甲基肼硫酸盐的合成研究

郭彩霞，陈玉琴，武善荣,尤 扬,张志德

(山东师范大学 化学化工与材料科学学院，山东 济南 250014)

甲基肼是一种带有胺味的无色透明液体，性质活泼，为便于存储和运输，常制成甲基肼硫酸盐，它是一种白色晶体，分子式为CH3NHNH2·H2SO4。甲基肼用途广泛，在航天方面可用作火箭推进剂，同时，它也是一种重要的有机合成原料，在化工、医药、农药方面都有广泛应用。以甲基肼为原料可以合成头孢曲松中间体甲基氨基硫脲[1]，抗肿瘤的药物甲肼苄甲酰异丙胺[2]和丙卡巴肼[3]，合成治疗高血压和青光眼的药物吡唑衍生物[4]等。在农药合成方面，甲基肼可以合成稻田除草剂吡嘧黄隆[5]、唑螨酯杀螨剂[6]和吡唑农药中间体[7-10]等。

甲基肼主要有以下合成方法：拉西法[11]，也称为氯氨法，是通过氨与次氯酸钠反应所得产物氯胺和甲胺反应得到甲基肼，该方法中次氯酸钠显强碱性和氧化性，使甲基肼的收率降低，并且反应中需大量的稀次氯酸钠溶液，产生大量废水。水合肼与苯甲醛缩合法[12]，是苯甲醛与水合肼通过缩合制得苄叉连氮，然后苄叉连氮再与硫酸二甲酯反应合成甲基肼，再水解得到甲基肼硫酸盐。该方法以水合肼、硫酸二甲酯为原料，毒性大，后处理过程复杂，只能进行少量制备。N-硝基甲胺加氢法[13]，是以钯为催化剂，经N-硝基甲胺加氢反应，转化为甲基肼的酸式盐，该方法原料不易得，成本高，且反应需在高压条件下进行。盐酸甲醇水合肼法[14]，是以水合肼和盐酸反应生成盐酸肼，再与甲醇高压反应获得甲基肼，这种方法易生成1,1-二甲基肼副产物，产率低；设备既要防腐又要耐压，安全性差。

为了克服上述甲基肼合成方法不足，设计了一条以甲基脲为原料，经氯代、碱解和酸化合成甲基肼硫酸盐的方法，与现有方法相比，具有原料易得，反应条件温和，副产物少，产品收率高等优点。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

试剂：甲基脲(分析纯),天津市大茂化工厂；氯气(分析纯),山东华宸高压容器有限公司；氢氧化钠(分析纯),天津市光复精细化工研究所；浓硫酸(分析纯),莱阳市康德化工有限公司;乙醇(分析纯),天津市广成化学化学试剂有限公司。

仪器:红外光谱仪，德国BRUKER公司,ALPHA；核磁共振仪，BRUKER公司AVANCE300,内标采用TMS；XT4B型显微熔点测定仪，北京市科仪电光仪器厂。

1.2 合成原理

甲基脲与氯气反应生成中间体N-氯代甲基脲，在氢氧化钠存在下发生降解重排反应生成甲基肼，再与硫酸反应成盐得到甲基肼硫酸盐，反应式如下：

1.3 实验操作

在装有机械搅拌、滴液漏斗和温度计的500mL三口烧瓶中，加入6.4g甲基脲，用乙醇-水溶液溶解，控制反应温度10℃，滴加含6.4 g氯气的20mL乙醇溶液，滴加完毕，继续反应0.5h。冰浴条件下缓慢滴加164g 10% NaOH溶液，控制反应温度5℃，滴加完毕，继续搅拌反应0.5h。加热蒸馏，得到甲基肼的水溶液。向甲基肼的水溶液中滴加稀硫酸，调节至pH值为2，然后加热蒸出乙醇和部分水。在冰水浴条件下降温到5℃，析出晶体，过滤，将析出的晶体用冰冷的无水乙醇洗洗涤，抽滤，烘干,得甲基肼硫酸盐9.14g，收率73.4%，m.p.141～142℃(文献值[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 结果与讨论

2.1 氯代反应对收率的影响

2.1.1 甲基脲与氯气物质的量比对反应收率的影响

不同物质的量比的甲基脲与氯气对反应收率的影响，见表1。

表1 甲基脲与氯气物质的量比对反应收率的影响

理论上，n(甲基脲)∶n(氯气)应按1∶1反应，实验发现，二者按等物质的量反应，甲基肼收率低。从上表可以看出，n(甲基脲)与n(氯气)配比低时，反应不完全，导致甲基肼收率低。而氯气过量太多则可能会发生多氯代反应生成副产物，从而导致甲基肼收率降低。在反应条件下，n(甲基脲)∶n(氯气)为1.0∶1.05，甲基肼收率最高。

2.1.2 反应温度对反应收率的影响

氯气与甲基脲的氯代反应属于放热反应，氯气通入过快，反应温度快速上升，温度不宜控制，副反应增加，甲基肼收率降低。当n(甲基脲)∶n(氯气)为1.0∶1.05，氯气的乙醇溶液在反应过程中需要缓慢滴加。氯代反应温度对收率的影响，见表2。

表2 氯代反应温度对反应收率的影响

从表2可以看出，温度低氯代反应慢，收率低；温度高，副产物增加，降低收率。在10℃时甲基肼硫酸盐收率最高，因此，控制反应温度10℃作为最佳氯代反应温度。

2.2 降解反应对收率的影响

2.2.1 甲基脲与氢氧化钠物质的量比对反应收率的影响

当n(甲基脲)∶n(氯气)=1∶1.05，降解反应温度为5℃，研究了甲基脲与氢氧化钠物质的量比对反应收率的影响，见表3。

表3 甲基脲与氢氧化钠物质的量比对反应收率的影响

从表3可以看出，甲基脲与氢氧化钠物质的量比对甲基肼收率有较大影响，氢氧化钠用量少，甲基肼收率低，加大氢氧化钠用量，甲基肼收率增加，当 n(甲基脲)∶n(氢氧化钠)=1∶5时，甲基肼的收率最高，氢氧化钠用量继续增加，甲基肼收率反而下降，因此适宜条件为n(甲基脲)∶n(氢氧化钠)=1∶5。

2.2.2 氢氧化钠浓度对收率的影响

研究发现氢氧化钠浓度对甲基肼收率也有重要影响，当,n(甲基脲)∶n(氯气)=1∶1.05，降解反应温度为5℃，研究了氢氧化钠浓度对反应收率的影响，见表4。

表4 氢氧化钠浓度对反应收率的影响

从表4可以看出，当氢氧化钠的浓度为2.5 mol/L时，甲基肼的收率最高，因此我们选择所用氢氧化钠的浓度为2.5 mol/L。

2.2.3 降解反应温度对收率的影响

降解反应需要在适宜的温度下进行，反应温度过高或过低都会对高对甲基肼收率造成不利影响，降解反应温度对产物收率的影响，见表5。

表5 降解反应温度对收率的影响

由表5可以看出，降解温度低反应慢，反应时间长，产物收率低；降解温度高，中间体不稳定易分解，产物收率也降低。降解反应温度控制在5℃，反应效果最好。所以降解反应的适宜温度为5℃。

2.3 溶剂对反应收率的影响

不同溶剂对甲基脲经氯代和碱解重排合成甲基肼有不同影响，我们分别选择水、乙醇和乙醇-水混合溶剂作反应溶剂，研究了不同溶剂对反应收率的影响，见表6。

表6 不同溶剂对反应收率的影响

从表6可以看出，以水或乙醇单一溶剂作反应溶剂，甲基肼收率低，以乙醇-水混合溶剂作反应溶剂时，甲基肼收率最高，因此我们选择以用水和乙醇的混合溶液作反应溶剂。

2.4 滴加硫酸pH值对反应收率的影响

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值对反应收率的影响，见表7。

表7 滴加稀硫酸pH值对反应收率的影响

由表7可知，硫酸用量不够(pH值大)甲基肼还有部分没有形成硫酸盐，产物收率低；当pH值=2时，甲基肼全部以硫酸盐的形式析出，收率最高，继续增加硫酸用量对反应收率没有正面影响，还会降低产物收率。所以，选择调剂控制pH值=2。

3 结论

在乙醇-水溶混合剂中，以甲基脲为原料，甲基脲与氯气反应，产物不经分离，在碱性条件下直接降解重排合成甲基肼，再与稀硫酸反应合成出甲基肼硫酸盐。经过工艺优化确定了最佳合成条件：n(甲基脲)∶n(氯气)∶n(氢氧化钠)=1.0∶1.05∶5，氯代反应控温反应10℃，反应4h，氢氧化钠碱性降解重排反应控温5℃，反应3h，所得甲基肼与稀硫酸反应合成出甲基肼硫酸盐，收率73.4%。该方法合成甲基肼硫酸盐原料易得，方法简单，反应条件温和，收率高，具有重要应用价值。