1，3-二甲基-2-咪唑啉酮的合成工艺的研究

陈俊霞

（宁夏英力特化工股份有限公司，宁夏石嘴山 753600）

1，3-二甲基-2-咪唑啉酮是一种强极性质子溶剂，可替代有致癌性的HMPA，性能优于普通惰性溶剂DMSO 和DMF，有其优良溶剂性能，它对树脂材料、无机化合物、有机化合物、聚合物等都有很好的溶解。该溶剂的使用可以提高工业生产的安全性和减少环境污染，还能改善产品的质量，因此被专家称为“王牌溶剂”。这种溶剂的活性物质能够快速准确的到达受损部位，并且几乎不会刺激皮肤也没有过敏反应，能长时间保持稳定。DMI[2]是一种低毒性溶剂，对人体几乎没有毒性，DMI 能溶解多种药物，增强主药的稳定性及透皮吸收能力，延长药物的使用时间。

该论文的主要意义在于将2-酰咪唑酮的两步法合成工艺改进为一步法，大大缩短反应时间，简化实验过程，两步法合成，首先是尿素法合成2-咪唑啉酮，2-咪唑啉酮反应生成1，3-二甲基-2-咪唑啉酮[3]。两步法合成反应过程繁杂，时间长，耗能多，合成过程中用到和产生大量有毒物质，对人的身体有害[4]。目前大力倡导绿色化学，而此合成工艺的改进目的就是希望能走绿色化学路线。找到生产1，3-二甲基-2-咪唑啉酮最优化工艺[5]。

1 实验部分

1.1 主要药品及仪器

所使用的化学药品试剂（见表1）。

表1 主要试剂

本论文中所使用的仪器设备（见表2）。

表2 主要仪器

1.2 两步法制备DMI

1.2.1 2-咪唑啉酮的制备 在100 mL 的三口烧瓶中，加入30 g 尿素、33 mL 乙二胺、蒸馏水12 mL，装上搅拌器、250 ℃温度计与刺型分馏柱，在分馏柱上装上冷凝管，加热搅拌10 min 后溶液澄清，温度为56 ℃，加热搅拌至120 ℃时开始有回流液流出，当瓶内反应温度升至128 ℃时，温度不再上升，保温反应4 h，之后将回流装置变换为蒸馏装置，溶液温度逐渐升高，当溶液温度达到140 ℃时开始计时，将温度用两个小时的时间从140 ℃到160 ℃，无色透明溶液从逐渐浑浊到完全凝固。加入2 mL 的乙二胺再继续升温，溶液逐渐溶解，到温度升至220 ℃，固体完全溶解，搅拌大约10 min 后，溶液又变为无色透明。趁热倒出反应液，冷却结晶。等完全干燥时，用研钵研成粉末，放入三口烧瓶中，用氯仿溶解，再趁热抽滤，将滤液再抽滤，2-咪唑啉酮就是第二次抽滤出来的固体，将2-咪唑啉酮干燥。

反应方程式为：反应机理可能有三条路线（见图1）：

反应机理a 为: 乙二胺两个末端胺基基团同时进攻尿素分子，进行亲核取代，消去两个氨，得到咪啤啉酮（1）。

反应机理b 为：乙二胺一个末端胺基基团进攻尿素分子，进行亲核取代，消去一个氨，得到过渡态（2）；过渡态（2）进一步脱氧、加氢、脱氨得到咪哗啉酮（1）。

反应机理c 为: 乙二胺一个末端胺基基团进攻尿素分子，进行亲核取代，消去一个氨，得到过渡态（2）；过渡态（2）进一步脱氨得到过渡态（3）；过渡态（P）进一步环合得到咪哗啉酮（1）。

1.2.2 用2-咪唑啉酮制DMI 将2-咪唑啉酮，甲酸，甲醛加入到三口烧瓶中，搅拌，升温，溶液无色透明，在102 ℃时有回流液，在108 ℃时温度不再上升，回流16 h。将产品中未反应的甲酸、甲醛以及水蒸出，低温150 ℃停止蒸馏。底液为土黄色。将产品在2.96 kPa，120 ℃进行减压蒸馏，然后用氯化钙干燥，既而得到DMI。

反应方程式为：

反应机理（见图2）为:2-咪啉酮在甲酸存在下，仲胺氮原子进攻甲醇分子，得到过渡态（3），过渡态（3）在甲酸作用下进一步脱水、脱CO2得到过渡单甲基咪哗啉酮（2），两按同样原理甲基化得到1，3-二甲基-2-咪啉酮（1）。

图1

图2

1.3 一步法制备DMI

在100 mL 的三口烧瓶中，加入30 g 尿素、33 mL乙二胺、蒸馏水12 mL，装上搅拌器、250 ℃温度计与刺型分馏柱，在分馏柱上装上冷凝管，加热搅拌至56 ℃，固体全部溶解，为无色透明溶液，再加热搅拌至120 ℃时开始有回流液流出，当瓶内反应温度升至128 ℃时，温度不再上升，保温反应4 h，之后将回流装置变换为蒸馏装置，溶液温度逐渐升高，当溶液温度达到140 ℃时开始计时，将温度用2 h 的时间从140 ℃到160 ℃，无色透明溶液从逐渐浑浊到完全凝固。加入2 mL 的乙二胺再继续升温，溶液逐渐溶解，到温度升至220 ℃，固体完全溶解，搅拌大约10 min 后，溶液又变为无色透明。将溶液降温至室温再加入甲酸，甲醛到三口烧瓶中，搅拌，升温，在102 ℃时有回流液，在108 ℃时温度不再上升，回流16 h。将产品中未反应的甲酸、甲醛以及水蒸出，低温150 ℃停止蒸馏。底液为土黄色。将产品在2.96 kPa，110 ℃～120 ℃进行减压蒸馏，然后用氯化钙干燥，既而得到DMI。

2 实验结果与讨论

2.1 回流时间的影响

2-咪唑啉酮的合成过程先生成中间过渡态，再生成最终产品。中间过渡态的活化能都比较高，因此需要在一定温度下进行，而且反应时间较长。回流的作用就是使反应体系的温度尽可能的高。如果能够控制好不让反应物挥发，反应体系的温度就能够控制在反应物的沸点或者反应物形成的恒沸混合物的沸点上，利于反应的进行。

基本条件：尿素30 g，33 mL 乙二胺，蒸馏水12 mL其后的升温过程不变，改变回流时间，经过两步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的质量分析，其结果（见表3）。

表3 回流时间对产品产率的影响

结论：回流时间是反应控制关键点，回流过程是分子间脱氨，生成中间过渡态的过程。回流的时间越长，反应进行的越充分，产率越高，但是反应在4 h 后，产率升高不大，故选取回流的时间为4 h。

2.2 加水量的影响

基本条件：尿素30 g，乙二胺33 mL，回流时间4 h，其后的升温过程都不变，改变加水量，经过两步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的质量分析，其结果（见表4）。

表4 加水量对产品产率的影响

结论：水既是反应溶剂也是催化剂，加水量的多少对反应收率影响较大。水量越多，乙二胺的浓度越低，回流温度越低，产率也就越低，权衡考虑，选择水的量为12 mL 时，产物的产率相对最高。

2.3 升温时间的影响

基本条件：尿素30 g，乙二胺33 mL，回流时间4 h，将回流装置改为蒸馏装置后改变其升温的时间，经过两步法合成DMI 中的2-咪唑啉酮的质量分析，其结果（见表5）。

表5 升温时间对产品产率的影响

结论：由表5 可知，随着升温时间的增加，2-咪唑啉酮的收率逐渐增加。但是反应在2 h 后，产率升高不大，故选取升温的时间为2 h。

3 结论

DMI 是一种比较新的极性非质子溶剂，在精细化工、高分子合成和石油化工等领域均具有广阔的应用前景。DMI 在国外已实现工业化生产，据报道日本三井高压年产量已达到400 t。从原料、工艺、设备等方面看，我国完全具有开发DMI 的能力和条件。两步法合成反应过程繁杂，时间长，耗能多，合成过程中用到和产生大量有毒物质，对人的身体有害。目前大力倡导绿色化学，而此合成工艺的改进目的就是希望能走绿色化学路线。找到生产1，3-二甲基-2-咪唑啉酮最优化工艺。

［1］ 戴林林.1，3-二甲基－2-咪唑啉酮的合成工艺研究［D］.南京理工大学，2006.

［2］ 吴达俊，杨悟子.新型溶剂DMI 的特性及其在有机化学中的应用［J］.化学试剂，1994，16（4）：235-237.

［3］ 铁云峰，吴达俊，孙荣奇.1，3-二甲基-2-咪唑啉酮在有机合成中的应用［J］.合成化学，2000，8（4）：301-306.

［4］ 张士英，吴达俊，杨子悟，等.N-N-二甲基-2-咪唑啉酮的合成［J］.化学试剂，1997，19（3）：181-182.

［5］ 曹忠诚.1，3-二甲基-2-咪唑啉酮合成工艺及应用［D］.山东大学，2013.