、酯化法[5]等，這些方法存在生產成本高、純度低、“三廢”多等問題。例如使用強酸作催化劑，利用共沸脫水法生產N-PMI時，在后處理階段會產生大量酸性廢水，處理難度大，生產成本高。

本文采用苯胺的對甲苯磺酸鹽作為反應的原料兼催化劑，與馬來酸酐反應，一鍋法制備N-PMI，在保證產率的同時，有效避免了大量酸性廢水的產生。其反應方程式如下：

1 試驗部分

1.1 試劑

順丁烯馬來酸酐，北京紅星化工廠；苯胺，天津市博迪化工有限公司；一水合對甲苯磺酸，上海賢鼎化學試劑公司；對苯二酚，天津市遠航化學品有限公司；苯，天津市福晨化學試劑廠；上述原料均為分析純。

1.2 儀器

集熱式磁力攪拌器DF-101S(上海吉眾儀器有限公司)；RE-2000A旋轉蒸發器(上海亞榮生化儀器廠)；ZF-1型三用紫外分析儀(杭州齊威儀器有限公司)；X-5顯微熔點測定儀(北京泰克儀器有限公司)；400 MHz核磁共振儀(Agilent technologies)。

1.3 操作方法

在裝有溫度計、分水器、回流冷凝器的100 mL三口瓶中，加入1.08 g(11 mmol)馬來酸酐，溶于適量苯中。室溫攪拌，緩慢加入2.83 g(10 mmol)苯胺磺酸鹽，攪拌30 min。將反應瓶移到水浴中，加入少許對苯二酚及DMF，85℃回流分水，TLC檢測反應進程。

反應結束后，加入0.93 g(10 mmol)精制苯胺，過濾得白色苯胺磺酸鹽，減壓回收溶劑，加入適量水洗，室溫攪拌30 min后抽濾、干燥，得黃色針狀固體。

根據以上步驟，依次對原料配料比、對甲苯磺酸成鹽次數、溶劑用量和回流脫水時間進行單因素實驗，以考察其對N-PMI產率的影響。

1.4 產品表征

所得化合物的熔點為85～89℃(文獻值[6]86～90℃)。

1H NMR (400 MHz，CDCl3) δ 7.55～7.32(m，5H)，6.86(s，2H)。

13C NMR (100 MHz，CDCl3) δ 169.57，134.22，131.23，129.18，128.00，126.11。

結合1H NMR和13C NMR數據及文獻報道，本文所得產物結構確定為N-PMI。

2 結果與討論

2.1 原料配料比對N-PMI產率的影響

固定其它條件下，選取原料配料比(n馬來酸酐∶n苯胺磺酸鹽)分別為1.00eq、1.05eq、1.10eq、1.15eq、1.20eq的5個水平，實驗結果如表1所示。

表1 原料配料比對N-PMI產率的影響

由表1可以看出，在一定范圍內，隨著馬來酸酐用量的增加，N-PMI產率隨之增加。但當馬來酸酐的用量增加到1.20eq時，N-PMI產率反而出現了小幅度下降。該現象一方面，可能由于過量的馬來酸酐，在實驗條件下因其雙鍵結構的高活性，從而引發自身聚合，使得參與主反應的馬來酸酐的量降低，N-PMI產率隨之降低；另一方面，也可能由于反應過程中生成的N-PMI與苯胺存在“邁克爾加成”反應的可能性，從而使得最終N-PMI產率降低。由上可知，最佳原料配料比應為n馬來酸酐∶n苯胺磺酸鹽=1.10∶1.00。

2.2 對甲苯磺酸的成鹽次數對N-PMI產率的影響

采用苯胺成鹽分離法，回收對甲苯磺酸并循環使用。研究了相同條件下，循環使用對甲苯磺酸苯胺鹽對N-PMI產率的影響，實驗結果如表2所示。

由表2可知，隨著對甲苯磺酸成鹽次數的增加，N-PMI產率略有下降，但循環使用次數至少可達3次。

實驗數據表明，多次成鹽循環使用的對甲苯磺酸仍具有較好的催化效果。在TLC監測反應進程中，我們發現由多次成鹽循環使用的對甲苯磺酸所形成的對甲苯磺酸苯胺鹽與馬來酸酐反應迅速。在較短的時間，即可生成大量中間體化合物--N-苯基馬來酰胺酸。同時對甲基苯磺酸從對甲苯磺酸苯胺鹽中快速游離出來，繼續催化N-PMI的合成，且最終所得N-PMI產率較為理想。

2.3 溶劑用量對N-PMI產率的影響

參照1.3合成實驗步驟，向反應體系中分別加入15.00、20.00、25.00、30.00、35.00 mL溶劑苯，進行平行試驗來考察溶劑用量對N-PMI產率的影響，實驗結果如表3所示。

表3 溶劑用量a對N-PMI產率的影響

由表3可知，溶劑用量對產品產率有較大的影響。這是由于在常溫條件下，生成的N-苯基馬來酰胺酸在溶劑苯中溶解性極小，不利于進一步合成N-PMI。

本文通過升溫至回流溫度和加入少許助溶劑-DMF的方法，使得N-苯基馬來酰胺酸溶于溶劑中，形成均相反應體系，從而促進N-PMI的合成。當溶劑用量較少時，體系呈非均相反應體系，副產物較多；當溶劑用量較多時，反應物濃度低，反應時間較長，從而引起較多副反應，使得N-PMI產率降低。由表3可知，最佳的溶劑用量為25.00 mL。

2.4 回流脫水時間對N-PMI產率的影響

固定其他反應條件，對不同水平的回流脫水時間對N-PMI產率的影響進行了考察，其實驗結果如表4所示。

表4 回流脫水時間對N-PMI產率的影響

由表4可知，脫水時間對N-MPI產率有較大的影響。一段時間內，隨著回流脫水時間的增加，N-PMI產率逐漸升高；繼續延長回流脫水時間，逐漸有泥狀樹脂生成，導致N-PMI產率大幅度下降。因此，最佳回流脫水時間為4 h。

3 結論

以馬來酸酐為原料、苯胺磺酸鹽為催化劑、苯和DMF為混合溶劑，“一鍋法”成功制備出N-PMI。并通過單因素實驗得到最佳N-PMI合成工藝為：1 g苯胺磺酸鹽，8.8 mL苯，0.5 mL DMF，n苯胺磺酸鹽∶n馬來酸酐=1.00∶1.10，回流脫水時間為4 h，N-PMI平均產率為88%，純度為93%。其中苯胺磺酸鹽循環使用次數至少達3次。