己二酸二酰肼合成工艺研究

杨俊阁，宋宝东*，张华堂

(1.天津大学化工学院，天津 300072; 2.山东潍坊科麦化工有限公司，山东 潍坊 262700)

己二酸二酰肼(ADH)，白色结晶固体，具有对称的分子结构，是双功能团化合物。ADH是一种良好的交联剂，可与羰基交联，较为典型的有与透明质酸交联应用于医药学[1-2]，与双丙酮丙烯酰胺交联应用于水性树脂[3-4]等。随着环境法规对涂料中挥发性有机物质的限制越来越严格，近年来，国内外学者对水性涂料进行了大量研究[5-7]，相关产品得到快速发展，并且在许多应用领域中，已经全部或者部分替代传统意义上的溶剂型涂料。可以预期，随着人们生活质量提高以及行业技术进步，水性涂料的生产成本会不断降低，发展前景非常广阔。

作为酮肼交联的单体，双丙酮丙烯酰胺的合成和应用，国内外相关文献报道较多[8-9]，ADH的合成研究相对较少。文献[10]报道了己二酸与水合肼直接反应合成ADH的方法，但收率较低。80年代有文献[11]介绍了两步法合成ADH，第一步合成己二酸二甲/乙酯，第二步由酯和水合肼反应生成ADH。在第一步酯化反应中，大多采用浓硫酸做催化剂，存在腐蚀性强、环境危害大、副反应杂等问题[12]。环境友好型催化剂如固体酸、杂多酸以及金属化合物等[13-14]，虽然受到越来越多的关注，但普遍存在成本较高、合成工艺繁琐等弊端，较适宜于实验室规模的研究开发，在实际生产应用中还有许多问题需要解决。第二步酰肼化反应，有文献[15]采用原料经加热回流一段时间后冷却结晶，滤出固体经洗涤干燥得到ADH产品的方法。

本研究采用两步法，1)用己二酸和甲醇催化合成己二酸二甲酯，在酯化反应中，通过对常用催化剂的比较最终选定硫酸氢钾，相比于浓硫酸及上述的环境友好型催化剂，其优点为催化效率适中、价廉、易于回收再利用、废弃物仍具一定利用价值等；2)将己二酸二甲酯与质量分数为80%的水合肼进行酰肼化，得到高纯度己二酸二酰肼产品。酰肼化反应在室温条件下进行，工艺简单，易于操作，与加热回流比较，能耗显著降低。

1　实验部分

1.1　试剂与仪器

试剂：己二酸，天津市光复精细化工研究院；无水甲醇，烟台三和化学试剂有限公司；水合肼(质量分数为80%，下同)，天津市巴斯夫化工有限公司；硫酸氢钾，上海强顺化学试剂有限公司；对甲苯磺酸，天津市科密欧化学试剂有限公司；氯化锌，莱阳经济技术开发区精细化工厂；浓硫酸，莱阳经济技术开发区精细化工厂。均为分析纯。

仪器：Agilent 7890A高效气相色谱仪；Waters 2695高效液相色谱仪；Mettler TGA/DSCI/1100LF差热分析仪；IRPrestige-21红外分光光度计；SHZ-DⅢ循环水真空泵；DF-Ⅱ集热式磁力搅拌器；GZX-9140MBE数显鼓风干燥箱。

1.2　己二酸二甲酯合成

在装有温度计、搅拌器的烧瓶中加入定量己二酸、无水甲醇、催化剂，加热回流反应一段时间后将反应液进行蒸馏，先常压蒸出水和甲醇，再减压蒸馏，收集沸点109～110 ℃(1.87 kPa)的馏分为己二酸二甲酯。

1.3　己二酸二酰肼合成

取定量己二酸二甲酯、80%水合肼、无水甲醇放入装有温度计和搅拌器的烧瓶中，室温下进行反应，一段时间后停止反应，冷却，结晶,然后经过滤、洗涤、干燥后得到ADH固体。

实验中采用Agilent 7890A高效气相色谱仪对己二酸二甲酯进行定量分析，Waters 2695高效液相色谱仪对己二酸二酰肼进行定量分析。

2　结果与讨论

2.1　酯化反应

实验中考察了催化剂种类、催化剂用量、醇酸比、反应时间等对己二酸二甲酯收率的影响，并考察了催化剂重复使用情况。

2.1.1催化剂种类

酯化反应以0.25 mol己二酸为基准，无水甲醇1.0 mol，醇酸物质的量之比为4，甲醇过量比例为100%，全回流1.0 h，考察了对甲苯磺酸、硫酸氢钾、浓硫酸和路易斯酸氯化锌4种催化剂对酯收率的影响，结果见图1。

图1　催化剂种类对收率的影响Fig.1　Effect of varieties of catalysis on the yield

由图1可以看到，路易斯酸氯化锌对反应催化效率较低，其余3种催化剂，催化效率持平。从反应时间分段分析可见，在0.5 h时，催化活性顺序为对甲苯磺酸>浓硫酸>硫酸氢钾，说明该阶段的决定因素为强酸性；随反应的继续进行，如1.0 h时，可以认为正反应酯化和副反应酯的水解基本达到一个动态平衡，3种催化剂的催化活性差别不大；反应进行至2.5 h时，硫酸氢钾的催化活性要稍高于浓硫酸和对甲苯磺酸，这可以解释为浓硫酸和对甲苯磺酸的酸性太强，造成己二酸二甲酯水解，收率稍有降低。

另一方面，浓硫酸和对甲苯磺酸均会溶解到反应体系中，催化剂使用一次后即失去活性，废酸和反应后处理麻烦。用硫酸氢钾作为催化剂，催化剂本身不溶于体系，反应后，可用过滤等简单方法进行分离，催化剂回收后仍具有反应活性，可以循环使用。反应结束后，催化剂及时与反应体系分离，可防止在蒸馏过程中酯发生水解等副反应，综合以上因素，本研究中确定用硫酸氢钾作为酯化反应催化剂。

2.1.2催化剂用量

采用0.25 mol己二酸、1.0 mol无水甲醇，以硫酸氢钾为催化剂进行全回流1.0 h。催化剂用量为0.5、1.0、2.0、3.0和4.0 g时，酯化反应收率变化见图2。

图2　催化剂用量对收率的影响Fig.2　Effect of amount of catalysis on the yield

由图2可见，催化剂用量增加，产物收率提高，当催化剂用量达到2.0 g时，收率最高，超过2.0 g后收率略有下降，可能的原因是催化剂量加大，副反应增多，因此选择催化剂量为2.0 g，为己二酸质量的5.5%。

2.1.3n(醇)/n(酸)

用0.25 mol己二酸，2 g硫酸氢钾，在n(醇)/n(酸)为2～7，全回流1.0 h，结果如图3。

图3　醇酸比对收率的影响Fig.3　Effect of ratio of alcohol to acid on the yield

由图3可见，醇酸物质的量之比增加，收率增加，达到4时，收率几乎不变，可以认为反应已达到动态平衡，因此选择最适宜n(醇)/n(酸)为4。

2.1.4反应时间

用0.25 mol己二酸，1 mol无水甲醇，2.0 g硫酸氢钾进行全回流实验，反应时间为0.25、0.50、0.75、1.00、1.50和2.00 h时收率变化如图4。

图4　反应时间对收率的影响Fig.4　Effect of reaction time on the yield

由图4可见，反应初始阶段即0.25～0.75 h，产物收率几乎呈线性增加，0.75～1.00 h变化趋缓，1.00～2.00 h酯化和水解基本达到平衡，收率变化不大。综合考虑，选择适宜的反应时间为1.00 h。

2.1.5酯化反应后处理和催化剂循环使用

酯化反应结束后，先过滤将催化剂回收，剩余混合液进行蒸馏。在常压条件下，蒸出前馏分，包括过量和未反应的甲醇以及酯化产物水，并经进一步分离得甲醇，返回酯化反应循环使用。在减压条件下蒸出主产物己二酸二甲酯，经过气相色谱分析，质量分数≥99.8%，如图5所示。图5中检测到己二酸二甲酯的纯度为99.85%。残余液中主要为沸点较高的己二酸单甲酯，可作为下一批酯化反应原料循环利用。

图5　己二酸二甲酯产品的纯度Fig.5　Purity of dimethyl adipate

回收后的催化剂经洗涤干燥后直接重复使用。实验结果如表1。

表1硫酸氢钾重复使用效果
Table1Reuseresultsofpotassiumbisulfate

重复次数123456收率/%77747266342

由表1可以看出，催化剂重复使用前3次，催化活性仅降低约6.5%，催化剂可重复利用。第4次时降幅达15%，至第5次循环使用，活性仅为原始活性的44%，第6次时，催化剂几乎完全失活。随循环使用次数增加，活性降低较大可能是由于在反应过程中催化剂受到了其它物料的污染，且重复使用次数越多，污染越严重，催化效率下降越明显。活性大幅降低之后，可以采用洗涤、重结晶等方法提纯后，使催化剂重新获得活性。

本实验中未采取带水剂进行带水，主要是由于部分常见带水剂(如苯、甲苯、环己烷等)与甲醇形成共沸物的共沸点低于和水形成共沸物的共沸点，使得在反应中甲醇会先被带出来，这样不仅不能起到带水的效果，反而会因为反应体系中主要反应物之一甲醇的浓度降低而降低反应收率。

2.2　酰肼化反应

2.2.1肼酯比和醇酯比

由于反应的2种原料己二酸二甲酯和水合肼不相溶，为了提高反应速率，需要选择性加入一种或几种溶剂，使反应体系呈均相。通过实验探索得出，甲醇是一个适宜的选择，主要由于易得、价廉，同时是第一步酯化反应原料，对于整个合成反应体系，不引入其它杂质。甲醇的适宜加入量，以刚刚使反应体系呈均相为最适宜。

实验中，以0.1 mol己二酸二甲酯为基准，水合肼过量，根据不同过量比例，调整甲醇加入量。所以，该反应有n(肼)/n(酯)和n(醇)/n(酯) 2个相关影响因素。反应时间1.5 h，不同肼酯比和醇酯比条件下实验结果见表2。

表2中水溶液澄清度是指将得到的产物溶解在一定量的水中，由于ADH是可溶的，少量的杂质如己二酸单酰肼和己二酸二甲酯是水不溶物，当反应物配比不合适导致反应不彻底时，产品中杂质较多，其水溶液较浑浊。

表2　ADH合成实验条件及结果Table 2　Conditions and results of the synthesis of ADH

由表2可见，n(肼)/n(酯)<3.0、n(醇)/n(酯)<3.5时，ADH收率低于85%。当n(肼)/n(酯)和n(醇)/n(酯)均达4.0时，反应完毕滤出产物后，对滤液和产品洗涤母液分析，均不含己二酸二甲酯，说明酯的转化率达100%。ADH在水中的溶解度为100 g/L，反应主产物ADH由2部分组成，一是反应结束后析出的部分，可通过过滤直接得到，每批ADH产品质量16.2 g；二是溶解在水中的部分，需要将过滤母液进一步蒸馏，蒸出溶剂甲醇、过量的水合肼和水后得到的固体，此部分产品每批质量1.1 g。总ADH质量17.3 g，计算收率99%。

确定了水合肼的加入量后，为使反应液能够成为均相，甲醇作为一种溶剂，其加入量事实上已经确定，为了更充分的说明甲醇的加入量对水合肼收率的影响，在确定了水合肼的加入量后，通过改变甲醇的量探讨己二酸二酰肼收率的变化。

实验中以0.1 mol己二酸为基准，水合肼的加入量为0.4 mol，分别实验了酯肼比分别为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0时己二酸二酰肼收率的情况，如表3所示。

表3　醇酯比对ADH收率的影响Table 3　Effect of molar ratio of methanol to dimethyl on the yield

由表3中可以看出，当n(醇)/n(酯)≥4.0时，滤固体后滤液经分析其中不含有己二酸二甲酯，其转化率为100%，ADH的收率为99%(计算方法同表2中相同)。当n(醇)/n(酯)为2.0和3.0时，滤液经分析后仍含有己二酸二甲酯，表明反应未完全。

所以，选择n(肼)/n(酯)和n(醇)/n(酯)均为4为最适宜的反应比例。

反应结束后过滤出固体产品，滤液进行蒸馏，首先蒸出甲醇，可循环使用。随后蒸水，由于水和水合肼能够共沸，但共沸温度要高于两者单独的沸点，其中水的沸点最低，水首先被蒸出，直到剩余水合肼(N2H4·H2O)质量分数达到80%(此时还未到达共沸组成)时停止，剩余的水合肼(80%)可以循环使用。

2.2.2反应时间

采用0.05 mol己二酸二甲酯，0.2 mol水合肼，0.2 mol甲醇，反应时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、4.0 h进行反应，得到结果如图6。

图6　反应时间对ADH收率的影响 Fig.6　Effect of reaction time on the yield

由图6可见，反应初期收率快速升高，在1.5 h时，达到最高值99%，之后时间增加，仍保持最高收率，因此选择1.5 h为最适宜。

2.2.3己二酸二酰肼产品分析

采用红外分光光度计对己二酸二酰肼样品进行检测，光谱图如图7。

图7　ADH产品红外光谱图Fig.7　FTIR spectrum of ADH

采用液相色谱对己二酸二酰肼的纯度进行了检测，结果如图8所示。

图8　ADH产品的纯度Fig.8　Purity of ADH

图8中数据显示，己二酸二酰肼产品的质量分数为99.54%。

3　结论与建议

用两步法合成高纯度ADH。第一步用己二酸、甲醇酯化合成己二酸二甲酯，适宜的条件为：n(醇)/n(酸)为4.0，催化剂硫酸氢钾用量为己二酸用量的5.5%，反应时间为1.0 h，己二酸二甲酯收率达到77%，质量分数达到99.8%，催化剂重复循环使用3次，效率最高仅下降6.5%；第二步用己二酸二甲酯与80%水合肼进行酰肼化反应，以甲醇为溶剂，当n(肼)/n(酯)和n(醇)/n(酯)均为4.0，反应时间1.5 h，在室温下，己二酸二甲酯转化率为100%，ADH收率达99%，质量分数高达99.5%。采用差热分析仪测ADH产品熔点为180.7 ℃，符合其熔点范围178～182 ℃，且水溶性良好。

实验中两步法合成ADH的控制步骤在于第一步的酯化反应，为了进一步提高酯化收率，实验中分别作了以下尝试：1)催化剂由硫酸氢钾改为阳离子树脂，目的是进一步提高催化活性，使催化剂回收更简便，重复使用次数更多；2)在现有甲酯合成实验的基础上，利用3A、4A分子筛，采用体外脱水方式，脱除酯化反应产生的水，提高酯化收率；3)用乙醇代替甲醇，合成己二酸二乙酯，目的是利用乙醇、水二元共沸物，可与苯、甲苯、环己烷等挟带剂形成三元共沸物的性质，在反应过程中，通过挟带剂不断带出酯化产生的水，从而使反应平衡向右移动，大幅提高酯化反应收率。相关内容将在后续文章中报道。

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