高纯度5,5-二甲基海因的制备及工艺研究

李伟光,李伟宪,李丽敏,李爱军*,陈波,高燕云,赵晓鹏

(1.河北利仕化学科技有限公司,河北 邯郸 057550;2.河北鑫淘沅医药科技有限公司,河北 邯郸 057250)

5,5-二甲基海因(简称DMH),化学名为 5,5-二甲基咪唑二酮,分子式为C5H8N2O2,是一种用途很广的有机化合物[1]。由于5,5-二甲基海因具有特定的稳定结构及氮原子上的活泼氢原子,使其成为十分优秀的化学中间合成体[2],被广泛用于有机合成、医药、塑料、食品、化妆品、农药等生产领域[3-5]。如在NaOH的催化作用下,于温和条件下和环氧氯丙烷合成5,5-二甲基海因环氧树脂,该树脂具有较好的性能且能溶于水和常见的有机溶剂,利于树脂后期的回收[6]。还可将其合成多种5,5-二甲基海因高分子键合剂,用于合成不同的高性能高分子材料[7];将其作为添加剂添加在彩色感光乳剂中,具有有效防止老化斑的作用,若将其添加在彩色印刷中则可有效防止色彩褪去[8];通过取代反应可制备一系列有价值的衍生物,常被合成卤代海因作为消毒剂、防腐剂和卤代剂使用[9-10]。如通过季铵化反应将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铵盐化合物,可作为钢材的缓蚀剂吸附在钢材表面,减缓其在酸性环境下的腐蚀[11];通过5,5-二甲基海因水溶液溴化法和5,5-二甲基海因溴碱法,可以合成十分重要的化学品二溴海因产品,由于其可溶于常用有机溶剂,具有活性溴含量高、贮存稳定、作用缓和且价格经济等优点,可作为催化剂,氧化剂,溴化剂和消毒剂使用,被广泛应用于有机化学工业、制药业、橡胶工业、医药卫生消毒、农业生产等工业产品的合成[12-15]。这些应用都充分证明了5,5-二甲基海因在基础工业生产中的重要作用和广泛应用。

然而,当将5,5-二甲基海因应用于高要求场合的时候,常因其原料纯度达不到后续产品合成要求而受到一定的限制,如采用高纯度5,5-二甲基海因通过取代反应合成一系列的海因/三嗪类键合剂,用于合成火箭复合固体推进剂,可在一定程度上提升固体推进剂的综合力学性能[16-18];同时高纯度5,5-二甲基海因还常作为无氰电镀配位剂使用,如采用尼克酸作为镀液中银离子辅助配位剂,5,5-二甲基海因为主配位剂,通过筛选其他优良的辅助剂,并在优化的工艺参数条件下实现无氰镀银,在航空航天工业中可较好地实施应用[19];在合成分化诱导剂PMDH和抗雄激素药物尼鲁米特中[20],高纯度5,5-二甲基海因表现出更加突出的优势,如采用碱性和碘化钾催化作用下,在温和条件下将5,5二甲基海因和3三氟甲基4氰基氯苯在二甲基亚砜溶剂中进行反应,可制备得到尼鲁米特粗品,进一步通过重结晶进行纯化得到高纯度产品[21];尤其是在医药领域,则需要纯度和杂质含量等要求更高的5,5-二甲基海因[22-23]。因此,研发高纯度低杂质的5,5-二甲基海因生产工艺技术是推广其高价值利用的关键。

国外在70年代对于5,5-二甲基海因的生产已经有较为成熟的技术,其中美国厂家麦克公司、格兰科化学公司及龙佐公司等都已建立成熟的生产规模,年产量已有超过万吨。此外,瑞士、德国、英国、日本及前苏联等国家也拥有了相应的规模生产,其中日本的日本化学、三井东亚化学公司都实现了年产超过千吨的规模产量[1,24]。目前,5,5-二甲基海因的合成一般可采用丙酮氰氨、碳酸铵或者二氧化碳及液氮为合成原料,在温和条件下通过Bnoherer-Bergs环化法进行合成。其生产工艺路线可分为间歇法和连续法合成路线。相比于连续生产法,间歇法技术条件成熟,但产率较低约为80%,较难大规模生产;连续法可以较好地弥补间歇法的缺点,但设备复杂昂贵及操作复杂[25]。相比之下,国内合成5,5-二甲基海因技术的起步较晚。20世纪初我国有学者采用间歇法,利用2-甲基-2羟基丙腈和碳酸铵作为原料,在温和条件下通过环化法合成5,5-二甲基海因,优化反应条件后得到产品的收率达到88%[26]。相对于间歇法,采用连续法产品收率较高,如采用填料塔反应器经过连续生产合成5,5-二甲基海因,通过优化反应器设备参数和反应条件参数,可得到产率为90%～92%的产品收率[27],该工艺中的反应器参数设置比较重要,对得到产品质量和收率影响较大[28]。当适当的改进合成催化剂后,也可进一步提高产品收率,国内有学者就采用苄基三甲基氯化铵为相转移催化剂,通过催化丙酮、氰化钠、碳酸铵合成5,5-二甲基海因,在低温及较短反应时间内其产率可达到99%以上[29]。武汉大学相关学者曾对5,5-二甲基海因得合成工艺进行了较为详细地研究,并进行了小试实验[24]。然而,国内对于高纯度的5,5-二甲基海因生产技术或工艺的研究还相对较少,如何高效低耗的生产高纯度5,5-二甲基海因仍需进一步探索。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

实验所用主要药品包括:碳酸氢铵、丙酮氰醇、活性炭、蒸馏水,分析纯;市售的普通工业品5,5二甲基海因。

实验所用仪器主要包括:反应釜、结晶釜、离心机、烘箱;钛棒微孔过滤器(型号:T-17型,外型尺寸620 mm×850 mm,理论孔径0.1～30 μm,理论流量5.0～7.0 t/h)、微孔袋式过滤器(型号:DL-5P2S,5个滤袋数量,过滤面积2.5 m2,最大流量175 m2/h,工作压力0.5 MPa)、阳离子树脂柱(选用001×4001×7等阳离子树脂)和阴离子树脂柱(选用201×4201×7等阴离子树脂);色度用铂-钴色度仪、高效液相色谱仪检测、WRR熔点仪、电感耦合等离子发射光谱仪(参考JY/T015-1996进行检测)、离子光谱仪(参考JY/T020-1996极性检测)。

1.2 试验方法

1.2.1 5,5-二甲基海因粗品的制备

称取重量比例为65/28/31的水、碳酸氢铵和丙酮氰醇原料;先将称取的水和碳酸氢铵放入第一反应釜中,在搅拌条件下完全溶解;然后加入称取的丙酮氰醇,在第一反应釜中于42 ℃和0.1 MPa压力条件下恒温反应7 h,反应结束后将第一反应釜内的物料降温至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纯化

称取质量比例为40∶55的5,5-二甲基海因粗品和水一并加入到第二反应釜中搅拌溶解,将所述第二反应釜加热内的物料加热至52 ℃,并加入一定比例的活性炭,继续加热第二反应釜内物料的温度达到88 ℃,脱色保温30 min,然后将第二反应釜中的物料依次通过钛棒微孔过滤器和微孔袋式过滤器进行二级过滤后,在0.28 MPa的压力下压到第三反应釜中,在第三反应釜温度内72 ℃左右保温10 min,然后依次在0.25 MPa的压力下依次压到阳离子树脂柱和阴离子树脂柱进行过滤,最后进入结晶釜中,在低于30 ℃的环境温度下冷却进行重结晶。进一步将结晶釜内的物料在离心机内进行脱液、烘干得到高纯度5,5-二甲基海因。整体5,5-二甲基海因产品制备流程如图1所示。

图1 DMH产品制备流程图

2 结果讨论

5,5-二甲基海因(DMH)因其性能安全稳定、反应活性高等特殊优势,在国内外各个领域得到全面的应用推广。为了适应高要求的特殊应用场合,提高其利用价值,需进一步优化5,5-二甲基海因生产工艺来尽可能地提高其产品纯度。本工艺利用丙酮氰醇和碳酸氢铵为合成原料来生产5,5-二甲基海因产品。通过加热碳酸氢铵分解生成氨,经取代丙酮氰醇中的羟基与二氧化碳反应生成氨基甲酸,然后由环化反应制备得到5,5-二甲基海因,进一步纯化得到5,5-二甲基海因精品。

本生产工艺是在常压下,采用原料比为M(水)∶M(碳酸氢铵)∶M(丙酮氰醇)=65∶28∶31,反应温度42 ℃和0.1 MPa压力下,连续反应7 h,合成得到5,5-二甲基海因粗品。通过进一步设计溶解脱色、过滤结晶、烘干等关键工序对得到的5,5-二甲基海因粗品进行纯化提升,并采用多种分析手段对纯化过程中脱色(DMH-1)、一次过滤(DMH-2)、二次过滤(DMH-3)等关键步骤中的产品指标进行详细分析,得到的5,5-二甲基海因精品技术指标如表1～2所示。

表1 纯化工艺对 DMH产品质量的影响及与市售DMH技术指标比较

由表1～2中结果可以发现,经过设计的脱色-一次过滤-二次过滤的纯化工艺,5,5-二甲基海因粗品的含量逐步提高,经脱色后5,5-二甲基海因含量为96%,经过一次过滤升至96%,再次过滤后最终可达99.96%。同时,在纯化过程中,5,5-二甲基海因相应的品质也逐渐提高,色度由60降低至4,干燥失重从1%降至0.05%,而初熔点由173 ℃提升至178 ℃,整体物性参数值都在很大程度上优于市售的5,5-二甲基海因产品指标;在纯化工艺过程中,5,5-二甲基海因产品中的杂质钠离子、铁离子、钙离子、氯离子等在一次过滤和二次过滤后含量近似于等差减少,而镁离子、硫酸根离子、溴离子、重金属等含量随纯化步骤呈现指数快速下降,表明在不同过滤阶段,不同过滤手段对不同杂质离子的去除能力有所不同。纯化后远低于市售DMH中杂质含量值(如表2所示),表明该纯化工序可高效地提高5,5-二甲基海因产品的含量,降低其中的杂质含量。

表2 纯化工艺对DMH产品中杂质含量的影响及与市售DMH比较

3 结论

在反应参数物料比、反应温度、反应时间一定条件下,合成5,5-二甲基海因粗品产品,进一步通过溶解脱色、过滤结晶、烘干等工序对合成的5,5-二甲基海因粗品进行纯化。经纯化后的5,5-二甲基海因产品中所含金属离子、卤离子、酸根离子等杂质含量远低于市售5,5-二甲基海因产品,纯化后的5,5-二甲基海因产品含量可提高至99.96%,高于市售5,5-二甲基海因产品含量。本工艺简单高效、能耗物耗低,适合工业化生产,可促进5,5-二甲基海因产品在高要求场合的应用扩展和价值提高,具有较高的经济价值和社会效益。