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        N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的合成*

        2016-06-06 01:54:14劉榮杰馬少寧田紅麗
        化工科技 2016年6期
        關(guān)鍵詞:工藝實(shí)驗(yàn)

        劉榮杰,馬 平,馬少寧,田紅麗

        (銀川大學(xué) 石油化工學(xué)院,寧夏 銀川 750105)

        N-β-羥丙基-1,2-丙二胺為有機(jī)堿類化合物,分子中由于同時(shí)含有活潑的氨基和羥基,所以具有多功能性,可以同無機(jī)酸、有機(jī)酸和多種有機(jī)化合物進(jìn)行成鹽、氨解、酯化和縮合等反應(yīng),生成用途廣泛的衍生物。近年來,N-β-羥丙基-1,2-丙二胺在國內(nèi)外市場上需求增加迅速,國內(nèi)N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的合成工藝主要為液相法,且N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的合成工藝路線復(fù)雜,難以工業(yè)化,大多數(shù)N-β-羥丙基-1,2-丙二胺工藝產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到要求,因此,限制了國內(nèi)的發(fā)展[1-2]。作者研究采用反應(yīng)-蒸餾的方法合成N-β-羥丙基-1,2-丙二胺[3],并確定了合成最佳工藝條件,具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 反應(yīng)原理[4]

        以1,2-丙二胺和環(huán)氧丙烷為原料合成N-β-羥丙基-1,2-丙二胺,反應(yīng)原理如下。

        主反應(yīng):

        副反應(yīng):

        副反應(yīng)均為以上一步產(chǎn)物為原料的連串反應(yīng),所以反應(yīng)所生成的目的產(chǎn)物必須與環(huán)氧丙烷進(jìn)行分離,否則會(huì)進(jìn)一步生成多羥丙基丙二胺的副產(chǎn)物。因此,在反應(yīng)中既要保證環(huán)氧丙烷與1,2-丙二胺的充分接觸,也要避免生成的目的產(chǎn)物N-β-羥丙基-1,2-丙二胺與環(huán)氧丙烷接觸而發(fā)生副反應(yīng)。為此,反應(yīng)中應(yīng)限制環(huán)氧丙烷的投入量,并盡快使產(chǎn)物與環(huán)氧丙烷分離,以提高產(chǎn)品收率。

        1.2 實(shí)驗(yàn)原料與裝置

        1.2.1 實(shí)驗(yàn)原料

        1,2-丙二胺:化學(xué)純,浙江聯(lián)生化學(xué)有限公司;環(huán)氧丙烷:化學(xué)純,西安九龍化工有限公司;氮?dú)猓后w積分?jǐn)?shù)99.9%,西安偉業(yè)碳素氣體有限公司。

        1.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)流程示意圖見圖1。

        圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

        1.3 合成方法與步驟[4]

        打開環(huán)氧丙烷進(jìn)料閥,液體經(jīng)計(jì)量后加熱至40 ℃,進(jìn)入汽化室氣化,用氣相出口閥控制汽化室壓力為定值。將配制成一定比例的1,2-丙二胺和水的混合液加熱至60 ℃,計(jì)量進(jìn)入反應(yīng)管內(nèi)管,通過上端分布器,溢流液均布于反應(yīng)管外壁,與氣體環(huán)氧丙烷反應(yīng)后離開反應(yīng)管,進(jìn)入蒸餾段,蒸餾段恒溫46 ℃,在下端貯槽收集產(chǎn)品。氣相經(jīng)控壓閥進(jìn)入冰浴收集槽。

        實(shí)驗(yàn)所得到的產(chǎn)物中主要成分為N-β-羥丙基-1,2-丙二胺、1,2-丙二胺。采用德國Bruker公司EQUINOX55型傅里葉紅外光譜分析儀對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定性分析,應(yīng)用GC-9A(FID)型氣相色譜儀測定N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

        2 結(jié)果與討論

        采用反應(yīng)蒸餾法合成N-β-羥丙基-1,2-丙二胺,影響反應(yīng)過程的因素有加料溫度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、物料物質(zhì)的量比,合成實(shí)驗(yàn)對(duì)這些因素進(jìn)行了單因素和正交實(shí)驗(yàn),以確定合成過程的最佳工藝條件。

        2.1 加料溫度的選擇

        考察不同的加料溫度對(duì)原料轉(zhuǎn)化率及合成產(chǎn)物的收率的影響,n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)=1.2∶1,反應(yīng)溫度為50 ℃,反應(yīng)時(shí)間為4 h。結(jié)果見表1。

        表1 加料溫度條件對(duì)反應(yīng)的影響1)

        1)XⅡ?yàn)?,2-丙二胺的轉(zhuǎn)化率;YⅢ1為N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的收率。

        由于環(huán)氧丙烷的沸點(diǎn)是34 ℃,而室溫一般為25~30 ℃,容易造成環(huán)氧丙烷的揮發(fā),使產(chǎn)物的收率降低。由表1很明顯看出,溫度為5 ℃時(shí)加料,可使原料的損失減小,原料的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的收率都有所提高,所以,選擇加料溫度為5 ℃。

        2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

        2.2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響

        n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)=1.2∶1,反應(yīng)溫度50 ℃,考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響,結(jié)果見表2。

        表2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響1)

        1)YⅢ2為多羥丙基丙二胺的收率。

        由表2可見,并不是反應(yīng)時(shí)間越長越好,隨著反應(yīng)時(shí)間的加長,1,2-丙二胺轉(zhuǎn)化率先增加后減少,副產(chǎn)物的量增多,而N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的收率也隨時(shí)間的增長先增加后減少,所以適宜的反應(yīng)時(shí)間為6 h。

        2.2.2 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響

        n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)=1.2∶1,反應(yīng)時(shí)間為6 h,考察反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響,結(jié)果見表3。

        表3 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響

        由表3可見,隨著反應(yīng)溫度的升高,1,2-丙二胺的轉(zhuǎn)化率先增加后減少,N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的收率隨著溫度的升高也是先增加再減小。副產(chǎn)物的量增多。所以,最適宜的反應(yīng)溫度為50 ℃。

        2.2.3 n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響

        反應(yīng)時(shí)間6 h,反應(yīng)溫度50 ℃,考察n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

        表4 n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響

        由表4可見,隨著環(huán)氧丙烷量的增加,N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的收率先增加后減少,副產(chǎn)品量隨著n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)的增大而增加,所以最適宜的n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)=1.2∶1。

        2.3 正交實(shí)驗(yàn)[5]

        以N-β-羥丙基-1,2-丙二胺收率(YⅢ1)為考察指標(biāo),采用L9(34)安排正交實(shí)驗(yàn),選取反應(yīng)時(shí)間(A)、反應(yīng)溫度(B)、n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)(C)。正交實(shí)驗(yàn)因素水平表見表5。

        表5 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

        采用三因素在不同水平下對(duì)N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的收率影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

        表6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

        由表6可見,以N-β-羥丙基-1,2-丙二胺收率最大為衡量指標(biāo),影響因素從大到小的順序?yàn)椋篈>B>C,因此,實(shí)驗(yàn)中各因素作用的主次順序是A>B>C。 將以上實(shí)驗(yàn)收率結(jié)果作數(shù)據(jù)處理,方差結(jié)果見表7。

        表7 方差分析表(信度a=0.05)

        方差分析表明:均方(A)>均方(C)>均方(B),因素A為主要因素,由以上直觀分析和方差分析得出最佳反應(yīng)條件為A2B2C2,即反應(yīng)時(shí)間4 h,反應(yīng)溫度50 ℃,n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)=1∶1為最佳工藝條件。為了考察正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在最佳條件下進(jìn)行了三次平行實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證以上分析的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

        表8 重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)

        3 結(jié) 論

        采用反應(yīng)蒸餾合成的方法,以環(huán)氧丙烷和1,2-丙二胺為原料合成N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的工藝路線是可行的。合成確定的最佳工藝條件為反應(yīng)時(shí)間4 h,反應(yīng)溫度50 ℃,n(Ⅰ)∶n(Ⅱ)=1∶1;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在最佳工藝條件下,1,2-丙二胺的轉(zhuǎn)化率可達(dá)85.12%,N-β-羥丙基-1,2-丙二胺的收率可達(dá)到69%。

        參 考 文 獻(xiàn):

        [1] CIGNARELLA G,GALLO G G.Synthesis oftrans-2,6-dimethylpiperazine[J].J Heterocyclic Chem,1974,1(1):985-987.

        [2] CIGNARELLA G.Synthesis ofcis-2,6-dimethylpiperazine Derivatives[J].J Med Chem,1964,7(2):241-242.

        [3] 陳亞民.N-β-羥乙基乙二胺新法研究[J].吉林石油化工,1991,8(4):65-68.

        [4] 劉榮杰,田忠社,張瑞明.N-β-羥丙基-1,2-丙二胺合成宏觀動(dòng)力學(xué)[J].化學(xué)工程,2009,37(9):28-36.

        [5] 佛明義,賀建勛.數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1992:89-91.

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