本发明涉及一种n-羟基丁二酰亚胺制备方法，具体为采用丁二酸、羟胺和硼酸作催化剂合成n-羟基丁二酰亚胺合成方法，属有机精细合成领域。
背景技术：
n-羟基丁二酰亚胺(nhs),英文名称:n-hydroxysuccinimide，也称：n-羟基琥珀酰亚胺(hosu)，cas:6066-82-6，einecs:228-001-3，分子式:c4h5no3，分子量:115.0874。
n-羟基丁二酰亚胺是一类极为重要的精细化学品和化工原料，由于结构中含有活泼的氮羟基，可与抗原、抗体、酶及其核酸的氨基、羧基、或糖基共价结合，结合后又不影响它们的活性，故可常用作合成肽、抗生素、氨基酸、蛋白质等的前体及亲和色谱、肿瘤的诊断显像和治疗。
n-羟基丁二酰亚胺制备活性酯，在肽偶联时可以抑制其外消旋光作用的发生，在医药生产方面有着非常广泛的用途。如用于生物医学材料(如人造血管)；在放射性药物在99tcm标记中的应用，因为其较短的半衰期、良好的物理性质、价廉易得而成为目前核医学检查中最常用、前景最为广阔的放射性核素之一；合成丁胺卡那霉素，合成反相色谱的柱前衍生试剂，合成胶联剂等诸多领域。
诸多文献报道n-羟基丁二酰亚胺合成方法均采用丁二酸酐和羟胺获得，如河南化工，1995.(5)18；应用化学，2003.20(6)611；江西化工2002，(1)37；化学试剂2006,28(2)121和张春歌等2009年的西北大学化工系硕士论文。这些论文均是丁二酸酐和羟胺反应制备的，主要内容为工艺优化。
专利cn101372473b公开了一种n-羟基二酰亚胺的制备方法。制备方法中使用一种新型催化体系—醋酸酐/三氟醋酸/有机碱，使得取代二酸酐与羟胺复合盐的反应条件更加温和，反应收率及产品纯度提高，降低生产成本。
现有技术中n-羟基丁二酰亚胺合成方法一般采用丁二酸酐和羟氨反应制备。
具体操作步骤如下：将100g(1.0mol)丁二酸酐和70g(1.0mol)盐酸羟胺一起加热，使反应系统保持负压抽除生成的挥发物，迅速加热至125℃以上，1h后慢慢升至160℃。停止加热，当温度降至125℃时，将液态反应物倾入400ml乙醚中并激烈搅拌。产物固化后倾去乙醚层，固化物与400ml丁醇共热至沸，热滤，滤液迅速冷却至0℃。1h后过滤，结晶依次用丁醇、乙醚洗涤，所得粗品用乙酸乙酯重结晶，得50g成品，收率44％。该反应缺点是收率低，成本高。另外，在生产过程中尽量避免使用低沸点有机溶剂，以消除安全隐患。而本工艺大量使用乙醚(沸点为34.5℃，标准气压)，在生产过程中存在高安全隐患。此外，现有技术中使用丁二酸酐为原料，其化学危险性大，价格高，严重制约了n-羟基丁二酰亚胺成产成本。
例如专利cn103145601a公开了一种n-羟基丁二酰亚胺的制备方法，将盐酸羟胺悬浮于醚类有机溶剂中，控制温度，在氮气保护下滴入浓度在5～30％范围内的无机碱的甲醇溶液，然后在氮气保护下滤去产生的nacl固体盐，得到的滤液在室温下加入丁二酸酐和复合酸催化剂，进行升温反应，在升温反应过程中，先蒸出甲醇，然后升至105～130℃，反应时间控制在1～20hr范围内，减压蒸去醚类有机溶剂，得到hosu粗品；将得到的粗品hosu中加入乙酸乙酯，升温回流到hosu粗品溶解，然后趁热过滤除去少量固体不溶物，冷却，hosu结晶析出，过滤得到所需的hosu产品。
提高收率，进一步降低生产成本，消除生产过程中存在的安全隐患成为n-羟基丁二酰亚胺生产的重要目标。
技术实现要素：
本发明旨在介绍一种原料易得，价格低廉的丁二酸替代丁二酸酐的n-羟基丁二酰亚胺合成方法，收率高。
为实现本发明的发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种n-羟基丁二酰亚胺制备方法，用丁二酸为原料、与羟胺在弱酸性物质存在下反应制备n-羟基丁二酰亚胺。
反应历程如下：
本反应过程中所使用的羟胺应为游离的羟胺，反应过程中为获得游离羟胺可以加入碱性物质获得，所用碱性物质可选用碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠和氢氧化钾。从使用安全和经济学考虑选用氢氧化钠为最佳选择，碳酸氢盐和碳酸盐在使用过程中放出大量二氧化碳易造成安全隐患。
优选游离羟胺可通过盐酸羟胺或硫酸羟胺和氢氧化钠反应获得。
反应过程中丁二酸和碱(氢氧化钠)的摩尔质量比为1:1～1.2，最佳比例为1:1.05～1.1。
反应过程中丁二酸和羟胺的摩尔质量比为1:1～1.5,最佳比例为1:1.2～1.3。
丁二酸和甲苯用量(质量/体积)比为1:1.5～3，一般选用1:2～2.5。
本方法中丁二酸反应的活性比丁二酸酐差，反应所需的活化能高，为了能使反应顺利经行，在反应过程中需要使用催化剂，催化剂应选用酸性物质，且为弱酸性物质，不能选用强酸性物质，因为强酸性物质在反应体系中首先和羟胺反应生成羟胺盐。在反应过程中羟胺盐难以解离为游离的羟胺或游离的羟胺浓度过低而不能或不利于反应。而弱酸和羟胺形成的羟胺盐在一定温度下很容易解离为具有活性的游离羟胺物质。
在本反应体系中催化剂为弱酸性物质，可用的弱酸性物质有亚磷酸、次磷酸、硼酸、硫酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、硫酸氢钾、醋酸、丙酸、丁酸、甲酸，等等。
在使用上述弱酸物质时可以单种物质使用，也可以混合使用。使用量控制在反应物量0.5％--5％，最佳用量控制在2％-2.5％。超量使用效果不佳。
在使用催化剂时，弱无机酸比有机酸效果更佳。
在反应过程中弱酸催化剂作用是增强丁二酸结构中羰基反应活性，并加快反应中脱水速度，这一作用有利于游离羟胺中氮原子反应。
在本发明所介绍的反应过程中会有一定量水生成，由于水的存在对反应不利，所以在反应体系必须随时将反应生成的水除去，本发明反应过程中采用溶剂共沸方法除去生成水，如选择甲苯溶剂。也可以选择甲基环己烷、苯、环己烷，等等。由于苯的毒性较大，应尽量避免使用。
本反应是在一定温度条件下才能反应，故选择反应脱水溶剂的沸点必须超过70℃。反应温度不宜超过180℃，超过180℃产物收率明显减少。最佳反应温度应在100℃至150℃。
反应过程中有两种加料方式：
第一种加料方式是按照一定质量比例将丁二酸、羟胺盐(硫酸羟胺或盐酸羟胺)、催化剂如硼酸、氢氧化钠、溶剂甲苯混合在一起，与130℃进行脱水反应。反应收率70％，该收率稍低，主要原因是该加料方式中氢氧化钠和羟胺盐优先反应，短时间内生成羟胺盐几乎都转化为游离的羟胺，在高温下羟胺不稳定造成收率低。
第二种加料方式是现将丁二酸和氢氧化钠进行反应生成丁二酸钠盐，之后丁二酸钠盐、羟胺盐(硫酸羟胺或盐酸羟胺)、催化剂如硼酸、溶剂甲苯混合在一起，与130℃进行脱水反应。反应收率85％。第二种加料方式比第一种加料方式所获得的产品收率高。主要原因为在反应过程中游离的羟胺是渐进式形成，而不是短时间内快速形成。
反应过程中没有生成水出现，即可说明反应结束。由于产物不溶于甲苯，很容易进行固液分离。分离出甲苯后，剩余的固体用乙醇溶解，除去反应过程生成的盐。最后粗产品用乙酸乙酯重结晶。
具体实施方式
下述的实施例可用来进一步说明本发明，但不意味着限制本发明。
实施例1：
先将160克丁二酸和59.5克氢氧化钠反应生成丁二酸钠盐。
四口圆底烧瓶中安装上机械搅拌、带有分水器的球形冷凝管和温度计，再加入400ml甲苯。在油浴中(温度140℃)加热回流脱水，直到没有水脱出为止。冷却反应体系到室温，继续加丁二酸钠盐、硫酸羟胺144g、硼酸4.5g，继续加热回流脱水，到反应基本不脱水。冷却反应体系，转移出甲苯，加无水乙醇400ml回流萃取产品20-30分钟，冷却反应体系并抽滤除去副产物硫酸钠，滤饼用无水乙醇浸润洗涤三次。
将上述得到母液进行常压浓缩，蒸馏速度变小或很小时改减压蒸馏，尽量除去乙醇。然后加(残留量的)4倍量乙酸乙酯(500ml)，回流提取30min。静止降温至55℃，转移出乙酯，再加200ml乙酯重复萃取一次，合并萃取液进行蒸馏至液体为180ml左右，停止蒸馏在搅拌条件下冷却，得到白色固体物，抽滤、烘干(50℃)、称重，固体重量为132g左右，收率85％，液相色谱检测含量99.36％，熔点95-97℃。
实施例2：
四口圆底烧瓶中安装上机械搅拌、带有分水器的球形冷凝管和温度计，再加入400ml甲苯。在油浴中(温度140℃)加热回流脱水，直到没有水脱出为止。冷却反应体系到室温，继续加丁二酸160克、硫酸羟胺144g、硼酸4.5g、氢氧化钠59.5克，继续加热回流脱水，到反应基本不脱水。冷却反应体系，转移出甲苯，加无水乙醇400ml回流萃取产品20-30分钟，冷却反应体系并抽滤除去副产物硫酸钠，滤饼用无水乙醇浸润洗涤三次。
将上述得到母液进行常压浓缩，蒸馏速度变小或很小时改减压蒸馏，尽量除去乙醇。然后加(残留量的)4倍量乙酸乙酯(500ml)，回流提取30min。静止降温至55℃，转移出乙酯，再加200ml乙酯重复萃取一次，合并萃取液进行蒸馏至液体为180ml左右，停止蒸馏在搅拌条件下冷却，得到白色固体物，抽滤、烘干(50℃)、称重，固体重量为110g左右，收率70％，液相色谱检测含量99％，熔点94.5-97℃。
实施例3：
丁二酸1180g，氢氧化钠440g，硫酸羟胺1066g，硼酸33g，丁二酸分两次加料，产生产品nhs830g，收率72％，液相色谱检测含量99.48％，熔点95-97℃。
具体操作：丁二酸649g，氢氧化钠440g，甲苯2000ml回流脱水1小时，然后加丁二酸531g、硫酸羟胺1066g、硼酸33g，再加甲苯1000ml进行脱水，脱水时间6.5小时。倾出甲苯，然后用2000ml无水乙醇溶解固体(加热回流30min)，冷凝并抽滤，用无水乙醇洗涤滤饼三次。将乙醇减压蒸干，加乙酸乙酯2000ml加热提取产物，回流30min，静止降温至60℃，分出乙酸乙酯继续降温到室温，将母液返回继续抽提产品，固体保留在瓶中，萃取三次后对母液进行浓缩至原液四分之一，然后进行冷却，析出固体后进行抽滤，烘干、称重。
实施例4：
880g氢氧化钠、2360g丁二酸、2130g硫酸羟胺、66g硼酸、50g次磷酸，获得产品2049g，收率85.5％，液相色谱检测含量99％，熔点95-97℃。
具体操作：880g氢氧化钠、700g丁二酸、甲苯4800ml，进行加热反应，温度上升到95℃停止加热，5分钟后反应开始剧烈，当反应回流变小或近乎没有回流时，再加700g丁二酸，反应立即开始并放出大量热，回流剧烈，再加热脱水，降温，在搅拌的条件下加960g丁二酸、2130g硫酸羟胺、66g硼酸、50g次磷酸，加热回流甲苯带水，停止加热并降温至室温，转移出甲苯。加无水乙醇4500ml，回流半小时降温至40℃，抽滤分离出固体，固体用无水乙醇侵润洗涤三次，合并母液并进行蒸馏分出乙醇(先常压后减压)。
实施例5：
880g氢氧化钠、2360g丁二酸、2130g硫酸羟胺、66g硼酸，获得产品2050g，收率85.5％，液相色谱检测含量99.4％，熔点95-97℃。
具体操作：880g氢氧化钠、700g丁二酸、甲苯4800ml，进行加热反应，温度上升到95℃停止加热，5分钟后反应开始剧烈，当反应回流变小或近乎没有回流时，再加700g丁二酸，反应立即开始并放出大量热，回流剧烈，再加热脱水，降温，在搅拌的条件下加960g丁二酸、2130g硫酸羟胺、66g硼酸，加热回流甲苯带水，停止加热并降温至室温，转移出甲苯。加无水乙醇4500ml，回流半小时降温至40℃，抽滤分离出固体，固体用无水乙醇侵润洗涤三次，合并母液并进行蒸馏分出乙醇(先常压后减压)。
实施例6：
880g氢氧化钠、2360g丁二酸、2130g硫酸羟胺、66g冰醋酸，获得产品1606g，收率67％，液相色谱检测含量95.2％，熔点88-95℃。
具体操作：880g氢氧化钠、700g丁二酸、甲苯4800ml，进行加热反应，温度上升到95℃停止加热，5分钟后反应开始剧烈，当反应回流变小或近乎没有回流时，再加700g丁二酸，反应立即开始并放出大量热，回流剧烈，再加热脱水，降温，在搅拌的条件下加960g丁二酸、2130g硫酸羟胺、66g冰醋酸，加热回流甲苯带水，停止加热并降温至室温，转移出甲苯。加无水乙醇4500ml，回流半小时降温至40℃，抽滤分离出固体，固体用无水乙醇侵润洗涤三次，合并母液并进行蒸馏分出乙醇(先常压后减压)。
实施例7：
800g氢氧化钠、2360g丁二酸、2130g硫酸羟胺，获得产品1677g，收率70％，液相色谱检测含量97.1％，熔点92-97℃。
具体操作：800g氢氧化钠、700g丁二酸、甲苯4800ml，进行加热反应，温度上升到95℃停止加热，5分钟后反应开始剧烈，当反应回流变小或近乎没有回流时，再加700g丁二酸，反应立即开始并放出大量热，回流剧烈，再加热脱水，降温，在搅拌的条件下加960g丁二酸、2130g硫酸羟胺，加热回流甲苯带水，停止加热并降温至室温，转移出甲苯。加无水乙醇4500ml，回流半小时降温至40℃，抽滤分离出固体，固体用无水乙醇侵润洗涤三次，合并母液并进行蒸馏分出乙醇(先常压后减压)。
实施例8：
先将160克丁二酸和59.5克氢氧化钠反应生成丁二酸钠盐。
四口圆底烧瓶中安装上机械搅拌、带有分水器的球形冷凝管和温度计，再加入400ml甲苯。在油浴中(温度140℃)加热回流脱水，直到没有水脱出为止。冷却反应体系到室温，继续加丁二酸钠盐、硫酸羟胺144g、硫酸氢钠4.5g，继续加热回流脱水，到反应基本不脱水。冷却反应体系，转移出甲苯，加无水乙醇400ml回流萃取产品20-30分钟，冷却反应体系并抽滤除去副产物硫酸钠，滤饼用无水乙醇浸润洗涤三次。
将上述得到母液进行常压浓缩，蒸馏速度变小或很小时改减压蒸馏，尽量除去乙醇。然后加(残留量的)4倍量乙酸乙酯(500ml)，回流提取30min。静止降温至55℃，转移出乙酯，再加200ml乙酯重复萃取一次，合并萃取液进行蒸馏至液体为180ml左右，停止蒸馏在搅拌条件下冷却，得到白色固体物，抽滤、烘干(50℃)、称重，固体重量为87g左右，收率56％，液相色谱检测含量97.2％，熔点90-97℃。