磺基甜菜碱的合成研究进展

牛瑞霞 ，任伟东 ，孙双波 ，宋 华，李征鸿

（1 东北石油大学化学化工学院，石油与天然气化工省高校重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2 大庆油田有限责任公司天然气分公司，黑龙江 大庆 163500）

三元复合驱（ASP）综合了表面活性剂驱、碱驱、聚合物驱的优点，可将油水界面张力降至10-3mN/m 以下，大大提高原油采收率[1]，已成为一种重要的三次采油技术。在实际应用中发现[2]，ASP复合驱中的碱虽发挥着重要作用，但由于碱能与地层水中的Ca2+、Mg2+及地层中的黏土矿物作用生成铝硅垢结晶，从而堵塞油层孔隙，使油层受到伤害；另一方面，碱与聚合物发生反应，使聚合物发生降解，使体系增黏效果变差[3]。因此，使用弱碱或者不使用碱成为复合驱的一个研究方向。其中表面活性剂的选择是关键，尤其对于高温、高盐油田，若表面活性剂不能很好地与地层流体配伍，则无法形成超低界面张力，达不到提高采收率的目的[4]。

两性离子表面活性剂在水溶液中电离生成的两性离子对金属离子具有螯合作用，抗盐能力强、耐多价阳离子的性能好且临界胶束浓度低，因而对于高矿化度、高温度的油藏，两性表面活性剂是一个重要的、极具潜力的研究方向[5]。其中磺基甜菜碱具有性能温和、易生物降解、钙皂分散性强、界面活性高、耐硬水和高浓度酸碱等性能，已被广泛应用于洗涤剂、化妆品、皮革等领域[6-7]。此外，由于磺基甜菜碱本身具有一定黏弹性，可辅助降低水油流度比；分子结构中含磺酸基，可与当前油田普遍使用的石油磺酸盐和重烷基苯磺酸盐进行复配而不发生色谱分离；遇水后可形成两性离子对，在含盐体系（当前研究的大多数无碱驱油体系中含一定量的无机盐）中具有良好的稳定性，而盐的存在有利于其在油水界面的稳定吸附，表现出超低油水界面张力，所以近年来成为科研人员研发无碱驱油表面活性剂的一个主攻方向[8-10]。

甜菜碱是由Sheihler 早期从甜菜中提取出来的天然含氮化合物，其化学名为三甲铵基乙酸铵。目前，“甜菜碱”一词已冠于所有类似结构的化合物，并已扩展到含硫及磷的类似化合物。天然甜菜碱不具有表面活性，只有其中一个CH3被长链烷基取代后才具有表面活性，人们称该类物质为甜菜碱型表面活性剂[11]，通式可表示为RN+(CH3)2(CH2)nCOO-，n=1～3。

磺基甜菜碱的合成方法大都采用两步法：第一步，合成中间体N,N-二甲基烷基叔胺；第二步，中间体发生季铵化反应，生成目标产物磺基甜菜碱。本文作者着重介绍几种中间体的合成工艺，并从原料性能、收率、环保性、可操作性等方面进行分析比较，这对研究开发适用于高矿化度和高二价阳离子油藏的新型表面活性剂具有重要指导意义。

1 中间体N,N-二甲基烷基叔胺的合成

N,N-二甲基烷基叔胺是合成甜菜碱的重要中间体。目前，长链烷基叔胺的合成路线主要包括羟基卤化胺化法、醇一步催化胺化法、甲醛加氢法、羰基还原胺化法等。

1.1 卤化胺化法

卤化胺化法采用脂肪醇(醚)、卤化试剂、二甲胺等为原料，首先脂肪醇(醚)与卤化试剂发生卤代反应，生成卤化物，然后再与二甲胺作用，生成目标产物。

孙文斌等[12]以烷基酚聚氧乙烯醚、亚硫酰氯、二甲胺、3-氯-2-羟基丙磺酸钠等为原料，合成出了烷基酚聚氧乙烯醚羟基磺酸盐型甜菜碱，产品收率为83%。叔胺的合成路线见式（1）。

该方法的优点是操作简单，条件温和，设备要求低，原料成本低，但原料中包括卤化试剂，对设备有一定的腐蚀，且污染环境。

1.2 醇一步催化胺化法

醇的催化胺化反应是制备N,N-二甲基烷基叔胺的重要方法之一，和上述工艺相比具有明显的优势。最早见诸于1909年，由Sabatier 研究成功，此后大量学者都对此反应进行了研究。经过几十年的研究开发，目前已经到了成熟稳定时期，可以满足工业化生产的要求。

醇的催化胺化按照催化剂作用机理可分为脱水胺化和脱氢胺化两种[13]。其中脱水胺化催化剂活性相对较低，且回收困难，反应条件高，不适合工业化生产[14]。目前，工业化的催化胺化催化剂均采用脱氢胺化催化剂。目前，对其反应机理，大都赞同Baiker 提出的机理，包括醇脱氢成醛、醛与二甲胺加成和脱水加氢3个基元反应。

醇催化胺化法的关键是催化剂的选择，以铜为主要成分的催化剂表现出了良好的活性、脱氢性能与选择性。目前，多采用以Cu和Ni为活性组分的负载型或无载体的金属或金属氧化物作为胺化催化剂，也可以加入其它金属作为助催化剂来提高催化剂的性能。此外，二甲胺在反应过程中会发生两分子间的歧化反应，生成甲胺和三甲胺[15]。因此，在选择催化剂时需考虑催化剂对二甲胺的歧化反应的抑制作用。谭平等[16]对研究了在以Cu和Ni为活性组分、以碳酸钙为载体的催化剂体系中加入其它金属元素作为助催化剂对催化剂选择性和活性的影响，研究发现，助催化剂La、Ba和Zn的加入均能提高Cu-Ni 催化剂的选择性，Ba的效果尤其明显，但也降低了催化剂的活性。安倍裕[17]对催化剂的研究引起广泛关注，主要有：对于单长链烷基叔胺的制备，催化剂中Cu、Ni的比例为4∶1时活性最高；Cu、Ni 比例在4∶1时选择性最好，原料醇（十二烷醇）转化率为93%以上，目的产物叔胺（N,N-二甲基十二烷胺）的选择性为97%；三价Ni 有利于提高催化剂的选择性，若Ni 不易被还原时则催化剂的选择性好。

田在龙[18]以醇、二甲胺和自制催化剂等为原料，首先将醇与自制催化剂投入反应器，然后边搅拌边升温至100℃，用N2吹洗系统。继续升温至180℃，通入氢气，继续升温至200～210℃恒温1 h，同时通入二甲胺，氢气与二甲胺的比例保持在1∶0.45，催化剂用量不低于3%，生成目标产物烷基叔胺，其产率都在97%以上。

刘学民等[19]对N,N-二甲基十二烷基叔胺的合成工艺进行了研究，以十二醇、二甲胺等为原料，以Cu-Ni等三元或四元多组分载体催化剂的催化作用下，催化剂用量为脂肪醇质量的1.5%～3.5%，反应温度为190～210℃，合成了N,N-二甲基十二烷基叔胺，其收率都在93%以上。

李运玲等[20]在Cu-Ni 催化剂作用下利用C12～C13合成醇（OXO 醇）进行催化胺化反应，并与月桂醇的胺化反应进行比较，月桂醇胺化反应3 h，醇的转化率达99.9%，单烷基叔胺选择性为95.6%，OXO 醇的转化率为91.3%，选择性为96.6%。

该方法的优点是产率高，质量稳定；缺点是副反应较多，对催化剂、反应装置的要求较高，催化剂容易失活，原料相对较贵。

1.3 甲醛加氢法

甲醛加氢法具有反应条件温和、收率较高等优点。蒋泽英等[21]以烷基伯胺、甲醛、催化剂和醇为原料，在500 mL 压力釜中进行反应，目的产物收率达到98%。其反应流程为式（2）。

此反应对反应釜的搅拌要求较高，搅拌效果不良会使转化率降低，同时溶剂的种类与添加量也对转化率有一定影响。在反应过程中，曾发现生成物中含有双烷基仲胺，通过调整加氢的速度、控制溶液添加量、调整实验工艺、改变催化剂体系等，有效抑制了双烷基叔胺副产物的生成，使产品纯度较好。

1.4 羰基还原胺化法

羰基还原胺化法是合成烷基叔胺及其衍生物的一种重要方法[22]。1885年，德国化学家Leuchart第一次报道了用甲酸铵盐或甲酰胺还原羰基化合物。20世纪初期，Wallack等[23]在Leuchart 研究的基础上进行了更深入的研究，后来该方法被命名为Leuchart-Wallack 法。该方法最大的优点是原料试剂价格低廉，弊端在于羰基化合物和固态甲酸铵需在一个密闭的容器内加热，反应会释放出CO2，使密闭容器内的压强变大。此反应最初未引起关注，直至1936年，Ingersoll 实验组[24]把实验条件进行了优化，才引起足够重视。他们采用了复杂的氢化物作为还原剂，并在一个敞开的容器中进行反应，这是当时用羰基化合物合成胺的最简便方法。

羰基化合物与氨、伯胺或者仲胺发生还原胺化反应，分别生成伯胺、仲胺或者叔胺。常用的还原剂有金属氢化物、活泼金属与酸、甲酸及其衍生物。下文将分别阐述以甲酸及其衍生物、金属氢化物为还原剂、以金属配合物为催化剂的羰基还原胺化反应。

1.4.1 Eschweilar-Clarke 反应

当采用甲酸或者衍生物作为还原剂时，伯胺、甲醛（羰基化合物）和甲酸会反应生成仲胺，仲胺继续与甲酸、甲醛反应生成目标产物N,N-二甲基烷基叔胺。将伯胺、仲胺和甲醛及甲酸进行还原性甲基化制备叔胺的反应成为Eschweilar-Clarke 反应[25]。

1945年，Icke等[26]以苯乙胺、甲醛、甲酸为原料合成出了N,N-二甲基苯乙胺，其合成路线如式（3）。

段明峰等[27]以十二胺、甲酸和甲醛为原料，反应物摩尔比十二胺∶甲酸∶甲醛=1∶3.6∶2.51，反应时间6 h，合成N,N-二甲基十二烷基叔胺。其合成路线如式（4）。

该方法的优点是副产物为CO2和H2O，容易分离，但是存在三废污染和设备腐蚀问题，目前该工艺已被淘汰[28]。

1.4.2 金属氢化物为还原剂的还原胺化

羰基还原胺化反应的还原剂，除了可以采用甲酸及其化合物，也可以采用其它化合物。如可以采用NaBH4-Ti(OiPr)4体系还原剂。NaBH4是一种性能优良的还原剂，由于它可以将羰基还原成醇，故此方法需要分成两步完成。Ti(OiPr)4在其中起路易斯酸催化剂与去水剂的作用[29]，可以与醛或酮、二甲胺生成中间体，然后被NaBH4还原成目标产物。反应机理为式（5）。

Bhattacharyya等[30]选取了C6H5CHO、o-ClC6H4CHO、p-BrC6H4CHO等14 种羰基化合物、二甲胺、甲醇、Ti(OiPr)4、硼氢化钠等为原料在室温条件下合成出了烷基叔胺，其收率都在78%以上，其中有8 种收率在90%以上。其中，Ti(OiPr)4能够促进羰基与胺缩合，硼氢化钠能够成功地还原—C=N为—C—N，同时也可容易地将醛（或酮）羰基还原成醇。Miriyala等[31]也对NaBH4-Ti(OiPr)4将酮直接还原胺化的工艺进行了报道。

金属氢化物为还原剂的还原胺化方法具有收率高、操作简单、安全、条件温和、在室温下反应、绿色、无毒、原料价格低廉、制取时间短等优点[32]。目前采用该工艺合成短链烷基叔胺，而对于合成长链的烷基叔胺的工艺条件介绍很少。

1.4.3 金属络合物的还原胺化

目前，很多还原剂在提高叔胺产率上已经显示了优良的性能。尤其是当采用H2和催化剂共同作用时，既经济又环保，有些已经成功应用到工业领域中，是一种前景很好的工艺方法。两相（水相/有机相）催化是均相催化的一个特殊情况，采用水溶性膦配体可以解决过渡金属催化剂分离和循环使用的问题。该催化剂具有催化活性高、适用范围广、催化剂用量少以及可回收重复利用等优点。其中以Rh系手性配合物应用较为广泛，大部分性能较好的手性配合物都是以二膦化合物为配体。

Tararov等[33]对Rh 系金属还原胺化羰基化合物进行了深入的研究，通过一系列实验，验证了羰基化合物与胺生成叔胺的反应机理，其反应机理见反应式（6）。首先，羰基化合物1'与胺2'反应，生成半缩醛胺3'，N,O-缩醛4'、缩醛胺5'、亚胺6'和烯胺7'随后生成，其中3'和4'为主要的中间产物。

随后Tararov等[33]又通过实验，验证了副产物醇的生成路线，见反应式（7）。

该反应说明副产物醇的生成与起始羰基化合物有关；在催化剂的选择上，应选择对中间体催化效果好的催化剂，而不是对羰基化合物催化效果好的催化剂。他们通过考察催化剂种类对中间体选择性的影响，发现[Rh(DBBP)(COD)]+可以显著提高还原胺化脂肪醛的效率，水的存在对产物的产率无影响。

2 磺基甜菜碱的合成

2.1 N,N-二甲基烷基叔胺与3-氯-2-羟基丙磺酸钠的反应

N,N-二甲基烷基叔胺与3-氯-2-羟基丙磺酸钠的反应是合成磺基甜菜碱常用的方法之一，其合成路线见式（8）。

丁伟等[34]以十六醇、环氧氯丙烷、二甲胺和3-氯-2-羟基丙磺酸钠为原料，在反应温度60℃、反应时间4 h、n(环氧氯丙烷)∶n(十六醇)=1.5∶1、催化剂用量（相对于醇的摩尔分数）为4%的条件下，合成了N,N-二甲基-N-(2-羟基-3-十六烷氧基)丙铵基-(2-羟基)丙磺基甜菜碱表面活性剂，其产率平均值为89.2%。张荣明等[10]用亚硫酸氢钠作磺化剂，在85℃下合成3-氯-2-羟基丙磺酸钠；然后以异丙醇水溶液为溶剂，十八烷基二甲基胺与3-氯-2-羟基丙磺酸钠在90℃下反应4 h，合成了十八烷基羟基磺基甜菜碱，十八烷基二甲基胺的转化率可达97%。此后，张荣明等[35]以亚硫酸氢钠和环氧氯丙烷为原料，首先生成了中间体3-氯-2-羟基丙磺酸钠，然后与十四烷基二甲基胺反应生成了目的产物十四烷基羟基磺基甜菜碱（THSB）。王军等[36]以环氧氯丙烷、亚硫酸氢钠、十二烷基叔胺为原料，反应温度为75℃，n(十二烷基叔胺)∶n(3-氯-2-羟基丙磺酸钠)=1∶1.3，乳化剂用量为总质量的1%，反应4 h 后用滴加的方式加入适量碱性催化剂并调节pH=8；反应7 h 后，合成了十二烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱，叔胺转化率大于93%。

2.2 N,N-二甲基烷基叔胺与磺酸内酯的反应

N,N-二甲基烷基叔胺与磺酸内酯的反应是制取磺基甜菜碱的另一种常用反应。

Qu等[37]分别选取了碳链长度为12、14、16、18的N,N-二甲基长链叔胺和1,3-丙烷磺内酯和1,4-丁烷磺内酯为原料，合成了具有表面活性的系列烷基磺丙基甜菜碱和磺丁基甜菜碱，其收率都在90%以上。毛程等[38]将甲基丙烯酰氧乙基二甲基胺（DM）和1,3-丙基磺内酯，在55℃下反应20 h，合成了2-(2-甲基丙烯酰氧乙基二甲胺基)磺酸盐（DMAPS），将其在盐溶液中与丙烯酰胺（AM）单体进行自由基共聚合反应，获得了净电荷为零的磺基甜菜碱型两性离子共聚物，其收率在90%以上。合成路线见式（9）。

该方法制取磺基甜菜碱，收率很高，但是由于丙烷磺内酯易爆、易致癌、有公害及价格昂贵，只适合实验室操作，难以大规模工业化生产。

3 结语与展望

在合成叔胺的4 种方法中，从原料成本上来看，羟基卤化胺化法与羰基还原胺化法的原料相对较为经济；从可操作性上来看，羟基卤化胺化法、甲醛加氢法和羰基还原胺化法的条件较为温和，尤其是羰基还原胺化法不需加热，只需在室温下反应即可，而醇一步催化胺化法对条件和仪器要求较高，甲醛加氢法对搅拌等条件要求较高；从收率的角度来看，醇一步催化胺化法、甲醛加氢法与羰基还原胺化法的收率相对较高；从绿色环保角度来看，羰基还原胺化法是绿色、无毒的反应。综上可知，羰基还原胺化法是一种是实现绿色工业化生产应该努力的方向。

在伯胺与季铵化试剂发生季铵化反应的过程中，从原料的价格来看，3-氯-2-羟基丙磺酸钠要比磺酸内酯低得多；从可操作性上来看，丙磺酸内酯易爆，可操作性略差；从产物的性能上看，含羟基的磺基甜菜碱比不含羟基磺基甜菜碱的水溶性好，采用3-氯-2-羟基丙磺酸钠与长链烷基叔胺进行季铵化反应，可制得单一的、纯度较高的含羟基的磺基甜菜碱产物；从收率角度来看，采用丙磺酸内酯作为季铵化试剂的收率略高于采用3-氯-2-羟基丙磺酸钠作为季铵化试剂；从绿色环保角度来看，磺酸内酯具有致癌性。综上可知，采用3-氯-2-羟基丙磺酸钠作为季胺化试剂是既一种经济，又绿色环保的方法，同时其产物性能也很好。

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