高效氯代法制備異戊烯醇

夏美芳，翟德偉，霍鴻飛，趙嘉偉，郭 佳

（浙江醫藥股份有限公司昌海生物分公司，浙江 紹興 312000）

異戊烯醇，中文名3-甲基-2-丁烯-1-醇，是一種重要的精細化工原料，主要用來合成維生素A[1-2]、維生素E[2-3]、檸檬醛[4]、高效低毒低殘留擬除蟲菊酯殺蟲劑[1,5-8]、橡膠及其他精細化學品[1,5]以及聚羧酸水泥減水劑[9]。因此對異戊烯醇合成技術的深入研究具有重要意義和應用價值。氯代法制備異戊烯醇見圖1。

圖1 氯代法制備異戊烯醇

1 異戊烯醇的合成方法簡介

傳統異戊烯醇的合成方法可以分為以下幾種：

（1）2-丁炔酸衍生物和金屬有機氧化物發生加成反應[10-11]，然后在催化劑催化下高壓加氫分解羧酸得到異戊烯醇。由于羧基比羰基更難氫化還原，反應條件比較苛刻，需要在200 ℃～300 ℃和20～30 MPa 的條件下才能進行。

（2）氯代法[12-14]。此反應以異戊二烯和氯化氫為原料，得到4-氯-2-甲基-1-丁烯，接著在乙酸鈉水溶液中制得異戊烯醇乙酸乙酯，最后經皂化或者酯化交換制得異戊烯醇，收率達到80%。目前，此方法氯代過程中會產生約10%的非目標產物3-氯代異戊烯，致使收率較低。此方法反應條件溫和，設備要求低，如果能改進工藝提高收率,并且解決精餾過程中氯代異戊烯對設備腐蝕非常嚴重等問題，用此路線合成的異戊烯醇將具有更大的市場競爭力。

（3）以丙酮為原料，通過羥醛縮合，再經過脫水制得4-甲基-3 戊烯-2-酮，進一步與鹵仿反應得到3-甲基-2-丁烯酸，最后將3-甲基-2-丁烯酸酰氯化，用硼氫化鈉還原得到異戊烯醇。此反應條件溫和，但工藝路線相對較長，工藝較復雜，并且所用試劑價格昂貴，成本較高[15]。

（4）乙炔和丙酮在堿性條件下反應生成乙炔基異丙醇，接著采用鈀碳催化劑催化乙炔基異丙醇加氫制得2-甲基-3-丁烯-2-醇，最后在催化劑作用下通過異構化得到異戊烯醇[16-17]，見圖2。此法工藝路線較長，工藝復雜，難以大規模工業化生產。

圖2 乙炔丙酮法制備異戊烯醇

（5）普林斯(Prins)縮合法[18-22]。采用甲醛和異丁烯為原料，先通過普林斯反應制得3-甲基-3-丁烯-1-醇，接著3-甲基-3-丁烯-1-醇經過催化異構得到異戊烯醇，見圖3。此方法工藝路線相對較短，兩步反應選擇性都比較高，工藝也比較成熟，原子經濟性高。但是第一步產物3-甲基-3-丁烯-1-醇需要在高溫高壓條件下合成，反應條件非常苛刻，對設備要求比較高，投資大，具有一定的安全風險。

圖3 普林斯縮合反應法制備異戊烯醇

2 實驗部分

在前人工作的基礎上，本研究用異戊二烯和2-甲基-3-丁烯-2-醇混合物作為原料，氯代后不精餾分離，酯化和堿解后得到異戊烯醇和2-甲基-3-丁烯-2-醇。2-甲基-3-丁烯-2-醇經過分離后循環套用，并將堿解生成的乙酸鈉也回收套用。通過改進提高了產品異戊烯醇的收率，同時大大減少固廢的排放，降低生產異戊烯醇的原料成本，實現了綠色化合成異戊烯醇。

2.1 實驗試劑

實驗原料及試劑見表1。

表1 實驗原料及試劑

2.2 實驗過程

將90 g 異戊二烯和10 g 2-甲基-3-丁烯-2-醇投入1000 mL 三口瓶中，再投入100 g 溶劑甲苯，充分攪拌混合均勻后，降溫至-10 ℃，開始緩慢滴加400 mL 濃度為36%～38%的濃鹽酸，大約0.5 h 滴加完；保溫反應5 h 后停止反應，靜置分層。水層通氯化氫形成濃鹽酸下次套用。將有機層干燥后置于500 mL 三口瓶中，加入一定量的無水乙酸鹽和1.5 g 四乙基溴化銨，于100 ℃下反應6 h，冷卻后過濾分離出有機層中的固體氯化鈉。向酯化物中加入120 mL 濃度為30%的NaOH溶液，在75 ℃下堿解3 h。冷卻后分液，精餾有機層分離出異戊烯醇、異丁烯和甲苯，異丁烯和甲苯套用。蒸發堿解反應水層的水，結晶回收乙酸鈉，循環套用到下一批酯化反應中。

產物的定量、定性分析采用安捷倫7890A 氣相色譜儀：HP-5 型色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），高純氮氣作載氣，FID 檢測器，汽化室溫度：250 ℃，檢測器溫度：280 ℃。程序升溫：初始溫度30 ℃，保持2 min，以10 ℃/min 升溫至160 ℃，保持5 min。面積歸一法計算相關結果。

3 實驗結果與討論

3.1 反應溫度和時間對氯化反應的影響

從表2 中可以看出，反應溫度在-15 ℃～-10℃之間，反應速度較慢，隨溫度升高，反應速度加快，異戊二烯反應完全所需的時間縮短；在-15 ℃～ -10 ℃時目標產物1-氯-3-甲基-2-丁烯選擇性約為92.4%。當反應溫度大于-10 ℃，異戊二烯反應完全時，隨溫度升高，目標產物1-氯-3-甲基-2-丁烯的選擇性下降明顯。這是由于反應溫度高反應速度快，1-氯-3-甲基-2-丁烯或者3-氯-3-甲基-1-丁烯中雙鍵很容易進一步加成生成二氯代副產物，反應程度不易于把握。因此在氯化過程中控制合適的反應溫度和時間是非常必要的。

表2 溫度和時間對氯代反應的影響a

3.2 有機酸鹽對酯化反應的影響

從表3 中可以看出，無水乙酸鈉的投料量要適當大于異戊二烯的量，1-氯-3-甲基-2-丁烯才能反應完全。這可能是由于一部分1-氯-3-甲基-2-丁烯由2-甲基-3-丁烯-2-醇氯化得到，另外雜質二氯代物酯化也需要消耗無水乙酸鈉。當無水乙酸鈉摩爾投料量約為異戊二烯的1.3 倍時，1-氯-3-甲基-2-丁烯的轉化率為99.9%，選擇性基本高于98.5%。實驗3、實驗4 和實驗5 對比可以看出，當有機酸鹽分別為無水乙酸鈉和無水乙酸鉀時，1-氯-3-甲基-2-丁烯的轉化率和目標產物的選擇性基本一致，而選用無水甲酸鈉作為有機酸鹽時，1-氯-3-甲基-2-丁烯的轉化率較前兩者低，因為乙酸根比甲酸根親核性強，乙酸鈉和1-氯-3-甲基-2-丁烯酯化反應更快。實驗3、實驗8 和實驗9 對比可以看出，反應溫度對目標產物異戊烯酯的選擇性也有一定的影響，因此選擇合適的酯化溫度是有必要的。

表3 不同有機酸鹽對酯化反應的影響a

3.3 堿濃度和溫度對堿解反應的影響

前面合成的乙酸異戊烯酯過濾之后，加入一定濃度的堿溶液，在75 ℃下攪拌水解，無乙酸異戊烯酯時停止反應，有機層精餾分離出套用組分及產品異戊烯醇，水層蒸發結晶回收無水乙酸鈉。考察了NaOH 的濃度和用氫氧化鉀作為堿時對堿解反應的影響，具體結果見表4。

對比表4 中實驗1～5 可以看出，當NaOH 的濃度較低時，乙酸異戊烯酯能夠全部堿解生成異戊烯醇，但是反應液中的3-氯-3-甲基-1-丁烯只能部分水解生成2-甲基-3-丁烯-2-醇，可能是因為堿性不夠，3-氯-3-甲基-1-丁烯中的氯較難取代，只有部分水解生成2-甲基-3-丁烯-2-醇。隨著NaOH 濃度的升高，3-氯-3-甲基-1-丁烯的轉化率增大，當NaOH 濃度升至30%時，3-氯-3-甲基-1-丁烯基本完全水解。而異戊烯醇和2-甲基-3-丁烯-2-醇的選擇性都隨堿濃度升高有所降低，這可能是由于當堿濃度較大時少量的氯代物會發生脫HCl 的副反應，生成的不飽和醇會發生脫水的副反應使異戊烯醇和2-甲基-3-丁烯-2-醇的選擇性降低。實驗3 和實驗6 對比可以看出，使用NaOH 和KOH 作堿效果相差不大。實驗3、7 和8 對比可以看出，溫度對此反應也有一定的影響。

表4 NaOH 濃度和不同堿對堿解反應的影響a

3.4 反應工藝對異戊烯醇收率和選擇性的影響

不同工藝對異戊烯醇收率和選擇性影響的實驗結果如圖4 所示，采用本文改進方法得到異戊烯醇的收率為91.4%，遠高于傳統工藝異戊烯醇的收率，而且選擇性也略高。其主要原因是在氯化過程中2-甲基-3-丁烯-2-醇和鹽酸反應生成的3-氯-3-甲基-1-丁烯對于異戊二烯和鹽酸加成生成副產物3-氯-3-甲基-1-丁烯的反應有一定抑制作用，從而使異戊二烯在氯化過程中生成更多的目標產物1-氯-3-甲基-2-丁烯，大大提高了目標產物的收率。異戊二烯和2-甲基-3-丁烯-2-醇氯化反應見圖5。

3.5 2-甲基-3-丁烯-2-醇和無水乙酸鈉循環套用分別對異戊烯醇和乙酸異戊烯酯收率的影響

圖4 不同反應工藝對異戊烯醇收率和選擇性的影響

圖5 異戊二烯和2-甲基-3-丁烯-2-醇氯化反應

本文還進一步研究了2-甲基-3-丁烯-2-醇和無水乙酸鈉循環套用對最終產品和乙酸異戊烯酯收率的影響。兩者均套用5 次，實驗結果如圖6 和圖7 所示。改進工藝采用90 g 異戊二烯+10 g 2-甲基-3-丁烯-2-醇的投料方式，前一次得到的2-甲基-3-丁烯-2-醇和無水乙酸鈉套用到下一次反應中，即實現了3-氯-3-甲基-1-丁烯堿解生成的2-甲基-3-丁烯-2-醇和無水乙酸鈉的循環套用。每次反應得到最終產物異戊烯醇和乙酸異戊烯酯的收率分別穩定在91.5%和98%左右。循環套用對工藝穩定性無影響，異戊烯醇相對于異戊二烯的收率有了明顯的提高，而且還大大減少了固廢，使氯代法制備異戊烯醇的工藝更加綠色環保。

圖6 2-甲基-3-丁烯-2-醇循環套用對異戊烯醇收率的影響

圖7 無水乙酸鈉套用對乙酸異戊烯酯收率的影響

4 結論

本文在傳統異戊二烯氯化法制備異戊烯醇工藝基礎上進行改進，即采用添加2-甲基-3-丁烯-2-醇為助劑，提高異戊二烯的轉化率，經過酯化、堿解最終得到異戊烯醇，收率為91.4%，遠高于傳統工藝80.7%的收率，而且選擇性也略高。在親電氯化反應中，2-甲基-3-丁烯-2-醇和鹽酸反應生成的3-氯-3-甲基-1-丁烯抑制了異戊二烯和鹽酸加成生成3-氯-3-甲基-1-丁烯副反應的進行，從而大大提高了目標產物的收率。3-氯-3-甲基-1-丁烯經過堿解又生成2-甲基-3-丁烯-2-醇，可以循環套用。循環套用5 次，最終產物異戊烯醇相對于異戊二烯的收率基本穩定在91%～92%之間。將堿解反應生成的乙酸鈉回收循環套用，套用5 次，乙酸異戊烯酯收率基本穩定在98%。改進工藝不僅使副產物3-氯-3-甲基-1-丁烯得到了有效的綜合利用，而且還對工藝中產生的乙酸鈉回收套用，大大減少了固廢的排放，提高了原料的原子經濟性，使工藝更加綠色環保。