N-甲基吗啉合成及应用研究

陈春玉，王少楠，胡 迎

(西南化工研究设计院有限公司，四川 成都 610225)

N-甲基吗啉作为一种有机化工中间体，具有叔胺及醚的双重性质，应用面广，可作为聚氨酯泡沫生产的催化剂，阿扑西林、氨基苄青霉素及羧基苄青霉素合成过程中的催化剂，还可作表面活性剂、萃取剂、腐蚀抑制剂，其衍生物N-甲基氧化吗啉，是制造 Lyocell 天然纤维和 Newcell 人造纤维长丝十分理想的纺丝溶剂。

1 N-甲基吗啉的合成方法

N-甲基吗啉的合成工艺很多，按照原料划分，有吗啉法、N-甲基二乙醇胺法、二乙醇胺法、二甘醇法和二氯乙醚法。

(1)吗啉法

选择以吗啉为起始原料进行甲基化的研究是最多的，也是合成N-甲基吗啉的重要方法。

吗啉含有仲胺基团，很容易发生N原子上的取代反应，直接选用不同的甲基化试剂进行N-甲基化反应生成N-甲基吗啉。

2003年，张想竹等[1]报道，吗啉与氯甲院按照摩尔配比为1:1.1，氢氧化钠为水溶液，35 ℃下反应5 h，合成的N-甲基吗啉纯度达到98%，收率85%。但是一氯甲烷在强碱性介质中易发生水解反应，副产物多，不易分离，该工艺目前已被淘汰。

2004年，Del Zotto等[2]将吗啉和甲醇在催化剂为Ru的三苯基磷配体作用下，合成N-甲基吗啉，该反应可以定量完成，反应收率高，但是此工艺采用贵金属作催化剂，价格昂贵，不适用于工业化生产。

2006年，Heshmatollah Alinezhad等[3]又报道，采用吗啉、甲醛和甲酸在室温下，以N-甲基哌啶锌硼氢为催化剂，反应6 min，收率达到80%，但反应过程对pH值控制十分严格，仅限于实验室研究，同时该催化剂制备过程繁琐且不好回收，对环境不友好。

2007年，中国专利[4]报道采用吗啉和甲醇在负载型的金属催化剂下，200 ℃、0.3～0.6 MPa的条件下反应，得到收率为85%的产物N-甲基吗啉，这种合成工艺的缺点是高温高压反应，设备费用较高且投资比较大，同时反应过程中加入金属催化剂，给产物的纯化造成困难，并且含有金属催化剂的废水也容易造成环境问题。

2009年，廖戎[5]报道了，吗啉和碳酸二甲酯按照摩尔配比1:1.2，100 ℃反应3 h，合成的N-甲基吗啉纯度达到97.5%，收率95%。但从原子利用率和经济性出发，采用吗啉和碳酸二甲酯反应，会产生二氧化碳和甲醇，不利于C原子的有效利用，同时吗啉和二氧化碳会继续反应生成副产物，造成后序分离比较困难。

2016年，中国专利[6]又报道，在非金属催化剂DBU或DBU盐的催化作用下，以吗啉和甲醇为起始原料合成N-甲基吗啉，该反应为常温常压反应，催化剂可循环套用，副产物为水，后处理简单，对环境友好，产品纯度达到98%，收率90%。

(2)N-甲基二乙醇胺法

N-甲基二乙醇胺两端含有羟基，在酸的催化作用下易脱水缩合成醚，生成N-甲基吗啉。

1998年，高树藩等[7]报道，在氯化氢存在下，N-甲基二乙醇胺200 ℃脱水环化，生成N-甲基吗啉，收率为98%。2015年，中国专利[8]又报道，在Fe-SiO2-Al2O3-Ni型负载催化剂下，N-甲基二乙醇胺200 ℃脱水环化，生成N-甲基吗啉，收率90%。虽然N-甲基二乙醇胺法副产物少，收率高，但该法不仅采用贵金属催化剂，成本较高，而且原料价格昂贵、来源较为困难，难以实现工业化生产。

(3)二乙醇胺法

二乙醇胺法制备N-甲基吗啉，实则分为两步完成，第一步是二乙醇胺两端的羟基在Cu、Ni、Cr等贵金属催化剂下脱水环化成吗啉，第二步是中间产物吗啉再与甲基化试剂反应生成N-甲基吗啉。

1981年，美国专利[9]报道，在105～200 ℃条件下，二乙醇胺与硫酸二甲酯反应，得到的N-甲基吗啉，收率达81%～95%。此法收率较高，但硫酸二甲酯剧毒，不利于环保要求，尚未见到工业化报道。

(4)二甘醇法

二甘醇法制备N-甲基吗啉分三步完成，首先二甘醇需要在加氢催化剂和H2存在下，高温高压，与液氨或氨水作用，同时完成氨解和环化反应得到中间体吗啉，接着吗啉再与甲基化试剂反应生成N-甲基吗啉。

2005年，中国专利[10]报道在氢气和 Ni-Cu-Al2O3-MgO、Ni-Cu-Al2O3-BaO 等催化剂存在下，二甘醇、液氨、一甲胺反应生成N-甲基吗啉，反应压力为 1.0～2.5 MPa，反应温度为 190～260 ℃。此法反应过程复杂，所用催化剂较多，工业化较困难。

(5)二氯乙醚法

二氯乙醚法合成N-甲基吗啉，分两步完成，第一步二氯乙醚与伯胺发生胺化反应，第二步在碱催化剂下，发生环化反应生成目标产物。

1999年，赵淑梅等[11]报道二氯乙醚与甲胺在85 °C及碱的存在下反应，产品收率约为94%。但二氯乙醚原料来源较为困难，同时产生大量的工业废水和废渣，未用于工业化生产。

综上所述，N-甲基吗啉的合成方法要么是从吗啉出发，要么是通过合成吗啉中间产物，要么是无吗啉中间产物，而是通过自身或与外界发生缩合环化反应生成N-甲基吗啉，这些合成方法中，吗啉法是相对而言，最有发展前途的。

2 N-甲基吗啉的应用领域

(1)医药领域

半合成的青霉素步骤较多，其中进行到酰氯化反应时，会用到N-甲基吗啉作催化剂。比如阿扑西林[12]、氨基苄青霉素、羧基苄青霉素等此类制作过程中就用到了N-甲基吗啉。由于这些药品疗效高，颇受人们欢迎，故N-甲基吗啉在医药领域具有一定的市场潜力。

(2)聚氨酯领域

N-甲基吗啉是中等强度的叔胺催化剂，在聚氨酯行业主要用作聚酯型聚氨酯软泡催化剂，表皮形成性能好。

由于聚氨酯泡沫塑料一般用于高档精密仪器、贵重器械、高档工艺品等的缓冲包装或衬垫缓冲材料，也可制成精致的、保护性极好的包装容器；还可采用现场发泡对物品进行缓冲包装。N-甲基吗啉发泡均匀、发泡速度快，是聚氨酯塑料发泡常用催化剂。

(3)化工领域

N-甲基吗啉作为一种重要的精细化工原料，更多的使用价值是通过氧化合成衍生物N-甲基氧化吗啉。

在生产人造纤维过程，以N-甲基氧化吗啉为溶剂，具有无毒、无污染，且产品质量高等优点，特别是其法生产出的人造纤维的湿性质和强度优于普通粘胶纤维，温度性能超过尼龙，许多性能指标与棉纤维相似，被称为“绿色人造纤维”；并且可以将原有的16道工序减少为9道工序。使已有百年历史的二硫化碳作溶剂的人造纤维生产过程发生重大革命。

由此可见，N-甲基吗啉及其下游产品的应用前景十分广阔。

3 结 语

通过对N-甲基吗啉的合成工艺及应用方面的介绍，可以看出吗啉甲基化生产路线较为成熟，但生产过程中绿色、环保、清洁、高效、低成本仍是未来合成N-甲基吗啉的方向，只有突破实验室局限，实现工业化生产，才能最终发挥市场应用的作用。总之， N-甲基吗啉作为重要的精细化学品，对其合成工艺及应用领域的深入开发和研究是十分有价值的。