一種連續流反應合成3‑甲基吲哚的方法與流程
2023-10-27 18:08:22 3
(一)技術領域
本發明涉及一種通過費希爾吲哚合成法製備3-甲基吲哚的方法，具體涉及一種利用連續流微反應器合成3-甲基吲哚的方法。
(二)
背景技術：
吲哚類化合物作為重要的n-雜環化工原料，在合成除草劑、殺真菌劑、染料和防腐劑等方面有著廣泛的應用。而3-甲基吲哚也是重要的醫藥、農藥試劑，它具有強烈的糞臭味，但是稀釋後具有優美的花香味，它作為定香劑微量用於花香型和動物香型日用香精中，在醫藥和精細化工中有著巨大的應用前景。目前工業上採用傳統的釜式費歇爾吲哚合成技術。然而由於該類反應過程複雜，條件苛刻(長時間高溫)，同時副反應眾多導致產率低下以及提純過程繁瑣。
微通道反應器為近年新興的一類可連續化化工生產設備。由於傳質速度快，反應物在流動的過程中短時間內即可充分混合，避免了由於混合不均勻而造成的產率低。而且，由於微通道反應器的比表面積大，具有很大的熱交換效率，可以將釋放的反應熱及時轉移，維持反應溫度在安全範圍以內等一系列的優點而成為近年來各相關院企研究的重點。
本研究擬採納連續化微通道技術製備3-甲基吲哚。採用溶解性好、耐高溫的離子液體為溶劑，zncl2為催化劑，200℃下短時間(4分鐘)內反應合成3-甲基吲哚。由於反應器中微通道的優良設計，使得該反應在短時間內的傳質傳熱較釜式反應表現優異，高溫利於吲哚環的生成，短時間抑制了副產物的生成從而使得該反應產率和選擇性雙優。
(三)
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種產率高、反應時間短、後處理簡便、成本低廉的合成3-甲基吲哚的方法。本發明採用連續的微通道反應技術，在微通道反應器(例如：corningg1反應器)中進行合成反應。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種連續流反應合成3-甲基吲哚的方法，所述合成在微通道反應器中進行，所述的微通道反應器(如圖1所示)由依次連接的反應模塊i、反應模塊ii、冷卻管、收集裝置組成；
所述合成的方法為：
(1)將苯肼、丙醛、zncl2各自溶解於離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸([emim]bf4)中，分別得到苯肼溶液、丙醛溶液、zncl2溶液；
所述苯肼溶液的濃度為0.1～5mmol/ml；
所述丙醛溶液的濃度為0.1～5mmol/ml；
所述zncl2溶液的濃度為0.1～5mmol/ml；
(2)將步驟(1)配製的苯肼溶液、丙醛溶液各自通過第一計量泵(p1)、第二計量泵(p2)混合打入反應模塊i中，混合液在反應模塊i中的停留時間為3～20min(即經過反應模塊i的時間)，反應溫度25～75℃，反應生成苯腙，之後當含有苯腙的反應液流出反應模塊i時，啟動連接步驟(1)配製的zncl2溶液的第三計量泵(p3)，使zncl2溶液和含有苯腙的反應液混合進入預熱至150～200℃的反應模塊ii，在反應模塊ii中的停留時間為4～10min(即經過反應模塊ii的時間)，之後流出反應模塊ii的反應液經0～20℃冷卻管進入收集裝置進行後處理，得到產物3-甲基吲哚；
所述第一計量泵、第二計量泵、第三計量泵單位時間內的流量比為1：1～1.5：1～1.5，優選1：1：1；
所述後處理的方法為：反應液經冷卻管進入裝有甲苯/水體積比1：1～6混合液的收集裝置中，過濾除去不溶物，靜置分層；取上層有機相，蒸除溶劑甲苯即得產物3-甲基吲哚；取下層水相，用二氯甲烷萃取，萃取液蒸除溶劑二氯甲烷，即可回收離子液體，回收所得離子液體可套用至反應中，最多可重複套用6～8次。
本發明涉及的反應式如下：
本發明的有益效果在於：
1、採用費希爾吲哚合成法來合成3-甲基吲哚，原料易得便宜。
2、以離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟磷酸鹽取代傳統有機溶劑，離子液體因具有良好和熱穩定性可以容納更高的反應溫度而產生很小的飽和蒸氣壓，可以升高反應溫度。同時離子液體具有極好的的溶解及傳質性，使反應時間大大降低。
3、微通道反應器是由精心設計的管道組成，使得物料的混合效果好，混合快。而且較釜式反應器微通道反應器具有很大的比表面積，反應的熱量供應更加均勻及充足，換熱的效率也大為提高。高溫快速的反應提高了反應的選擇性，避免了副反應的發生。
4、本發明解決了3-甲基吲哚後處理複雜，後處理三廢排量多的問題。
綜上，與現有方法比較，本發明反應速度快，副反應少，傳熱傳質效率高，反應選擇性高，純度高，收率高且後處理方便。同時可以通過再萃取的方式回收套用昂貴的離子液體。
(四)附圖說明
圖1為本發明連續流反應合成3-甲基吲哚的方法的裝置流程圖。
(五)具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護範圍並不僅限於此。
實施例1
(1)分別量取10ml的離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸([emim]bf4)倒入50ml的燒杯a和b中，量取20ml離子液體倒入50ml的燒杯c中。再稱取1.08g(0.01mol)的苯肼投入燒杯a中，稱取0.58g(0.01mol)的丙醛投入燒杯b中，稱取1.36g(0.01mol)的zncl2固體投入燒杯c中，空氣中攪拌使其溶解均勻。
(2)分別將燒杯a和b連接計量泵p1和p2，調節流量(10ml/min)，同時啟動泵p1和p2，將兩種溶液打入反應模塊i。
(3)a和b兩種溶液在反應模塊i中混合反應，反應溫度25℃，生成苯腙。
(4)溶液c連接泵p3，280s後(經計算a和b溶液到達反應模塊i需20s，反應液在反應模塊i中的停留時間為4min，反應液到達t形管需20s)啟動泵p3(調節流量10ml/min)，zncl2溶液和苯腙溶液混合被同時打入預熱至200℃的反應模塊ii。在反應模塊ii中苯腙和zncl2在200℃下完成反應生成3-甲基吲哚。
(5)反應液在反應模塊ii中停留4min後，流出經冷卻管最後進入裝有甲苯(20ml)和水(120ml)的混合液的收集裝置中，過濾除去不溶物，靜置分層。
(6)取下層水相，用二氯甲烷溶液(120ml)萃取三次，合併萃取液，旋蒸除去二氯甲烷，回收得離子液體約30ml，回收的離子液體可套用於反應。
(7)上層有機相，旋蒸除去甲苯即得粗產品，乾燥後稱重1.28g，經高效液相測定收率為96％，純度98％。
實施例2
(1)分別量取10ml的離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸([emim]bf4)倒入50ml的燒杯a和b中，量取20ml離子液體倒入50ml的燒杯c中。再稱取2.16g(0.02mol)的苯肼投入燒杯a中，稱取1.16g(0.02mol)的丙醛投入燒杯b中，稱取2.72g(0.02mol)的zncl2固體投入燒杯c中，空氣中攪拌使其溶解均勻。
(2)分別將燒杯a和b連接計量泵p1和p2，調節流量(10ml/min)，同時啟動泵p1和p2，將兩種溶液打入反應模塊i。
(3)a和b兩種溶液在反應模塊i中混合反應，反應溫度50℃，生成苯腙。
(4)溶液c連接泵p3，280s後(經計算a和b溶液到達反應模塊i需20s，反應液在反應模塊i中的停留時間為4min，反應液到達t形管需20s)啟動泵p3(調節流量10ml/min)，zncl2溶液和苯腙溶液混合被同時打入預熱至200℃的反應模塊ii。在反應模塊ii中苯腙和zncl2在200℃下完成反應生成3-甲基吲哚。
(5)反應液在反應模塊ii中停留4min後，流出經冷卻管最後進入裝有甲苯(20ml)和水(120ml)的混合液的收集裝置中，過濾除去不溶物，靜置分層。
(6)取下層水相，用二氯甲烷溶液(120ml)萃取三次，合併萃取液，旋蒸除去二氯甲烷，回收得離子液體約30ml，回收的離子液體可套用於反應。
(7)上層有機相，旋蒸除去甲苯即得粗產品，乾燥後稱重2.50g，經高效液相測定收率為94％，純度98％。
實施例3
(1)分別量取10ml的離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸([emim]bf4)倒入50ml的燒杯a和b中，量取20ml離子液體倒入50ml的燒杯c中。再稱取1.08g(0.01mol)的苯肼投入燒杯a中，稱取0.51g(0.01mol)的丙醛投入燒杯b中，稱取1.36g(0.01mol)的zncl2固體投入燒杯c中，空氣中攪拌使其溶解均勻。
(2)分別將燒杯a和b連接計量泵p1和p2，調節流量(10ml/min)，同時啟動泵p1和p2，將兩種溶液打入反應模塊i。
(3)a和b兩種溶液在反應模塊i中混合反應，反應溫度75℃，生成苯腙。
(4)溶液c連接泵p3，280s後(經計算a和b溶液到達反應模塊i需20s，反應液在反應模塊i中的停留時間為4min，反應液到達t形管需20s)啟動泵p3(調節流量10ml/min)，zncl2溶液和苯腙溶液混合被同時打入預熱至150℃的反應模塊ii。在反應模塊ii中苯腙和zncl2在150℃下完成反應生成3-甲基吲哚。
(5)反應液在反應模塊ii中停留4min後，流出經冷卻管最後進入裝有甲苯(20ml)和水(120ml)的混合液的收集裝置中，過濾除去不溶物，靜置分層。
(6)取下層水相，用二氯甲烷溶液(120ml)萃取三次，合併萃取液，旋蒸除去二氯甲烷，回收得離子液體約30ml，回收的離子液體可套用於反應。
(7)上層有機相，旋蒸除去甲苯即得粗產品，乾燥後稱重1.28g，經高效液相測定收率為96％，純度98％。
對比例
將熔融狀態的苯肼吸入到不鏽鋼反應釜，緩慢滴加丙醛(苯肼與丙醛質量比為2.17:1)，溫度控制在40℃，反應2小時。洗滌去下層雜質，蒸餾，得質量分數為99.2％的丙醛苯腙。在另一不鏽鋼反應釜中加入氯化鋅水溶液，升溫至120℃，緩慢滴加丙醛苯腙(氯化鋅與丙醛苯腙質量比為1:1)，反應0.5小時結束。稀酸洗滌，加入溶劑甲基異丁基酮萃取分離。將有機層送入高效薄膜蒸發器中蒸發，回收溶劑、循環套用。濃縮產物3-甲基吲哚質量分數85％。將脫氣、脫溶劑過後的3-甲基吲哚吸入帶有加熱裝置的計量罐，加熱至100-105℃，用齒輪泵打入dzq-0.5短程蒸餾器中，控制體積流量為20l/h。保證壓力在15pa下，蒸發溫度小於120℃，冷凝溫度為45℃，連續蒸餾，得輕組分a1，含3-甲基吲哚65％(質量分數)。輕組分a1再進入dzq-0.短程蒸餾器，進行二級蒸餾脫色，得輕組分a2。餾分色澤為淺黃色，含3-甲基吲哚80％(質量分數)。輕組分a2在石油醚中進行重結晶，離心、真空常溫乾燥得產品。產品熔點為95-96℃，通過氣相色譜儀檢測含量為99.4％，產品色澤為白色。重組分b1回計量罐，重蒸。蒸餾收率達32.3％。
經對比，本發明開發了一種3-甲基吲哚高效合成工藝。通過連續流技術改進的生產工藝不僅大大縮短反應時間，提高生產效率，同時減少了副產物的生成，可簡單的通過萃取方式高收率高純度的獲得目標產物。