N-甲基嗎啉合成及應用研究

陳春玉，王少楠，胡 迎

(西南化工研究設計院有限公司，四川 成都 610225)

N-甲基嗎啉作為一種有機化工中間體，具有叔胺及醚的雙重性質，應用面廣，可作為聚氨酯泡沫生產的催化劑，阿撲西林、氨基芐青霉素及羧基芐青霉素合成過程中的催化劑，還可作表面活性劑、萃取劑、腐蝕抑制劑，其衍生物N-甲基氧化嗎啉，是制造 Lyocell 天然纖維和 Newcell 人造纖維長絲十分理想的紡絲溶劑。

1 N-甲基嗎啉的合成方法

N-甲基嗎啉的合成工藝很多，按照原料劃分，有嗎啉法、N-甲基二乙醇胺法、二乙醇胺法、二甘醇法和二氯乙醚法。

(1)嗎啉法

選擇以嗎啉為起始原料進行甲基化的研究是最多的，也是合成N-甲基嗎啉的重要方法。

嗎啉含有仲胺基團，很容易發生N原子上的取代反應，直接選用不同的甲基化試劑進行N-甲基化反應生成N-甲基嗎啉。

2003年，張想竹等[1]報道，嗎啉與氯甲院按照摩爾配比為1:1.1，氫氧化鈉為水溶液，35 ℃下反應5 h，合成的N-甲基嗎啉純度達到98%，收率85%。但是一氯甲烷在強堿性介質中易發生水解反應，副產物多，不易分離，該工藝目前已被淘汰。

2004年，Del Zotto等[2]將嗎啉和甲醇在催化劑為Ru的三苯基磷配體作用下，合成N-甲基嗎啉，該反應可以定量完成，反應收率高，但是此工藝采用貴金屬作催化劑，價格昂貴，不適用于工業化生產。

2006年，Heshmatollah Alinezhad等[3]又報道，采用嗎啉、甲醛和甲酸在室溫下，以N-甲基哌啶鋅硼氫為催化劑，反應6 min，收率達到80%，但反應過程對pH值控制十分嚴格，僅限于實驗室研究，同時該催化劑制備過程繁瑣且不好回收，對環境不友好。

2007年，中國專利[4]報道采用嗎啉和甲醇在負載型的金屬催化劑下，200 ℃、0.3～0.6 MPa的條件下反應，得到收率為85%的產物N-甲基嗎啉，這種合成工藝的缺點是高溫高壓反應，設備費用較高且投資比較大，同時反應過程中加入金屬催化劑，給產物的純化造成困難，并且含有金屬催化劑的廢水也容易造成環境問題。

2009年，廖戎[5]報道了，嗎啉和碳酸二甲酯按照摩爾配比1:1.2，100 ℃反應3 h，合成的N-甲基嗎啉純度達到97.5%，收率95%。但從原子利用率和經濟性出發，采用嗎啉和碳酸二甲酯反應，會產生二氧化碳和甲醇，不利于C原子的有效利用，同時嗎啉和二氧化碳會繼續反應生成副產物，造成后序分離比較困難。

2016年，中國專利[6]又報道，在非金屬催化劑DBU或DBU鹽的催化作用下，以嗎啉和甲醇為起始原料合成N-甲基嗎啉，該反應為常溫常壓反應，催化劑可循環套用，副產物為水，后處理簡單，對環境友好，產品純度達到98%，收率90%。

(2)N-甲基二乙醇胺法

N-甲基二乙醇胺兩端含有羥基，在酸的催化作用下易脫水縮合成醚，生成N-甲基嗎啉。

1998年，高樹藩等[7]報道，在氯化氫存在下，N-甲基二乙醇胺200 ℃脫水環化，生成N-甲基嗎啉，收率為98%。2015年，中國專利[8]又報道，在Fe-SiO2-Al2O3-Ni型負載催化劑下，N-甲基二乙醇胺200 ℃脫水環化，生成N-甲基嗎啉，收率90%。雖然N-甲基二乙醇胺法副產物少，收率高，但該法不僅采用貴金屬催化劑，成本較高，而且原料價格昂貴、來源較為困難，難以實現工業化生產。

(3)二乙醇胺法

二乙醇胺法制備N-甲基嗎啉，實則分為兩步完成，第一步是二乙醇胺兩端的羥基在Cu、Ni、Cr等貴金屬催化劑下脫水環化成嗎啉，第二步是中間產物嗎啉再與甲基化試劑反應生成N-甲基嗎啉。

1981年，美國專利[9]報道，在105～200 ℃條件下，二乙醇胺與硫酸二甲酯反應，得到的N-甲基嗎啉，收率達81%～95%。此法收率較高，但硫酸二甲酯劇毒，不利于環保要求，尚未見到工業化報道。

(4)二甘醇法

二甘醇法制備N-甲基嗎啉分三步完成，首先二甘醇需要在加氫催化劑和H2存在下，高溫高壓，與液氨或氨水作用，同時完成氨解和環化反應得到中間體嗎啉，接著嗎啉再與甲基化試劑反應生成N-甲基嗎啉。

2005年，中國專利[10]報道在氫氣和 Ni-Cu-Al2O3-MgO、Ni-Cu-Al2O3-BaO 等催化劑存在下，二甘醇、液氨、一甲胺反應生成N-甲基嗎啉，反應壓力為 1.0～2.5 MPa，反應溫度為 190～260 ℃。此法反應過程復雜，所用催化劑較多，工業化較困難。

(5)二氯乙醚法

二氯乙醚法合成N-甲基嗎啉，分兩步完成，第一步二氯乙醚與伯胺發生胺化反應，第二步在堿催化劑下，發生環化反應生成目標產物。

1999年，趙淑梅等[11]報道二氯乙醚與甲胺在85 °C及堿的存在下反應，產品收率約為94%。但二氯乙醚原料來源較為困難，同時產生大量的工業廢水和廢渣，未用于工業化生產。

綜上所述，N-甲基嗎啉的合成方法要么是從嗎啉出發，要么是通過合成嗎啉中間產物，要么是無嗎啉中間產物，而是通過自身或與外界發生縮合環化反應生成N-甲基嗎啉，這些合成方法中，嗎啉法是相對而言，最有發展前途的。

2 N-甲基嗎啉的應用領域

(1)醫藥領域

半合成的青霉素步驟較多，其中進行到酰氯化反應時，會用到N-甲基嗎啉作催化劑。比如阿撲西林[12]、氨基芐青霉素、羧基芐青霉素等此類制作過程中就用到了N-甲基嗎啉。由于這些藥品療效高，頗受人們歡迎，故N-甲基嗎啉在醫藥領域具有一定的市場潛力。

(2)聚氨酯領域

N-甲基嗎啉是中等強度的叔胺催化劑，在聚氨酯行業主要用作聚酯型聚氨酯軟泡催化劑，表皮形成性能好。

由于聚氨酯泡沫塑料一般用于高檔精密儀器、貴重器械、高檔工藝品等的緩沖包裝或襯墊緩沖材料，也可制成精致的、保護性極好的包裝容器；還可采用現場發泡對物品進行緩沖包裝。N-甲基嗎啉發泡均勻、發泡速度快，是聚氨酯塑料發泡常用催化劑。

(3)化工領域

N-甲基嗎啉作為一種重要的精細化工原料，更多的使用價值是通過氧化合成衍生物N-甲基氧化嗎啉。

在生產人造纖維過程，以N-甲基氧化嗎啉為溶劑，具有無毒、無污染，且產品質量高等優點，特別是其法生產出的人造纖維的濕性質和強度優于普通粘膠纖維，溫度性能超過尼龍，許多性能指標與棉纖維相似，被稱為“綠色人造纖維”；并且可以將原有的16道工序減少為9道工序。使已有百年歷史的二硫化碳作溶劑的人造纖維生產過程發生重大革命。

由此可見，N-甲基嗎啉及其下游產品的應用前景十分廣闊。

3 結 語

通過對N-甲基嗎啉的合成工藝及應用方面的介紹，可以看出嗎啉甲基化生產路線較為成熟，但生產過程中綠色、環保、清潔、高效、低成本仍是未來合成N-甲基嗎啉的方向，只有突破實驗室局限，實現工業化生產，才能最終發揮市場應用的作用。總之， N-甲基嗎啉作為重要的精細化學品，對其合成工藝及應用領域的深入開發和研究是十分有價值的。