N-苯基馬來酰亞胺合成方法研究進(jìn)展

崔 巖，張焯然，張文靜，馬金斗，于默涵，李林博，張 瑞，李進(jìn)京

(佳木斯大學(xué)藥學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154002)

1981年日本觸媒化學(xué)公司推出一款新型ABS樹脂的耐熱改性劑N-苯基馬來酰亞胺( N-phenylmaleimide，簡稱N-PMI)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 N-PMI的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

N-PMI最早作為水下防污劑，能夠較好的抑制有害生物以及微生物的繁殖。同時(shí)對魚類無毒害作用，對海域也不會(huì)產(chǎn)生污染。觸媒化學(xué)公司這次的研究發(fā)現(xiàn)，將N-PMI又一次推向大眾的視野。其獨(dú)特的剛性五元環(huán)平面結(jié)構(gòu)使得其成為目前較為理想的不耐熱樹脂的耐熱改劑，吸引著人們對其合成工藝的不斷研究。日前，N-PMI的合成基本上均采用經(jīng)典的原料--苯胺和順丁烯二酸酐，依圖2所示路線經(jīng)過?；磻?yīng)、環(huán)化反應(yīng)制得。

圖2 N-PMI的合成路線

本文將近年來將國內(nèi)諸多關(guān)于N-PMI合成的研究成果按其合成步驟進(jìn)行劃分總結(jié)，以期為N-PMI的合成研究與工業(yè)化提供一定理論技術(shù)參考。

1 合成方法

在N-PMI合成研究的早期，以順丁烯二酸酐和苯胺為原料，在高溫條件下一步制得N-PMI，其合成路線見圖3。該法操作十分簡單，但由于高溫條件導(dǎo)致原料順丁烯二酸酐低聚、N-PMI的低聚，從而使得該法收率極低。

圖3 一步高溫法合成N-PMI

1.1 兩步酸酐法

極低的產(chǎn)率代表著該法不適合于工業(yè)化生產(chǎn)，那么將N-PMI的合成分為兩步則是更加明智的選擇。采用兩步酸酐法，以苯胺和順丁烯二酸酐為原料，將其合成工藝分為兩個(gè)階段。如圖4所示。

圖4 兩步酸酐法合成N-PMI

首先在溫和條件下合成出N-苯基馬來酸(N-PMA)，隨后以該酸為原料，投入脫水劑乙酸酐以及催化劑乙酸鈉，于低溫條件下經(jīng)環(huán)化反應(yīng)制得N-PMI。該法產(chǎn)率較一步法有了顯著的提高，但仍不太理想，故而諸多學(xué)者們在該法的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

李志富等人[1]以乙酸乙酯為溶劑，乙酸酐和乙酸鈉作為脫水、催化劑，于55℃溫和條件下進(jìn)過兩步酸酐法制得產(chǎn)率達(dá)89%的N-PMI。王娟等人[2]采用醋酸酐作脫水劑，以三乙胺代替乙酸鈉作為催化劑，于乙酸乙酯中制備N-PMI，其N-PMI產(chǎn)率達(dá)85%。在此基礎(chǔ)上引入金屬銅鹽做為阻聚劑，使得N-PMI的純度提高至99%以上。而崔健等人[3]則于2001年，以三乙胺和六水合氯化鈷作為混合催化劑來替代乙酸鈉，不加入阻聚劑，于丙酮中反應(yīng)獲得N-PMI，產(chǎn)率達(dá)86%。

崔凱等人[4]則選用丙酮作為溶劑替代乙酸乙酯，通過兩步酸酐法制備N-PMI，其產(chǎn)率達(dá)92%以上。2009年，李偉等人[5]也選擇丙酮作為反應(yīng)溶劑，以乙酸鈉作為催化劑，對該路線設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確立了N-PMI合成的最佳反應(yīng)條件:在投料量為 n苯胺:n順丁烯二酸酐:n三乙胺∶n乙酸酐∶n乙酸鈉=1∶1.06∶0.29∶1.26∶0.02條件下，于丙酮中回流反應(yīng)，其N-PMI收率達(dá)93%以上，純度達(dá)99.5%以上。王霞等人[6-7]亦選用丙酮作為反應(yīng)溶劑，但其選用三乙胺和醋酸鎳來替代乙酸鈉，最佳投料比: n順丁烯二酸酐∶n苯胺=1.05～1.1∶1，n脫水劑∶n原料=2.1∶1，n三乙胺∶n醋酸鎳∶n苯胺=1.08∶0.25∶1，其N-PMI產(chǎn)率達(dá)85-89%。可見，在丙酮作溶劑時(shí)，乙酸鈉的催化效果強(qiáng)于三乙胺和乙酸鎳的催化效果。

柴博等人[8]于2013年選用乙二胺四乙酸二鈉鹽作為催化劑，于55℃丙酮中反應(yīng)4h制備N-PMI，其N-PMI產(chǎn)率達(dá)92%以上，純度達(dá)99%以上。同年，徐凌子等人[9]則選用維生素B1作為催化劑，于丙酮中回流反應(yīng)4h，其N-PMI產(chǎn)率為63.2%。該法N-PMI產(chǎn)率雖然較低，但其選用綠色的催化劑維生素B1，為N-PMI的合成研究提供了新的思路。

兩步酸酐法均采用過量的乙酸酐，造成合成成本提高、酸性廢水處理困難等問題。同時(shí)，乙酸酐難以回收套用。

1.2 兩步共沸法

通過研究表明，兩步酸酐法中乙酸酐的引入能夠及時(shí)將反應(yīng)所產(chǎn)生產(chǎn)的水消耗掉，從而使得反應(yīng)向N-PMI的生成方向進(jìn)行。因而如何將N-苯基馬來酸在環(huán)化反應(yīng)中生成的水移除反應(yīng)體系則成了N-PMI合成中較為關(guān)鍵的一步。

兩步共沸法則利用能夠與水形成共沸化合物--苯、甲苯、二甲苯等作溶劑，采用共沸法將水帶出。其合成路線如圖5所示，該法可避免使用乙酸酐，可極大地降低生產(chǎn)成本。

圖5 兩步共沸法合成N-PMI

在兩步共沸法中常用的催化劑可以分為兩類，一類是酸性有機(jī)化合物作脫水催化劑，另一類則是金屬及其衍生物作為脫水催化劑。其中，酸性有機(jī)化合物應(yīng)用較為廣泛。

陳平軒等人[10]于1998年，采用兩步共沸法，以硅鎢酸和磷酸作為混合脫水催化劑，在二甲苯中，回流分水2h制得N-PMI，其產(chǎn)率達(dá)92%以上，純度達(dá)97%。同年，丁斌等人[11]亦采用兩步共沸法，以苯胺和順丁烯二酸酐為原料首先制得N-苯基馬來酸，不經(jīng)分離，引入助溶劑N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，于自制酸性催化劑催化下，可以較高收率直接制備出N-PMI。2000年，張德江等人[12]同樣選用兩步共沸法，在自制酸性催化劑催化下，于精餾塔中回流分水反應(yīng)1h，N-PMI產(chǎn)率達(dá)90%以上。賁玉昌等人[13]以二甲苯作為反應(yīng)溶劑，于自制酸性催化劑催化下，采用兩步共沸法產(chǎn)率90%，純度達(dá)98%。

2003年徐斌等人[14]選用甲苯和DMF做混合溶劑，以對甲基苯磺酸和硫酸作為催化劑，對羥基苯甲醚為阻聚劑，有效的提高了N-PMI的產(chǎn)率及純度。該法所得N-PMI產(chǎn)率大85%，純度達(dá)99.4%以上。同年，張亨等人[15]在鄰二甲苯中，選用5%wt(順酐的摩爾分?jǐn)?shù))苯胺的磷酸鹽作催化劑，于135℃回流分水2.5 h制備N-PMI，其產(chǎn)率達(dá)96%以上，純度達(dá)99.3%。該法中所選用的催化劑易于回收，同時(shí)能夠重復(fù)套用多次。

張國華等人[16]在2005年，選用磷鎢酸水合物和磷酸作脫水催化劑，于二甲苯中回流分水1.5h，所得N-PMI產(chǎn)率為88.7%。同年，王寶豐等人[17]在二甲苯、DMF和甲苯混合溶液中，以2,5-二甲基苯磺酸為脫水催化劑制備N-PMI。其N-PMI產(chǎn)率達(dá)92%，純度為99.78%?？梢?，助溶劑的引入可使N-PMA與溶劑處于均相中，從而使得反應(yīng)速度以及反應(yīng)限度均有所提升，能夠明顯提高N-PMI的產(chǎn)率。

次年，彭永利等人[18]則采用二甲苯和DMF作為混合溶劑，在酸性催化劑催化下制得N-PMI，其N-PMI產(chǎn)率達(dá)90%，純度達(dá)98.15%。而張國華等人[19]則在2006年，繼續(xù)對兩步共沸法中的酸性催化劑進(jìn)行改進(jìn)，選用三乙胺/磷酸/硫酸鎳為催化劑，于二甲苯中回流分水反應(yīng)1.5h，制得了產(chǎn)率達(dá)89.2%，純度達(dá)99.1%以上的N-PMI。同年，劉景民等人[20]選擇自制固體超強(qiáng)酸作為催化劑，在甲苯中回流分水反應(yīng)制得N-PMI。同時(shí)，對其路線進(jìn)行中試放大研究驗(yàn)證，得到了相同產(chǎn)率及純度的N-PMI。

邢錦娟等人[21]選用DMF和甲苯作為混合溶劑，于2007年在酸性催化劑催化下制得N-PMI。其合成方案中引入阻聚劑對羥基本甲醚，使得N-PMI純度達(dá)99.2%。揭元萍等人[22]則在2010年，選用2,6-二叔丁基對甲基苯酚作阻聚劑，硫酸和對甲基苯磺酸作催化劑，N-苯基馬來酸不經(jīng)分離直接制備得到產(chǎn)率達(dá)93%以上，純度達(dá)98.7%以上的N-PMI。兩人的研究成果表明，阻聚劑的引入能夠有效的提高N-PMI的純度。

李訓(xùn)剛和高留冕先后于2014年、2016年[23-24]選用苯胺和順丁烯二酸酐為原料，經(jīng)酸性催化催化作用制得產(chǎn)率達(dá)92%以上的N-PMI。

但上述的兩步共沸法中，均選用酸性催化劑，使得的N-PMI工業(yè)化生產(chǎn)中引入諸多酸性廢液，提高生產(chǎn)成本。而何春等人[25]則于2004年選用氧化鋅作為催化劑來替代酸性催化劑，避免酸性廢液處理問題，且N-PMI產(chǎn)率達(dá)90%。

1.3 其他方法

兩步酸酐法和共沸法均為移除反應(yīng)生成的水來控制反應(yīng)方向，以提高反應(yīng)產(chǎn)率。開發(fā)更適合的反應(yīng)溶劑以提高反應(yīng)產(chǎn)率是研究的另一個(gè)方向。魏宇等人[26]于2011年選擇以四甲基溴化銨和硫酸氫鈉為原料，于40℃下甲醇中反應(yīng)24h制得如圖6所示的酸性離子液體。隨后以該酸性離子液體代替?zhèn)鹘y(tǒng)兩步共沸法中的酸性催化劑，于丙酮中回流分水反應(yīng)制得N-PMI，其產(chǎn)率達(dá)86.03%，純度達(dá)97.42%。

圖6 離子液體四甲基硫酸氫銨結(jié)構(gòu)式

2013年，李文有等人[27]則選用如圖7所示的磷鎢酸陰離子離子液體為催化劑，以N-PMA為原料，于乙酸丙酯中升溫至80℃攪拌4h制得產(chǎn)率達(dá)90%的N-PMI。該法反應(yīng)條件溫和，所使用的磷鎢酸陰離子離子液體能夠重復(fù)利用6次，具有較好的工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。

圖7 磷鎢酸陰離子離子液體結(jié)構(gòu)式

隨著微波技術(shù)于有機(jī)合成應(yīng)用方向的發(fā)展，張躍文等人于2009年[28]總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，將微波技術(shù)應(yīng)用于N-PMI的合成中，以順丁烯二酸酐和苯胺為原料，乙酸酐作脫水劑、醋酸鈉作催化劑合成N-PMI。通過實(shí)驗(yàn)得到了最佳的反應(yīng)條件:于80W微波下，在乙酸乙酯中反應(yīng)3min制得N-PMA；再以N-PMA為原料、乙酸酐為脫水劑、乙酸鈉為催化劑，于400W微波下反應(yīng)1.5min，得到N-PMI的產(chǎn)率達(dá)75.8%。微波的應(yīng)用極大的縮短了反應(yīng)時(shí)間，但其整體收率不高。但該法避免目前N-PMI工業(yè)化生產(chǎn)中廢液處理問題，屬于環(huán)境友好型合成方案。然而目前的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)水平不能夠較好地利用微波來進(jìn)行催化反應(yīng)，但該法仍具有較大工業(yè)化應(yīng)用前景。

2 結(jié)論

綜合近年來N-PMI合成工藝研究進(jìn)展來看，目前人們主要聚焦于以下幾點(diǎn):

(1)更換兩步酸酐法中催化劑的種類；

(2)更換兩步共沸法中催化劑的種類；

(3)更換反應(yīng)體系環(huán)境，如采用酸性離子液體等；

(4)減免酸性廢液的產(chǎn)生，研究出環(huán)境友好型的合成路線。

雖然近日，對減免酸性廢液的產(chǎn)生這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室階段有了新的進(jìn)展，如利用微波催化反應(yīng)進(jìn)行，但其在工業(yè)化應(yīng)用中仍存在較大阻礙。因而研究新型的實(shí)驗(yàn)室N-PMI合成路線以及將實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化到工業(yè)化應(yīng)用中將是今后N-PMI的合成研究主要方向。