本發(fā)明涉及一種γ-氯丁酸甲酯的合成方法，特別是以γ-丁內(nèi)酯為起始原料的合成方法。
背景技術(shù)：
γ-氯丁酸甲酯(s-1)是合成環(huán)丙胺的重要中間體，而環(huán)丙胺則是喹諾酮類抗菌劑、殺蟲(chóng)劑、農(nóng)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)氯化亞砜開(kāi)環(huán)酯化法。專利CN101693660A、顧曉波等人(環(huán)丙胺的合成工藝研究[D].南京理工大學(xué),2005.)均利用氯化亞砜與醇為γ-丁內(nèi)酯開(kāi)環(huán)、酯化試劑來(lái)制備γ-丁酸酯。專利CN1125715報(bào)道了利用氯化鋅-氯化銅催化氯化亞砜與γ-丁內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)反應(yīng)。該方法最大的缺點(diǎn)是氯化亞砜原子經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境友好性極差，會(huì)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(kāi)環(huán)酯化法。專利US3711549報(bào)道，高壓(2MPa)高溫(120℃)以無(wú)水氯化鋅為催化劑，氯化氫氣體與γ-丁內(nèi)酯進(jìn)行開(kāi)環(huán)反應(yīng)生成γ-氯丁酸。γ-氯丁酸與甲醇進(jìn)行酯化反應(yīng)可生成γ-氯丁酸甲酯。該工藝最大的缺點(diǎn)是反應(yīng)需分兩步進(jìn)行，第一步開(kāi)環(huán)反應(yīng)需要高壓設(shè)備，反應(yīng)溫度高，設(shè)備投資費(fèi)用大。
(3)文獻(xiàn)(Noyce D S,Canfield J H.The Configuration of α-Methoxyadipic Acid[J].J.am.chem.soc,1954(14):3630-3632.)報(bào)道了常壓氯化氫開(kāi)環(huán)酯化法，具體反應(yīng)條件如下：γ-丁內(nèi)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(yīng)48小時(shí)后，反應(yīng)液經(jīng)冰水洗、分液、萃取、堿洗、干燥、精餾后可得γ-丁酸乙酯，收率91％。由于該方法的乙醇用量大大過(guò)量，導(dǎo)致反應(yīng)物濃度較小，反應(yīng)速率慢，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)48小時(shí)。此外，受化學(xué)平衡影響，溫度越高原料γ-丁內(nèi)酯的最大轉(zhuǎn)化率越低。乙醇與氯化氫用量大大過(guò)量導(dǎo)致精餾回收乙醇、未反應(yīng)氯化氫的回收負(fù)荷大。該方法中，如果減少乙醇的用量，產(chǎn)物γ-丁酸乙酯的收率會(huì)明顯降低。該方法中，如果降低反應(yīng)溫度，產(chǎn)物γ-丁酸乙酯的最終收率雖然會(huì)有所提高，但反應(yīng)時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)。
(4)專利CN102898307A報(bào)道了利用三氯化磷作γ丁內(nèi)酯開(kāi)環(huán)試劑的工藝，但該工藝仍存在原子經(jīng)濟(jì)性低、環(huán)境友好性差的缺點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高原子經(jīng)濟(jì)性合成γ-氯丁酸甲酯的方法，其具有原子經(jīng)濟(jì)性高、環(huán)境友好性、反應(yīng)效率高、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)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(nèi)酯和甲醇混合后降溫至-5℃～0℃，先通入首次的氯化氫氣體至飽和，然后進(jìn)行-5℃～0℃的保溫反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為24～32小時(shí)；反應(yīng)期間，補(bǔ)充通入氯化氫氣體(例如為3次)；所述γ-丁內(nèi)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(bǔ)充通入氯化氫的用量之和；
備注說(shuō)明：首次通入氯化氫氣體至飽和，隨著反應(yīng)不斷消耗氯化氫，反應(yīng)體系變?yōu)椴伙柡蜖顟B(tài)，這時(shí)需要補(bǔ)充通入氯化氫；
2)、將步驟1)所得反應(yīng)液進(jìn)行真空旋蒸，從而蒸出反應(yīng)中過(guò)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℃的冷甲醇吸收后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(jìn)行減壓精餾，得γ-氯丁酸甲酯。
作為本發(fā)明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的改進(jìn)，該方法還包括步驟4)：
4)、循環(huán)反應(yīng)：
于-5℃～0℃，在步驟2)所得的氯化氫甲醇溶液中加入補(bǔ)充的甲醇、加入γ-丁內(nèi)酯、通入首次的氯化氫氣體至飽和，然后進(jìn)行-5℃～0℃的保溫反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為24～32小時(shí)；反應(yīng)期間，補(bǔ)充通入氯化氫氣體(例如為3次)；所述γ-丁內(nèi)酯、甲醇總量(循環(huán)反應(yīng)甲醇總量)、氯化氫總量(循環(huán)反應(yīng)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(huán)反應(yīng)甲醇總量)是指氯化氫甲醇溶液中的甲醇與補(bǔ)充的甲醇的用量之和；
所述氯化氫總量(循環(huán)反應(yīng)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(bǔ)充通入氯化氫的用量之和；
將所得的反應(yīng)液重復(fù)進(jìn)行上述步驟2)和步驟3)。
作為本發(fā)明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的進(jìn)一步改進(jìn)：
所述步驟1)中，補(bǔ)充通入氯化氫氣體時(shí)采用分批通入的方式。
一般，每隔一段相同的時(shí)間補(bǔ)充通入氯化氫氣體。
作為本發(fā)明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的進(jìn)一步改進(jìn)：
所述步驟1)中，補(bǔ)充通入氯化氫氣體時(shí)分3次通入。
作為本發(fā)明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的進(jìn)一步改進(jìn)：
所述步驟2)中，利用上一次循環(huán)反應(yīng)中真空旋蒸所得、且被降溫至-5℃～0℃的冷甲醇，對(duì)本次循環(huán)反應(yīng)中真空旋蒸所得的氯化氫氣體(未冷凝的氯化氫氣體)進(jìn)行吸收；然后經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥，所得的氯化氫甲醇溶液得以循環(huán)利用。
備注說(shuō)明：真空旋蒸所得的氯化氫氣體中含有水，因此需要后續(xù)的無(wú)水硫酸鈉干燥。
作為本發(fā)明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的進(jìn)一步改進(jìn)：
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(fā)明的步驟4)的循環(huán)反應(yīng)中，是以步驟2)所得的氯化氫甲醇溶液同時(shí)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，再重復(fù)上述步驟1)～步驟3)的反應(yīng)及精餾，即，循環(huán)反應(yīng)中所對(duì)應(yīng)的合成步驟，其反應(yīng)溫度、時(shí)間均等同于原始的步驟1)的合成。
在本發(fā)明的步驟2)中，由于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(duì)未冷凝的氯化氫氣體進(jìn)行吸收，所得氯化氫甲醇溶液經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥后可循環(huán)利用；回收的甲醇可用于吸收氯化氫氣體。
在本發(fā)明中，將反應(yīng)溫度降低至-5℃～0℃，能夠促進(jìn)反應(yīng)平衡正向進(jìn)行，提高開(kāi)環(huán)酯化反應(yīng)限度，從而提高γ-丁內(nèi)酯的最高轉(zhuǎn)化率。
在本發(fā)明中，補(bǔ)充的氯化氫氣體采用分批通入的方式，保證反應(yīng)體系中的氯化氫維持較高的濃度，從而縮短反應(yīng)時(shí)間。
本發(fā)明合成γ-氯丁酸甲酯的反應(yīng)方程式如下:
采用本發(fā)明的方法合成γ-氯丁酸甲酯具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
(1)該方法原子經(jīng)濟(jì)性高，具有環(huán)境友好性的優(yōu)點(diǎn)；
(2)該方法實(shí)現(xiàn)了溫和條件下一鍋法合成γ-氯丁酸甲酯，設(shè)備投資小，后處理簡(jiǎn)單；
(3)該方法甲醇用量及氯化氫用量少，且實(shí)現(xiàn)了未反應(yīng)的甲醇與氯化氫的回收利用。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此。
實(shí)施例1、一種γ-丁酸甲酯的合成方法，依次進(jìn)行以下步驟：
1)、向裝有溫度計(jì)、磁力攪拌的250mL三口燒瓶中加入γ-丁內(nèi)酯86.0g(1.0mol)，無(wú)水CH3OH 48.0g(1.5mol)，降溫至0℃。緩慢攪拌(轉(zhuǎn)速約為60r/min)下，向上述溶液中通入干燥HCl氣體，直至溶液飽和(此時(shí)，HCl的用量為1.8mol)。保溫反應(yīng)24小時(shí)，反應(yīng)期間補(bǔ)充通入3次(間隔時(shí)間相等)氯化氫氣體至反應(yīng)液飽和(補(bǔ)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(yīng)液進(jìn)行真空旋蒸(真空度0.08MPa，溫度30.0℃)，蒸出過(guò)量的甲醇14.4g(0.4mol)與氯化氫。
利用-5℃～0℃的冷CH3OH 35.2g(1.1mol)對(duì)上述未冷凝的HCl氣體進(jìn)行吸收，共回收HCl氣體45g(1.2mol)，所得HCl-CH3OH溶液經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥后可用于下一批次反應(yīng)。
3)、對(duì)步驟2)真空旋蒸所得的旋蒸釜底液進(jìn)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(chǎn)品133g，收率98.1％，純度99.1％。
4)、循環(huán)反應(yīng)：
于-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(bǔ)充的甲醇0.4mol，加入γ-丁內(nèi)酯1.0mol、通入氯化氫氣體至飽和(HCl的用量為0.6mol)，保溫反應(yīng)24小時(shí)，反應(yīng)期間補(bǔ)充通入3次(間隔時(shí)間相等)氯化氫氣體至反應(yīng)液飽和(補(bǔ)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(yīng)液重復(fù)進(jìn)行上述步驟2)和步驟3)。
得γ-丁酸甲酯產(chǎn)品，收率98.0％，純度99.2％。
說(shuō)明：上述步驟4)所述的“循環(huán)反應(yīng)”重復(fù)進(jìn)行4次后，所得γ-丁酸甲酯的收率為97.9％，純度99.2％。
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，我們得知：甲醇與氯化氫循環(huán)利用并未影響最終產(chǎn)品收率及產(chǎn)品純度。
改變實(shí)施例1中的甲醇用量、氯化氫用量、反應(yīng)溫度，其余步驟等同于實(shí)施例1的步驟1)～步驟3)，分別得到實(shí)施例2～實(shí)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
注：1)實(shí)施例1～實(shí)施例7所得的產(chǎn)品中環(huán)γ-氯丁酸甲酯含量≥99.0％。
2)實(shí)施例1～實(shí)施例7中，時(shí)停止反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間24h～32h。
對(duì)比例1-1、將實(shí)施例1步驟1)中的溫度由“0℃”改成“室溫(20℃)”，其余等同于實(shí)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(duì)比例1-2、將實(shí)施例1步驟1)中的溫度由“0℃”改成“-15℃”，其余等同于實(shí)施例1的步驟1)～步驟3)。該溫度下，需要反應(yīng)52小時(shí)，才能達(dá)到γ丁內(nèi)酯含量小于1％，收率為98.5％。
對(duì)比例2、將實(shí)施例1中的無(wú)水CH3OH由“1.5mol”改成“10.6mol”，緩慢攪拌下，向溶液中通入干燥HCl氣體，直至溶液飽和(此時(shí)，HCl的用量為12.7mol)。保溫反應(yīng)24小時(shí)，期間補(bǔ)充通入3次氯化氫氣體至飽和；其余等同于實(shí)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(guò)多，導(dǎo)致步驟2)中回收甲醇負(fù)荷增加。
對(duì)比例3、將實(shí)施例1中的“先通入首次的氯化氫氣體至飽和，期間補(bǔ)充通入3次氯化氫氣體至反應(yīng)液飽和，氯化氫通入量共2.5mol”改成“首次時(shí)直接通入2.5mol氯化氫氣體，反應(yīng)過(guò)程中不再補(bǔ)充氯化氫氣體”；其余等同于實(shí)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％。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。