無溶劑綠色合成1-甲基咪唑

薛其才，鄭化安，張生軍，寇永利，王文濤，聶穎穎

(1．陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；2．國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西 西安 710065)

無溶劑綠色合成1-甲基咪唑

薛其才1，2，鄭化安1，2，張生軍1，2，寇永利1，2，王文濤1，2，聶穎穎1，2

(1．陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；2．國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西 西安 710065)

實驗以20%KOH/活性炭(AC)為催化劑，采用綠色環保的碳酸二甲酯為甲基化試劑，在高壓釜中，高選擇性合成了1-甲基咪唑。考察了溫度、時間、投料比、壓力對反應的影響，當溫度150℃，n(碳酸二甲酯)/ n(咪唑)= 1.1，釜內最大壓力3 MPa，反應2h，1-甲基咪唑產率最高，97%。該工藝不使用溶劑，綠色無污染，具有工業化應用前景。

1-甲基咪唑；碳酸二甲酯；無溶劑；綠色合成

1-甲基咪唑是重要的有機合成中間體[1]，主要用作樹脂固化劑、粘合劑等[2]，也可用于澆注、粘接和玻璃鋼等領域[3]。工業上主要以甲醛、乙二醛、甲胺、氨水為原料制備1-甲基咪唑[4-5]，原料都是一定濃度的水溶液，而產品易溶于水，分離損失大，污染較為嚴重。隨著環保政策趨緊，開發綠色生產工藝迫在眉睫。碳酸二甲酯作為一種綠色環保的化工原料，在取代傳統的硫酸二甲酯、鹵代甲烷等甲基化試劑用于合成1-甲基咪唑具有明顯的環保優勢，受到了科研工作者的廣泛關注[6-9]，但碳酸二甲酯用量大、反應溫度高、產品收率不高等問題還未解決。本實驗以開發具有工業應用前景的1-甲基咪唑生產工藝為目標，通過篩選各種催化劑，考察反應時間、溫度、投料比、壓力對咪唑轉化率和1-甲基咪唑產率的影響，優化了反應條件，確定了最佳工藝條件。

1 實驗

1.1 儀器及試劑

儀器：Bruker ARX-300(300 MHz)核磁共振儀，測1-甲基咪唑的氫譜、碳譜；Agilent 6210 TOF LC/MS 高分辨質譜儀，電離方式為正離子模式，測反應物組成；Agilent 7890b型氣相色譜儀，測咪唑轉化率和1-甲基咪唑產率。

試劑：咪唑(純度>99%)，江蘇康樂新材料科技有限公司；碳酸二甲酯(純度>99%)，山東石大勝華化工集團；氫氧化鉀(KOH)、18-冠-6、四丁基溴化銨(TBAB)、三乙基芐基氯化銨(TEBAC)、γ-氧化鋁、活性炭(AC)等，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 1-甲基咪唑合成與表征

反應在200mL微型高壓反應釜中進行，材質為哈氏合金，磁力攪拌，加裝背壓閥，以便控制釜內壓力。反應達到預定時間后，通冷凝水降溫，放氣至常壓，過濾除去催化劑，減壓蒸餾得1-甲基咪唑。

1.3 分析方法

Agilent 7890b型氣相色譜儀分析反應物，Agilent19091Z-413(HP-1)色譜柱；氫火焰離子化檢測器；程序升溫，初始溫度為60℃，保持1min后，以30℃/min的速率升溫至260℃，保持5min；氣化室溫度260℃；檢測器溫度260℃；氮氣做載氣，流速1.5mL/min；自動進樣，進樣量0.1μL，分流比40:1。

2 結果與討論

2.1 催化劑篩選

以KOH與18-冠-6為催化劑，咪唑和碳酸二甲酯在高壓釜中，140℃反應3小時，1-甲基咪唑產率(a)可達78%，副產物1H-咪唑-1羧酸甲酯(b)8%。為了開發具有實用性的生產工藝，我們隨后對多種催化劑進行了考察(表1)。結果顯示，相轉移催化劑有較高的催化活性，但是伴有一定量的副產物生成。單獨使用KOH為催化劑時，咪唑轉化率降到45%，副產物不到1%，這說明催化劑與原料的接觸面積至關重要。使用負載型催化劑時，咪唑的轉化率有了顯著提升，KOH/AC組合效果最好，咪唑轉化率達到82%。增加KOH的負載量，能有效提高催化效率，負載量20%時效果最佳，過高負載量減少了活性炭自身的空隙結構，導致部分催化點位失活，反而起不到好的催化效果。催化劑用量降到0.05當量(equiv)時，催化性能依然良好，進一步降低催化劑用量，咪唑的轉化率有所下降。結合以上結果，我們確定最優催化劑為20% KOH/AC。

表1 催化劑篩選

反應條件：咪唑400mmol、碳酸二甲酯480mmol、催化劑、140℃、500r/min，反應3h。負載型催化劑采用等體積真空浸漬法制備[10]。

2.2 溫度和時間對反應的影響

采用20% KOH/AC為催化劑，通過定時取樣分析的方式，我們考察了溫度、時間對產率的影響。由圖1可以看出，150℃為最佳反應溫度，反應溫度低于150℃時，反應進行到3h，仍有部分咪唑剩余。當反應溫度在150℃以上時，副產物的量隨著反應時間逐漸增加。因此，反應溫度150℃，反應時間2h為宜。

反應條件：咪唑400mmol、碳酸二甲酯480mmol、20%KOH/AC(0.05 equiv)、500r/min，反應3h

圖1 溫度和時間對反應的影響

2.3 投料比對反應的影響

我們以150℃反應溫度，考察了咪唑和碳酸二甲酯用量對反應的影響，結果列于圖2。投料比對反應有較大影響，當碳酸二甲酯和咪唑投料相等時，反應進行3h，咪唑轉化率僅為77%。投料比為1.1時，1-甲基咪唑產率最高。進一步提高投料比，雖然咪唑的轉化率有所提高，但是1-甲基咪唑的產率不增反降。當投料比增加到3時，有8%的副產物1H-咪唑-1羧酸甲酯(b)生成。因此，投料比為1.1最佳。

反應條件：咪唑400mmol、碳酸二甲酯、20%KOH/AC(0.05 equiv)、500r/min，反應3h

圖2 投料比對反應的影響

2.4 壓力對反應的影響

反應溫度為150℃時，該反應的最大壓力為8MPa，在工業生產中，存在設備投資高，危險性大的問題。在合成1-甲基咪唑的反應過程中，有與1-甲基咪唑等量的CO2產生，為了降低反應釜內壓，我們給反應釜加裝了背壓閥，以便反應過程中及時排出CO2，保持釜內壓穩定。由圖3可以看出，反應釜最高壓力由8MPa降到3MPa時，由于低壓時釜內CO2含量相對1-甲基咪唑大幅降低，化學平衡向右移動，咪唑的轉化率、1-甲基咪唑的產率都有所升高。進一步降低釜內壓力到1MPa，有部分碳酸二甲酯、甲醇隨CO2一起排出，導致釜內咪唑相對過剩，轉化率大幅降低。對比以上結果，將釜內最大壓力控制到3MPa較為合適。

反應條件：咪唑400mmol、碳酸二甲酯440mmol、20%KOH/AC(0.05 equiv)、500r/min，通過背壓閥控制釜內最大壓力，反應2h

圖3 壓力對反應的影響

3 結論

以綠色環保的碳酸二甲酯為甲基化試劑，采用負載型催化劑(20%KOH/AC)，在無溶劑條件下，高選擇性合成了1-甲基咪唑。通過對投料比、釜內壓力的優化，有效降低了原料成本及設備投資，具備工業化應用的潛力。

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[3] 馬文展，胡 建.咪唑及其衍生物的應用[J].化學試劑，1998，20(3)：20-27.

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[5] 高學民，繆留福，李向欣.N-甲基咪唑的制備[J].化學試劑，1992，14(4)：248.

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[7] Samedy Ouk, Sophie Thie′baud, Elisabeth Borredon. N-Methylation of nitrogen-containing heterocycles with dimethyl carbonate[J]. Synthetic Communications，2005，35(23)：3021-3026.

[8] Borredon Elisabeth, Chabaud Bernard, Gaset Antoine, et al. Process for the monomethylation of nitrogen containing heterocycles:EP, 1386916[P].2006-01-18.

[9] Manfred Lissel，Stefan Schmidt，Beate Neumann. Dimethylcarbonat als Methylierungsmittel unter phasen-transfer-katalytischen bedingungen[J]. Synthesis，1986，1986(5)：382-383.

[10] 李軍奇，柳 娜，薛 冰，等. 氫氧化鉀/活性炭催化鄰苯二酚與碳酸二乙酯反應合成鄰苯二乙醚[J].精細石油化工，2009，26(4)：1-4.

(本文文獻格式：薛其才，鄭化安，張生軍，等.無溶劑綠色合成1-甲基咪唑[J].山東化工，2017，46(08)：44-46.)

Solvent-free，Green Synthesis of 1-Methylimidazole

XueQicai1,2,ZhengHuaan1,2,ZhangShengjun1,2,KouYongli1,2,WangWentao1,2,NieYingying1,2

(1. Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co., Ltd., Xi'an 710065, China;2. State Energy Key Laboratory of Clean Coal Grading Conversion, Xi'an 710065, China)

A highly selective synthetic method of 1-methylimidazole was reported，using 20%KOH/AC as catalyst, environmentally friendly dimethyl carbonate as methylating agent. The effects of reaction temperature, time, feed ratio and pressure on the yield of 1-methylimidazole were also investigated. The results showed that when the reaction temperature is 150℃, n(dimethyl carbonate)/n(imidazole) = 1.1, maximum pressure 3 MPa and the reaction time is 3 hours, the yield of 1-methylimidazole reached 97%． This process avoiding use organic solvent, is a green way with good industrial prospect.

1-methylimidazole; diethyl carbonate; solvent-free; green synthesis

2017-02-28

薛其才(1984—)，河南周口人，獲博士學位，中級工程師，主要從事精細化學品的研發工作。

O626

A

1008-021X(2017)08-0044-03