高純度5,5-二甲基海因的制備及工藝研究

李偉光,李偉憲,李麗敏,李愛軍*,陳波,高燕云,趙曉鵬

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

5,5-二甲基海因(簡稱DMH),化學名為 5,5-二甲基咪唑二酮,分子式為C5H8N2O2,是一種用途很廣的有機化合物[1]。由于5,5-二甲基海因具有特定的穩定結構及氮原子上的活潑氫原子,使其成為十分優秀的化學中間合成體[2],被廣泛用于有機合成、醫藥、塑料、食品、化妝品、農藥等生產領域[3-5]。如在NaOH的催化作用下,于溫和條件下和環氧氯丙烷合成5,5-二甲基海因環氧樹脂,該樹脂具有較好的性能且能溶于水和常見的有機溶劑,利于樹脂后期的回收[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];通過取代反應可制備一系列有價值的衍生物,常被合成鹵代海因作為消毒劑、防腐劑和鹵代劑使用[9-10]。如通過季銨化反應將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,減緩其在酸性環境下的腐蝕[11];通過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品二溴海因產品,由于其可溶于常用有機溶劑,具有活性溴含量高、貯存穩定、作用緩和且價格經濟等優點,可作為催化劑,氧化劑,溴化劑和消毒劑使用,被廣泛應用于有機化學工業、制藥業、橡膠工業、醫藥衛生消毒、農業生產等工業產品的合成[12-15]。這些應用都充分證明了5,5-二甲基海因在基礎工業生產中的重要作用和廣泛應用。

然而,當將5,5-二甲基海因應用于高要求場合的時候,常因其原料純度達不到后續產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取代反應合成一系列的海因/三嗪類鍵合劑,用于合成火箭復合固體推進劑,可在一定程度上提升固體推進劑的綜合力學性能[16-18];同時高純度5,5-二甲基海因還常作為無氰電鍍配位劑使用,如采用尼克酸作為鍍液中銀離子輔助配位劑,5,5-二甲基海因為主配位劑,通過篩選其他優良的輔助劑,并在優化的工藝參數條件下實現無氰鍍銀,在航空航天工業中可較好地實施應用[19];在合成分化誘導劑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出更加突出的優勢,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行反應,可制備得到尼魯米特粗品,進一步通過重結晶進行純化得到高純度產品[21];尤其是在醫藥領域,則需要純度和雜質含量等要求更高的5,5-二甲基海因[22-23]。因此,研發高純度低雜質的5,5-二甲基海因生產工藝技術是推廣其高價值利用的關鍵。

國外在70年代對于5,5-二甲基海因的生產已經有較為成熟的技術,其中美國廠家麥克公司、格蘭科化學公司及龍佐公司等都已建立成熟的生產規模,年產量已有超過萬噸。此外,瑞士、德國、英國、日本及前蘇聯等國家也擁有了相應的規模生產,其中日本的日本化學、三井東亞化學公司都實現了年產超過千噸的規模產量[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Bnoherer-Bergs環化法進行合成。其生產工藝路線可分為間歇法和連續法合成路線。相比于連續生產法,間歇法技術條件成熟,但產率較低約為80%,較難大規模生產;連續法可以較好地彌補間歇法的缺點,但設備復雜昂貴及操作復雜[25]。相比之下,國內合成5,5-二甲基海因技術的起步較晚。20世紀初我國有學者采用間歇法,利用2-甲基-2羥基丙腈和碳酸銨作為原料,在溫和條件下通過環化法合成5,5-二甲基海因,優化反應條件后得到產品的收率達到88%[26]。相對于間歇法,采用連續法產品收率較高,如采用填料塔反應器經過連續生產合成5,5-二甲基海因,通過優化反應器設備參數和反應條件參數,可得到產率為90%～92%的產品收率[27],該工藝中的反應器參數設置比較重要,對得到產品質量和收率影響較大[28]。當適當的改進合成催化劑后,也可進一步提高產品收率,國內有學者就采用芐基三甲基氯化銨為相轉移催化劑,通過催化丙酮、氰化鈉、碳酸銨合成5,5-二甲基海因,在低溫及較短反應時間內其產率可達到99%以上[29]。武漢大學相關學者曾對5,5-二甲基海因得合成工藝進行了較為詳細地研究,并進行了小試實驗[24]。然而,國內對于高純度的5,5-二甲基海因生產技術或工藝的研究還相對較少,如何高效低耗的生產高純度5,5-二甲基海因仍需進一步探索。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

實驗所用主要藥品包括:碳酸氫銨、丙酮氰醇、活性炭、蒸餾水,分析純;市售的普通工業品5,5二甲基海因。

實驗所用儀器主要包括:反應釜、結晶釜、離心機、烘箱;鈦棒微孔過濾器(型號: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)、微孔袋式過濾器(型號:DL-5P2S,5個濾袋數量,過濾面積2.5 m2,最大流量175 m2/h,工作壓力0.5 MPa)、陽離子樹脂柱(選用001×4001×7等陽離子樹脂)和陰離子樹脂柱(選用201×4201×7等陰離子樹脂);色度用鉑-鈷色度儀、高效液相色譜儀檢測、WRR熔點儀、電感耦合等離子發射光譜儀(參考JY/T015-1996進行檢測)、離子光譜儀(參考JY/T020-1996極性檢測)。

1.2 試驗方法

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,在第一反應釜中于42 ℃和0.1 MPa壓力條件下恒溫反應7 h,反應結束后將第一反應釜內的物料降溫至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釜中攪拌溶解,將所述第二反應釜加熱內的物料加熱至52 ℃,并加入一定比例的活性炭,繼續加熱第二反應釜內物料的溫度達到88 ℃,脫色保溫30 min,然后將第二反應釜中的物料依次通過鈦棒微孔過濾器和微孔袋式過濾器進行二級過濾后,在0.28 MPa的壓力下壓到第三反應釜中,在第三反應釜溫度內72 ℃左右保溫10 min,然后依次在0.25 MPa的壓力下依次壓到陽離子樹脂柱和陰離子樹脂柱進行過濾,最后進入結晶釜中,在低于30 ℃的環境溫度下冷卻進行重結晶。進一步將結晶釜內的物料在離心機內進行脫液、烘干得到高純度5,5-二甲基海因。整體5,5-二甲基海因產品制備流程如圖1所示。

圖1 DMH產品制備流程圖

2 結果討論

5,5-二甲基海因(DMH)因其性能安全穩定、反應活性高等特殊優勢,在國內外各個領域得到全面的應用推廣。為了適應高要求的特殊應用場合,提高其利用價值,需進一步優化5,5-二甲基海因生產工藝來盡可能地提高其產品純度。本工藝利用丙酮氰醇和碳酸氫銨為合成原料來生產5,5-二甲基海因產品。通過加熱碳酸氫銨分解生成氨,經取代丙酮氰醇中的羥基與二氧化碳反應生成氨基甲酸,然后由環化反應制備得到5,5-二甲基海因,進一步純化得到5,5-二甲基海因精品。

本生產工藝是在常壓下,采用原料比為M(水)∶M(碳酸氫銨)∶M(丙酮氰醇)=65∶28∶31,反應溫度42 ℃和0.1 MPa壓力下,連續反應7 h,合成得到5,5-二甲基海因粗品。通過進一步設計溶解脫色、過濾結晶、烘干等關鍵工序對得到的5,5-二甲基海因粗品進行純化提升,并采用多種分析手段對純化過程中脫色(DMH-1)、一次過濾(DMH-2)、二次過濾(DMH-3)等關鍵步驟中的產品指標進行詳細分析,得到的5,5-二甲基海因精品技術指標如表1～2所示。

表1 純化工藝對 DMH產品質量的影響及與市售DMH技術指標比較

由表1～2中結果可以發現,經過設計的脫色-一次過濾-二次過濾的純化工藝,5,5-二甲基海因粗品的含量逐步提高,經脫色后5,5-二甲基海因含量為96%,經過一次過濾升至96%,再次過濾后最終可達99.96%。同時,在純化過程中,5,5-二甲基海因相應的品質也逐漸提高,色度由60降低至4,干燥失重從1%降至0.05%,而初熔點由173 ℃提升至178 ℃,整體物性參數值都在很大程度上優于市售的5,5-二甲基海因產品指標;在純化工藝過程中,5,5-二甲基海因產品中的雜質鈉離子、鐵離子、鈣離子、氯離子等在一次過濾和二次過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指數快速下降,表明在不同過濾階段,不同過濾手段對不同雜質離子的去除能力有所不同。純化后遠低于市售DMH中雜質含量值(如表2所示),表明該純化工序可高效地提高5,5-二甲基海因產品的含量,降低其中的雜質含量。

表2 純化工藝對DMH產品中雜質含量的影響及與市售DMH比較

3 結論

在反應參數物料比、反應溫度、反應時間一定條件下,合成5,5-二甲基海因粗品產品,進一步通過溶解脫色、過濾結晶、烘干等工序對合成的5,5-二甲基海因粗品進行純化。經純化后的5,5-二甲基海因產品中所含金屬離子、鹵離子、酸根離子等雜質含量遠低于市售5,5-二甲基海因產品,純化后的5,5-二甲基海因產品含量可提高至99.96%,高于市售5,5-二甲基海因產品含量。本工藝簡單高效、能耗物耗低,適合工業化生產,可促進5,5-二甲基海因產品在高要求場合的應用擴展和價值提高,具有較高的經濟價值和社會效益。