无溶剂绿色合成1-甲基咪唑

薛其才，郑化安，张生军，寇永利，王文涛，聂颖颖

(1．陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；2．国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西 西安 710065)

无溶剂绿色合成1-甲基咪唑

薛其才1，2，郑化安1，2，张生军1，2，寇永利1，2，王文涛1，2，聂颖颖1，2

(1．陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；2．国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室，陕西 西安 710065)

实验以20%KOH/活性炭(AC)为催化剂，采用绿色环保的碳酸二甲酯为甲基化试剂，在高压釜中，高选择性合成了1-甲基咪唑。考察了温度、时间、投料比、压力对反应的影响，当温度150℃，n(碳酸二甲酯)/ n(咪唑)= 1.1，釜内最大压力3 MPa，反应2h，1-甲基咪唑产率最高，97%。该工艺不使用溶剂，绿色无污染，具有工业化应用前景。

1-甲基咪唑；碳酸二甲酯；无溶剂；绿色合成

1-甲基咪唑是重要的有机合成中间体[1]，主要用作树脂固化剂、粘合剂等[2]，也可用于浇注、粘接和玻璃钢等领域[3]。工业上主要以甲醛、乙二醛、甲胺、氨水为原料制备1-甲基咪唑[4-5]，原料都是一定浓度的水溶液，而产品易溶于水，分离损失大，污染较为严重。随着环保政策趋紧，开发绿色生产工艺迫在眉睫。碳酸二甲酯作为一种绿色环保的化工原料，在取代传统的硫酸二甲酯、卤代甲烷等甲基化试剂用于合成1-甲基咪唑具有明显的环保优势，受到了科研工作者的广泛关注[6-9]，但碳酸二甲酯用量大、反应温度高、产品收率不高等问题还未解决。本实验以开发具有工业应用前景的1-甲基咪唑生产工艺为目标，通过筛选各种催化剂，考察反应时间、温度、投料比、压力对咪唑转化率和1-甲基咪唑产率的影响，优化了反应条件，确定了最佳工艺条件。

1 实验

1.1 仪器及试剂

仪器：Bruker ARX-300(300 MHz)核磁共振仪，测1-甲基咪唑的氢谱、碳谱；Agilent 6210 TOF LC/MS 高分辨质谱仪，电离方式为正离子模式，测反应物组成；Agilent 7890b型气相色谱仪，测咪唑转化率和1-甲基咪唑产率。

试剂：咪唑(纯度>99%)，江苏康乐新材料科技有限公司；碳酸二甲酯(纯度>99%)，山东石大胜华化工集团；氢氧化钾(KOH)、18-冠-6、四丁基溴化铵(TBAB)、三乙基苄基氯化铵(TEBAC)、γ-氧化铝、活性炭(AC)等，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 1-甲基咪唑合成与表征

反应在200mL微型高压反应釜中进行，材质为哈氏合金，磁力搅拌，加装背压阀，以便控制釜内压力。反应达到预定时间后，通冷凝水降温，放气至常压，过滤除去催化剂，减压蒸馏得1-甲基咪唑。

1.3 分析方法

Agilent 7890b型气相色谱仪分析反应物，Agilent19091Z-413(HP-1)色谱柱；氢火焰离子化检测器；程序升温，初始温度为60℃，保持1min后，以30℃/min的速率升温至260℃，保持5min；气化室温度260℃；检测器温度260℃；氮气做载气，流速1.5mL/min；自动进样，进样量0.1μL，分流比40:1。

2 结果与讨论

2.1 催化剂筛选

以KOH与18-冠-6为催化剂，咪唑和碳酸二甲酯在高压釜中，140℃反应3小时，1-甲基咪唑产率(a)可达78%，副产物1H-咪唑-1羧酸甲酯(b)8%。为了开发具有实用性的生产工艺，我们随后对多种催化剂进行了考察(表1)。结果显示，相转移催化剂有较高的催化活性，但是伴有一定量的副产物生成。单独使用KOH为催化剂时，咪唑转化率降到45%，副产物不到1%，这说明催化剂与原料的接触面积至关重要。使用负载型催化剂时，咪唑的转化率有了显著提升，KOH/AC组合效果最好，咪唑转化率达到82%。增加KOH的负载量，能有效提高催化效率，负载量20%时效果最佳，过高负载量减少了活性炭自身的空隙结构，导致部分催化点位失活，反而起不到好的催化效果。催化剂用量降到0.05当量(equiv)时，催化性能依然良好，进一步降低催化剂用量，咪唑的转化率有所下降。结合以上结果，我们确定最优催化剂为20% KOH/AC。

表1 催化剂筛选

反应条件：咪唑400mmol、碳酸二甲酯480mmol、催化剂、140℃、500r/min，反应3h。负载型催化剂采用等体积真空浸渍法制备[10]。

2.2 温度和时间对反应的影响

采用20% KOH/AC为催化剂，通过定时取样分析的方式，我们考察了温度、时间对产率的影响。由图1可以看出，150℃为最佳反应温度，反应温度低于150℃时，反应进行到3h，仍有部分咪唑剩余。当反应温度在150℃以上时，副产物的量随着反应时间逐渐增加。因此，反应温度150℃，反应时间2h为宜。

反应条件：咪唑400mmol、碳酸二甲酯480mmol、20%KOH/AC(0.05 equiv)、500r/min，反应3h

图1 温度和时间对反应的影响

2.3 投料比对反应的影响

我们以150℃反应温度，考察了咪唑和碳酸二甲酯用量对反应的影响，结果列于图2。投料比对反应有较大影响，当碳酸二甲酯和咪唑投料相等时，反应进行3h，咪唑转化率仅为77%。投料比为1.1时，1-甲基咪唑产率最高。进一步提高投料比，虽然咪唑的转化率有所提高，但是1-甲基咪唑的产率不增反降。当投料比增加到3时，有8%的副产物1H-咪唑-1羧酸甲酯(b)生成。因此，投料比为1.1最佳。

反应条件：咪唑400mmol、碳酸二甲酯、20%KOH/AC(0.05 equiv)、500r/min，反应3h

图2 投料比对反应的影响

2.4 压力对反应的影响

反应温度为150℃时，该反应的最大压力为8MPa，在工业生产中，存在设备投资高，危险性大的问题。在合成1-甲基咪唑的反应过程中，有与1-甲基咪唑等量的CO2产生，为了降低反应釜内压，我们给反应釜加装了背压阀，以便反应过程中及时排出CO2，保持釜内压稳定。由图3可以看出，反应釜最高压力由8MPa降到3MPa时，由于低压时釜内CO2含量相对1-甲基咪唑大幅降低，化学平衡向右移动，咪唑的转化率、1-甲基咪唑的产率都有所升高。进一步降低釜内压力到1MPa，有部分碳酸二甲酯、甲醇随CO2一起排出，导致釜内咪唑相对过剩，转化率大幅降低。对比以上结果，将釜内最大压力控制到3MPa较为合适。

反应条件：咪唑400mmol、碳酸二甲酯440mmol、20%KOH/AC(0.05 equiv)、500r/min，通过背压阀控制釜内最大压力，反应2h

图3 压力对反应的影响

3 结论

以绿色环保的碳酸二甲酯为甲基化试剂，采用负载型催化剂(20%KOH/AC)，在无溶剂条件下，高选择性合成了1-甲基咪唑。通过对投料比、釜内压力的优化，有效降低了原料成本及设备投资，具备工业化应用的潜力。

[1] 马文展，刘少文，胡 建，等.咪唑及其衍生物的合成[J].化学试剂，1997，19(5)：27-31.

[2] 梁 玮，张 林.反应型环氧树脂固化剂的研究现状与发展趋势[J].化学与粘合，2013，35(1)：71-74，77.

[3] 马文展，胡 建.咪唑及其衍生物的应用[J].化学试剂，1998，20(3)：20-27.

[4] 张 平，汤 琳，张 婷，等. N-甲基咪唑合成工艺研究[J].安徽科技学院学报，2016，30(2)：71-75.

[5] 高学民，缪留福，李向欣.N-甲基咪唑的制备[J].化学试剂，1992，14(4)：248.

[6] Tilstam Ulf. A continuous methylation of phenols and N,H-heteroaromatic compounds with dimethyl carbonate[J]. Org. Process Res Dev，2012，16(12)：1974-1978.

[7] Samedy Ouk, Sophie Thie′baud, Elisabeth Borredon. N-Methylation of nitrogen-containing heterocycles with dimethyl carbonate[J]. Synthetic Communications，2005，35(23)：3021-3026.

[8] Borredon Elisabeth, Chabaud Bernard, Gaset Antoine, et al. Process for the monomethylation of nitrogen containing heterocycles:EP, 1386916[P].2006-01-18.

[9] Manfred Lissel，Stefan Schmidt，Beate Neumann. Dimethylcarbonat als Methylierungsmittel unter phasen-transfer-katalytischen bedingungen[J]. Synthesis，1986，1986(5)：382-383.

[10] 李军奇，柳 娜，薛 冰，等. 氢氧化钾/活性炭催化邻苯二酚与碳酸二乙酯反应合成邻苯二乙醚[J].精细石油化工，2009，26(4)：1-4.

(本文文献格式：薛其才，郑化安，张生军，等.无溶剂绿色合成1-甲基咪唑[J].山东化工，2017，46(08)：44-46.)

Solvent-free，Green Synthesis of 1-Methylimidazole

XueQicai1,2,ZhengHuaan1,2,ZhangShengjun1,2,KouYongli1,2,WangWentao1,2,NieYingying1,2

(1. Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co., Ltd., Xi'an 710065, China;2. State Energy Key Laboratory of Clean Coal Grading Conversion, Xi'an 710065, China)

A highly selective synthetic method of 1-methylimidazole was reported，using 20%KOH/AC as catalyst, environmentally friendly dimethyl carbonate as methylating agent. The effects of reaction temperature, time, feed ratio and pressure on the yield of 1-methylimidazole were also investigated. The results showed that when the reaction temperature is 150℃, n(dimethyl carbonate)/n(imidazole) = 1.1, maximum pressure 3 MPa and the reaction time is 3 hours, the yield of 1-methylimidazole reached 97%． This process avoiding use organic solvent, is a green way with good industrial prospect.

1-methylimidazole; diethyl carbonate; solvent-free; green synthesis

2017-02-28

薛其才(1984—)，河南周口人，获博士学位，中级工程师，主要从事精细化学品的研发工作。

O626

A

1008-021X(2017)08-0044-03