N-苯基马来酰亚胺合成方法研究进展

2019-11-19张焯然张文静马金斗于默涵李林博李进京

山东化工 2019年20期

崔岩，张焯然，张文静，马金斗，于默涵，李林博，张瑞，李进京

(佳木斯大学药学院，黑龙江佳木斯 154002)

1981年日本触媒化学公司推出一款新型ABS树脂的耐热改性剂N-苯基马来酰亚胺( N-phenylmaleimide，简称N-PMI)，其结构如图1所示。

图1 N-PMI的化学结构式

N-PMI最早作为水下防污剂，能够较好的抑制有害生物以及微生物的繁殖。同时对鱼类无毒害作用，对海域也不会产生污染。触媒化学公司这次的研究发现，将N-PMI又一次推向大众的视野。其独特的刚性五元环平面结构使得其成为目前较为理想的不耐热树脂的耐热改剂，吸引着人们对其合成工艺的不断研究。日前，N-PMI的合成基本上均采用经典的原料--苯胺和顺丁烯二酸酐，依图2所示路线经过酰化反应、环化反应制得。

图2 N-PMI的合成路线

本文将近年来将国内诸多关于N-PMI合成的研究成果按其合成步骤进行划分总结，以期为N-PMI的合成研究与工业化提供一定理论技术参考。

1 合成方法

在N-PMI合成研究的早期，以顺丁烯二酸酐和苯胺为原料，在高温条件下一步制得N-PMI，其合成路线见图3。该法操作十分简单，但由于高温条件导致原料顺丁烯二酸酐低聚、N-PMI的低聚，从而使得该法收率极低。

图3 一步高温法合成N-PMI

1.1 两步酸酐法

极低的产率代表着该法不适合于工业化生产，那么将N-PMI的合成分为两步则是更加明智的选择。采用两步酸酐法，以苯胺和顺丁烯二酸酐为原料，将其合成工艺分为两个阶段。如图4所示。

图4 两步酸酐法合成N-PMI

首先在温和条件下合成出N-苯基马来酸(N-PMA)，随后以该酸为原料，投入脱水剂乙酸酐以及催化剂乙酸钠，于低温条件下经环化反应制得N-PMI。该法产率较一步法有了显著的提高，但仍不太理想，故而诸多学者们在该法的基础上进行研究。

李志富等人[1]以乙酸乙酯为溶剂，乙酸酐和乙酸钠作为脱水、催化剂，于55℃温和条件下进过两步酸酐法制得产率达89%的N-PMI。王娟等人[2]采用醋酸酐作脱水剂，以三乙胺代替乙酸钠作为催化剂，于乙酸乙酯中制备N-PMI，其N-PMI产率达85%。在此基础上引入金属铜盐做为阻聚剂，使得N-PMI的纯度提高至99%以上。而崔健等人[3]则于2001年，以三乙胺和六水合氯化钴作为混合催化剂来替代乙酸钠，不加入阻聚剂，于丙酮中反应获得N-PMI，产率达86%。

崔凯等人[4]则选用丙酮作为溶剂替代乙酸乙酯，通过两步酸酐法制备N-PMI，其产率达92%以上。2009年，李伟等人[5]也选择丙酮作为反应溶剂，以乙酸钠作为催化剂，对该路线设计正交试验，确立了N-PMI合成的最佳反应条件:在投料量为 n苯胺:n顺丁烯二酸酐:n三乙胺∶n乙酸酐∶n乙酸钠=1∶1.06∶0.29∶1.26∶0.02条件下，于丙酮中回流反应，其N-PMI收率达93%以上，纯度达99.5%以上。王霞等人[6-7]亦选用丙酮作为反应溶剂，但其选用三乙胺和醋酸镍来替代乙酸钠，最佳投料比: n顺丁烯二酸酐∶n苯胺=1.05～1.1∶1，n脱水剂∶n原料=2.1∶1，n三乙胺∶n醋酸镍∶n苯胺=1.08∶0.25∶1，其N-PMI产率达85-89%。可见，在丙酮作溶剂时，乙酸钠的催化效果强于三乙胺和乙酸镍的催化效果。

柴博等人[8]于2013年选用乙二胺四乙酸二钠盐作为催化剂，于55℃丙酮中反应4h制备N-PMI，其N-PMI产率达92%以上，纯度达99%以上。同年，徐凌子等人[9]则选用维生素B1作为催化剂，于丙酮中回流反应4h，其N-PMI产率为63.2%。该法N-PMI产率虽然较低，但其选用绿色的催化剂维生素B1，为N-PMI的合成研究提供了新的思路。

两步酸酐法均采用过量的乙酸酐，造成合成成本提高、酸性废水处理困难等问题。同时，乙酸酐难以回收套用。

1.2 两步共沸法

通过研究表明，两步酸酐法中乙酸酐的引入能够及时将反应所产生产的水消耗掉，从而使得反应向N-PMI的生成方向进行。因而如何将N-苯基马来酸在环化反应中生成的水移除反应体系则成了N-PMI合成中较为关键的一步。

两步共沸法则利用能够与水形成共沸化合物--苯、甲苯、二甲苯等作溶剂，采用共沸法将水带出。其合成路线如图5所示，该法可避免使用乙酸酐，可极大地降低生产成本。

图5 两步共沸法合成N-PMI

在两步共沸法中常用的催化剂可以分为两类，一类是酸性有机化合物作脱水催化剂，另一类则是金属及其衍生物作为脱水催化剂。其中，酸性有机化合物应用较为广泛。

陈平轩等人[10]于1998年，采用两步共沸法，以硅钨酸和磷酸作为混合脱水催化剂，在二甲苯中，回流分水2h制得N-PMI，其产率达92%以上，纯度达97%。同年，丁斌等人[11]亦采用两步共沸法，以苯胺和顺丁烯二酸酐为原料首先制得N-苯基马来酸，不经分离，引入助溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，于自制酸性催化剂催化下，可以较高收率直接制备出N-PMI。2000年，张德江等人[12]同样选用两步共沸法，在自制酸性催化剂催化下，于精馏塔中回流分水反应1h，N-PMI产率达90%以上。贲玉昌等人[13]以二甲苯作为反应溶剂，于自制酸性催化剂催化下，采用两步共沸法产率90%，纯度达98%。

2003年徐斌等人[14]选用甲苯和DMF做混合溶剂，以对甲基苯磺酸和硫酸作为催化剂，对羟基苯甲醚为阻聚剂，有效的提高了N-PMI的产率及纯度。该法所得N-PMI产率大85%，纯度达99.4%以上。同年，张亨等人[15]在邻二甲苯中，选用5%wt(顺酐的摩尔分数)苯胺的磷酸盐作催化剂，于135℃回流分水2.5 h制备N-PMI，其产率达96%以上，纯度达99.3%。该法中所选用的催化剂易于回收，同时能够重复套用多次。

张国华等人[16]在2005年，选用磷钨酸水合物和磷酸作脱水催化剂，于二甲苯中回流分水1.5h，所得N-PMI产率为88.7%。同年，王宝丰等人[17]在二甲苯、DMF和甲苯混合溶液中，以2,5-二甲基苯磺酸为脱水催化剂制备N-PMI。其N-PMI产率达92%，纯度为99.78%。可见，助溶剂的引入可使N-PMA与溶剂处于均相中，从而使得反应速度以及反应限度均有所提升，能够明显提高N-PMI的产率。

次年，彭永利等人[18]则采用二甲苯和DMF作为混合溶剂，在酸性催化剂催化下制得N-PMI，其N-PMI产率达90%，纯度达98.15%。而张国华等人[19]则在2006年，继续对两步共沸法中的酸性催化剂进行改进，选用三乙胺/磷酸/硫酸镍为催化剂，于二甲苯中回流分水反应1.5h，制得了产率达89.2%，纯度达99.1%以上的N-PMI。同年，刘景民等人[20]选择自制固体超强酸作为催化剂，在甲苯中回流分水反应制得N-PMI。同时，对其路线进行中试放大研究验证，得到了相同产率及纯度的N-PMI。

邢锦娟等人[21]选用DMF和甲苯作为混合溶剂，于2007年在酸性催化剂催化下制得N-PMI。其合成方案中引入阻聚剂对羟基本甲醚，使得N-PMI纯度达99.2%。揭元萍等人[22]则在2010年，选用2,6-二叔丁基对甲基苯酚作阻聚剂，硫酸和对甲基苯磺酸作催化剂，N-苯基马来酸不经分离直接制备得到产率达93%以上，纯度达98.7%以上的N-PMI。两人的研究成果表明，阻聚剂的引入能够有效的提高N-PMI的纯度。

李训刚和高留冕先后于2014年、2016年[23-24]选用苯胺和顺丁烯二酸酐为原料，经酸性催化催化作用制得产率达92%以上的N-PMI。

但上述的两步共沸法中，均选用酸性催化剂，使得的N-PMI工业化生产中引入诸多酸性废液，提高生产成本。而何春等人[25]则于2004年选用氧化锌作为催化剂来替代酸性催化剂，避免酸性废液处理问题，且N-PMI产率达90%。

1.3 其他方法

两步酸酐法和共沸法均为移除反应生成的水来控制反应方向，以提高反应产率。开发更适合的反应溶剂以提高反应产率是研究的另一个方向。魏宇等人[26]于2011年选择以四甲基溴化铵和硫酸氢钠为原料，于40℃下甲醇中反应24h制得如图6所示的酸性离子液体。随后以该酸性离子液体代替传统两步共沸法中的酸性催化剂，于丙酮中回流分水反应制得N-PMI，其产率达86.03%，纯度达97.42%。

图6 离子液体四甲基硫酸氢铵结构式

2013年，李文有等人[27]则选用如图7所示的磷钨酸阴离子离子液体为催化剂，以N-PMA为原料，于乙酸丙酯中升温至80℃搅拌4h制得产率达90%的N-PMI。该法反应条件温和，所使用的磷钨酸阴离子离子液体能够重复利用6次，具有较好的工业化应用价值。

图7 磷钨酸阴离子离子液体结构式

随着微波技术于有机合成应用方向的发展，张跃文等人于2009年[28]总结前人经验，将微波技术应用于N-PMI的合成中，以顺丁烯二酸酐和苯胺为原料，乙酸酐作脱水剂、醋酸钠作催化剂合成N-PMI。通过实验得到了最佳的反应条件:于80W微波下，在乙酸乙酯中反应3min制得N-PMA；再以N-PMA为原料、乙酸酐为脱水剂、乙酸钠为催化剂，于400W微波下反应1.5min，得到N-PMI的产率达75.8%。微波的应用极大的缩短了反应时间，但其整体收率不高。但该法避免目前N-PMI工业化生产中废液处理问题，属于环境友好型合成方案。然而目前的工业化生产技术水平不能够较好地利用微波来进行催化反应，但该法仍具有较大工业化应用前景。