甲基肼硫酸鹽的合成研究

郭彩霞，陳玉琴，武善榮,尤 揚,張志德

(山東師范大學 化學化工與材料科學學院，山東 濟南 250014)

甲基肼是一種帶有胺味的無色透明液體，性質活潑，為便于存儲和運輸，常制成甲基肼硫酸鹽，它是一種白色晶體，分子式為CH3NHNH2·H2SO4。甲基肼用途廣泛，在航天方面可用作火箭推進劑，同時，它也是一種重要的有機合成原料，在化工、醫藥、農藥方面都有廣泛應用。以甲基肼為原料可以合成頭孢曲松中間體甲基氨基硫脲[1]，抗腫瘤的藥物甲肼芐甲酰異丙胺[2]和丙卡巴肼[3]，合成治療高血壓和青光眼的藥物吡唑衍生物[4]等。在農藥合成方面，甲基肼可以合成稻田除草劑吡嘧黃隆[5]、唑螨酯殺螨劑[6]和吡唑農藥中間體[7-10]等。

甲基肼主要有以下合成方法：拉西法[11]，也稱為氯氨法，是通過氨與次氯酸鈉反應所得產物氯胺和甲胺反應得到甲基肼，該方法中次氯酸鈉顯強堿性和氧化性，使甲基肼的收率降低，并且反應中需大量的稀次氯酸鈉溶液，產生大量廢水。水合肼與苯甲醛縮合法[12]，是苯甲醛與水合肼通過縮合制得芐叉連氮，然后芐叉連氮再與硫酸二甲酯反應合成甲基肼，再水解得到甲基肼硫酸鹽。該方法以水合肼、硫酸二甲酯為原料，毒性大，后處理過程復雜，只能進行少量制備。N-硝基甲胺加氫法[13]，是以鈀為催化劑，經N-硝基甲胺加氫反應，轉化為甲基肼的酸式鹽，該方法原料不易得，成本高，且反應需在高壓條件下進行。鹽酸甲醇水合肼法[14]，是以水合肼和鹽酸反應生成鹽酸肼，再與甲醇高壓反應獲得甲基肼，這種方法易生成1,1-二甲基肼副產物，產率低；設備既要防腐又要耐壓，安全性差。

為了克服上述甲基肼合成方法不足，設計了一條以甲基脲為原料，經氯代、堿解和酸化合成甲基肼硫酸鹽的方法，與現有方法相比，具有原料易得，反應條件溫和，副產物少，產品收率高等優點。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

試劑：甲基脲(分析純),天津市大茂化工廠；氯氣(分析純),山東華宸高壓容器有限公司；氫氧化鈉(分析純),天津市光復精細化工研究所；濃硫酸(分析純),萊陽市康德化工有限公司;乙醇(分析純),天津市廣成化學化學試劑有限公司。

儀器:紅外光譜儀，德國BRUKER公司,ALPHA；核磁共振儀，BRUKER公司AVANCE300,內標采用TMS；XT4B型顯微熔點測定儀，北京市科儀電光儀器廠。

1.2 合成原理

甲基脲與氯氣反應生成中間體N-氯代甲基脲，在氫氧化鈉存在下發生降解重排反應生成甲基肼，再與硫酸反應成鹽得到甲基肼硫酸鹽，反應式如下：

1.3 實驗操作

在裝有機械攪拌、滴液漏斗和溫度計的500mL三口燒瓶中，加入6.4g甲基脲，用乙醇-水溶液溶解，控制反應溫度10℃，滴加含6.4 g氯氣的20mL乙醇溶液，滴加完畢，繼續反應0.5h。冰浴條件下緩慢滴加164g 10% NaOH溶液，控制反應溫度5℃，滴加完畢，繼續攪拌反應0.5h。加熱蒸餾，得到甲基肼的水溶液。向甲基肼的水溶液中滴加稀硫酸，調節至pH值為2，然后加熱蒸出乙醇和部分水。在冰水浴條件下降溫到5℃，析出晶體，過濾，將析出的晶體用冰冷的無水乙醇洗洗滌，抽濾，烘干,得甲基肼硫酸鹽9.14g，收率73.4%，m.p.141～142℃(文獻值[15]142℃)。IR(KBr,cm-1) :3440，1625(-NH2)；1H NMR(DMSO-d6,)δ(ppm):2.60[s,3H,-CH3],3.63[br,2H,-NH2],7.00[br,2H,C-NH2-]。

2 結果與討論

2.1 氯代反應對收率的影響

2.1.1 甲基脲與氯氣物質的量比對反應收率的影響

不同物質的量比的甲基脲與氯氣對反應收率的影響，見表1。

表1 甲基脲與氯氣物質的量比對反應收率的影響

理論上，n(甲基脲)∶n(氯氣)應按1∶1反應，實驗發現，二者按等物質的量反應，甲基肼收率低。從上表可以看出，n(甲基脲)與n(氯氣)配比低時，反應不完全，導致甲基肼收率低。而氯氣過量太多則可能會發生多氯代反應生成副產物，從而導致甲基肼收率降低。在反應條件下，n(甲基脲)∶n(氯氣)為1.0∶1.05，甲基肼收率最高。

2.1.2 反應溫度對反應收率的影響

氯氣與甲基脲的氯代反應屬于放熱反應，氯氣通入過快，反應溫度快速上升，溫度不宜控制，副反應增加，甲基肼收率降低。當n(甲基脲)∶n(氯氣)為1.0∶1.05，氯氣的乙醇溶液在反應過程中需要緩慢滴加。氯代反應溫度對收率的影響，見表2。

表2 氯代反應溫度對反應收率的影響

從表2可以看出，溫度低氯代反應慢，收率低；溫度高，副產物增加，降低收率。在10℃時甲基肼硫酸鹽收率最高，因此，控制反應溫度10℃作為最佳氯代反應溫度。

2.2 降解反應對收率的影響

2.2.1 甲基脲與氫氧化鈉物質的量比對反應收率的影響

當n(甲基脲)∶n(氯氣)=1∶1.05，降解反應溫度為5℃，研究了甲基脲與氫氧化鈉物質的量比對反應收率的影響，見表3。

表3 甲基脲與氫氧化鈉物質的量比對反應收率的影響

從表3可以看出，甲基脲與氫氧化鈉物質的量比對甲基肼收率有較大影響，氫氧化鈉用量少，甲基肼收率低，加大氫氧化鈉用量，甲基肼收率增加，當 n(甲基脲)∶n(氫氧化鈉)=1∶5時，甲基肼的收率最高，氫氧化鈉用量繼續增加，甲基肼收率反而下降，因此適宜條件為n(甲基脲)∶n(氫氧化鈉)=1∶5。

2.2.2 氫氧化鈉濃度對收率的影響

研究發現氫氧化鈉濃度對甲基肼收率也有重要影響，當,n(甲基脲)∶n(氯氣)=1∶1.05，降解反應溫度為5℃，研究了氫氧化鈉濃度對反應收率的影響，見表4。

表4 氫氧化鈉濃度對反應收率的影響

從表4可以看出，當氫氧化鈉的濃度為2.5 mol/L時，甲基肼的收率最高，因此我們選擇所用氫氧化鈉的濃度為2.5 mol/L。

2.2.3 降解反應溫度對收率的影響

降解反應需要在適宜的溫度下進行，反應溫度過高或過低都會對高對甲基肼收率造成不利影響，降解反應溫度對產物收率的影響，見表5。

表5 降解反應溫度對收率的影響

由表5可以看出，降解溫度低反應慢，反應時間長，產物收率低；降解溫度高，中間體不穩定易分解，產物收率也降低。降解反應溫度控制在5℃，反應效果最好。所以降解反應的適宜溫度為5℃。

2.3 溶劑對反應收率的影響

不同溶劑對甲基脲經氯代和堿解重排合成甲基肼有不同影響，我們分別選擇水、乙醇和乙醇-水混合溶劑作反應溶劑，研究了不同溶劑對反應收率的影響，見表6。

表6 不同溶劑對反應收率的影響

從表6可以看出，以水或乙醇單一溶劑作反應溶劑，甲基肼收率低，以乙醇-水混合溶劑作反應溶劑時，甲基肼收率最高，因此我們選擇以用水和乙醇的混合溶液作反應溶劑。

2.4 滴加硫酸pH值對反應收率的影響

向蒸出的甲基肼水溶液中加入硫酸，研究了滴加硫酸后不同pH值對反應收率的影響，見表7。

表7 滴加稀硫酸pH值對反應收率的影響

由表7可知，硫酸用量不夠(pH值大)甲基肼還有部分沒有形成硫酸鹽，產物收率低；當pH值=2時，甲基肼全部以硫酸鹽的形式析出，收率最高，繼續增加硫酸用量對反應收率沒有正面影響，還會降低產物收率。所以，選擇調劑控制pH值=2。

3 結論

在乙醇-水溶混合劑中，以甲基脲為原料，甲基脲與氯氣反應，產物不經分離，在堿性條件下直接降解重排合成甲基肼，再與稀硫酸反應合成出甲基肼硫酸鹽。經過工藝優化確定了最佳合成條件：n(甲基脲)∶n(氯氣)∶n(氫氧化鈉)=1.0∶1.05∶5，氯代反應控溫反應10℃，反應4h，氫氧化鈉堿性降解重排反應控溫5℃，反應3h，所得甲基肼與稀硫酸反應合成出甲基肼硫酸鹽，收率73.4%。該方法合成甲基肼硫酸鹽原料易得，方法簡單，反應條件溫和，收率高，具有重要應用價值。