己内酰胺(Caprolactam,简称CPL),是一种有机化合物,为ε-己内酰胺(2-氧代环己亚胺)的简称,呈白色晶体或结晶性粉末。化学式为C 6 H 11 NO。己内酰胺的熔点为69~71℃,凝固点为69.2℃,在760mmHg时沸点为268.5℃,它具有吸水性,易溶于水 、乙醇、 乙醚 、氯仿和苯等。
自1899年S·卡布里尔(S.Cabriel)等首先合成出己内酰胺之后, 德国 的 法本公司 、 美国 的 杜邦 、 日本 的东丽公司相继建立了己内酰胺的工业试验装置。1940年早期,研究人员利用拉西法生产 羟胺 实现了己内酰胺的工业化。之后己内酰胺生产技术取得了飞速发展,世界范围内的生产规模迅速扩大。 以 环己酮肟 Beckmann重排 为基础的 环己酮 羟胺 路线仍是21世纪世界工业化生产中最广泛使用的方法。主要以环己酮、羟胺为原料制备环己酮肟,再经贝克曼重排得到己内酰胺。
己内酰胺是重要的有机化工原料之一,绝大部分用于生产 聚己内酰胺 ( 尼龙 6),用于纺制纤维和生产 硬塑料 ,少部分用于涂料、合成 赖氨酸 以及用作医药原料等 。但是己内酰胺有毒,会对皮肤产生腐蚀作用,能引起 皮炎 ,长期吸入也会引起慢性中毒。 2017年10月27日, 世界卫生组织 国际癌症研究机构 公布的致癌物清单初步整理参考中,己内酰胺被归为第4类致癌物“对人体基本无致癌作用”分类的唯一物质。
相关历史
己内酰胺的生产技术经历了多个发展阶段。首先,1899年,S·卡布里尔(S.Cabriel)等首先合成出ε-己内酰胺。 20世纪30年代 德国 的法本(I.G.Farben)公司、 美国 的 杜邦 、 日本 的东丽公司相继建立了己内酰胺的工业试验装置。德国 法本公司 于1938年发明了用己内酰胺开环聚合生成 聚己内酰胺 ( 聚酰胺 6,PA6)。 由于PA6具有高的力学强度及韧性,优良的耐性、自润滑性、耐 化学 药品和突出的耐油性,是重要的 硬塑料 。 1939年开发出PA6纤维,1941年实现工业化。 1940年早期的己内酰胺生产主要以 苯酚 为原料生产环己酮,利用拉西法生产 羟胺 实现了己内酰胺的工业化。
20世纪60年代,己内酰胺生产技术取得了飞速发展,世界范围内的生产规模迅速扩大。1962年, 意大利 SNIA公司开发出以 甲苯 为原料,经 环己甲酸 亚硝化生产己内酰胺技术,并建立了12kt/a的工业装置。1963年,日本东丽公司开发了环己 亚硝化法(PNC)生产己内酰胺的技术,并建成15kt/a的生产装置。同年, 德国 的 巴斯夫 (BASF)公司在1961年开发的NO还原法连续生产技术的基础上,建成了65kt/a的生产装置。
20世纪70年代成为己内酰胺工业发展的黄金时代,各大公司扩大了生产规模,如荷兰DSM公司开发HPO法生产技术,建成70kt/a的生产装置。20世纪80年代,受石油危机和经济衰退的影响,己内酰胺生产出现下滑趋势,各大公司致力于降低原料消耗与能耗,提高产品质量。
20世纪90年代,己内酰胺的生产布局从西欧开始转向 亚洲 地区,世界己内酰胺生产能力发展到近5000kt/a,新工艺的开发取得重大进展。1996年, 杜邦 、 德国 的 巴斯夫 (BASF)公司、 荷兰 的帝斯曼(DSM)等公司开发了以 丁二烯 为基础原料制造己内酰胺的新工艺路线。
理化性质
物理性质
己内酰胺为白色晶体或结晶性粉末,密度为1.023 g/cm³, 熔点 为68至71℃,沸点为268℃,闪点为125℃,自燃温度为375℃,粘度为9 cP(78 °C)。它易于水、 甲醇 、乙醇、乙醚、二甲基酰胺、 环己烯 、氯化溶剂、苯和石油馏分等。
化学性质
水解反应
己内酰胺在酸性或碱性介质中,易与水反应,生成 氨基 己酸。
氯化反应
己内酰胺能与 氯气 反应生成氯代己内酰胺。
氧化反应
在 高锰酸钾 存在下,己内 酰胺 能发生氧化反应,生成 羧基 己酰胺 。
与羟胺反应
己内酰胺与 硫酸羟胺 能生成ε- 氨基 羟肟酸。
聚合反应
己内酰胺的聚合反应过程中既存在链式聚合反应的特征,又存在逐步缩聚反应的特征以水或酸为 催化剂 时,在聚合机理上属于逐步开环聚合反应。工业上己 内酰胺 水解开环是将 单体 和水加热并保持一定的时间,即可制得用于纺制纤维的 聚己内酰胺 。聚合中有三种平衡反应。
(1)己内酰胺 水解 开环成氨基酸。
(2)氨基酸本身逐步缩聚。
(3) 氨基 上 氮 向己内酰胺亲电进攻,导致己内酰胺的聚合。
应用领域
己内酰胺是世界上三大合成材料之一。
医药领域
己内酰胺在钴 催化剂 存在下选择加氢可以生产六 亚甲基 亚胺 ,是生产药物和农药的中间体。己内酰胺也作为中间体用来生产在左旋L- 赖氨酸 ,这是一种不可缺少的、人体或动物不能合成的氨基酸。 己内酰胺的 水解 产物可以用于制备加贝酯 甲磺酸盐 。是一种 丝氨酸蛋白酶 抑制剂,可用于治疗 胰腺炎 和播散性血管内凝血等疾病。
化工领域
己内酰胺可以用于生产 聚酰胺 纤维(中国称为绵纶6)和塑料(俗称尼6)。尼龙6是一种 硬塑料 ,它具有优良的耐磨性和自润滑性,耐热性和机械强度也较高。尼龙6在工业上广泛用于制作轴承、 齿轮 、管材、医疗器械和电气 绝缘材料 。尼龙6纤维性能也很优良其弹力、耐磨牢度等均优于其他纤维。在工业上主要用作绳索、 输送带 、轮胎 帘子线 和滤布等。 在己内酰胺和 甲醇 的 气相 甲基化 作用可以得到己内酰胺,是一种芳香族 萃取剂 。
日化领域
己内酰胺在日化领域广泛应用,己内酰胺的产物可以作为 漂白剂 体系的活化漂剂和 制革工业 的改性剂,能够实现纺织品的洁白洗涤和提高皮革产品的涂饰性能。基于己内酰胺 氯化物 (TBCC)的 漂白剂 体系具有较好的活化漂白能力。TBCC 活化 氧漂 体系与非离子和 阴离子表面活性剂 均有良好的相容性,可与其组合使用对纺织品进行室温洁白洗涤。 己内酰胺也可以用于制备 制革 工业的 改性剂 。己内酰胺可以对 酪素 改性,使其成膜性提高,可应用于 猪皮 服装革产品的涂饰, 涂层 耐干、湿擦及耐折牢度均达到要求。
制备
己内酰胺的生产方法很多,以环己酮肟贝克曼重排为基础的环己酮-羟胺路线仍是21世纪世界工业化生产中最广泛使用的方法。DSM/HPO和AlliedSignal 工艺是两种具有代表性的环己酮-羟胺工艺。其中,DSM/HPO的工艺避免了产生 硫酸铵 ,AlliedSignal 工艺具有生产安全、产品质量好、消耗低的特点。 已工业化的工艺路线有苯加氢-环己烷氧化法(环己酮-羟胺路线)、 苯酚 法(环己酮-羟胺路线)、 甲苯 法、 硝基环己烷 法、 己二腈 法、 己内酯 法、 环己胺 法。
苯加氢-环己烷氧化法(环己酮-羟胺路线)
环己酮-羟胺 法主要包括以苯为基础原料,经加氢制取环己烷,环己烷氧化得到环己酮,再与羟胺化生成 环己酮肟 ,经 Beckmann重排 得到己内酰胺。
苯酚法(环己酮-羟胺路线)
从苯酚经加氢制 环己醇 ,经氧化制环己酮,环己酮经肟化得到环己酮肟,经贝克曼重排得到己内酰胺。
甲苯法
甲苯在 催化剂 作用下氧化制取 苯甲酸 ,再加氢得环 己基 酸,环己基 羟酸 在 发烟硫酸 作用下,与 亚硝基硫酸 反应,并经贝克曼重排得到己内酰胺。
其基本的工艺是 甲苯 在 乙酸钴 作用下,温度为433.16-443.19K,压力为0.8-1.0MPa的条件下,用空气液相氧化成苯甲酸;苯甲酸在Pd/C催化剂存在下,液相加氢成环己烷 羧酸 。在发烟硫酸-环己烷羧酸 混合物 中加入 硝化剂 ,在373.16K下生成 环己酮肟 ,经重排生成己内酰胺。
硝基环己烷法
环己烷硝化得到的硝基环己烷,在 催化剂 作用下部分 氢化 还原为环己酮肟,经 Beckmann重排 得到己内酰胺。
己二腈法
丁二烯 与 氢氰酸 反应生成己二腈,己二腈经 催化 加氢得到 氨基 己腈 ,再经 环化 得到己内酰胺。
己内酯法
己内酯的合成工艺较为简单,从环己烷出发,以钴作催化剂,液相氧化得到 环己醇 和 环己酮 等的混合物,环己醇再经 脱氢 得到环己酮。环己酮与 过氧乙酸 作用得到己内酯,反应式如下:
所得的己内酯再与氨反应得到己内酰胺,反应式如下:
环己胺法
环己胺法所采用的 氧化剂 为 过氧化 氨(或 高锰酸钾 等),用 钨酸 或 钼酸 的盐类为 催化剂 ,在一定的pH值下制备己内酰胺。
安全事宜
健康相关
己内酰胺有毒,长期吸入会引起慢性中毒,如神经弱、头昏、头痛、失眠、出 反复鼻出血 和呼吸道疾患等。对皮肤有腐蚀作用,能引起 皮炎 ,因此要避免与之直接接触。 己内酰胺的大鼠经口半数致死剂量(LD 50 ):1155mg/kg;人经口致死量(LD):70g。 空气中的容许浓度: 美国 为5ppm(20mg/m 3 );粉尘为1mg/m 3 ;中国卫生标准规定为10mg/m 3 。 2017年10月27日, 世界卫生组织 国际癌症研究机构 对致癌物质的分类中,己内酰胺被归为第4类致癌物“对人体基本无致癌作用”分类的唯一物质。
GHS分类
GHS象形图
GHS 危险说明
H302 (99.95%):吞咽有害 [警告:急性毒性,经口]
H315 (99.95%):引起皮肤刺激 [警告:皮肤腐蚀/刺激]
H319 (99.95%):引起严重的眼睛刺激 [警告:严重的眼睛损伤/眼睛刺激]
H332 (99.95%):吸入有害 [警告:急性中毒,吸入]
H335 (100%):可能引起 呼吸道 刺激 [警告:特异性靶器官毒性,单次暴露;呼吸道刺激]
环境危害
己内酰胺生产过程中会伴有副产物 一氧化二氮 的产生,是一种非 二氧化碳 类 温室气体 ,会造成 温室效应 。己内酰胺曾被列入“美国清洁空气法案”的有害空气污染物清单,但于1996年被移除出名单。
急救措施
皮肤接触:脱去污染的衣着,用大量流动清水彻底冲洗。
眼睛接触:立即翻开上下眼睑,用大量流动清水或 生理盐水 冲洗,就医。
吸入:脱离现场至空气新鲜处,就医。
食入:误服者 漱口 ,给饮牛奶或蛋清,就医。