2-咪唑烷酮的应用与制备

1.  2－咪唑烷酮的应用

2－咪唑烷酮，简称MI，又称2－咪唑啉酮、环亚乙烯脲、乙烯脲等，属于咪唑系列化合物的重要成员，是一种无色的针状结晶[1]，易溶于水和加热的乙醇，难以溶于乙醚，能够高效的捕获甲醛分子。已经成为各类空气清新剂、除醛剂的主要成分，也是性能优良的日常纺织物抗撕裂剂和抗皱整理剂。由于其具有低毒性、高极性和高安全性等优点，2－咪唑烷酮及其衍生物已经成为医药和农药合成的重要中间体，广泛应用到多种抗生素和农药的合成中。在氨苄青霉素的氨基[2]上引入咪唑及其衍生物的特殊化学结构，能使青霉素分子可以有效并且快速地穿透细菌的细胞膜，进入细胞内并将其杀死，特别是对于革兰氏阳性菌，它能够高效地穿透其细胞膜[3]，使得药效得到增强，效果显著；2-咪唑烷酮及其衍生物还可作为多种新型抗生素和抗血吸虫病药的中间体，同时还可用于制备抗菌谱广、杀菌作用强的第三代青霉素―阿洛西林和美洛西林。

2-咪唑烷酮及其主要衍生物具有酸碱两性，因此常以咪唑为配体进行合成的金属配合物[4]，被广泛应用于有机合成方面。在我国精细化工产品行业的发展中，2-咪唑烷酮及其主要衍生物常常被广泛地用作人造树脂的固化剂，同时在化学分析领域中，其也是一种可以广泛地用于作分子探针和化学发光材料[5]。

2-咪唑烷酮还可作为中间体合成 1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（DMI）[6]，后者是一种具有强极性的非质子性溶剂，其具有闪点高、挥发性低、毒性极低的特点，同时它具有良好的稳定性和溶解能力，溶剂化作用较强，沸点高，热稳定性好，常用于催化阴离子的亲核反应。在现代化学工业生产中，2-咪唑烷酮及其衍生物也被认为是一种广泛利用于液-液萃取、蒸馏、溶剂洗涤等过程，不仅有助于提高在工业生产中的安全性和稳定性，还有助于进一步保证产品的质量。。另外，咪唑酮类化合物也可作为缓蚀剂添加到金属中抑制金属的腐蚀。因此其具有广泛的市场前景，特别是高纯度的2－咪唑烷酮及其衍生物已成为紧俏的精细化学品。

目前已开发出多种合成2-咪唑烷酮的方法，从合成原料的不同分为光气法、碳氧化物法、碳酸酯法、二氧化碳法、碳酸铵法和尿素法。 

2. 2-咪唑烷酮的合成方法

2.1 光气法：

光气法主要是指以光气为羰基供体，与原料EDA 进行环化缩合反应而生成2-咪唑烷酮，如反应方程式图1 所示。虽然光气本身具有反应活性高，时间相对较短、效果快、质量好等多种优点，但是由于其属于一种具有剧毒性的物质[7]，且反应时需要经过高压，操作安全系数相对较低。虽然传统的固体光气法克服了其中了其中一些传统光气法部分的不足，但这种方法得到的收率仍然较低，并且还有可能存在着对废水、废气处理等各个方面的污染。

图1 光气法生产2-咪唑烷酮反应方程式

 2.2 碳酸脂法：

碳酸酯法是以碳酸酯类化合物为羰基单元供体，目前许多研究者对此类工艺展开了研究， [8]研究人员以NH2SO3H 为催化剂，在2~6 MPa的反应压力条件下以EDA 与碳酸二甲酯（DMC）为原料合成2-咪唑烷酮，使用减压蒸馏法在丙酮重结晶中分离纯化的方法，可以直接得到目标产物2-咪唑烷酮，且最终2-咪唑烷酮的产率为70%。虽然此方法绿色环保，但是该反应体系反应步骤复杂，且后续提纯及其处理成本较高，不利于应用到工业化生产中。

图2 碳酸脂法生产2-咪唑烷酮反应方程式 

2.3 尿素法：

尿素法是以尿素和EDA 为原料成环合成2-咪唑烷酮。Bhanage 等[9]在无溶剂、无催化剂体系中以EDA 和尿素为原料，当反应条件为150 ℃、3 h 时，所得2-咪唑烷酮的产率为65%。 

2.4 二氧化碳法：

以CO2 和胺类或氨基醇类化合物为原料合成2-咪唑烷酮，在无溶剂、无催化剂下以EDA 和CO2 为原料，当反应条件为6 MPa CO2，150 ℃时，得到反应产物2-咪唑烷酮的收率为97%。由于CO2 来源丰富、安全廉价，该方法不仅能够提高CO2 的附加值，又能合理地利用在石油和天然气等化工制品生产中所排放的CO2，减少了自然资源的严重浪费及污染物大气排放。因此，此方法逐渐成为了科学领域研究的热点。

2－咪唑烷酮的制备方法中，光气法由于其自身的局限性已经被淘汰; CO 法需要较高的压力或者昂贵的催化剂，安全要求和反应成本高; 碳酸酯法反应条件温和，但是需要有合适的催化剂，且相对于其他方法来说，反应物碳酸酯价格较高，这也限制了碳酸酯法的应用。总体来说，CO2法和尿素法的原料大宗，价廉易得，具有原料和环保优势，是两种最具有工业潜力的2－咪唑烷酮制备方法。尿素法新工艺需要拥有能耗低三废少转化率高的优势，开发适于工业化需求的绿色工艺极为迫切。而CO2法目前还未大规模化生产，因此需要开发活性高、选择性好、成本低、环境友好的催化剂体系，最终实现工业化生产，这些也是2－咪唑烷酮甚至脲类化合物技术发展的显著特征和趋势。

参考文献

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[9] Bhanage B. M., Fujita S. I., Ikushima Y., et al. Synthesis of cyclic ureas and urethanes from alkylene diamines and amino alcohols with pressurized carbon dioxide in the absence of catalysts [J]. Green Chemistry, 2003, 5(3): 340-342.