一种制备N-甲基哌嗪的方法

摘要

本发明提供了一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其解决了现有N‑甲基哌嗪制备方法采用危险品二乙醇胺作为原料，危害人体健康和环境，且制备二乙醇胺的原料不易获得等技术问题，该制备方法包括酯胺解反应和加氢还原反应，即草酸二甲酯与N‑甲基乙二胺发生胺解反应，生成内酰胺；再将所述内酰胺作为反应物，加入催化剂雷尼镍，在150‑200℃的温度、3.0‑5.0MPa的压力下，通入氢气进行加氢还原反应，最终制得所述N‑甲基哌嗪，可广泛应用于化工材料技术领域。

权利要求

1.一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

向反应釜内加入N‑甲基乙二胺、草酸二甲酯、雷尼镍；将所述反应釜密封；在150‑200℃的温度、3.0‑5.0MPa的压力下，向所述反应釜内通入氢气并搅拌，制得所述N‑甲基哌嗪；

所述雷尼镍使用前浸于水中保存，使用时将所述雷尼镍连同保存其所用的水一同加入到所述反应釜内；

所述N‑甲基哌嗪的制备方法包括酯胺解反应、加氢还原反应，其中：

酯胺解反应：所述草酸二甲酯与所述N‑甲基乙二胺发生胺解反应，生成内酰胺；该反应化学方程式如下：加氢还原反应：将所述内酰胺作为反应物，所述雷尼镍作为催化剂，在150‑200℃的温度、3.0‑5.0MPa的压力下，通入氢气进行加氢还原反应，制得所述N‑甲基哌嗪；该反应化学方程式如下：

2.根据权利要求1所述的一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其特征在于，所述酯胺解反应中，N‑甲基乙二胺：草酸二甲酯按照摩尔比1:1.0～1:1.1投料。

3.根据权利要求1所述的一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其特征在于，在向所述反应釜内充入氢气之前，先向所述反应釜内充入氮气，对所述反应釜进行试漏，证实密封不泄漏后，再充入氢气置换所述反应釜内的氮气。

4.根据权利要求1所述的一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其特征在于，所述加氢还原反应完成后，将所述反应釜降温至30～40℃，充入氮气至0.25～0.30MPa，置换出所述反应釜内的氢气，打开所述反应釜，回收反应液，得到所述N‑甲基哌嗪。

5.根据权利要求1‑4任一项所述的一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其特征在于，所述加氢还原反应时间为2.0～4.0小时。

6.根据权利要求5所述的一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其特征在于，所述加氢还原反应中，所述反应温度为180℃，所述反应压力为4.0MPa，反应时间为3h。

说明书

一种制备N‑甲基哌嗪的方法

技术领域

[0001] 本申请涉及化工材料技术领域，特别涉及一种制备N‑甲基哌嗪的方法。

背景技术

[0002] N‑甲基哌嗪是一种重要的有机化工中间体，在医药、农药、塑料、橡胶等化工领域有着广泛的应用。在医药领域，N‑甲基哌嗪是新一代广谱抗菌药物氧氟沙星和氯氮平的中间体，主要用于合成喹诺酮类抗菌药物如氧氟沙星、左氧氟沙星、氟罗沙星、培氟沙星、洛关沙星、芦氟沙星等。以N‑甲基哌嗪为原料还可以合成抗艾滋病药物、抗风湿药物并可作为杀虫剂的重要中间体。另外，N‑甲基哌嗪也广泛用作从烃的混合物中提取芳烃的选择性溶剂和表面活性剂，在塑料和橡胶等高分子材料中也有广泛的应用。

[0003] 专利CN104387340A公开了一种制备 N‑甲基哌嗪的方法，采用了将催化剂填装在单管式或多管式固定床反应器中，用预热器将固定床反应器温度维持在120‑280℃，氢气压力维持在1.0‑10.0MPa；将二乙醇和甲胺混合液通入固定床反应器中，高温汽化，形成混合气，混合气与催化剂充分接触环合，形成N‑甲基哌嗪。该方法的缺点主要在于，采用二乙醇胺作为原料，二乙醇胺是属于危险品，当人吸入二乙醇氨蒸汽或者物质的话，会刺激呼吸道，可出现头晕，咳嗽，呕吐，昏迷现象，同时二乙醇胺对环境有危害，对水体也可造成污染，并且制备二乙醇胺的原料不易获得等。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其中一个目的是该工艺所需反应物廉价易得、工艺路线成熟简单；另一个目的是该工艺反应收率和转化率较高。

[0005] 为此，本发明提供一种制备N‑甲基哌嗪的方法，其包括如下步骤：

[0006] 酯胺解反应：草酸二甲酯与N‑甲基乙二胺发生胺解反应，生成更稳定的内酰胺；该反应化学方程式如下：

[0007] ；

[0008] 加氢还原反应：将内酰胺作为反应物，加入催化剂雷尼镍，在150‑200℃的温度、3.0‑5.0MPa的压力下，通入氢气进行加氢还原反应，即加氢脱水，制得N‑甲基哌嗪；该反应化学方程式如下：

[0009] 。

[0010] 优选的，酯胺解反应中，N‑甲基乙二胺：草酸二甲酯按照摩尔比1:1.0～1:1.1投料。进一步优选的，N‑甲基乙二胺：草酸二甲酯按照摩尔比为1：1.05。

[0011] 优选的，催化剂雷尼镍使用前浸于水中保存，使用时将雷尼镍连同保存其所用的水一同加入。本发明由于催化剂雷尼镍活化后为灰黑色颗粒，附有活泼氢，极不稳定，在空气中氧化燃烧，因此所购买的雷尼镍浸于水中保存；使用时将雷尼镍连同保存其所用的水一同加入，防止接触空气发生自燃；反应完成后，雷尼镍静置在反应釜底部的液体内，不与外界接触，使生产安全得到保障。

[0012] 优选的，在向反应釜内充入氢气之前，先向反应釜内充入氮气，对反应釜进行试漏，证实密封不泄漏后，再充入氢气置换反应釜内的氮气。

[0013] 优选的，加氢还原反应完成后，将反应釜降温至30～40℃，充入氮气至0.25～0.30MPa，置换出反应釜内的氢气，打开反应釜，回收反应液，得到N‑甲基哌嗪。将反应釜降温至30～40℃，防止反应后甲醇挥发，充入氮气置换出反应釜内的氢气，防止釜内有残余氢气，以确保实验安全，且无反应发生。

[0014] 优选的，加氢还原反应时间为2.0～4.0小时。

[0015] 优选的，加氢还原反应中，反应温度为180℃，反应压力为4.0MPa，反应时间为3h。

[0016] 本发明的有益效果是：本发明提供一种制备N‑甲基哌嗪的方法，以N‑甲基乙二胺和草酸二甲酯为反应原料，由N‑甲基乙二胺和草酸二甲酯胺解后加氢还原制备得到N‑甲基哌嗪。本发明以N‑甲基乙二胺和草酸二甲酯为反应原料，所需反应物廉价易得，尤其草酸二甲酯作为煤化工的产品，原料来源广，价格便宜，加之工艺路线成熟简单，从而降低生产成本；使反应更加清洁、安全性更好，后处理过程简单，有利于工业化生产。另外，在加氢还原反应中制备的N‑甲基哌嗪纯度高，使用高压密封体系，副产物少，反应安全性好；而且雷尼镍对氢气的强吸附性，高催化活性和热稳定性能力，有利于促进反应物转化；使得本发明反应选择性、反应收率和转化率达到较高水平，N‑甲基乙二胺的转化率达到98.34%，N‑甲基哌嗪的选择性达到96.72%，反应收率达到95.11%。本发明通过更加清洁环保的方法制备得到转化率和收率良好的N‑甲基哌嗪，是一种主流的创新发展方向。

具体实施方式

[0017] 为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

[0018] 实施例一

[0019] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.0mol）N‑甲基乙二胺，495.97g(即4.2mol)草酸二甲酯，投加50g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，充氢0.15MPa进行置换，升温至180℃。继续充氢至4.0MPa后反应3.0h，控制温度在180℃，反应结束后，使用循环水降温至40℃，防止反应后甲醇挥发，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次，防止釜内有残余氢气，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0020] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为98.34%，N‑甲基哌嗪的选择性为96.72%，计算收率为95.11%。（采用内标法）

[0021] 实施例二

[0022] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.0mol）N‑甲基乙二胺，495.97g(即4.2mol)草酸二甲酯，投加50g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，开启搅拌混合均匀，充氢0.15MPa置换，升温至150℃。继续充氢至4.0MPa后反应3.0h，控制温度在150℃，使用循环水降温至40℃，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次后，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0023] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为96.84%，N‑甲基哌嗪的选择性为95.72%，计算收率为92.69%。（采用内标法）

[0024] 实施例三

[0025] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.0mol）N‑甲基乙二胺，495.97g(即4.2mol)草酸二甲酯，投加50g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，开启搅拌混合均匀，充氢0.15MPa置换，升温至200℃。继续充氢至4.0MPa后反应3.0h，控制温度在200℃，使用循环水降温至40℃，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次后，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0026] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为96.45%，N‑甲基哌嗪的选择性为95.26%，计算收率为91.87%。

[0027] 实施例四

[0028] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.0mol）N‑甲基乙二胺，519.59g(即4.4mol)草酸二甲酯，投加50g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，开启搅拌混合均匀，充氢0.15MPa置换，升温至180℃。继续充氢至4.0MPa后反应3.0h，控制温度在180℃，使用循环水降温至40℃，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次后，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0029] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为97.15%，N‑甲基哌嗪的选择性为96.26%，计算收率为93.51%。（采用内标法）

[0030] 实施例五

[0031] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.0mol）N‑甲基乙二胺，472.35g(即4.0mol)草酸二甲酯，投加50g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，开启搅拌混合均匀，充氢0.15MPa置换，升温至180℃。继续充氢至4.0MPa后反应3.0h，控制温度在180℃，使用循环水降温至40℃，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次后，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0032] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为95.75%，N‑甲基哌嗪的选择性为94.86%，计算收率为90.82%。（采用内标法）

[0033] 实施例六

[0034] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.0mol）N‑甲基乙二胺，495.97g(即4.2mol)草酸二甲酯，投加50g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，开启搅拌混合均匀，充氢0.15MPa置换，升温至180℃。继续充氢至4.0MPa后反应2.0h，控制温度在180℃，使用循环水降温至40℃，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0035] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为95.84%，N‑甲基哌嗪的选择性为94.27%，计算收率为90.34%。（采用内标法）

[0036] 实施例七

[0037] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.0mol）N‑甲基乙二胺，495.97g(即4.2mol)草酸二甲酯，投加50g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，开启搅拌混合均匀，充氢0.15MPa置换，升温至180℃。继续充氢至4.0MPa后反应4.0h，控制温度在180℃，使用循环水降温至40℃，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0038] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为96.14%，N‑甲基哌嗪的选择性为95.82%，计算收率为92.12%。（采用内标法）

[0039] 实施例八

[0040] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.0mol）N‑甲基乙二胺，495.97g(即4.2mol)草酸二甲酯，投加50g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，开启搅拌混合均匀，充氢0.15MPa置换，升温至180℃。继续充氢至4.0MPa后反应3.0h，控制温度在180℃，使用循环水降温至40℃，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0041] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为96.46%，N‑甲基哌嗪的选择性为95.33%，计算收率为91.95%。（采用内标法）

[0042] 实施例九

[0043] 准备1L烧杯，投加296.50g（即4.00mol）N‑甲基乙二胺，495.97g(即4.2mol)草酸二甲酯，投加8g雷尼镍，将料液转移在1L反应釜中，在室温条件下氮气置换3次后，对反应釜进行试漏，开启搅拌混合均匀，充氢0.15MPa置换，升温至180℃。继续充氢至4.0MPa后反应3.0h，控制温度在180℃，使用循环水降温至40℃，停止搅拌，将氢气排至釜压0.01MPa，氮气置换3次，打开反应釜，回收反应液和催化剂于烧杯内，静置1h，将催化剂静置至烧杯底，取样利用气相色谱进行分析。

[0044] 气相色谱分析结果：N‑甲基乙二胺的转化率为97.16%，N‑甲基哌嗪的选择性为94.13%，计算收率为91.45%。（采用内标法）上述实施例一～实施例九所购买的雷尼镍浸于水中保存，使用时将雷尼镍连同保存其所用的水一同加入，防止接触空气发生自燃，反应完成后雷尼镍静置在反应釜底部的液体内，不与外界接触，使生产安全得到保障。

[0045] 本发明的有益效果是：本发明提供一种制备N‑甲基哌嗪的方法，以N‑甲基乙二胺和草酸二甲酯为反应原料，由N‑甲基乙二胺和草酸二甲酯胺解后加氢还原制备得到N‑甲基哌嗪。本发明以N‑甲基乙二胺和草酸二甲酯为反应原料，所需反应物廉价易得，尤其草酸二甲酯作为煤化工的产品，原料来源广，价格便宜，加之工艺路线成熟简单，从而降低生产成本；使反应更加清洁、安全性更好，后处理过程简单，有利于工业化生产。另外，在加氢还原反应中制备的N‑甲基哌嗪纯度高，使用高压密封体系，副产物少，反应安全性好；而且雷尼镍对氢气的强吸附性，高催化活性和热稳定性能力，有利于促进反应物转化；使得本发明反应选择性、反应收率和转化率达到较高水平，N‑甲基乙二胺的转化率达到98.34%，N‑甲基哌嗪的选择性达到96.72%，反应收率达到95.11%。本发明通过更加清洁环保的方法制备得到转化率和收率良好的N‑甲基哌嗪，是一种主流的创新发展方向。

[0046] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。