N_乙酰吗啉合成工艺的研究进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2009年第28卷第10期·1828·化工进展N-乙酰吗啉合成工艺的研究进展刘瑞江1,2，张业旺1,2，闻崇炜1，陆征1,2（1江苏大学药学院，江苏镇江212013；2江苏大学-江苏索普兴大药业有限公司联合研发中心，江苏镇江212013）摘要：简要介绍了N-乙酰吗啉的性质和应用；详细综述了N-乙酰吗啉的合成工艺方法，即乙酸法、乙酰氯法、乙烯酮法、乙酸酯法、乙酸酐法，并分析了各种方法的工艺特点；指出了N-乙酰吗啉合成工艺研究的趋势。关键词：N-乙酰吗啉；吗啉；合成；研究进展中图分类号：TQ255.26+1文献标识码：A文章编号：1000–6613（2009）10–1828–06ProgressofsynthesistechologyofN-acetylmorpholineLIURuijiang1,2，ZHANGYewang1,2，WENChongwei1，LUZheng1,2（1SchoolofPharmaceutics，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，Jiangsu,China；2UnitedResearchCenterofJiangsuUniversity&Sopo-XingDaPharmaceuticalCo.Ltd.，Zhenjiang212013，Jiangsu，China）Abstract：TheprogressofsynthesisofN-acetylmorpholinewasreviewed,andthepropertiesandapplicationaswellasthesynthesismethodsincludingaceticacidmethod,acetylchloridemethod,acetatemethod,aceticanhydridemethodwerepresentedanddiscussed.ThetrendsofsynthesisofN-acetylmorpholinewerealsoanalyzed.Keywords：N-acetylmorpholine;morpholine；synthesis；researchprogressN-乙酰吗啉（N-acetylmorpholine、4-acetylmorpholine）是一种重要的有机溶剂和精细化工原料，常温下为黄色液体，熔点14℃，闪点122℃，沸点245.5℃，燃点370℃，相对密度（20℃）1.1164，折射率1.483～1.485，能与水混溶，易溶于醇和丙酮。N-乙酰吗啉作为一种酰胺，具有酰胺的一般化学性质，其水溶液在碱或酸存在的条件下易水解生成吗啉和乙酸，其水溶液呈弱碱性，无腐蚀性。N-乙酰吗啉不仅具有选择性好、热稳定性和化学稳定性好、无毒、无腐蚀性等优点，而且由于其结构的特殊性，能和脂肪族烃类、芳烃和水相溶，具有良好的溶解萃取性能，因此被广泛应用于天然气及天然气凝析油、汽油、合成气、烟道气的脱硫[1－4]以及有机合成等工艺中。同时，由于N-乙酰吗啉溶解芳烃后，能大大降低芳烃的挥发度，提高芳烃与非芳烃之间的分离系数，因此被广泛应用于芳烃抽提工艺[5]中，而且溶剂消耗少、不需添加pH调节剂，具有对设备无腐蚀、节能、环境污染小等突出的优点。另外，N-乙酰吗啉在精细化工领域用作乙酰化试剂，在医药、农药和化学工业生产中用作药物合成反应性能优良的溶剂和合成药物中间体的重要原料[6]，是合成农用杀菌剂烯酰吗啉、氟吗啉等农药的重要中间体，也是生物提取中常用的一种重要溶剂[7－8]。由于N-乙酰吗啉这些突出优点，随着中国石油化工业迅速发展，高质量的N-乙酰吗啉的合成研究和生产得到了快速的发展，以下对合成N-乙酰吗啉的合成工艺技术作一综述。1N-乙酰吗啉的合成反应机理N-乙酰吗啉的合成属于氨类化合物的酰化可逆进展与述评收稿日期：2009–04–07；修改稿日期：2009–04–30。基金项目：江苏大学高级人才基金项目（06JDG069）。第一作者简介：刘瑞江（1975—），男，硕士，讲师。电话[phone]；E–[e-mail]。第10期刘瑞江等：N-乙酰吗啉的合成工艺研究进展·1829·放热反应，氨类化合物的酰化反应是发生在氨基氮原子上的亲电取代反应[9]。酰化剂中酰基的碳原子上带有部分正电荷，能与氨基氮原子上的未共用电子对相互作用，形成过渡态络合物，然后转化成酰胺，N-酰化反应的难易，与氨类化合物和酰化剂的反应活性以及空间效应都有密切关系，氨基氮原子上的电子云密度愈大，空间阻碍愈小，反应活性愈强。针对吗啉与酰化剂反应而言，吗啉中氨基氮原子亲核进攻能力一定，所以N-乙酰吗啉的合成反应难易程度取决于酰化剂羰基上离去基团离去的难易，离去基团愈强，羰基碳原子的带正电性愈强，氨基氮原子与碳原子的结合能力愈强，反应就愈容易。其反应机理过程如图1（以乙酸与吗啉反应为例）。+NOHCOCH3OHONHONCOCH3+H2OCH3COHO图1N-乙酰吗啉合成机理2N-乙酰吗啉的合成方法及工艺2.1乙酸法乙酸法合成N-乙酰吗啉的原料乙酸资源丰富，价格低廉，合成工艺简单，产品质量较好，所以乙酸法国内外研究较多。反应式如下：ONH+CH3COOHONCOCH3+H2O（1）该反应为可逆放热反应，为使得反应转化率提高，通常采用移走反应体系中的水使平衡右移的方法。方法有两种：一种为反应过程中精馏分离水；一种为使用带水剂脱除水分。反应过程中精馏脱除水分的方法早在1971年国外就有文献报道[10]，工艺要求使用至少50块，最好大于60块理论板的反应精馏塔，控制在20～40块理论板间进料反应，进料摩尔比为1.1∶1，吗啉过量，乙酸反应完全，避免了乙酸与水精馏分离困难的问题，反应温度控制在130～150℃，最好在135～145℃；反应精馏塔的30～50块理论板为精馏脱除水分段，精馏温度控制在210～230℃，最好为215～225℃。经过反应精馏，水自精馏塔上部馏出，N-乙酰吗啉自精馏塔底部采出，产率达92%。其工艺路线见图2。粗产品反应精馏减压精馏水乙酸吗啉N-乙酰吗啉图2反应精馏合成N-乙酰吗啉工艺路线使用带水剂脱除水分的工艺早在1959年就有文献报道[11]，但是由于共沸脱水过程中有部分原料随水带出，收率只有70%左右。2007年，王评等[12]根据合成N-甲酰吗啉的方法[13]，对使用带水剂脱除水分的工艺进行了改进，研究首先将乙酸滴加到装有吗啉的容器中，控制乙酸和吗啉的摩尔配比为0.95∶1.00，然后加入10%（质量比，以料液的总量计）的甲苯为带水剂脱除水分，反应温度控制在145℃左右，反应3～4h结束，经减压精馏得N-乙酰吗啉，所得产品收率达91.5%，纯度达98.5%。其工艺路线见图3。反应减压精馏蒸发带水剂乙酸吗啉N-乙酰吗啉图3带水剂脱水合成N-乙酰吗啉工艺路线该法反应和精制工艺简单，设备投资少，使用了与水不互溶的带水剂和分水器装置，水被带出并在分水器中冷凝分层，实现了带水剂的连续回收利用，并且反应原料中吗啉过量，精馏混合液中含有的乙酸量小，对设备腐蚀小，产品收率和纯度较高。2.2乙酰氯法以乙酰氯为酰化剂与吗啉反应合成N-乙酰吗啉是有机合成中最经典的传统合成路线[14]。乙酰氯与吗啉的反应强烈快速，同时必须采用过量的胺或加入有机碱吡啶、三乙胺甚至强碱性季铵化合物，有时甚至加入无机碱中和生成的氯化氢气体，以防化工进展2009年第28卷·1830·止氯化氢与吗啉以及N-乙酰吗啉发生副反应。反应式见式（1）。ONH+CH3COClONCOCH3+HCl（1）1989年英国专利[15]报道，首先将乙酰氯溶解到甲苯中，并使乙酰氯与甲苯的摩尔配比达到3.3∶1.0，将溶有乙酰氯的甲苯溶液加热到70℃，然后在45min内缓慢滴加吗啉，并使乙酰氯与吗啉的摩尔配比达到1.1∶1.0，加料完毕，加热升温至90～95℃，搅拌回流，反应产生大量的盐酸吗啉沉淀，向溶液中加入10%的NaOH溶液吸收产生的HCl，当混合物的反应温度上升到110～115℃时，继续滴加10%（以第一次加入的乙酰氯摩尔量计）的乙酰氯，搅拌回流反应2h；反应结束后，将混合物冷却到室温并过滤，将含有甲苯、吗啉以及红褐色油分进行精馏纯化，可以得到含有75%的N-乙酰吗啉和25%的吗啉混合液，N-乙酰吗啉收率达89%。其工艺路线见图4。反应减压精馏过滤带水剂吗啉N-乙酰吗啉乙酰氯NaOH图4乙酰氯法合成N-乙酰吗啉工艺路线2002年国内文献报道对乙酰氯法合成N-乙酰吗啉进行了工艺改进[16]，将吗啉和乙酰氯以摩尔比1∶1.1的比例进料，以甲苯为带水剂，进料方式为吗啉和甲苯先加入反应器中，在搅拌和低于40℃温度条件下滴加乙酰氯，滴加完毕，升温并在110℃下反应4h；反应结束后，冷却物料，减压精馏脱除溶剂甲苯，之后于高真空度下蒸出产品N-乙酰吗啉，N-乙酰吗啉的收率达到95%以上，纯度超过98%。该合成方法过程简单，由于酰氯活性强，在常温或低温下即可反应，如果同时加入有机碱吡啶或三乙胺，它们与乙酰氯形成酰基铵盐，将大大提高酰化能力，因此技术难度小。但是此法原料价格较高，毒性大，反应生成的氯化氢气体对设备的腐蚀严重，副反应和三废处理都比较多，产品质量较差，不能满足环保的要求，所以工业上不采用此法合成N-乙酰吗啉。2.3乙烯酮法乙烯酮法合成N-乙酰吗啉方法简单，无副产物生成，产品分离相对简单。其反应方程见式（2）。ONH+ONCOCH3CH2CO（2）乙烯酮法合成N-乙酰吗啉早在1968年就有德国专利[17]报道。专利采用吗啉和乙烯酮等摩尔比进料，进料速度为1mol/h，控制反应温度为140～150℃，在催化剂作用下反应3h，反应结束后，产品在0.1MPa的真空压力下精馏分离，得产品N-乙酰吗啉。此工艺中吗啉的转化率达到98.5%，产品N-乙酰吗啉的纯度也高达91.6%。其工艺路线见图5。反应减压精馏乙烯酮N-乙酰吗啉吗啉图5乙烯酮法合成N-乙酰吗啉工艺路线乙烯酮法合成N-乙酰吗啉原理和工艺都比较简单，适合连续操作，产物组分数少，分离负担小，产品收率和质量均很高，但是原料乙烯酮来源困难，且乙烯酮为剧毒产品，在运输、罐装和生产中对设备密封要求极高，一旦泄露，后果严重，不适合工业化生产。2.4乙酸酯法乙酸酯法合成N-乙酰吗啉是一种研究较早的方法，它采用异丙烯基乙酸酯和吗啉反应，其反应方程式如式（3）。ONH+CH3COOCCH3CH2ONCOCH3+CH3COCH3（3）早在1949年William等[18]对乙酸酯法合成N-乙酰吗啉的工艺进行了研究，首先将加有硫酸催化剂的异丙烯基乙酸酯加入带有冷凝回流装置的反应器中，然后将与异丙烯基乙酸酯等摩尔的吗啉经冷凝器缓慢加入到体系当中，加入速度要求保持反应混合液达到微沸，全部吗啉加入完毕后反应16h，反应结束后常压下精馏所得混合液，可以得到几乎100%的丙酮，然后加入少量的乙酸钠中和催化剂硫酸，继续在0.10MPa真空度下精馏，收集89℃的成分即为N-乙酰吗啉，收率超过90%。其工艺路线见图6。第10期刘瑞江等：N-乙酰吗啉的合成工艺研究进展·1831·反应减压精馏常压精馏硫酸N-乙酰吗啉异丙烯基乙酸酯乙酸钠吗啉丙酮图6乙酸酯法合成N-乙酰吗啉工艺路线该合成方法工艺现对较复杂，采用乙酸酯为酰化剂，必须在强酸作用下才能与吗啉发生反应，反应时间较长，对工艺设备的要求较高，同时精馏分为常压和加压精馏两个阶段，操作麻烦。2.5乙酸酐法乙酸酐法是目前合成N-乙酰吗啉研究较多的方法，其反应式如式（4）。ONH+ONCOCH3+CH3COOHCH3COCH3COO（4）乙酸酐法合成N-乙酰吗啉的研究早在2001年中国专利[19]就有报道，将吗啉和乙酸酐以1∶1的摩尔比投料，以乙酸为溶剂，一般吗啉与溶剂的重量比在1∶（1.5～4）之间，反应控制在溶剂的沸点下反应2～3h，N-乙酰吗啉的收率最高达到99.38%，产品纯度也达到9