使用固体酸催化剂的N-取代马来酰亚胺的合成方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年12月28日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2016-0181021和2017年10月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2017-0133529的权益，该两项申请的公开内容通过引用全部并入本说明书中。

本发明涉及一种使用磷酸氢锆(iv)作为固体酸催化剂的n-取代马来酰亚胺的合成方法。

背景技术

马来酰亚胺化合物是用作树脂原料、医药和农用化学品原料的化合物，特别是用作改善诸如abs树脂、as树脂、ab树脂、acs树脂、aes树脂和aas树脂、聚氯乙烯树脂、聚甲基丙烯酸甲酯树脂、酚树脂等的苯乙烯类树脂耐热性的共聚合组分之一。其中，n-苯基马来酰亚胺(下文中，也称为pmi)反应性或耐热性优异并且使用特别广泛。

作为马来酰亚胺化合物的制备方法，从前已知各种方法，如1)通过马来酸酐(下文中，也称为mah)与伯胺的一步脱水反应的制备方法，2)通过由马来酸酐和伯胺制备马来酰胺酸并且进行马来酰胺酸的脱水闭环酰亚胺化反应的制备方法，以及3)通过相应的马来酰胺酸单酯的闭环酰亚胺化反应的制备方法。

在上述方法中，在1)由马来酸酐和伯胺的一步制备方法中，由于仍旧低的产率导致低生产率的缺点，在3)由马来酰胺酸单酯的制备方法中，出现在产物中残留和包含由闭环酰亚胺化反应产生的醇的缺点。因此，工业上通常进行2)通过马来酰胺酸脱水闭环酰亚胺化反应的制备方法。

同时，在制备n-苯基马来酰亚胺的过程中，所述伯胺是苯胺(下文中，也称为anl)，所述马来酰胺酸是n-苯基马来酰胺酸(下文中，也称为pma)。

在常规的2)n-苯基马来酰亚胺的合成方法中使用的大多数催化剂直接使用均相体系的液相催化剂，或者在载体中以均相体系负载活性成分的催化剂。然而，在这种情况下，由于在合成n-苯基马来酰亚胺的过程中产生的副产物水可能导致活性成分损失，可能出现损失的活性成分难以补充和再生的缺点。此外，催化剂的分离过程可能会出现包括如下的复杂问题：用于分离催化剂的溶剂的限制，在残留的催化剂和杂质的除去过程中大量废水的产生，以及由于冷却和加热的进行对能量输入的要求。

因此，本发明人进行研究以解决上述缺点，并且发现上述缺点可以通过在2)的n-苯基马来酰亚胺的合成方法中使用固体酸催化剂磷酸氢锆(iv)来解决并完成本发明。

现有技术文献

专利文献

(专利文献1)韩国登记专利公开no.10-1051543(登记于2011年7月18日)

技术实现要素：

技术问题

解决本发明的一个方面是提供一种n-取代马来酰亚胺的合成方法，通过使用磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂作为n-取代马来酰亚胺的合成反应的催化剂，使催化剂的损失最小化而在合成反应过程中不需要补充催化剂。

此外，解决本发明的另一方面是提供一种n-取代马来酰亚胺的合成方法，通过该合成方法，可以通过简单的过滤来分离和回收所述固体酸催化剂，使其分离和回收工艺简化，在所分离和回收的催化剂的活性降低的情况下，通过洗涤或焙烧可以使催化剂完全再生，并且对在催化剂的洗涤过程中可以使用的溶剂没有限制。

此外，解决本发明的又一方面是提供一种n-取代马来酰亚胺的合成方法，通过该合成方法，n-取代马来酰亚胺的合成产率高。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种n-取代马来酰亚胺的合成方法，包括：

1)在有机溶剂和催化剂的存在下添加马来酸酐和伯胺以合成n-取代马来酰亚胺的步骤；和

2)从包含所述n-取代马来酰亚胺的溶液中分离所述催化剂的步骤，

其中，所述催化剂是磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂。

有益效果

本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法在n-取代马来酰亚胺的合成反应过程中使用磷酸氢锆固体酸催化剂，从而使催化剂的损失最小化并且在进行合成反应的过程中不需要补充催化剂。

此外，所述固体酸催化剂可以通过简单过滤来分离和回收，所述催化剂的分离和回收工艺简单，通过洗涤或焙烧可以使催化剂完全再生，并且可以使用催化剂洗涤过程中使用的洗涤溶剂而不限制任何类型。

此外，所述磷酸氢锆固体酸催化剂具有高的n-取代马来酰亚胺合成产率的效果。

附图说明

本说明书所附的下面的附图说明本发明的优选实施例，并且与上面提供的本发明的详细说明一起用于使得能够进一步理解本发明的技术概念，因此本发明不应当仅用这些附图的事项来解释。

图1是示出本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法的顺序的流程图；

图2是示出n-取代马来酰亚胺的常规合成方法的顺序的流程图。

具体实施方式

下文中，将更详细地描述本发明以便理解本发明。在这种情况下，应该理解的是，说明书和权利要求书中使用的词语或术语不应当解释为常用字典中所定义的含义。还应当理解的是，这些词语或术语应当基于发明人可以适当地定义词语或术语的含义以最好地说明本发明的原则，理解为具有与本发明的技术构思和相关技术的背景中它们的含义相一致的含义。

本发明提供一种n-取代马来酰亚胺的合成方法，包括：

1)在有机溶剂和催化剂的存在下添加马来酸酐和伯胺以合成n-取代马来酰亚胺的步骤；和

2)从包含所述n-取代马来酰亚胺的溶液中分离所述催化剂的步骤，

其中，所述催化剂是磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂。

下文中，将参照图1逐步地详细地说明本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法。

步骤1)

根据本发明的一个实施方案的步骤1)的特征在于，作为用于合成n-取代马来酰亚胺的步骤，在有机溶剂和催化剂的存在下通过添加马来酸酐和伯胺来合成n-取代马来酰亚胺。

作为马来酰亚胺化合物的制备方法，已知多种方法，包括1)通过马来酸酐与伯胺的一步脱水反应的制备方法，2)通过由马来酸酐和伯胺制备马来酰胺酸并且进行马来酰胺酸的脱水闭环酰亚胺化反应的制备方法，以及3)通过相应的马来酰胺酸单酯的闭环酰亚胺化反应的制备方法。

然而，在1)由马来酸酐和伯胺的一步制备方法中，由于仍旧低的产率导致低生产率的缺点，并且在3)由马来酰胺酸单酯的制备方法中，出现在产物中残留和包含由闭环酰亚胺化反应产生的醇的缺点。因此，将参照2)通过马来酰胺酸的脱水闭环酰亚胺化反应的制备方法的一个实施方案来详细地说明本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法。

在本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法中，n-取代马来酰亚胺可以通过包括如下的方法来合成：在第一步骤中加热马来酸酐和伯胺以进行酰化反应来制备作为中间体的n-取代马来酰胺酸，和在第二步骤中在催化剂的表面上进行n-取代马来酰胺酸的脱水闭环酰亚胺化反应。

此外，在用于由马来酸酐和苯胺得到n-苯基马来酰胺酸的工艺中，马来酸酐或苯胺可以以它们本身来使用，但是优选地可以以溶解在有机溶剂中的溶液形式来使用。同时，在使用通过使马来酸酐或苯胺溶解在有机溶剂中得到的溶液形式的情况下，后续的n-苯基马来酰胺酸的脱水闭环酰亚胺化反应可以以其在溶液(有机溶剂)中的方式来进行。

在本发明中使用的有机溶剂需要不溶于水或者与水不相溶、对反应不活跃并且不参与反应，以便通过共沸蒸馏将由n-取代马来酰胺酸的脱水闭环反应产生的水排出系统。

此外，为了使反应顺利进行而具有至少50℃以上的沸点，并且为了稳定地产生n-取代马来酰亚胺而具有小于170℃的沸点的有机溶剂是适合的。适合用于所述反应的有机溶剂的实例可以包括苯、甲苯、二甲苯、邻二甲苯、乙苯、异丙苯、枯烯、均三甲苯、叔丁基苯、偏三甲苯、三甲基己烷、辛烷、四氯乙烷、壬烷、氯苯、乙基环己烷、间二氯苯、仲丁苯、对二氯苯、癸烷、对异丙基苯甲烷、邻二氯苯、丁苯、十氢萘、四氢萘、十二烷、萘、环己基苯等，并且所述有机溶剂可以单独或以其两个或更多个的混合物形式来使用。

对有机溶剂的使用量没有特别限制，但是考虑到满足反应顺利地进行和经济条件，适宜在约1至20倍(基于重量)，更优选在约2至10倍(基于重量)的作为原料添加的伯胺的使用量的范围内。如果有机溶剂的使用量小于两倍，不容易从反应体系中有效地除去通过n-取代马来酰胺酸的脱水闭环反应产生的水，并且出现产率降低的缺点。如果所述量超过10倍，在从合成的n-取代马来酰亚胺的溶液中分离有机溶剂的过程中消耗过量的能量，从经济角度来看，这是不可取的。

此外，有机溶剂需要考虑环境因素、n-取代马来酰亚胺的溶解度、成本和操作可行性来确定，此外，需要选择适合在完成反应后除去和再利用的溶剂。此处，马来酸酐和伯胺可以溶解在相同的或不同的有机溶剂中，优选地，溶解在相同的有机溶剂中。

此外，如果马来酸酐或伯胺以溶解在有机溶剂中的溶液形式使用，则马来酸酐或伯胺的浓度可以是使马来酸酐或伯胺可以溶解的任何浓度，而没有特别限制。特别地，基于100g的马来酸酐，优选地添加0g至500g，更优选地添加10g至200g的有机溶剂用于溶解。此外，基于100g的伯胺，优选地添加0g至500g，更优选地添加5g至200g的有机溶剂用于溶解。

在本发明的一个实施方案中，所述伯胺可以使用选自具有1至20个碳原子的饱和或不饱和的烷基胺、具有5至20个碳原子的环烷基胺、具有6至20个碳原子的环烷基胺、或者具有6至20个碳原子的芳香族烷基胺中的一种类型的伯胺，可以具体地使用选自甲胺、乙胺、正丙胺、异丙胺、正丁胺、仲丁胺、异丁胺、叔丁胺、正己胺、正辛胺、正癸胺、正十二胺、环己胺和苯胺中的一种或多种。为了合成本发明的n-苯基马来酰亚胺，可以使用苯胺作为伯胺。

在本发明中，基于在合成n-取代马来酰亚胺的过程中使用的伯胺，马来酸酐的使用量可以优选为1.0至1.3摩尔比。如果马来酸酐以小于1.0的摩尔比使用，出现产率降低和副反应增加的缺点，如果其以1.3以上的摩尔比使用，在合成n-取代马来酰亚胺后会残留过量未反应的马来酸酐，这在经济上是不可取的。

同时，在常规的n-取代马来酰亚胺的合成方法中使用的大多数催化剂直接使用均相体系的液相催化剂，或者使用在载体中以均相体系负载活性成分的负载催化剂。然而，如果使用具有均相体系的液相催化剂，在完成合成反应后，在利用极性差异通过层分离从催化剂中分离产物的过程中催化剂的损失会出现。如果使用负载催化剂，由于在n-取代马来酰亚胺的合成过程中产生的副产物水会引起活性成分的损失，因此该活性成分需要补充。活性成分的补充也可以在对所述负载催化剂进行分离和干燥后进行，因此该工艺是复杂的并且活性成分的补充不是一件容易的事情。

与常规的合成方法不同，在本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法中，不使用均相体系的液相催化剂或载体催化剂而是使用非均相体系的固体酸催化剂合成n-取代马来酰亚胺，并且本发明的特征在于解决常规公开的缺点。同时，在本发明中，均相体系是指用于n-取代马来酰亚胺的合成反应的反应物的相与催化剂相同，非均相体系是指反应物和催化剂的相不同。

更具体地，在本发明中使用的非均相体系的固体酸催化剂的特征在于磷酸氢锆(iv)。

磷酸氢锆(iv)zr(hpo4)2是一种酸性和无机阳离子交换材料，其具有层状结构并且具有高的热和化学稳定性、固体离子电导率、抗电离辐射性，以及在其层中引入具有不同尺寸和不同类型的分子的特性。磷酸氢锆可以以具有不同的层间空间和晶体结构的多种状态存在，并且最广为人知的磷酸氢锆是α型的zr(hpo4)2·h2o和γ型的zr(po4)(h2po4)·2h2o。磷酸氢锆可用于多种领域，包括药物输送、催化剂作用、纳米复合材料、核废物管理、临床弹射器等。

在本发明中，作为固体酸催化剂使用的磷酸氢锆不是α型或γ型的结晶结构，而是非结晶体的磷酸氢锆，并且其水化程度可根据反应条件改变。所述磷酸氢锆可以由下面的式1表示：

[式1]

zrx(hapob)c

在式1中，0.5≤x≤1.5，0≤a≤8，0≤b≤8，并且1≤c≤4。

如上所述，本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法通过使用具有与n-取代马来酰亚胺的合成反应的反应物不同状态的非均相体系的固体酸催化剂可以使催化剂损失的可能性最小化，并且特征在于通过使用固体酸催化剂中的磷酸氢锆实现n-取代马来酰亚胺的高合成产率。

特别地，本发明的催化剂是具有与反应物不同状态的固体，并且不用担心由于在合成n-取代马来酰亚胺的过程中产生的副产物水引起的活性成分的损失和在完成所述合成反应后在层分离过程中的催化剂损失。此外，在本发明中使用的磷酸氢锆结构非常稳定，并且与水的反应性低。因此，在反应过程中催化剂的补充和再生没有必要，并且还得到使n-取代马来酰亚胺的合成工艺简化的效果。

此外，本发明的磷酸氢锆具有比其它固体酸催化剂更高的n-取代马来酰亚胺的合成产率。特别地，基于添加的反应溶剂，如果磷酸氢锆以0.06以上的重量比添加，则n-取代马来酰亚胺的合成产率可以变成70％以上。

同时，考虑到工艺操作和成本，本发明的非均相体系的固体酸催化剂需要以合适的量添加，基于添加的反应溶剂，特别地以0.01至1.0，更特别地以0.05至0.5的重量比添加是优选的。

如果添加量小于0.01重量比，则每单位小时的n-取代马来酰胺酸的转化率低，并且需要增加总反应时间，如果所述量大于1.0重量比，则中间反应固体含量会随着作为中间产物的n-取代马来酰胺酸的产生而增加并且搅拌会不顺利。

此外，根据情况，反应可以在与反应体系中的包含金属的化合物或稳定剂共存下进行。在这种情况下，对使用的包含金属的化合物没有特别限制，但是可以包括选自锌、铬、钯、钴、镍、铁和铝中的至少一种金属氧化物，乙酸盐，马来酸盐，琥珀酸盐，硝酸盐，磷酸盐，氯化物和硫酸盐。其中，特别有效的一种是乙酸锌。基于作为原料的马来酸酐和/或伯胺，作为金属其使用量为0.005mol％至0.5mol％，优选为0.01mol％至0.1mol％。

此外，作为稳定剂，使用甲氧基苯醌，对甲氧基苯酚、吩噻嗪、对苯二酚、烷基化二苯胺、亚甲基蓝、叔丁基邻苯二酚、叔丁基对苯二酚、二甲基二硫代氨基甲酸锌、二甲基二硫代氨基甲酸铜、二丁基二硫代氨基甲酸铜、水杨酸铜、硫代二丙酸酯、巯基苯并咪唑、亚磷酸三苯酯、烷基酚和烷基双酚等。稳定剂的效果是稳定存在的作用而不是对在与酰亚胺化反应对应的高温下通过脱水闭环酰亚胺化反应产生的n-取代马来酰亚胺进行改性。对稳定剂的添加量没有特别限制，但是相对于作为原料的马来酸酐和/或伯胺，可以以0.001mol％至0.5mol％使用。此处，用这样的添加量，稳定效果可以充分示出，并且可以避免被混合和包含在产物中的缺点。

在本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法中，步骤1)的n-取代马来酰亚胺的合成反应的反应温度通常可以是50℃至200℃，更特别地，优选100℃至140℃。如果合成反应的温度小于50℃，则会出现产率降低的缺点，如果所述温度是200℃或更高的温度，则由此合成的n-取代马来酰亚胺的聚合由于副反应而被抑制，并出现由此合成的n-取代马来酰亚胺的纯度和产率降低的缺点。

在本发明中，对反应压力没有特别限制，并且可以广泛地选自减压、大气压和加压状态。反应时间可以根据条件如溶剂的类型、原料的添加量、催化剂的量和反应温度来改变，并且通常可以是1小时至16小时，更优选是1小时至10小时。

在这样的反应条件下，n-取代马来酰胺酸的脱水闭环酰亚胺化反应可以有效地进行，并且n-取代马来酰亚胺可以有效地得到。

步骤2)

根据本发明的一个实施方案的步骤2)是用于分离和回收催化剂以回收利用的步骤，并且特征在于从包含n-取代马来酰亚胺的溶液中分离和回收催化剂。

在使用均相体系的催化剂或负载催化剂的常规合成方法中，催化剂通过如下工艺分离和回收：首先将溶解了n-取代马来酰亚胺的溶液层与催化剂层分离以进行层分离，其次，通过用溶剂洗涤除去产物中残留的催化剂并除去杂质。然而，在这种情况下，产生包括如下的缺点：均相体系的催化剂的分离不容易，出现来自负载催化剂中的载体的活性成分的损失，产生大量的废水并且分离和回收工艺困难且复杂。

此外，在诸如n-取代马来酰亚胺的合成反应的反应温度的高温下分层不容易，并且为了分层需要冷却工艺且为了催化剂的再利用进行再加热工艺。并且产生根据冷却和再加热需要额外注入能量的缺点。

然而，在本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法中使用的催化剂是固体酸催化剂，并且使用结构上或化学上稳定的固体酸磷酸氢锆。因此，冷却和再加热工艺没有必要，能量的额外注入没有必要，并且催化剂的分离和回收可以在从产物未作为固体沉淀到包含产物的溶液相中的最低温度至包含产物的溶液的沸点的温度范围内，更优选地在70℃至160℃的高温下通过简单的过滤来实现，从而使催化剂的分离和回收工艺简化。

同时，如果所分离和回收的催化剂在下一个周期反应中再利用，则催化剂的活性由于活性成分的损失或者由于杂质导致活性成分的毁坏而降低，并且反应产率也通常按比例降低。

在常规的合成方法中，在用于使催化剂的活性再生的洗涤或焙烧工艺中为了洗涤杂质使用的洗涤溶剂的类型受到限制，并且通过简单的焙烧工艺使催化剂再生是不可能的且催化剂需要替换。

然而，在本发明中，使用具有非均相体系的固体酸催化剂作为催化剂，如果所分离和回收的催化剂的活性部分地降低，则可以在保持催化剂的稳定性的同时通过使用洗涤溶剂洗涤使催化剂再生而不限制催化剂的类型。如果活性完全降低，并且催化剂变得完全不活泼，该催化剂通过焙烧工艺可以容易地再生。

在洗涤工艺中使用的洗涤溶剂可以是极性溶剂而没有限制，特别地，可以使用选自水、丙酮、亚砜和含氧的环状极性有机溶剂中的至少一种极性溶剂。

本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法可以再利用与用于确保n-取代马来酰亚胺的合成反应的流动性的有机溶剂相同类型的有机溶剂混合后分离、回收和再生的催化剂，并且将其转移到反应物存储罐或合成反应器中。

同时，关于洗涤溶剂的再利用，在常规的负载磷酸成分(活性成分)的负载催化剂中，磷酸成分与杂质一起溶解在洗涤溶剂中，其再利用是不可能的，因为当为了回收利用而将洗涤溶剂添加到蒸馏工艺中时，可以理解的是，蒸馏工艺设备在高温下可能会被磷酸成分腐蚀。然而，本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法使用固体酸催化剂作为催化剂，并且本发明的洗涤溶剂还具有被转移到蒸馏工艺并再利用的附加优点。

如上所述，本发明的n-取代马来酰亚胺的合成方法使用非均相体系的磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂作为催化剂，可以使催化剂的损失最小化，并且可以解决在常规合成方法中公布的催化剂的复杂分离、回收和再生工艺的缺点，包括对用于分离催化剂的溶剂的限制，在去除残留的催化剂和杂质的工艺中产生大量的废水以及根据冷却和再加热的热导需要注入能量。

实施例1

向设置有搅拌器、温度计、水分离器和冷却器的100ml反应器中添加20ml的邻二甲苯作为溶剂、2.5g的苯胺，2.9g的在80℃下熔融的马来酸酐和1.249g的磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂，并且将反应体系的温度升高到125℃以合成n-苯基马来酰亚胺。在反应过程中，由脱水闭环反应产生的水通过共沸蒸馏与邻二甲苯一起从反应体系中除去。将从反应体系中除去的邻二甲苯再添加到反应体系中的同时另外进行合成反应4小时。在完成合成反应后，负载催化剂通过过滤分离，并且n-苯基马来酰亚胺邻二甲苯溶液得到回收。在10mmhg的减压下将回收的n-苯基马来酰亚胺邻二甲苯溶液的温度升高到80℃，并且通过减压蒸馏除去邻二甲苯以合成n-苯基马来酰亚胺。

实施例2

除了在实施例1中添加0.8g的磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂之外，以与实施例1中相同的方法合成n-苯基马来酰亚胺。

实施例3

除了在实施例1中添加0.6g的磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂之外，以与实施例1中相同的方法合成n-苯基马来酰亚胺。

比较例1至10

除了使用下面的表1中所列的固体酸催化剂代替实施例1中的磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂之外，以与实施例1中相同的方法合成各个n-苯基马来酰亚胺。

实验例

在完成实施例1和比较例1至10的各个n-苯基马来酰亚胺的合成反应后，收集产生的溶液，并通过液相色谱法(lc)分析产物。对n-苯基马来酰亚胺(pmi)的产率、anl(苯胺)的标准选择性以及2-苯胺基-n-苯基琥珀酰亚胺(apsi)和其它的量进行测量并且在下面的表1中列出。

*pmi的产率＝(苯胺的转化率)×(产物中的pmi的选择性)

*anl的标准选择性＝(产物中的pmi的摩尔数)/(转化的anl的摩尔数)

[表1]

如上面的表1所示，当将本发明实施例1至3与比较例1至10相比时，发现尽管使用与在实施例1至3中相同的固体酸催化剂或其中的磷酸盐系列催化剂，但是比较例1至10的n-苯基马来酰亚胺(pmi)的产率或anl(苯胺)的标准选择性也不高。

相反，发现使用磷酸氢锆固体酸催化剂的实施例1至3具有非常优异的n-苯基马来酰亚胺(pmi)产率和anl(苯胺)标准选择性。特别地，当与比较例的合成效率相比时，与比较例的催化剂添加量相同的实施例1表现出明显优异的合成效率。即使是比较例的催化剂添加量的约50重量％至60重量％的实施例2和3，发现合成效率仍优于比较例。

因此，如果使用磷酸氢锆(iv)固体酸催化剂作为n-取代马来酰亚胺的合成反应的催化剂，则可以发现可以使催化剂损失最小化，可以使催化剂的分离和回收工艺简化，如果所分离和回收的催化剂的活性降低，则催化剂的完全再生可以通过洗涤或焙烧来实现，并且工艺可以简单而不限制洗涤溶剂的选择，此外，合成产率也可以优异。

本发明的上述解释是为了说明，并且应当理解的是本领域的技术人员在不改变本发明的技术精神或基本特征的情况下可以容易地修改成其它特别的形式。因此，上述实施方案在所有方面都应当理解为说明性的而不是限制性的。