CN101125847B - 一种一氯碳酸乙烯酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种一氯碳酸乙烯酯的制备方法，该方法包括使碳酸乙烯酯和硫酰氯在引发剂存在下接触反应，其中，所述引发剂为2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰。用本发明提供的方法制备一氯碳酸乙烯酯的收率高达93％以上、产物易分离提纯，且纯度高达98％。而且，由于硫酰氯的毒性远低于四氯化碳的毒性，对设备要求相对要低很多，同时也更加安全，因而适合工业上大规模生产的需要。
Description
技术领域
本发明是关于一种一氯碳酸乙烯酯的制备方法，尤其是关于一种以碳酸乙烯酯为原料制备一氯碳酸乙烯酯的方法。
技术背景
锂离子二次电池是本世纪90年代新发展起来的绿色能源，以其高可逆容量、高电压、高循环性能和高能量密度等优异性能而备受世人青睐，被称为20世纪的主导电源，其应用领域不断扩大。循环性能是衡量锂离子二次电池的一个重要指标，在电解液中添加一定量的一氯碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯等物质可以促进SEI膜的形成，增强锂离子二次电池的循环性能。
J.Am.Chem.Soc.，1955，77，3789-3793和CN 1733756A均公开了一种一氯碳酸乙烯酯的制备方法，该方法包括在四氯化碳溶剂存在下，在紫外光催化下将碳酸乙烯酯进行氯化，制备一氯碳酸乙烯酯。该方法制备一氯碳酸乙烯酯收率高，纯度好。但是，四氯化碳是一种强挥发性溶剂，常压下的沸点仅为76.8℃，蒸气压为15.26千帕(25℃)，并且遇火或炽热物可分解为氯化氢、光气和氯气等毒性更强的气体。长期反复接触四氯化碳，可有头晕、乏力、失眠、记忆力减退、食欲不振、恶心、腹泻、腹痛、肝功能异常以及肺水肿等症状。严重者可发展为门脉性肝硬化。而且乙醇可促进四氯化碳的吸收，加重中毒症状。根据IARC1972及1979年资料表明，四氯化碳被列为“对人类有致癌可能”的一类化学物质。而且根据《蒙特利尔议定书》，四氯化碳将被逐步淘汰在工业和实验上的应用。
后来也有关于不用溶剂而直接在紫外光催化下将碳酸乙烯酯粉末进行氯化制备一氯碳酸乙烯酯的工艺研究报道，但发现在没有溶剂存在的情况下，由于反应不均匀，导致一氯碳酸乙烯酯的收率非常低，没有工业应用前景。关于用其它溶剂如乙醚、乙醇等溶剂替代四氯化碳作为氯化反应溶剂的研究，也有人进行了这方面的研究，但都因为一氯碳酸乙烯酯产物的收率低而不能进入工业生产。
另外，南京理工大学的孙浩、蔡春在“石油化工”，2005，34(10)，977-979中公开了一种一氯碳酸乙烯酯的制备方法，该方法包括以偶氮二异丁腈作为引发剂将碳酸乙烯酯和硫酰氯在90℃温度下反应1-1.5小时，碳酸乙烯酯、硫酰氯和偶氮二异丁腈的摩尔比为1∶1.25∶0.002，一氯碳酸乙烯酯的收率较低，仅为65％。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中一氯碳酸乙烯酯的制备方法制备一氯碳酸乙烯酯产品收率低的缺点，提供一种一氯碳酸乙烯酯产品收率高的一氯碳酸乙烯酯的方法。
本发明提供了一种一氯碳酸乙烯酯的制备方法，该方法包括使碳酸乙烯酯和硫酰氯在引发剂存在下接触反应，其中，所述引发剂为2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰。
本发明提供的方法由于采用2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰为引发剂，因而大大提高了一氯碳酸乙烯酯产品的收率，且反应速度非常快。用本发明提供的方法制备一氯碳酸乙烯酯的收率高达93％以上，远远高于采用偶氮二异丁腈作为引发剂的最佳条件下获得的64.6％的收率，而且产物易分离提纯，纯度高达98％。此外，由于硫酰氯的毒性远低于四氯化碳的毒性，对设备要求相对要低很多，同时也更加安全，因而适合工业上批量生产一氯碳酸乙烯酯。用本发明提供的方法制得的一氯碳酸乙烯酯可以作为提高锂离子电池循环性能的电解液添加剂，亦可作为合成碳酸亚乙烯酯的原料。
具体实施方式
本发明中，所述引发剂2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰(DCBP)为具有下述结构式(I)的过氧化物：
所述引发剂可以是工业纯或分析纯DCBP。
所述硫酰氯为具有下述结构式(II)的硫化物：
本发明对所述硫酰氯的纯度没有特别的限制，可以是工业纯或分析纯的硫酰氯。所述碳酸乙烯酯原料可以市售得到，也可以采用已知的各种方法制备得到。
本发明所述的制备一氯碳酸乙烯酯的方法可以通过下述化学反应式(III)来表示：
在上述反应中，对所述引发剂的加入量没有特别的限定，为常规引发剂的用量即可。硫酰氯和碳酸乙烯酯可以按化学计量比加料，也可以加入过量的硫酰氯，还可以加入过量的碳酸乙烯酯，为了使反应比较彻底，通常使其中一种过量，考虑到硫酰氯原料易得且反应后容易从产物中除去，因此优选硫酰氯过量。优选情况下，所述2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰、硫酰氯和碳酸乙烯酯的重量比为(0.001-0.05)∶(1-2)∶1，更优选为(0.001-0.0075)∶(1-2)∶1。
本发明对上述引发剂、碳酸乙烯酯、硫酰氯的加入顺序没有特别的要求，可以先将碳酸乙烯酯和硫酰氯加入反应器中，然后再加入引发剂进行反应；也可以先将碳酸乙烯酯与引发剂混合，然后再与硫酰氯反应。
本发明人发现，通过在至少部分硫酰氯与碳酸乙烯酯接触后再将2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰加入到碳酸乙烯酯中反应，得到的反应产物中一氯碳酸乙烯酯的收率和纯度比其它加料顺序的更高。因此，本发明优选碳酸乙烯酯、硫酰氯和2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰的加入顺序为在至少部分硫酰氯与碳酸乙烯酯接触后再将2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰加入到碳酸乙烯酯中。
为了减少二氯代产物的生成，本发明优选将硫酰氯慢慢加入到含有碳酸乙烯酯和引发剂的反应体系中，硫酰氯的加入速度通常根据反应物的量有所不同，优选硫酰氯的加入速度为每分钟(0.5-5)毫升/100毫升反应液。
由于DCBP在常温下是固体，不易溶于碳酸乙烯酯中，因此优选先用少量溶剂将DCBP溶解后，再加入到碳酸乙烯酯中。所述溶剂可以是各种能将DCBP溶解的溶剂，优选为苯、甲苯、二甲苯中的一种。本发明尤其优选DCBP以其苯溶液的形式加入到碳酸乙烯酯中。溶剂的加入量使DCBP全部溶解即可。对于少量的DCBP，为了便于实验操作，例如，可以将0.2-2.0克DCBP溶解在50-100毫升溶剂中。优选将所述2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰的苯溶液缓慢滴加到碳酸乙烯酯中。
尽管在DCBP引发剂存在下，上述反应在常温下即可进行，但优选情况下，为了加速反应的进行，本发明具体实施方式中优选反应在50-100℃下进行，更优选在60-70℃下进行。氯化反应的时间优选为2-6小时，更优选为3-4小时。反应时间太短，反应转化率较低；反应时间过长，对氯化反应并无明显益处，且二氯代的产物会增加。
为了使反应更均匀，优选使反应在搅拌条件下进行。对搅拌的速度没有特别限定，优选使反应物料呈涡流状流动。
由于碳酸乙烯酯和硫酰氯对湿气非常敏感，为了尽量减少碳酸乙烯酯和/或硫酰氯的分解和避免其它可能存在的副反应的发生，本发明优选使反应在惰性气体保护下进行上述反应。所述惰性气体是指不与反应物和产物发生作用的任何气体中的一种或几种，如氮气、元素周期表零族气体中的一种或几种。优选的惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种或几种。更优选为干燥氮气、氦气、氩气中的一种或几种。
根据本发明提供的制备方法，还可以包括对接触反应后的产物进行分离提纯。可以用各种方法对反应产物进行分离提纯，例如所述方法可以选自蒸馏、柱层析、薄层层析、液相色谱、高效液相色谱、气相色谱。所述蒸馏可以是减压蒸馏或常压蒸馏，本发明具体实施方式中优选使用减压蒸馏的方法对产物进行分离提纯。
下面的实施例将对本发明作进一步的说明。实施例中，采用色质联用(GC-MS)和WXY(C2WAJ)型阿贝折光仪，对产物中的一氯碳酸乙烯酯定性分析，并分析其纯度。所述色质联用型号为惠普公司生产的hp6890-5973。色质联用的测试参数如下：
毛细管柱：HP-5MS；
升温程序：37℃维持1.5分钟，然后以5℃/分钟的升温速度升温至80℃并保持2.0分钟，然后再以20℃/分钟的升温速度升温至280℃并维持8.0分钟；
进样量：0.2微升，分流比：50.0∶1；
进样口温度：200℃；
电子电离源：70电子伏特。
实施例中收率指一氯碳酸乙烯酯的实际产量与理论产量的百分比。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的一氯碳酸乙烯酯的制备方法。
将100克碳酸乙烯酯加入到装有搅拌器的500毫升四口圆底烧瓶中，将圆底烧瓶放入水浴中，然后向装置中缓慢通入干燥氮气10分钟，加热水浴使烧瓶内的温度上升至50℃时，在搅拌下开始滴加158.5克硫酰氯，滴加20毫升硫酰氯后再同时将溶解在50毫升苯中的1.08克DCBP滴加到四口圆底烧瓶中，滴加速度均为1.5毫升/分钟，反应3小时后将上述反应液转至500毫升单口烧瓶中进行减压蒸馏，收集体系压力为3毫米汞柱、温度为88-92℃的无色馏分140克。将所得140克无色馏分进行二次蒸馏，得到132.1克压力为3毫米汞柱下，馏程为89-90℃无色馏分。该无色馏分20℃下的折射率为nd＝1.4533(文献值：1.4531)，质谱上显示87最强峰(打掉氯后的碎片的离子峰)以及122、125的分子离子峰，且122与125两分子离子峰的强度比约为3∶1，证明反应制得的产物为一氯碳酸乙烯酯。一氯碳酸乙烯酯的收率为95.3％，纯度为99.1％。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的一氯碳酸乙烯酯的制备方法。
将100克碳酸乙烯酯加入到装有搅拌器的500毫升四口圆底烧瓶中，将圆底烧瓶放入水浴中，然后向装置中缓慢通入干燥氩气10分钟，加热水浴使烧瓶内的温度上升至90℃时，在搅拌下开始滴加288.5克硫酰氯，滴加20毫升硫酰氯后再同时将溶解在50毫升苯中的0.88克DCBP滴加到四口圆底烧瓶中，滴加速度均为4.5毫升/分钟，反应3小时后将上述反应液转至500毫升单口烧瓶中进行减压蒸馏，收集体系压力为3毫米汞柱、温度为88-92℃的无色馏分141克。将所得141克无色馏分进行二次蒸馏，得到130.1克压力为3毫米汞柱下，馏程为89-90℃无色馏分。该无色馏分20℃下的折射率为nd＝1.4533(文献值：1.4531)，质谱上显示87最强峰(打掉氯后的碎片的离子峰)以及122、125的分子离子峰，且122与125两分子离子峰的强度比约为3∶1，证明反应制得的产物为一氯碳酸乙烯酯。一氯碳酸乙烯酯的收率为93.8％，纯度为97.9％
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的一氯碳酸乙烯酯的制备方法。
将100克碳酸乙烯酯加入到装有搅拌器的500毫升四口圆底烧瓶中，将圆底烧瓶放入水浴中，然后向装置中缓慢通入干燥氦气10分钟，加热水浴使烧瓶内的温度上升至100℃时，在搅拌下开始滴加188.5克硫酰氯，滴加20毫升硫酰氯后再同时将溶解在50毫升苯中的2.16克DCBP滴加到四口圆底烧瓶中，滴加速度均为2.5毫升/分钟，反应3小时后将上述反应液转至500毫升单口烧瓶中进行减压蒸馏，收集体系压力为3毫米汞柱、温度为88-92℃的无色馏分135克。将所得135克无色馏分进行二次蒸馏，得到130.0克压力为3毫米汞柱下，馏程为89-90℃无色馏分。该无色馏分20℃下的折射率为nd＝1.4533(文献值：1.4531)，质谱上显示87最强峰(打掉氯后的碎片的离子峰)以及122、125的分子离子峰，且122与125两分子离子峰的强度比约为3∶1，证明反应制得的产物为一氯碳酸乙烯酯。一氯碳酸乙烯酯的收率为93.8％，纯度为98.5％。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的一氯碳酸乙烯酯的制备方法。
将100克碳酸乙烯酯和溶解在50毫升苯中的2.16克DCBP加入到装有搅拌器的500毫升四口圆底烧瓶中，将圆底烧瓶放入水浴中，然后向装置中缓慢通入干燥氮气10分钟，加热水浴使烧瓶内的温度上升至100℃时，在搅拌下开始滴加188.5克硫酰氯，滴加速度为2.5毫升/分钟，反应3小时后将上述反应液转至500毫升单口烧瓶中进行减压蒸馏，收集体系压力为3毫米汞柱、温度为88-92℃的无色馏分125.1克。将所得125.1克无色馏分进行二次蒸馏，得到123.6克压力为3毫米汞柱下，馏程为89-90℃无色馏分。该无色馏分20℃下的折射率为nd＝1.4533(文献值：1.4531)，质谱上显示87最强峰(打掉氯后的碎片的离子峰)以及122、125的分子离子峰，且122与125两分子离子峰的强度比约为3∶1，证明反应制得的产物为一氯碳酸乙烯酯。一氯碳酸乙烯酯的收率为89.2％，纯度为98.0％。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的一氯碳酸乙烯酯的制备方法。
将100克碳酸乙烯酯加入到装有搅拌器的500毫升四口圆底烧瓶中，将圆底烧瓶放入水浴中，然后向装置中缓慢通入干燥氮气10分钟，加热水浴使烧瓶内的温度上升至100℃时，在搅拌下开始滴加188.5克硫酰氯，滴加速度为1.5毫升/分钟，滴加完毕之后再将溶解在50毫升苯中的2.16克DCBP加入到上述烧瓶中，反应3小时后将反应液转至500毫升单口烧瓶中进行减压蒸馏，收集体系压力为3毫米汞柱、温度为88-92℃的无色馏分120.1克。将所得120.1克无色馏分进行二次蒸馏，得到121.2克压力为3毫米汞柱下，馏程为89-90℃无色馏分。该无色馏分20℃下的折射率为nd＝1.4533(文献值：1.4531)，质谱上显示87最强峰(打掉氯后的碎片的离子峰)以及122、125的分子离子峰，且122与125两分子离子峰的强度比约为3∶1，证明反应制得的产物为一氯碳酸乙烯酯。一氯碳酸乙烯酯的收率为87.7％，纯度为97.7％。
对比例1
该对比例用于说明现有技术的一氯碳酸乙烯酯的制备方法。
将100克碳酸乙烯酯加入到装有搅拌器的500毫升四口圆底烧瓶中，将圆底烧瓶放入水浴中，然后向装置中缓慢通入干燥氮气10分钟，加热升温至90℃时，在搅拌下将0.27克偶氮二异丁腈(AIBN)分3次加入烧瓶中，同时开始滴加191.7克硫酰氯，滴加速度为1.5毫升/分钟，反应1.25小时后将上述反应液转至500毫升单口烧瓶中进行减压蒸馏，体系压力为3毫米汞柱，收集到88-92℃无色馏分100.4克。将所得100.4克无色馏分进行二次蒸馏，得到89.5克压力为3毫米汞柱下，馏程为89-90℃无色馏分。该无色馏分20℃下的折射率为nd＝1.4533(文献值：1.4531)，质谱上显示87最强峰(打掉氯后的碎片的离子峰)以及122、125的分子离子峰，且122与125两分子离子峰的强度比约为3∶1，证明反应制得的产物为一氯碳酸乙烯酯。一氯碳酸乙烯酯的收率为64.6％，纯度为96.5％。
Claims (8)
1.一种一氯碳酸乙烯酯的制备方法，该方法包括使碳酸乙烯酯和硫酰氯在引发剂存在下接触反应，其特征在于，所述引发剂为2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰、硫酰氯和碳酸乙烯酯的重量比为(0.001-0.05)∶(1-2)∶1。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硫酰氯、碳酸乙烯酯的接触方式为将硫酰氯逐滴加入到碳酸乙烯酯中，加入的速度为每分钟0.5-5毫升/100毫升反应溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硫酰氯、碳酸乙烯酯和2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰的加入顺序为在至少部分硫酰氯与碳酸乙烯酯接触后再将2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰加入到碳酸乙烯酯中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述2，4，2，4-四氯过氧化苯甲酰以其苯溶液的形式加入到碳酸乙烯酯中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接触反应在惰性气体保护下进行。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述惰性气体为氮气和元素周期表中的零族气体中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接触反应的条件包括反应温度为50-100℃，反应的时间为2-6小时。
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