1、毕业论文 文献综述 化学工程与工艺 N-乙基哌嗪 +醇二元体系体积性质研究 摘 要： N-乙基哌嗪是重要的医药中间体和精细化工原料 ,哌嗪与有机酸或无机酸生成的盐广泛用作人和动物的驱虫剂，有机酸盐主要用于人体药物，而无机酸盐则多作为兽药。 采用振荡管式数字密度计分别测定 甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和异丁醇与 N-乙基哌嗪组成的二元体系在 298.15K下的密度，计算体系的过量体积。 关键词： N-乙基哌嗪；中间体；二元体系；过量体积；振荡管式数字密度计 1.前言 N-乙基哌嗪等哌嗪系列新产品是新一代广谱抗菌药物 氧 氟沙星和氯氮平的中间体 ， 也用于合成染料和杀虫剂 ， 在聚胺脂泡沫塑
2、料 、 含硫聚脂 、 聚环氧四氟乙烷等高分子产品的生产中也有不少应用 。 特别是 N-乙基哌嗪 、 N,N-二乙基哌嗪等烷基哌嗪 ， 具有独特的生物活性 ， 不仅是良好的医药中间体 ， 也可以作为生化模型分子 ， 还可以通过环上的氮原子与金属表面键合 ， 有效地抑制金属在水或醇溶液中的腐蚀 。 因此 ， 它们的合成 、 物性研究和工艺开发都引起人们相当高的重视 。 N-乙基哌嗪等烷基哌嗪常温下为液体 ， 易与水 、 醇类等溶剂互溶 ， 研究它与水 、 醇类组成体系的体积性质 、 相平衡性质 、 粘度性质对于深入了解 N-乙基哌嗪的热力学特征以及上述相关的开发研究都有重要的理论意义和实用价值。
3、1,2 溶液的体积是化工计算和化工设计经常用到的基本参数，是溶液重要的属性之一，并且与溶液的热力学性质存在着内在的联系。研究溶液热力学性质和传递性质的关联，实现二者的相互推算，是人们感兴趣的理论问题，也有着重要的实际意义。 2.国内哌嗪类化合物的研究情况 随着制药工业的发展，生产药物中间体目前已成为国际化工界的一大新兴产业，尤其是杂环药物中间体的生产，将成为二十一世纪最有前途的新兴产业之一。 N-乙基哌嗪，又名 1-乙基哌嗪，分子 式 C6H14N2。 N-乙基哌嗪是哌嗪系列衍生物之一，作为医药中间体及精细化学品在制药与有机合成中获得应用，主要用于合成恩氟沙星、染料及植物保护剂等，还可用作人体
4、杀虫抗生剂，同时又是制造驱除蛔虫和蛲虫的药物原料。 3 N-乙基哌嗪用途极为广泛，市场上产品供不应求，加之我国在这方面开发较慢，每年要消耗大量的外汇，而且约束了我国医药、染料等相关工业的发展，我国现在的 N-乙基哌嗪的开发还处于起步阶段，市场潜力巨大，发展前景诱人。 关于 N-乙基哌嗪基础数据则为 N-乙基哌嗪的开发和研究提供基础信息，有着重要的实际意 义， 主要在于： N-乙基哌嗪作为医药工业用原料，对 N-乙基哌嗪合成工艺进行研究开发，有利于节约外汇，促进我国医药、农药、染料及其它相关产业发展；该产品属于国内医药及相关精细化工领域紧缺产品，有着广阔的应用前景。 4 目前国内 N-乙基哌嗪的
5、合成按起始原料的不同分为两大类：一类以哌嗪为原料，哌嗪与烷化剂如卤代烷、醇、酯、醛一甲酸结合体等进行烷基化反应，烷化反应能力与烷化剂的选择、反应条件密切有关。取代烷基化是应用最广泛的烷基化工艺。上述反应过程，操作难控、稳定性差、三废处理困难。另一类是以二乙醇胺为原料，与氨 、氢在一定的工艺条件下反应可以得到少量的 N-乙基哌嗪。但此合成方法副反应多，后处理工作量大。 5， 6 苏海鹏 7 以分析纯 95乙醇和无水哌嗪为原料在低压条件下气固相法催化合成 N-乙基哌嗪工艺路线是可行的，所确定的最佳工艺条件为：原料液浓度 30 (质量分数 )，反应温度 280 ，反应空速为 0.00481 mol.
6、g-1.hr-1,系统氢压 0.6MPa。在此工艺条件下，哌嗪转化率为 74.94， N-乙基哌嗪选择性为 43.75，三乙烯二胺选择性 34.82。采用的工艺路线合理，条件温和，控制、操作稳定；实验 用原料易得，成本低，对环境无污染；副产物少，且可回收利用；实验过程无三废排放。但是哌嗪的转化率还有待进一步提高，以满足工业化的要求；可以试验在铜基催化剂的基础上用其它金属离子再行改性，以进一步提高催化剂的活性，提高目标产物的收率。 彭立等 8提出以哌嗪为原料，溴化烷为烷化剂，液相反应制备 N-乙基哌嗪合成路线，此方法具有反应条件温和，设备简单，操作方便，产品收率高，反应溶剂可循环使用等优点。虽然
7、反应产物 存在溴化钠，增加后处理的工序，但可得到由实用价值的副产品。为抑制或减少 N,N -乙基哌嗪的生成，实验得出 的最佳反应条件为 n(C4H10N2):n(C2H5Br2)=3.0:1.0 ，反应温度为 80 100，反应时间为 4h，产品收率可达 90% 以上。精馏分离中， N,N -乙基哌嗪与水形成最低温度恒沸物与 100前先分离。产品的质量分数可达 99% 以上。 程国侯 ,卓超 9以哌嗪水溶液与溴乙烷反应合成 N-乙基哌嗪，哌嗪与溴乙烷摩尔比控制与 5:1，副产物 N,N -乙基哌嗪含量低于 5% ，过量哌嗪可回收利用。而且可以以共沸精馏方法简便的分离N,N -乙基哌嗪与 N-乙
8、基哌嗪，此方法适宜于工业生产。 陈树大 ,方文军 ,宗 汉兴 10测定了乙醇 +N-甲基哌嗪和异丙醇 +N-甲基哌嗪两个二元体系在101.325kPa下的汽液平衡数据 ， 估算了液相组分的活度系数 。而且 用带温度函数参数的 KLMNKOP方程关联汽液平衡数据 ， 推算平衡温度和汽相组成的效果良好 ， 为含 N-甲基哌嗪体系的性质研究和分离设计提供基础数据和信息 。 陈树大 ,方文军 ,雷群芳 等 11测定了甲醇 、 乙醇 、 正丙醇 、 异丙醇 、 正丁醇和异丁醇与 N-甲基哌嗪组成的 6个二元体系在不同组成和 298.15K下的密度 ， 计算了醇 +N-甲基哌嗪二元体系的超额摩尔体积 、
9、组分的表观摩尔体积和偏摩尔体 积等重要体积性质 。指出 该体系的超额摩尔体积在全浓度范围均为负值 ， 极小值出现在 x1 0.61 0.65范围内的富醇区 ， 主要是由于醇与 N-甲基哌嗪分子间发生强烈的交叉缔合所致 。 顾飞燕 13测得 N-乙基哌嗪的饱和蒸汽压以及用改进 Rose 釜测定水 -N-乙基哌嗪体系在101.3kPa 下汽液平衡 。 实测数据符合热力学一致性并采用 Wilson 方程关联获得满意的结果。另外用修正的 UNIFAC 模型预测哌嗪 -N-乙基哌嗪与水 -N-乙基哌嗪两个体系恒压 (101.3kPa)汽液平衡，为化工设计提供了基础数据。 3.计 算公式 过量性质即偏离函
10、数，它是指研究态相对于某一参考态的热力学函数的差值，并规定参考态是与研究态同温，且压力为 0p 的理想气体状态。对于摩尔性质 M（ =V， U， H， S， A， G， PC ， VC 等），其 偏离函数定义为 00( , ) ( , )ig igM M M T p M T p 偏离函数的记号 0igMM ，表示摩尔性质 M在 研 究态与其在参考态的差，被减项 M代表在研究态（ T， P）下的性质，减项 0igM 代表在参考态（ 0,Tp的理想气体）下的性质，其中，上标“ ig”指 参考态是 理想气体状态，下标“ 0”指 参考态的压力是 0p 16。 过量函数中以过量体积 (即在恒温恒压下混合
11、过程中体积的改变 ) 在实验中较易准确测定 , 这一数据检验溶液理论较为灵敏 , 通常可为研究分子间相互作用和溶液微观结构提供 大量信息 . 如过量体积显著为负值的二元系 , 表明混合过程体积显著收缩 , 可以认为是由于弱的化学作用所引起 , 因而过量体积的测定 , 配合其它方法 , 已被广泛用于研究分子间是否存在化学作用以及作用的强弱 8,11。 溶液过量体积按下式计算 : M1， M2， x1， x2， 1， 2，分别为各组分的分子量、摩尔分数和密度是溶液的密度。 各体系的实验数据 VmE ， x均用最小二乘法拟合为下列方程： 其中 x为芳烃的摩尔分数。 利用下式计算标准偏差： 4.实验方
12、法 本实验采 用 SYD-1884石油产品密度试验器，测定六个二元体积的密度。 该仪器由浴缸及缸盖、温度控制器、电动搅拌装置、电加热装置、密度计量筒及其夹持器、石油密度计、温度计等组成。 根据测定温度确定使用的恒温浴液体介质并注入恒温浴，液体介质的液面高于加热罩上缺口，以保证液体上下循环；接好搅拌电机及温度传感器并将其插入浴中，接通电源，打开电源开关、搅拌开关；根据实验需要选定温度设定值；打开温控（ I、 II)开关，当浴温升至接近设定值时，温控II被自动关断，温控 I加热处于受控状态；若发现温度控制器显示温度与 玻璃温度计检测温度产生偏差时，则需作修正；将一定量试样倒入密度计量筒中，再将密度
13、计量筒放入浴缸中，转动专用夹具与浴盖锁紧；将温度计插入试样中，小心搅拌式样，待其温度达到平衡状态后，再把合适的石油密度计垂直地放入试样中，并让其稳定，读取石油密度计刻度的读数。 N-乙基哌嗪等哌嗪系列新产品的合成、性质、工艺、应用受到很大重视 5， 6， 16. 它是新一代广谱抗菌药物 氧氟沙星和氯氮平的中间体 , 也用于合成染料和杀虫剂 , 在聚胺酯泡沫塑料、含硫聚酯、聚环氧四氟乙烷等高分子产品的生产中也有不少应用 . 该物 质具有独特的结构和生物活性 , 使它可以作为生化模型分子 , 它也可以通过环上的氮原子与金属表面键合 , 有效地抑制金属在水或醇溶液中的腐蚀 . N-乙基哌嗪易与水、醇
14、类等溶剂互溶 , 研究它与水、醇类组成的体系的体积性质、相平衡性质对于深入了解 N-乙基哌嗪的热力学特征以及相关的开发研究都有理论意义和实用价值 . 参考文献 1. 马沛生，李晓霞，史春英 . 石油化工基础数据手册 (续编 )M. 北京化学工业出版社， 1963： 6-15. 2. 魏文德主编 . 有机化工原料大全 (第三卷 )M. 北京化学工业出版社， 1990： 321. 3. 苏海鹏 . N-乙基哌嗪的合成工艺及催化剂研究 D.西北大学 ,2007. 4. 彭立等 . N-乙基哌嗪的合成研究 J.精细化工 ,2000,17(11)： 673-677. 5. 程国侯 ,卓超 .N-乙基哌嗪
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