CN103483174A - 一种超声波促进生产β-甲萘醌的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波促进β-甲萘醌生产的方法。用红矾钠与硫酸配制成氧化液，将氧化液缓慢加入到包含有β-甲基萘、相转移催化剂和水混合的介质中进行反应，在反应过程中将超声波作用于反应体系，由于超声波对反应的促进作用，可大大降低反应体系的温度，减少副反应的发生，提高产品收率，可大大降低氧化液的用量。

Description

一种超声波促进生产β-甲萘醌的方法

技术领域

本发明涉及一种超声波促进生产β-甲萘醌的方法。

背景技术

2-甲基-1，4-萘醌(简称β-甲萘醌，又称维生素K3，2-MNQ，β-MNQ)，在医学上作为一种人工合成的抗出血性药物，在肝脏内主要参与肝脏凝血酶的合成和促进血浆凝血因子在肝脏内的合成，是维持血液凝固机制系统的功能所不可缺少的。β-甲萘醌是经典的止血剂之一，因此β-甲萘醌也称为抗出血因子。缺乏β-甲萘醌时会导致凝血因子活性降低，凝血时间延长。

β-甲萘醌有消炎、止咳、镇痛等作用，可治疗肝炎、肠炎、痢疾等疾病，在抑制肿瘤抗癌方面也具有比较显著的临床效果。作为饲料添加剂，β-甲萘醌是畜禽生命活动不可缺少的营养元素，具有独特的止血功能，可有效防止畜禽体质软弱，皮下及内脏出血；可促进畜禽生长发育，加速骨骼的矿化作用；参与家禽胚胎形成，保证幼雏存活率，同时防治球虫病、白痢及霍乱等疾病。在农业方面，β-甲萘醌作为电子传递者参与生物氧化磷化过程和光合作用，用作植物生长调节剂、促进剂、除草剂等，可使农作物如粮食、蔬菜、水果等耐寒、耐旱、耐倒伏、早熟、增产，从根本上改善果实质量，而且无任何毒副作用。另外，β-甲萘醌还是某些特种涂料的主要成分，可有效防止轮船、军舰等结挂海洋生物，是替代目前污染涂料的环保涂料，应用领域十分广泛。

由于天然β-甲萘醌提取困难，因此β-甲萘醌的合成研究意义重大。β-甲萘醌的制备方法有多种，主要有气相氧化法、化学氧化法、电解氧化法、从其他原料出发合成β-甲萘醌的方法。气相氧化法制β-甲萘醌普遍存在收率低、副产物多、分离纯化难等问题。化学氧化法以双氧水、锰盐、铈盐、铬盐等作为氧化剂生产β-甲萘醌，其中使用双氧水、锰盐、铈盐作为氧化剂均存在生产成本较高的问题。电解氧化法将反应后的Cr(III)电解氧化为Cr(VI)再循环回氧化工序，该方法存在的主要问题是能耗较高，经济效益不好。还有从其他原料出发合成β-甲萘醌的方法，如：以丁二烯与2-甲苯醌为原料制备β-甲萘醌，以2-甲基-1-萘酚为原料制备β-甲萘醌，以邻苯甲胺为原料制备β-甲萘醌，以1-甲氧基-2-甲基萘为原料制备β-甲萘醌。在这些合成方法中，要么原料不易得到，要么生产成本较高，无工业化价值。目前全世界主要采用铬盐做氧化剂生产β-甲萘醌，同时联产铬鞣剂的方法，在该方法中β-甲基萘在反应后变为β-甲萘醌，铬酸变为硫酸铬，硫酸铬用于联产铬鞣剂。这是目前最成熟、最经济方法。

β-甲基萘经铬酸氧化，氧化的产物有β-甲萘醌，同时还会发生深度氧化，生成6-甲基萘醌(6-MNQ)，顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐、2-萘甲酸、二氧化碳和水等，具体反应方案如下：

其中氧化所需能量最低的是2-甲基-1，4-萘醌，即所需的目标产物β-甲萘醌。

在β-甲萘醌联产铬鞣剂的方法中，氧化剂为红矾钠(Na₂Cr₂O₇·2H₂O)和浓硫酸配制成的溶液，红矾钠和浓硫酸于水溶液中反应生成铬酸和硫酸钠，因此在反应中实际起到氧化剂作用的物质是铬酸。在该反应中，铬酸被还原成三价铬废液，该铬废液可作为皮革鞣剂使用。

在该反应中通常需要消耗大量的浓硫酸，由此导致原料成本上升。另一方面，该反应需要使用大量红矾钠，通常生产一吨甲萘醌实际消耗的红矾钠在10吨以上，这也导致原料成本显著上升。

此外，现有技术的反应时间较长，在500ml容器小试反应通常为2-4小时，这也增加了能源消耗。

此外，在现有技术的β-甲萘醌联产铬鞣剂的方法中，升高反应温度能使反应更快地进行，但温度过高，则容易引起深度氧化，使副反应增多，降低目标产物的选择性，从而降低产率；而且温度过高也会导致能源消耗随之增加。因此，就工业角度而言，应当尽可能地选择适当范围内的较低温度进行反应。然而当温度较低时，反应速度和转化率都会大大降低。因此，在现有技术中，为了在反应速率和转化率中间寻找平衡，必须牺牲反应速率或转化率。现有技术的反应温度通常为45-60℃，此时反应质量收率通常低于70%，即摩尔收率低于60%。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术问题，寻找一种新的β-甲萘醌联产铬鞣剂的方法，该方法能大大减少原料如浓硫酸和红矾钠的用量，同时在不降低或者甚至提高反应速率和转化率前提下降低反应温度，从而节约成本。

本发明人经过长期研究，意外地发现该目的可通过如下方法实现：

1.一种通过β-甲萘醌联产铬鞣剂的方法制备β-甲萘醌的方法，其中在氧化剂存在下使β-甲基萘氧化而制备β-甲萘醌，其特征在于：在反应过程中对该反应体系施加超声波。

2.根据第1项的方法，其特征在于，所述反应在35-50℃，优选40-45℃的温度下进行。

3.根据第1或2项的方法，其中所述氧化剂由红矾钠和浓硫酸配制而成。

4.根据第3项的方法，其中β-甲基萘与红矾钠的重量比为1:4-1:7，优选为1:5-1:8，更优选为1:5。

5.根据第1-4中任一项的方法，其特征在于，所述反应在相转移催化剂存在下进行。

6.根据第4项的方法，其中所述相转移催化剂为季铵盐，例如四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、四丁基硫酸氢铵、十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵。

7.根据第1-6中任一项的方法，其中超声波功率密度为0.1-10.0W/L，优选为0.3-6.0W/L，更优选为0.5-5.0W/L，更优选为0.7-4.0W/L，特别优选0.75-3.5W/L，更优选0.75-3.0W/L。

发明详述

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，超声波在有机合成中的应用研究近二三十年来发展得非常迅速，它比传统的有机合成方法更方便和易于操作，超声波的空化效应、机械振荡、乳化和扩散等，可加速反应体系的传热及传质过程，促进反应进行。

在本发明中，将超声波用于由β-甲基萘氧化制备β-甲萘醌的反应中，令人惊讶地获得了减少氧化剂(浓硫酸和红矾钠)用量和稀释水用量的效果，与现有技术相比，浓硫酸的用量降低至少5重量%，优选降低至少10%，更优选降低至少15%；红矾钠的用量降低至少5重量%，优选降低至少10重量%，更优选降低至少25重量%；稀释水的用量减少至少5重量%，优选降低至少10重量%。氧化液和稀释水用量的减少，会使得制备β-甲萘醌的副产物氧化残液减少。所述残液中包含一定量的有机物、Cr⁶⁺、Cr³⁺等，其中Cr⁶⁺对环境污染严重，后期处理比较复杂。另一方面，能大大缩短反应时间，提高生产效率。如上所述，在现有技术中，采用浓硫酸和红矾钠作为氧化剂制备β-甲基萘，在500ml容器小试反应的反应时间通常为2-4小时，在根据本发明采用超声波促进后，反应时间大大缩短，在500ml容器小试反应通常为1-2小时，优选为1-1.5小时。值得注意的是，上述缩短反应时间的效果是在反应温度降低下实现，现有技术的由β-甲基萘氧化制备β-甲萘醌的反应通常在45-60℃的温度下进行，而本发明的反应可在更低的温度下进行，例如35-50℃，优选35-45℃，更优选35-42℃。而且，令人惊讶的是，在降低温度的条件下，在与现有技术反应时间相当或更少的反应时间下，提高了转化率，现有技术的摩尔转化率通常低于60%，而本发明的摩尔转化率为60-63%。

本发明反应体系中的物质有：氧化剂、β-甲基萘、相转移催化剂和水。

氧化剂为红矾钠和浓硫酸配制成的溶液，红矾钠和浓硫酸于水中反应生成铬酸和硫酸钠，因此在反应中实际起到氧化剂作用的物质是铬酸，它们均是溶于水的物质，为水相体系。红矾钠与硫酸的重量比为13:15-13:40，优选为13:20-13:35，更优选为13:25-13:30。所用的硫酸为浓度为98质量%的浓硫酸。

β-甲基萘熔点为34.5℃，在反应温度下呈液态，不溶于水，为油相体系。本发明所用的β-甲基萘为市售产品。

由于水相和油相不互溶，反应物分别存在于水相和油相中，二者不能充分接触，需要设法使水相和油相彼此接触。因此，需要的话，可引入相转移催化剂。本发明所用的相转移催化剂是本领域技术人员所已知的，其例如选自季铵盐，例如四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、四丁基硫酸氢铵、十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵等，优选为四丁基溴化铵。相转移催化剂能增大反应物接触面积，增加反应机会，使反应更快地进行。

该反应可以以如下方式进行：

首先，将红矾钠与浓硫酸配制成氧化液。该氧化液的配制方法是本领域技术人员所已知的，例如，首先配制红矾钠水溶液，红矾钠水溶液的浓度并不重要，可由本领域技术人员视具体反应而定，其通常为100-600g/L，优选为150-500g/L，更优选为200-450g/L。然后，在搅拌的条件下，将98%的浓硫酸按上述比例缓缓加入，使二者均匀混合。

然后，在搅拌下，将一定量氧化液缓慢加入到包含有β-甲基萘、相转移剂和水的混合液中进行反应，在反应过程中施加超声波于反应体系。反应原料的用量为β-甲基萘：红矾钠=1:4-1:10(重量比)，优选为1:5-1:8，更优选为1:5。

由于采用了超声波促进，本发明的反应温度可为35-50℃，优选为35-45℃，更优选为35-42℃。与现有技术相比，由于采用了超声波促进，可降低反应温度。并且，令人惊讶的是，反应温度的降低并没有导致反应时间的延长。在本发明的反应温度下，反应时间可为1-2小时。与现有技术的2-4小时的反应时间相比，本发明的反应时间得以缩短。

另一方面，本发明反应的摩尔收率可达到60-63%，高于现有技术的摩尔收率。

对本发明方法中所用的超声波的频率没有特别的限制。其频率处于通常的超声波频率范围内，即20KHz至500MHz，通常为20KHz至400MHz，优选为20KHz至200MHz，更优选为20KHz至150MHz，进一步优选为20KHz至100MHz，最优选为20-70KHz。

特别地，申请人在长期研究过程中经过大量实验发现，当功率密度处于特定范围内时，能进一步提高该反应的收率。考虑到本领域技术人员一般认为功率密度越大，则反应体系的传热及传质过程越好，反应收率就越高，因此功率密度越大越好这一事实；该结果是非常令人惊讶的且无法由现有技术预料得到的。研究发现，功率密度通常为0.1-10.0W/L，优选为0.3-6.0W/L，更优选为0.5-5.0W/L，更优选为0.7-4.0W/L，特别优选为0.75-3.5W/L，最优选为0.75-3.0W/L。

因此，本发明进一步涉及一种超声波促进制备β-甲萘醌的方法，其特征在于，所述超声波的功率密度通常为0.1-10.0W/L，优选为0.3-6.0W/L，更优选为0.5-5.0W/L，更优选为0.7-4.0W/L，特别优选为0.75-3.5W/L，更优选0.75-3.0W/L，最优选为0.75-3.0W/L。

反应完毕后，可对反应混合物进行固液分离，优选通过过滤、离心等进行。然后用水洗涤所得固体，干燥，即可获得β-甲萘醌成品。

令人惊讶地发现，本发明将超声波作用于反应体系，能使反应在更低的温度下进行，减少深度氧化的机会，副反应大大减少，可提高收率，并且可大大减少氧化剂的用量。

本发明方法能大大减少原料如浓硫酸和红矾钠的用量，同时在不降低或者甚至提高反应速率和转化率下降低反应温度，从而节约成本，具有明显的经济价值。

具体实施方式：

在下文实施例中，除非另有说明，否则所用硫酸原料为98质量%的浓硫酸。

实施例1：

配制氧化液，氧化液中含红矾钠390g/L，硫酸550g/L。称取19.19gβ-甲基萘于500mL烧杯中，加入0.2g四丁基溴化铵作为相转移剂，加入80mL水，搅拌并超声，超声功率密度为0.75W/L。于42℃下将285mL上述氧化液缓慢滴加至烧杯中，反应时间90分钟。过滤、用水洗涤、烘干，得到β-甲萘醌15.13g，产品β-甲萘醌纯度为95.34%，摩尔收率62.07%。所得β-甲萘醌晶体熔点为105.6℃。

对比实施例2：

配制氧化液，氧化液中含红矾钠390g/L，硫酸550g/L。称取β-甲基萘19.19g于500mL烧杯中，加入0.2g四丁基溴化铵作为相转移剂，加入80mL水。于50℃下将305mL上述氧化液缓慢滴加至烧杯中，反应时间120分钟。过滤、用水洗涤、烘干，得到β-甲萘醌14.54g，产品β-甲萘醌含量94.32%，摩尔收率59.64%。所得β-甲萘醌晶体熔点为105.1℃。

由以上实施例1和对比实施例2可以看出，相对于其中未采用超声波促进的对比实施例2相比，在本发明的采用超声波促进的实施例1的反应中：首先，氧化液的用量显著降低(由305mL降至285mL)，这节约了成本并减少了对环境的污染；第二，水的用量也降低(由100mL降至80mL)，这也减少了对环境的污染；第三，反应温度得以降低(由50℃降至42℃)，这节约了能量成本；第四，反应时间也得以缩短(由120分钟缩短至90分钟)；最后且最重要的，β-甲萘醌的收率得以提高(由59.64%提高至62.07%)。

实施例3：

配制氧化液，氧化液中含红矾钠360g/L，硫酸620g/L。称取β-甲基萘86.54g于2000mL烧杯中，加入1.2g四丁基溴化铵作为相转移催化剂，加入240mL水，搅拌并超声，超声功率密度为3W/L。于40℃下将1280mL上述氧化液缓慢滴加至烧杯中，反应时间90分钟。过滤、用水洗涤、烘干，得到β-甲萘醌68.13g，产品β-甲萘醌含量94.18%，摩尔收率61.22%。所得β-甲萘醌晶体熔点为105.4℃。

对比实施例4：

配制氧化液，氧化液中含红矾钠360g/L，硫酸620g/L。称取β-甲基萘86.54g于2000mL烧杯中，加入1.2g四丁基溴化铵作为相转移催化剂，加入260mL水。于50℃下将1380mL上述氧化液缓慢滴加至烧杯中，反应时间120分钟。过滤、用水洗涤、烘干，得到β-甲萘醌66.01g，产品β-甲萘醌含量94.05%，摩尔收率59.31%。所得β-甲萘醌晶体熔点为105.3℃。

由以上实施例3和对比实施例4可以看出，相对于其中未采用超声波促进的对比实施例4相比，在本发明的采用超声波促进的实施例3的反应中：首先，氧化液的用量显著降低(由1380mL降至1280mL)，这节约了成本并减少了对环境的污染；第二，水的用量也得以降低(由260mL降至240mL)，这也减少了对环境的污染；第三，反应温度得以降低(由50℃降至40℃)，这节约了能量成本；第四，反应时间也得以缩短(由120分钟缩短至90分钟)；最后且最重要的，β-甲萘醌的收率得以提高(由59.31%提高至61.22%)。

实施例5

配制氧化液，氧化液中含红矾钠390g/L，硫酸550g/L。称取β-甲基萘19.19g于500mL烧杯中，加入0.2g四丁基溴化铵作为相转移催化剂，加入80mL水，搅拌并超声，超声功率密度为1.3W/L。于42℃下将285mL上述氧化液缓慢滴加至烧杯中，反应时间90分钟。过滤、用水洗涤、烘干，得到β-甲萘醌14.97g，产品β-甲萘醌纯度为94.66%，摩尔收率61.42%。所得β-甲萘醌晶体熔点为105.6℃。

对比实施例6

配制氧化液，氧化液中含红矾钠390g/L，硫酸550g/L。称取β-甲基萘19.19g于500mL烧杯中，加入0.2g四丁基溴化铵作为相转移催化剂，加入80mL水，搅拌并超声，超声功率为14W/L。于42℃下将285mL上述氧化液缓慢滴加至烧杯中，反应时间90分钟。过滤、用水洗涤、烘干，得到β-甲萘醌13.92g，产品β-甲萘醌纯度为93.28%，摩尔收率60%。所得β-甲萘醌晶体熔点为105.4℃。

从上文实施例5和对比实施例6可以看出，这两个实施例的反应原料及用量、反应温度和反应时间都相同，二者的唯一区别在于，实施例5的功率密度为1.3W/L，而对比实施例6的功率密度为14W/L。根据本领域技术人员的一般认识，似乎功率密度越大越好，因为功率密度越大，则反应体系的传热及传质过程越好，反应收率就越高。然而，实施例5的摩尔收率为61.42%，而对比实施例6的收率为60%。考虑到上述本领域技术人员的一般认识，该结果是令人惊讶的。

另外，从实施例1和3的结果也可以得出相同的结论。

这也验证了上文在发明描述部分中所指出的事实，即，当使用特定功率密度的超声波促进时，能进一步提高收率。

Claims (7)

1.一种通过β-甲萘醌联产铬鞣剂的方法制备β-甲萘醌的方法，其中在氧化剂存在下使β-甲基萘氧化而制备β-甲萘醌，其特征在于：在反应过程中对该反应体系施加超声波。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述反应在35-50℃，优选40-45℃的温度下进行。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述氧化剂由红矾钠和浓硫酸配制而成。

4.根据权利要求3的方法，其中β-甲基萘与红矾钠的重量比为1:4-1:7，优选为1:5-1:8，更优选为1:5。

5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于，所述反应在相转移催化剂存在下进行。

6.根据权利要求4的方法，其中所述相转移催化剂为季铵盐，例如四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、四丁基硫酸氢铵、十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵。

7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中超声波功率密度为0.1-10.0W/L，优选为0.3-6.0W/L，更优选为0.5-5.0W/L，更优选为0.7-4.0W/L，特别优选0.75-3.5W/L，更优选0.75-3.0W/L。