羥基丙酮的合成研究＊

武建林

(山西省呂梁市質量技術監督檢驗測試所,山西,呂梁,033000)

羥基丙酮的合成研究＊

武建林

(山西省呂梁市質量技術監督檢驗測試所,山西,呂梁,033000)

以乙醛和甲醛(以多聚甲醛形式存在)為原料,利用極性轉換的原理,合成制備了羥基丙酮。考察了原料配比、催化劑品種及用量、溶劑種類、反應時間等因素對反應的影響。結果表明：在原料摩爾比 n(乙醛)：n(甲醛)=1：1.2,3-乙基 -4 -甲基 -5-羥乙基噻唑鹽為催化劑,n(催化劑)：n(乙醛)=1：10,二惡烷為催化劑,堿為 1,8-二氮雜環[5,4,0]十一碳 -7-烯,pH8-9,反應溫度 60℃,反應時間 5h反應條件下,原料乙醛轉化率達 90.5%,產品選擇性達 87.6%,合成收率為 76.6%。

羥基丙酮;極性轉換;合成

羥基丙酮又名丙酮醇、乙酰甲醇等,存在于啤酒、煙草和蜂蜜中,一種無色有刺激性氣味的液體,易燃,易吸潮,不穩定,易形成二聚體,但用甲醇可致穩定。羥基丙酮是合成藥物、香料、染料等有機產品的重要中間體,可用于合成消沙星的中間體 (s)-(+)～2-氨基丙醇、外消旋組氨酸的中間體4-(羥甲基咪唑等藥物化系統的 H2受體阻滯藥西咪替丁的中間體 4-甲基咪唑、喹諾酮類抗菌藥左旋氧氟中間體的合成。關于羥基丙酮的合成方法有一些相關文獻報道,李楠等[1]采用電解銀催化劑,選擇催化氧化 1,2-丙二醇同時得到α-羥基丙酮和丙酮醛,該法優勢是產品選擇性較高,副產物少,缺點是反應條件及設備要求高、需要用昂貴的金屬催化劑、產品收率不高。姚日生等[2]采用一氯丙酮酯化 -醇解法制備羥基丙酮,在較優條件下,一氯丙酮的轉化率大于98%,甲酸丙酮酯的醇解率大于 95%。Liorta D C等[3]采用一溴丙酮酯化/醇解法合成制備羥基丙酮,該法反應條件溫和,產品收率和純度高,缺點是原料一溴丙酮價格高,導致生產成本過高。本文以乙醛和多聚甲醛為原料,利用極性轉換[4]原理,在催化劑的作用下合成制備羥基丙酮。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和儀器

1.1.1 實驗試劑 乙醛,40%水溶液,蘇州市萬隆化學試劑有限公司(使用時濃縮提純得到高純度的乙醛,保存于冰箱中備用);多聚甲醛,AR,天津市化學試劑研究所;DNF,AR,天津市博迪化工有限公司;無水甲醇,無水乙醇,維生素 B1,氫氧化鈉和三乙胺,AR,國藥集團化學試劑有限公司;異丙醇,AR,武漢聯堿廠;二惡烷,AR,上海森斐化學品有限公司; 1,8-二氮雜環[5,4,0]十一碳 -7-烯,AR,上海晶醇試劑有限公司;無水碳酸鉀,AR,天津市福晨化學試劑廠;甲醇鈉,AR,上?？七_化工有限公司;噻唑鹽(自制)。

1.1.2 儀器 GC9160-氣相色譜儀 (上海歐華分析儀器有限公司);數顯恒溫磁力攪拌水浴鍋(江蘇省金壇市漢康電子有限公司);燒瓶等。

1.2 實驗步驟 在 100ml密閉燒瓶中先后加入多聚甲醛、溶劑、堿、催化劑和乙醛,磁力攪拌,水浴加熱反應,60℃恒溫反應,維持反應體系 pH8-9,定時進行 GC檢測,跟蹤反應進程,反應結束后,用冷水冷卻,蒸餾分離出溶劑和未反應原料,得到羥基丙酮粗品。

1.3 產物分析 反應轉化率、最后產品羥基丙酮的選擇性及其純度測定均采用氣相色譜儀,采用面積歸一化法定量。采用 GC-9160氣相色譜儀,SE-30毛細管柱,柱長 30m, F ID檢測器,柱溫 120～200℃,10℃/min程序升溫,汽化室250℃,檢測室 250℃,載氣 N210ml/min,H220ml/min。校正歸一法進行定量。

2 結果與討論

2.1 不同種類催化劑對反應的影響 在其他反應條件不變的前提下,考察了維生素B1、3-乙基 -4-甲基 -5-羥乙基噻唑溴鹽、3-丙基 -4-甲基 -5-羥乙基噻唑溴鹽等噻唑鹽類催化劑對反應的影響。結果如表 1所示。

表1 不同催化劑對反應的影響

從表 1可以看出,噻唑鹽的催化能力以及選擇能力與噻唑環上取代基鏈長度和體積有較大的關系,在相同反應條件下,3-乙基 -4-甲基 -5-羥乙基噻唑溴鹽具有較優的催化效果和選擇能力,從反應機理來推斷[5,6],原因可能是噻唑環氮原子上取代基產生的空間位阻效應對該類催化劑的作用效果產生的影響。

2.2 催化劑用量對反應的影響 3-乙基 -4-甲基 -5-羥乙基噻唑溴鹽作為反應催化劑,其他條件保持不變,改變催化劑用量(以乙醛計,n/n),結果如圖 1所示。

圖1 催化劑用量對乙醛轉化率的影響

從圖 1可知,隨著催化劑量的增加,相同條件下,催化劑用量越大,乙醛轉率程度越高,當 n(催化劑)：n(乙醛)=1：10時,乙醛轉化率 90%左右,再增加用量,乙醛轉化率變化不大,卻可能導致副反應加劇,導致羥基丙酮選擇性降低。因此,較佳的催化劑用量是 n(催化劑)：n(乙醛)=1：10。

2.3 原料配比對反應的影響 改變原料乙醛和甲醛 (以多聚甲醛形式存在)摩爾配比,其他條件固定,原料摩爾配比對反應的影響如表 2所示。

表2 原料配比對反應的影響

可以看出,隨著 n(乙醛)：n(甲醛)增加,乙醛的轉化率隨之增加,但是羥基丙酮的選擇性卻減低,副產物增加。原因是隨著甲醛的量的增加,乙醛在相同條件下可更加完全的反應,但是過量的甲醛易和產品羥基丙酮發生進一步反應,導致產品選擇性和收率的降低。綜合考慮,n(乙醛)：n(甲醛)=1：1.2為較優反應條件。

2.4 不同溶劑對反應的影響 在相同條件下,分別考察了DMF,無水乙醇,無水甲醇,二惡烷,異丙醇五種溶劑對反應的影響,結果如表 3所示。

實驗過程中發現,DMF作為溶劑,反應很難進行,原因是多聚甲醛在此溶劑中解聚非常緩慢,產品選擇性差,副產物增加。其他四種都能使多聚甲醛解聚,使得反應較易進行,從表中可以看出,它們對反應的影響相差不大,二惡烷較其他作用效果更明顯,因此選擇的二惡烷作為反應溶劑。

2.5 不同堿對反應的影響 相同條件下,分別考察了氫氧化鈉、碳酸鉀、甲醇鈉、三乙胺、1,8-二氮雜環[5,4,0]十一碳 -7-烯(DBU)五種不同堿對反應的影響,所得結果如表4所示。

表3 不同溶劑對反應的影響

表4 不同堿對反應的影響

從表 4可以看出,堿的種類及其堿性強弱對反應有較大的影響,有機堿較無機堿具有更好的效果,原因是可能是有機堿溶于溶劑中,形成均相反應,而無機堿不溶于或者微溶于反應體系;另外堿性強有利于反應,弱堿不利于反應進行。因此,DBU是較佳的堿。

2.6 反應時間的選擇 在相同條件下,考察了在不同反應時間的反應情況,結果如圖 2所示：

圖2 反應時間對反應的影響

由圖 2表明,隨著反應時間的遞增,乙醛轉化率逐漸增大,而產物羥基丙酮的選擇性卻降低,當反應 5h時,乙醛轉化率達 90%左右,選擇性達 87.6%,繼續反應,乙醛轉化率幾乎不發生變化,但產物選擇性卻在減小,因為隨著反應的進行,副反應逐漸的加強,反應時間時間越長,副產物越多。因此,考慮到原料的轉化率和產品的選擇性,反應 5h是較適宜。

3 結論

以乙醛和甲醛(以多聚甲醛的形式存在)原料,通過極性轉換作用,可合成制得羥基丙酮。通過單因素實驗得到優化合成條件：n(乙醛)：n(甲醛)=1：1.2,3-乙基 -4-甲基 -5-羥乙基噻唑鹽為催化劑,用量為 n(催化劑)：n(乙醛)= 1：10,二惡烷為溶劑,堿是 DBU,pH8-9,反應溫度 60℃,反應時間 5h,在上述條件下,原料乙醛轉化率達到 90.5%,產物羥基丙酮選擇性達 87.6%,合成收率為 75.6%。

[1]李楠,季云娣,曾碧照,等.1,2-丙二醇空氣選擇氧化合成α -羥基丙酮和丙酮醛[J].化學世界,2008,(7)：421-423.

[2]姚日生,金友華.一氯丙酮酯化 -醇解法制備羥基丙酮[J].湖南化工,2000,30(6)：32-33.

[3] Liorta D C,VolrnerM.Organic Syntheses,Reaction Guide[M]. JohnW iley&Sons Inc,l991：568.

[4]王乃興.有機反應中的極性轉化方法[J].有機化學,2004, 24(3)：350-354.

TQ351.27+3

A

1003-3467(2010)10-0009-02

武建林(1964.3～),男,山西省呂梁市人,本科,工程師。