陳俊霞

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏石嘴山 753600）

1，3-二甲基-2-咪唑啉酮是一種強極性質子溶劑，可替代有致癌性的HMPA，性能優(yōu)于普通惰性溶劑DMSO 和DMF，有其優(yōu)良溶劑性能，它對樹脂材料、無機化合物、有機化合物、聚合物等都有很好的溶解。該溶劑的使用可以提高工業(yè)生產的安全性和減少環(huán)境污染，還能改善產品的質量，因此被專家稱為“王牌溶劑”。這種溶劑的活性物質能夠快速準確的到達受損部位，并且?guī)缀醪粫碳てつw也沒有過敏反應，能長時間保持穩(wěn)定。DMI[2]是一種低毒性溶劑，對人體幾乎沒有毒性，DMI 能溶解多種藥物，增強主藥的穩(wěn)定性及透皮吸收能力，延長藥物的使用時間。

該論文的主要意義在于將2-酰咪唑酮的兩步法合成工藝改進為一步法，大大縮短反應時間，簡化實驗過程，兩步法合成，首先是尿素法合成2-咪唑啉酮，2-咪唑啉酮反應生成1，3-二甲基-2-咪唑啉酮[3]。兩步法合成反應過程繁雜，時間長，耗能多，合成過程中用到和產生大量有毒物質，對人的身體有害[4]。目前大力倡導綠色化學，而此合成工藝的改進目的就是希望能走綠色化學路線。找到生產1，3-二甲基-2-咪唑啉酮最優(yōu)化工藝[5]。

1 實驗部分

1.1 主要藥品及儀器

所使用的化學藥品試劑（見表1）。

表1 主要試劑

本論文中所使用的儀器設備（見表2）。

表2 主要儀器

1.2 兩步法制備DMI

1.2.1 2-咪唑啉酮的制備 在100 mL 的三口燒瓶中，加入30 g 尿素、33 mL 乙二胺、蒸餾水12 mL，裝上攪拌器、250 ℃溫度計與刺型分餾柱，在分餾柱上裝上冷凝管，加熱攪拌10 min 后溶液澄清，溫度為56 ℃，加熱攪拌至120 ℃時開始有回流液流出，當瓶內反應溫度升至128 ℃時，溫度不再上升，保溫反應4 h，之后將回流裝置變換為蒸餾裝置，溶液溫度逐漸升高，當溶液溫度達到140 ℃時開始計時，將溫度用兩個小時的時間從140 ℃到160 ℃，無色透明溶液從逐漸渾濁到完全凝固。加入2 mL 的乙二胺再繼續(xù)升溫，溶液逐漸溶解，到溫度升至220 ℃，固體完全溶解，攪拌大約10 min 后，溶液又變?yōu)闊o色透明。趁熱倒出反應液，冷卻結晶。等完全干燥時，用研缽研成粉末，放入三口燒瓶中，用氯仿溶解，再趁熱抽濾，將濾液再抽濾，2-咪唑啉酮就是第二次抽濾出來的固體，將2-咪唑啉酮干燥。

反應方程式為：反應機理可能有三條路線（見圖1）：

反應機理a 為: 乙二胺兩個末端胺基基團同時進攻尿素分子，進行親核取代，消去兩個氨，得到咪啤啉酮（1）。

反應機理b 為：乙二胺一個末端胺基基團進攻尿素分子，進行親核取代，消去一個氨，得到過渡態(tài)（2）；過渡態(tài)（2）進一步脫氧、加氫、脫氨得到咪嘩啉酮（1）。

反應機理c 為: 乙二胺一個末端胺基基團進攻尿素分子，進行親核取代，消去一個氨，得到過渡態(tài)（2）；過渡態(tài)（2）進一步脫氨得到過渡態(tài)（3）；過渡態(tài)（P）進一步環(huán)合得到咪嘩啉酮（1）。

1.2.2 用2-咪唑啉酮制DMI 將2-咪唑啉酮，甲酸，甲醛加入到三口燒瓶中，攪拌，升溫，溶液無色透明，在102 ℃時有回流液，在108 ℃時溫度不再上升，回流16 h。將產品中未反應的甲酸、甲醛以及水蒸出，低溫150 ℃停止蒸餾。底液為土黃色。將產品在2.96 kPa，120 ℃進行減壓蒸餾，然后用氯化鈣干燥，既而得到DMI。

反應方程式為：

反應機理（見圖2）為:2-咪啉酮在甲酸存在下，仲胺氮原子進攻甲醇分子，得到過渡態(tài)（3），過渡態(tài)（3）在甲酸作用下進一步脫水、脫CO2得到過渡單甲基咪嘩啉酮（2），兩按同樣原理甲基化得到1，3-二甲基-2-咪啉酮（1）。

圖1

圖2

1.3 一步法制備DMI

在100 mL 的三口燒瓶中，加入30 g 尿素、33 mL乙二胺、蒸餾水12 mL，裝上攪拌器、250 ℃溫度計與刺型分餾柱，在分餾柱上裝上冷凝管，加熱攪拌至56 ℃，固體全部溶解，為無色透明溶液，再加熱攪拌至120 ℃時開始有回流液流出，當瓶內反應溫度升至128 ℃時，溫度不再上升，保溫反應4 h，之后將回流裝置變換為蒸餾裝置，溶液溫度逐漸升高，當溶液溫度達到140 ℃時開始計時，將溫度用2 h 的時間從140 ℃到160 ℃，無色透明溶液從逐漸渾濁到完全凝固。加入2 mL 的乙二胺再繼續(xù)升溫，溶液逐漸溶解，到溫度升至220 ℃，固體完全溶解，攪拌大約10 min 后，溶液又變?yōu)闊o色透明。將溶液降溫至室溫再加入甲酸，甲醛到三口燒瓶中，攪拌，升溫，在102 ℃時有回流液，在108 ℃時溫度不再上升，回流16 h。將產品中未反應的甲酸、甲醛以及水蒸出，低溫150 ℃停止蒸餾。底液為土黃色。將產品在2.96 kPa，110 ℃～120 ℃進行減壓蒸餾，然后用氯化鈣干燥，既而得到DMI。

2 實驗結果與討論

2.1 回流時間的影響

2-咪唑啉酮的合成過程先生成中間過渡態(tài)，再生成最終產品。中間過渡態(tài)的活化能都比較高，因此需要在一定溫度下進行，而且反應時間較長。回流的作用就是使反應體系的溫度盡可能的高。如果能夠控制好不讓反應物揮發(fā)，反應體系的溫度就能夠控制在反應物的沸點或者反應物形成的恒沸混合物的沸點上，利于反應的進行。

基本條件：尿素30 g，33 mL 乙二胺，蒸餾水12 mL其后的升溫過程不變，改變回流時間，經(jīng)過兩步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的質量分析，其結果（見表3）。

表3 回流時間對產品產率的影響

結論：回流時間是反應控制關鍵點，回流過程是分子間脫氨，生成中間過渡態(tài)的過程?；亓鞯臅r間越長，反應進行的越充分，產率越高，但是反應在4 h 后，產率升高不大，故選取回流的時間為4 h。

2.2 加水量的影響

基本條件：尿素30 g，乙二胺33 mL，回流時間4 h，其后的升溫過程都不變，改變加水量，經(jīng)過兩步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的質量分析，其結果（見表4）。

表4 加水量對產品產率的影響

結論：水既是反應溶劑也是催化劑，加水量的多少對反應收率影響較大。水量越多，乙二胺的濃度越低，回流溫度越低，產率也就越低，權衡考慮，選擇水的量為12 mL 時，產物的產率相對最高。

2.3 升溫時間的影響

基本條件：尿素30 g，乙二胺33 mL，回流時間4 h，將回流裝置改為蒸餾裝置后改變其升溫的時間，經(jīng)過兩步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的質量分析，其結果（見表5）。

表5 升溫時間對產品產率的影響

結論：由表5 可知，隨著升溫時間的增加，2-咪唑啉酮的收率逐漸增加。但是反應在2 h 后，產率升高不大，故選取升溫的時間為2 h。

3 結論

DMI 是一種比較新的極性非質子溶劑，在精細化工、高分子合成和石油化工等領域均具有廣闊的應用前景。DMI 在國外已實現(xiàn)工業(yè)化生產，據(jù)報道日本三井高壓年產量已達到400 t。從原料、工藝、設備等方面看，我國完全具有開發(fā)DMI 的能力和條件。兩步法合成反應過程繁雜，時間長，耗能多，合成過程中用到和產生大量有毒物質，對人的身體有害。目前大力倡導綠色化學，而此合成工藝的改進目的就是希望能走綠色化學路線。找到生產1，3-二甲基-2-咪唑啉酮最優(yōu)化工藝。

［1］ 戴林林.1，3-二甲基－2-咪唑啉酮的合成工藝研究［D］.南京理工大學，2006.

［2］ 吳達俊，楊悟子.新型溶劑DMI 的特性及其在有機化學中的應用［J］.化學試劑，1994，16（4）：235-237.

［3］ 鐵云峰，吳達俊，孫榮奇.1，3-二甲基-2-咪唑啉酮在有機合成中的應用［J］.合成化學，2000，8（4）：301-306.

［4］ 張士英，吳達俊，楊子悟，等.N-N-二甲基-2-咪唑啉酮的合成［J］.化學試劑，1997，19（3）：181-182.

［5］ 曹忠誠.1，3-二甲基-2-咪唑啉酮合成工藝及應用［D］.山東大學，2013.