N-甲基哌啶的合成方法研究

2024-03-15何小强郝磊向龙李倩文

浙江化工 2024年2期

何小强，郝磊，向龙，李倩文

（重庆华歌生物化学有限公司，重庆 404000）

N-甲基哌啶，分子式为C6H13N，是重要的精细化工中间体，主要用于医药、农药等的合成[1]。N-甲基哌啶也是合成甲哌鎓的重要中间体，与甲哌鎓具有相似的结构（见图1），普遍存在于甲哌鎓原料以及商品化甲哌鎓剂型中[2-3]；还可以用作环氧树脂固化剂、橡胶促进剂、离子交换膜的合成等[4-7]，具有广阔的应用市场。

图1 甲哌鎓与N-甲基哌啶的化学结构图

合成N-甲基哌啶主要有哌啶甲基化法[8-12]、酰胺还原法[13-15]以及胺醇脱水环化法[16-18]，工业上以哌啶甲基化法为主。Da Silva 等[19]采用哌啶和甲醛溶液反应，锌粉为还原剂，乙酸为添加剂制得N-甲基哌啶，反应条件温和，安全性较高，但锌粉难回收，易产生固体废物。罗超然等[20]以哌啶、多聚甲醛、氢气为原料，在γ-Al2O3的催化下，一锅法制得N-甲基哌啶，产品纯度高，但反应时间长(10～52 h)，生产效率低，同时需高温反应(500 ℃～600 ℃)，存在安全隐患且不易实现工业化。烷基化反应作为一种重要的合成手段，广泛应用于化工生产过程，由于该反应是放热反应，会导致反应体系快速升温或快速产生气体等，若不能延缓反应速率或及时移除热量可能会存在安全风险，甚至引发火灾和爆炸。因此，通过优化工艺将其危险程度降低到易于控制的范围内，将更有利于工业化。另外，N-甲基哌啶与水互溶，沸点相近，易共沸，导致含水哌啶除水相对困难。虽然有报道用三元共沸或物理干燥的方式脱水[20]，但三元共沸时间久、效率低、能耗高，而物理干燥方式需要大量干燥剂，干燥剂再生程序复杂，工业化生产成本也较高。

本研究以哌啶和甲醛为原料，甲酸钠和甲酸为还原剂，经烷基化反应得到N-甲基哌啶溶液，再经环己烷萃取及精馏得到N-甲基哌啶。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

1.1.1 仪器

精馏塔（带智能磁力搅拌器），明远仪器设备有限公司；DF-101S 型集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；GC-2010 plus气相色谱仪，岛津企业管理(中国)有限公司；PHS-3C 型pH 计，上海仪电科学仪器股份有限公司。以及托盘天平、恒压滴液漏斗、梨形分液漏斗、四口圆底烧瓶、球形冷凝管、玻璃棒、烧杯等。

1.1.2 试剂

哌啶、甲酸钠、88%甲酸溶液、37%甲醛溶液、液碱、环己烷、苯、二氯乙烷、三氯甲烷。

1.2 实验方法

将甲酸钠、甲酸、甲醛混合后向其中滴加哌啶，反应得到N-甲基哌啶溶液。利用环己烷对所得反应液进行萃取，得到含水量为0.14%的N-甲基哌啶与环己烷粗产品，粗产品经简单精馏即可得到合格的产品。水相中少量N-甲基哌啶可通过普通蒸馏回收，同时馏分可直接回收利用，避免了常规萃取后再次干燥脱水的繁琐操作。另外，精馏回收的环己烷也可直接回收利用，既降低反应成本又简化生产工艺。简易流程图见图2。

图2 实验简易流程图

2 实验过程

2.1 N-甲基哌啶的合成

将甲酸钠(126.9 g，1.85 mol)、88%的甲酸溶液(48.8 g，0.93 mol)和37%甲醛溶液(227.6 g，2.80 mol)混合，形成均匀的反应液A。将哌啶（200 g，2.34 mol）以3.33 mL/min 的速度滴加至反应液A 中，控制反应温度低于70 ℃，当滴加量剩余1/3 吡啶时，控制反应温度为80 ℃，滴加完毕后，继续搅拌反应2 h 后，使其自然降温至40 ℃，滴加液碱调节pH≈10，得N-甲基哌啶溶液475.6 g，气相色谱法（GC）检测，含量为99.1%。

2.2 N-甲基哌啶的快速纯化

将2.1 中制备的N-甲基哌啶溶液与环己烷以1:1.5 体积比进行萃取脱水，静置30 min 后分层。将油相在精馏塔中精馏，前馏分为含有少量N-甲基哌啶的环己烷，直接用于下次萃取脱水使用，在塔顶温度为80 ℃～82 ℃、塔釜内温度为110 ℃～112 ℃的条件下采集馏分，即得到N-甲基哌啶，GC 检测，含量为99.5%，收率为98.7%。

3 结果及分析

3.1 还原剂组分配比的影响

选择甲酸钠和甲酸为还原剂，在哌啶和甲醛的摩尔比为1:1 的条件下，考察了还原剂组分配比对合成N-甲基哌啶的影响，共设3 个批次，结果见表1。

表1 还原剂组分配比对合成N-甲基哌啶的影响

由表1 可以看出，当甲酸钠和甲酸的摩尔比为1:1 时，升温较快，产生大量白雾和气泡，反应较剧烈；当摩尔比为2:1 时，升温平缓，仅产生少量白雾和气泡，再增加甲酸钠比例，反应升温缓慢且产物含量降低。综合考虑反应过程的安全性及经济性，确定还原剂组分甲酸钠和甲酸的摩尔比为2:1。

3.2 投料摩尔比的影响

在还原剂组分摩尔比为2:1 的条件下，考察了投料摩尔比（哌啶、还原剂组分、甲醛）对合成N-甲基哌啶含量的影响，共设6 个批次，结果见表2。

表2 投料摩尔比对合成N-甲基哌啶含量的影响

由表2 可以看出，当投料摩尔比（n（哌啶）：n（还原剂组分）：n（甲醛））达到1:1.2:1.2 时，N-甲基哌啶含量几乎不随摩尔比增加而明显增加。因此确定最佳投料摩尔比为1:1.2:1.2。另外，因为3.1 中确定还原剂组分中甲酸钠和甲酸的配比为2:1 时最佳，所以最佳投料摩尔比设定为1:0.8:0.4:1.2。

3.3 反应温度的影响

在投料摩尔比（哌啶、还原剂组分、甲醛）为1:1.2:1.2 的条件下，考察了反应温度对合成N-甲基哌啶的影响，共设4 个批次，结果见表3。

表3 反应温度对合成N-甲基哌啶的影响

由表3 可以看出，反应温度过低，哌啶反应不完全，底液浑浊；随着反应温度的增加，N-甲基哌啶的含量也增加，当达到80 ℃时哌啶含量最高；继续增加温度，反应液体共沸，反应剧烈，产生大量白雾和气泡，反应体系呈不安全状态且含量略有降低。综合考虑确定最佳反应温度为80 ℃。

3.4 滴加速度的影响

在投料摩尔比（哌啶、还原剂组分、甲醛）为1:1.2:1.2，反应温度为80 ℃的条件下，考察了滴加速度（哌啶用量一定，以滴加时间控制速度）对合成N-甲基哌啶的影响，共设5 个批次，结果见表4。

表4 滴加速度对合成N-甲基哌啶的影响

由表4 可以看出，滴加速度过快，产生大量白雾和气泡，导致升温剧烈，后期反应温度偏高，反应体系不安全；滴加速度过慢，导致后期升温速度慢，需要二次供热，能耗偏高；随着滴加时间的延长，N-甲基哌啶的含量也增加，当达到60 min时含量最高，反应较为温和，再延长滴加时间，含量增加不明显。因此确定最佳的滴加时间为60 min，滴加速度为3.33 mL/min。

3.5 萃取剂种类及使用量的影响

在投料摩尔比（哌啶、还原剂组分、甲醛）为1:1.2:1.2，反应温度为80 ℃，滴加速度为3.33 mL/min的条件下，考察了萃取剂种类及使用量对合成N-甲基哌啶干燥脱水的影响，共设4 种类型，3 个体积比，结果见表5。

表5 萃取剂种类及使用量对油相含水量的影响

由表5 可以看出，用环己烷萃取时，分层较快，萃取后油相含水量相对较低，效果显著；当环己烷与N-甲基哌啶的体积比为1.5:1 时，油相含水量为0.14%，继续增加环己烷用量，油相含水量降低不明显；另外，将环己烷萃取后的混合液置于精馏塔精馏，N-甲基哌啶含量为99.5%，收率为98.7%。因此选择环己烷为萃取剂，环己烷与N-甲基哌啶的体积比为1.5:1。