合成γ‑氯丁酸甲酯的方法與流程
2023-05-27 04:54:26 4
本發明涉及一種γ-氯丁酸甲酯的合成方法，特別是以γ-丁內酯為起始原料的合成方法。
背景技術：
γ-氯丁酸甲酯(s-1)是合成環丙胺的重要中間體，而環丙胺則是喹諾酮類抗菌劑、殺蟲劑、農藥的重要中間體。
目前，γ-氯丁酸甲酯(即，4-氯丁酸甲酯)的合成方法主要有以下幾種：
(1)氯化亞碸開環酯化法。專利CN101693660A、顧曉波等人(環丙胺的合成工藝研究[D].南京理工大學,2005.)均利用氯化亞碸與醇為γ-丁內酯開環、酯化試劑來製備γ-丁酸酯。專利CN1125715報導了利用氯化鋅-氯化銅催化氯化亞碸與γ-丁內酯的開環反應。該方法最大的缺點是氯化亞碸原子經濟性與環境友好性極差，會釋放等摩爾量的氯化氫與二氧化硫，且難以回收利用。
(2)高壓氯化氫開環酯化法。專利US3711549報導，高壓(2MPa)高溫(120℃)以無水氯化鋅為催化劑，氯化氫氣體與γ-丁內酯進行開環反應生成γ-氯丁酸。γ-氯丁酸與甲醇進行酯化反應可生成γ-氯丁酸甲酯。該工藝最大的缺點是反應需分兩步進行，第一步開環反應需要高壓設備，反應溫度高，設備投資費用大。
(3)文獻(Noyce D S,Canfield J H.The Configuration of α-Methoxyadipic Acid[J].J.am.chem.soc,1954(14):3630-3632.)報導了常壓氯化氫開環酯化法，具體反應條件如下：γ-丁內酯與乙醇摩爾比為1.0：10.6，氯化氫通入直至乙醇溶液飽和。室溫下反應48小時後，反應液經冰水洗、分液、萃取、鹼洗、乾燥、精餾後可得γ-丁酸乙酯，收率91％。由於該方法的乙醇用量大大過量，導致反應物濃度較小，反應速率慢，反應時間長達48小時。此外，受化學平衡影響，溫度越高原料γ-丁內酯的最大轉化率越低。乙醇與氯化氫用量大大過量導致精餾回收乙醇、未反應氯化氫的回收負荷大。該方法中，如果減少乙醇的用量，產物γ-丁酸乙酯的收率會明顯降低。該方法中，如果降低反應溫度，產物γ-丁酸乙酯的最終收率雖然會有所提高，但反應時間會大大延長。
(4)專利CN102898307A報導了利用三氯化磷作γ丁內酯開環試劑的工藝，但該工藝仍存在原子經濟性低、環境友好性差的缺點。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種高原子經濟性合成γ-氯丁酸甲酯的方法，其具有原子經濟性高、環境友好性、反應效率高、工藝簡單的優點。
為了解決上述技術問題，本發明提供一種γ-氯丁酸甲酯的合成方法，包括以下步驟：
1)、合成：
將γ-丁內酯和甲醇混合後降溫至-5℃～0℃，先通入首次的氯化氫氣體至飽和，然後進行-5℃～0℃的保溫反應，反應時間為24～32小時；反應期間，補充通入氯化氫氣體(例如為3次)；所述γ-丁內酯、甲醇、氯化氫總量的摩爾比為1.0：1.5～2.0：1.8～2.5；
所述氯化氫總量是指首次的氯化氫與補充通入氯化氫的用量之和；
備註說明：首次通入氯化氫氣體至飽和，隨著反應不斷消耗氯化氫，反應體系變為不飽和狀態，這時需要補充通入氯化氫；
2)、將步驟1)所得反應液進行真空旋蒸，從而蒸出反應中過量的氯化氫以及蒸出甲醇，得旋蒸釜底液；上述蒸出的氯化氫被-5℃～0℃的冷甲醇吸收後形成氯化氫甲醇溶液；
該旋蒸釜底液為γ-氯丁酸甲酯粗品；
3)、將步驟2)所得旋蒸釜底液進行減壓精餾，得γ-氯丁酸甲酯。
作為本發明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的改進，該方法還包括步驟4)：
4)、循環反應：
於-5℃～0℃，在步驟2)所得的氯化氫甲醇溶液中加入補充的甲醇、加入γ-丁內酯、通入首次的氯化氫氣體至飽和，然後進行-5℃～0℃的保溫反應，反應時間為24～32小時；反應期間，補充通入氯化氫氣體(例如為3次)；所述γ-丁內酯、甲醇總量(循環反應甲醇總量)、氯化氫總量(循環反應氯化氫總量)的摩爾比為1:1.5～2.5:1.8～2.5；
所述甲醇總量(循環反應甲醇總量)是指氯化氫甲醇溶液中的甲醇與補充的甲醇的用量之和；
所述氯化氫總量(循環反應氯化氫總量)是指氯化氫甲醇溶液中的氯化氫、首次的氯化氫與補充通入氯化氫的用量之和；
將所得的反應液重複進行上述步驟2)和步驟3)。
作為本發明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的進一步改進：
所述步驟1)中，補充通入氯化氫氣體時採用分批通入的方式。
一般，每隔一段相同的時間補充通入氯化氫氣體。
作為本發明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的進一步改進：
所述步驟1)中，補充通入氯化氫氣體時分3次通入。
作為本發明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的進一步改進：
所述步驟2)中，利用上一次循環反應中真空旋蒸所得、且被降溫至-5℃～0℃的冷甲醇，對本次循環反應中真空旋蒸所得的氯化氫氣體(未冷凝的氯化氫氣體)進行吸收；然後經無水硫酸鈉乾燥，所得的氯化氫甲醇溶液得以循環利用。
備註說明：真空旋蒸所得的氯化氫氣體中含有水，因此需要後續的無水硫酸鈉乾燥。
作為本發明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的進一步改進：
所述步驟3)為：在25mmHg下，收集80.0℃～85.0℃餾分，得γ-氯丁酸甲酯。
在本發明的步驟4)的循環反應中，是以步驟2)所得的氯化氫甲醇溶液同時替代步驟1)中的部分的甲醇以及部分的首次通入的氯化氫氣體，再重複上述步驟1)～步驟3)的反應及精餾，即，循環反應中所對應的合成步驟，其反應溫度、時間均等同於原始的步驟1)的合成。
在本發明的步驟2)中，由於氯化氫氣體在冷甲醇的溶解度中較大(一般甲醇：氯化氫＝1：0.9～1.1的摩爾比)，因此利用-5℃～0℃的冷甲醇對未冷凝的氯化氫氣體進行吸收，所得氯化氫甲醇溶液經無水硫酸鈉乾燥後可循環利用；回收的甲醇可用於吸收氯化氫氣體。
在本發明中，將反應溫度降低至-5℃～0℃，能夠促進反應平衡正向進行，提高開環酯化反應限度，從而提高γ-丁內酯的最高轉化率。
在本發明中，補充的氯化氫氣體採用分批通入的方式，保證反應體系中的氯化氫維持較高的濃度，從而縮短反應時間。
本發明合成γ-氯丁酸甲酯的反應方程式如下:
採用本發明的方法合成γ-氯丁酸甲酯具有以下技術優勢：
(1)該方法原子經濟性高，具有環境友好性的優點；
(2)該方法實現了溫和條件下一鍋法合成γ-氯丁酸甲酯，設備投資小，後處理簡單；
(3)該方法甲醇用量及氯化氫用量少，且實現了未反應的甲醇與氯化氫的回收利用。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護範圍並不僅限於此。
實施例1、一種γ-丁酸甲酯的合成方法，依次進行以下步驟：
1)、向裝有溫度計、磁力攪拌的250mL三口燒瓶中加入γ-丁內酯86.0g(1.0mol)，無水CH3OH 48.0g(1.5mol)，降溫至0℃。緩慢攪拌(轉速約為60r/min)下，向上述溶液中通入乾燥HCl氣體，直至溶液飽和(此時，HCl的用量為1.8mol)。保溫反應24小時，反應期間補充通入3次(間隔時間相等)氯化氫氣體至反應液飽和(補充通入的3次，HCl的用量和為0.7mol)，氯化氫總的通入量共2.5mol。
2)、步驟1)所得的反應液進行真空旋蒸(真空度0.08MPa，溫度30.0℃)，蒸出過量的甲醇14.4g(0.4mol)與氯化氫。
利用-5℃～0℃的冷CH3OH 35.2g(1.1mol)對上述未冷凝的HCl氣體進行吸收，共回收HCl氣體45g(1.2mol)，所得HCl-CH3OH溶液經無水硫酸鈉乾燥後可用於下一批次反應。
3)、對步驟2)真空旋蒸所得的旋蒸釜底液進行減壓蒸餾，在25mmHg下，收集80.0℃～85.0℃餾分，可得γ-氯丁酸甲酯產品133g，收率98.1％，純度99.1％。
4)、循環反應：
於-5℃～0℃，在步驟2)所得氯化氫甲醇溶液(由1.1mol的甲醇+1.2mol的氯化氫組成)中，加入作為補充的甲醇0.4mol，加入γ-丁內酯1.0mol、通入氯化氫氣體至飽和(HCl的用量為0.6mol)，保溫反應24小時，反應期間補充通入3次(間隔時間相等)氯化氫氣體至反應液飽和(補充通入的3次，HCl的用量和為0.7mol)，氯化氫總的通入量共2.5mol。
將所得的反應液重複進行上述步驟2)和步驟3)。
得γ-丁酸甲酯產品，收率98.0％，純度99.2％。
說明：上述步驟4)所述的「循環反應」重複進行4次後，所得γ-丁酸甲酯的收率為97.9％，純度99.2％。
根據上述數據，我們得知：甲醇與氯化氫循環利用並未影響最終產品收率及產品純度。
改變實施例1中的甲醇用量、氯化氫用量、反應溫度，其餘步驟等同於實施例1的步驟1)～步驟3)，分別得到實施例2～實施例7。所得γ-丁酸甲酯的收率如表1所示。
表1、不同條件下的γ-丁酸甲酯收率
註：1)實施例1～實施例7所得的產品中環γ-氯丁酸甲酯含量≥99.0％。
2)實施例1～實施例7中，時停止反應，反應時間24h～32h。
對比例1-1、將實施例1步驟1)中的溫度由「0℃」改成「室溫(20℃)」，其餘等同於實施例1的步驟1)～步驟3)。所得γ-氯丁酸甲酯的收率為87.8％，純度99.0％。
對比例1-2、將實施例1步驟1)中的溫度由「0℃」改成「-15℃」，其餘等同於實施例1的步驟1)～步驟3)。該溫度下，需要反應52小時，才能達到γ丁內酯含量小於1％，收率為98.5％。
對比例2、將實施例1中的無水CH3OH由「1.5mol」改成「10.6mol」，緩慢攪拌下，向溶液中通入乾燥HCl氣體，直至溶液飽和(此時，HCl的用量為12.7mol)。保溫反應24小時，期間補充通入3次氯化氫氣體至飽和；其餘等同於實施例1的步驟1)～步驟3)。所得γ-氯丁酸甲酯的收率為97.4％，純度99.0％。
但是，該案例中甲醇用量過多，導致步驟2)中回收甲醇負荷增加。
對比例3、將實施例1中的「先通入首次的氯化氫氣體至飽和，期間補充通入3次氯化氫氣體至反應液飽和，氯化氫通入量共2.5mol」改成「首次時直接通入2.5mol氯化氫氣體，反應過程中不再補充氯化氫氣體」；其餘等同於實施例1的步驟1)～步驟3)。所得γ-氯丁酸甲酯的收率為80％，純度98.0％。
最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的若干個具體實施例。顯然，本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。