硫代乳酸清潔化合成工藝研究

張鵬 吳葵霞 齊鑫

山東省環境保護科學研究設計院 （山東濟南 250013）

硫代乳酸清潔化合成工藝研究

張鵬 吳葵霞 齊鑫

山東省環境保護科學研究設計院 （山東濟南 250013）

以2-氯丙酸為原料合成硫代乳酸2-巰基丙酸，并對反應影響因素進行探討，通過多次實驗，得到了能夠達到最大收率且成本較低的最優條件。實驗結果表明:反應介質pH值、取代反應時間、酸解反應時間、濃硫酸（或濃鹽酸）的用量、金屬粉的用量、取代反應的溫度、酸解反應的溫度對反應有明顯影響。當控制取代反應介質pH值近中性，取代反應的時間為5 h，酸解反應時間2.5 h，濃硫酸（或濃鹽酸）用量為1～1.5份（摩爾比，2-氯丙酸為1份），金屬粉用量為3～5份（同上）時，2-巰基丙酸的收率高達78%，純度大于98%（GC）。

硫代乳酸 合成 收率 濃度

硫代乳酸（2-巰基丙酸）是一種重要的有機合成原料，主要用于除草劑、塑化熱穩定劑及抗氧化劑的制備。目前其合成工藝可以概括為以下三種路線：丙烯腈路線、丙烯酸路線和2-氯丙酸路線。其中丙烯腈路線具有穩定性差、產品色度高等特點；丙烯酸路線具有對設備要求較嚴格、產率低等特點；2-氯丙酸工藝具有原料成本高、廢水產生量大、環境污染較嚴重等特點。本文采用2-氯丙酸與Na2S2O3反應，然后酸解得到硫代乳酸，該工藝污染物產生量小，生產成本較低，符合清潔化生產工藝的要求。

1 實驗儀器與試劑

1.1 儀器

電子天平、恒溫槽（HWS 220型恒溫水浴箱）、藥匙2個、100mL量筒1個、250mL燒杯2個、500 mL燒杯1個、玻璃棒1個、500 mL三口燒瓶1個、250mL恒壓滴液漏斗1個、250mL單口圓底燒瓶1個、150mL茄形瓶3個、250mL梨型分液漏斗1個、250mL錐形瓶1個、500mL抽濾平1個、布式漏斗1個、膠頭滴管2個、100℃溫度計1個、電加熱套1臺，機械攪拌器1臺，直型冷凝管，真空油泵，牛角管1個，蒸餾頭1個等。

1.2 試劑

工業級2-氯丙酸；2-氯丙酸（化學純）、五水硫代硫酸鈉（化學純）、濃硫酸（分析純）、無水碳酸鈉、還原金屬粉、有機溶劑（分析純），國藥集團化學試劑限公司；自來水；沸石。

2 實驗方法、步驟

2.1 實驗方法

500mL三口瓶中加入2-氯丙酸，水100mL，攪拌使其全部溶解；加入碳酸鈉調節pH值，加入五水硫代硫酸鈉；加熱到特定溫度，保溫；加入濃硫酸（或濃鹽酸），繼續保溫；加入一定量的金屬粉，約1 h加完，加完攪拌一段時間；冷卻到室溫，抽濾，濾液用有機溶劑萃取3次，常壓蒸除溶劑，真空蒸餾得無色液體即2-巰基丙酸。產品分析方法：采用N-2000氣相色譜儀測定產品純度，色譜條件為：色譜柱SE30，柱溫240℃，汽化室溫度240℃，檢測溫度200℃。實驗原理：

（1）主反應

Cl—CH2CH2COOH+Na2S2O3→

HOOCCH2CH2S2O3Na+NaCl

HOOCCH2CH2S2O3Na+H2SO4→

HS—CH2CH2COOH+NaHSO4+SO2+H2O

HOOCCH2CH2S—SCH2CH2COOH+Fe+H2SO4→HOOCCH2CH2SH+FeSO4

（2）副反應

HOOCCH2CH2S2O3Na+HS—CH2CH2COOH→HOOCCH2CH2S—SCH2CH2COOH

2.2 實驗步驟

（1）用電子天平準確稱量30 g 2-氯丙酸置于500mL圓底三口燒瓶中。

（2）用100mL量筒準確量取100 mL自來水置于500mL圓底三口燒瓶中。

（3）打開攪拌器，使2-氯丙酸和水混溶。

（4）用電子天平準確稱量定量的無水碳酸鈉。

（5）用藥匙一點點地向混合溶液中加入無水碳酸鈉，并隨即測定溶液的pH值。

（6）待溶液pH值達到特定值時停止加入無水碳酸鈉，用電子天平稱量剩余無水碳酸鈉的質量。

（7）開啟油浴加熱,設置特定溫度。

（8）達到設定溫度后,保溫反應一段時間。

（9）停止加熱，自然冷卻到室溫，用冰水混合物降溫。

（10）用電子天平準確稱量定量的濃硫酸（或濃鹽酸）。

（11）將濃硫酸(或濃鹽酸)放入250 mL的滴液漏斗中，打開滴液漏斗讓濃硫酸（或濃鹽酸）一滴一滴地緩慢加入到混合溶液中。

（12）移走冰水混合物，開啟油浴加熱并設定一定溫度。

（13）達到設定溫度后，保溫反應一段時間。

（14）降溫至特定溫度。

（15）用電子天平準確稱量定量的還原金屬粉，用藥匙緩慢加入到反應液中，約1 h加完。

（16）再升溫至特定溫度，保溫反應一段時間。

（17）停止加熱，繼續攪拌一段時間，停止攪拌，自然冷卻至室溫。

（18）用布式漏斗減壓抽濾。

（19）將濾液倒入梨形分液漏斗中，再倒入50 mL有機溶劑搖勻，靜止至分層，放出下層溶液至燒杯中，將上層清液倒入250mL單口圓底燒瓶中。

（20）重復萃取3次。

（21）搭建常壓蒸餾設備，常壓蒸除有機溶劑。

（22）用油泵減壓蒸餾，得到產品2-巰基丙酸。

（23）用氣相色譜儀檢測產品濃度。

3 結果與分析

3.1 實驗結果

（1）通過上述實驗流程合成出了目標產物2-巰基丙酸，采用氣質聯用色譜對其進行分析，結果見圖1。

圖1 常壓蒸餾后粗產品的氣質譜圖

由圖1可知第三個峰（即質子數/電荷數的比值為35時產生的峰）為目標產物2-巰基丙酸。

（2）優化條件：2-氯丙酸和水混合液的pH值調至近中性；2-氯丙酸與五水硫代硫酸鈉在80～90℃保溫反應5 h；加入1～1.5份（摩爾比，2-氯丙酸為1份）濃硫酸（或濃鹽酸），再升溫至50～90℃，保溫反應2.5 h；在20～40℃時緩慢加入3～5份還原金屬粉，再升溫至60～90℃，保溫1 h；自然冷卻至室溫，抽濾；用有機溶劑萃取3次，常壓蒸除溶劑，再減壓蒸餾得到2-巰基丙酸。采用氣相色譜對其進行檢測，色譜條件為色譜柱SE30，柱溫240℃，汽化室溫度240℃，檢測溫度200℃。

3.2 實驗分析

3.2.1 取代反應溶液pH值對反應產生的影響

取代反應溶液的pH值對2-巰基丙酸收率的影響結果見圖2。

圖2 取代反應溶液不同pH值對2-巰基丙酸收率的影響

當2-氯丙酸用量為30 g（0.127 65 mol）、五水硫代硫酸鈉用量為82 g（0.133 06mol）、取代反應時間為8 h、酸解反應時間為2 h、還原金屬粉用量為4.5份時，由圖2可以看出pH值大于7或是小于7時，2-巰基丙酸的收率都略低于pH值等于7時的收率。

3.2.2 取代反應時間對反應收率的影響

2-氯丙酸用量為30 g（0.127 65 mol）、五水硫代硫酸鈉用量為82 g（0.13306 mol）、取代反應溶液pH值為7、酸解反應時間為2 h、還原金屬粉用量為4.5份時，改變取代反應的時間，結果見圖3。

圖3 不同取代反應時間對2-巰基丙酸收率的影響

由圖3可知，隨著取代反應時間的延長，產品2 -巰基丙酸的收率逐漸提高。當取代反應的時間為5 h時，產品2-巰基丙酸的收率達到最高值。繼續延長取代反應時間，2-巰基丙酸的收率略微降低。

3.2.3 酸解反應時間對反應收率的影響

2-氯丙酸用量為30 g（0.12765mol）、五水硫代硫酸鈉用量為82 g（0.13306mol）、取代反應溶液pH值為7、取代反應時間為5 h、還原金屬粉用量為4.5份時，改變酸解反應的時間，結果見圖4。

圖4 不同酸解反應時間對2-巰基丙酸收率的影響

由圖4可知，隨著酸解反應時間的延長，2-巰基丙酸的收率逐漸提高。當酸解反應時間為2.5 h時，2-巰基丙酸的收率接近最高值。酸解反應時間大于2.5 h時，收率略有降低。造成這種現象的原因可能是因為2-巰基丙酸在酸性介質中易被氧化，當酸解時間大于2.5 h時，氧化副產物如硫代二丙酸和二硫代丙酸增加，而硫代二丙酸難以被還原金屬粉還原為2-巰基丙酸，從而使得產品收率下降。

3.2.4 濃硫酸（或濃鹽酸）用量對反應收率的影響

實驗以濃硫酸為例。當2-氯丙酸的用量為30g（0.127 65 mol）、五水硫代硫酸鈉的用量為82 g（0.133 06mol）、取代反應溶液的pH值為7、取代反應時間為5 h、酸解反應時間為2 h、還原金屬粉的用量為4.5份時，改變濃硫酸的量得到如圖5所示的實驗結果。

圖5 不同濃硫酸用量對2-巰基丙酸收率的影響

隨著濃硫酸用量的增多，產品2-巰基丙酸的收率逐漸提高。當濃硫酸的用量為110 g時，2-巰基丙酸的收率達到最高值，再繼續增加濃硫酸的用量，2-巰基丙酸的收率沒有明顯的提高。

3.2.5 還原金屬粉的用量對反應收率的影響

實驗以還原鐵粉為例，當2-氯丙酸的用量為30 g（0.127 65mol）、五水硫代硫酸鈉的用量為82 g（0.133 06mol）、取代反應溶液的pH值為7、取代反應時間為5 h、酸解反應時間為2 h時，改變還原鐵粉的用量時，得到如圖6所示的實驗結果。隨著還原鐵粉用量的增多，產品2-巰基丙酸的收率逐漸提高。當還原鐵粉的用量為37.5 g時，2-巰基丙酸的收率達到最高值，此后繼續增加還原鐵粉的用量，2 -巰基丙酸的收率沒有明顯的提高。

圖6 不同還原鐵粉用量對2-巰基丙酸收率的影響

4 結論

（1）優化條件：2-氯丙酸和水混合液的pH值調至近中性；2-氯丙酸與五水硫代硫酸鈉在80～90℃保溫反應5 h；加入1～1.5份（摩爾比，2-氯丙酸為1份）濃硫酸（或濃鹽酸），再升溫至50～90℃，保溫反應2.5 h；在20～℃時緩慢加入3～5份還原金屬粉，再升溫至60～90℃，保溫1 h；自然冷卻至室溫，抽濾；用有機溶劑萃取3次，常壓蒸除溶劑，再減壓蒸餾得到2-巰基丙酸。

（2）色譜條件：采用N-2000氣相色譜儀測定產品純度，色譜柱SE30，柱溫240℃，汽化室溫度240℃，檢測溫度200℃。

（3）通過上述優化條件和氣相色譜條件，2-巰基丙酸的收率高達78%，純度大于98%。

Study on Clean Synthesis Process of 2-Mercaptopropionic Acid

Zhang Peng Wu Kuixia Qi Xin

Taking 2-chloropropionic acid as raw material to synthesize 2-mercaptopropionic acid,discussed the influence factors of the reaction.Through several experiments,obtained the optimal conditions underwhich the yield wasmaximal and the costwas low.The experimental results showed that the acidity of reactionmedium,the reaction time of substitution,the reaction time of acid hydrolysis,the amount of concentrated sulfuric acid or concentrated hydrochloric acid,the amountofmetal powder,the reaction temperature of substitution and acid hydrolysis had significanteffects on the reaction. When the acidity of reaction medium was neutral,the reaction time of substitution was 5 h,the reaction time of acid hydrolysiswas 2.5 h,themolar ratio of concentrated sulfuric acid(hydrochloric acid)to 2-chloropropionic acid was 1～1.5, themolar ratio ofmetal powder to 2-chloropropionic acid was 3～5,the yield of 2-mercaptopropionic acid reached 78%, and its gas chromatography puritywas greater than 98%.

2-Mercaptopropionic acid;Synthesis;Yield;Concentration

（略）

TQ 226.65

2013年12月

張鵬 男 1980年生 工程師碩士研究生 2005年畢業于山東大學物理化學專業研究方向：環境影響評價