CN104230751B

CN104230751B - 一种2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法

Info

Publication number: CN104230751B
Application number: CN201410415655.5A
Authority: CN
Inventors: 袁其亮; 姚焰生; 鲍张丰; 钱捷; 施正军; 陈寅镐
Original assignee: Zhejiang Zhongxin Fluorine Materials Co ltd
Current assignee: Zhejiang Zhongxin Fluorine Materials Co ltd
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: CN104230751A

Abstract

本发明公开了一种2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法，属于化学合成技术领域，其特征在于：四氯化碳与丙烯腈在氯化铜盐催化剂与二元叔胺配体共同作用下，于50～150^oC反应得到2,4,4,4-四氯丁腈。本发明具有催化剂与配体价廉易得，操作简单，反应收率高，产品纯度好等优点，适合工业化生产。

Description

一种2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法

技术领域：

本发明属于化学合成技术领域，具体地说，涉及一种2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法。

背景技术：

2,4,4,4-四氯丁腈是一种重要的有机中间体，在农药合成领域，特别是含氯拟除虫菊酯的合成中具有广阔的应用前景。

2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法，是以丙烯腈和四氯化碳为原料，在催化剂作用下，经原子转移自由基加成反应(ATRA),即卡拉施加成反应(KharaschAddition)得到。

常用的催化剂为铜、铁、钌、镍等的氯化物或氧化物。除选择合适的金属催化剂外，选择合适的配体是另一项重要的研究内容。目前有公开报道的配体主要为含氮、磷元素的有机分子，如二乙胺、TPMA、POCOP等。

如专利IN168349,公开了以氯化亚铜作催化剂，以二乙胺盐酸盐作配体，以聚乙二醇作溶剂，合成2,4,4,4-四氯丁腈。该方法虽然催化剂与配体价廉易得，但反应收率中等，且所用溶剂沸点高，回收利用较困难。

又如文献Inorg.Chem.2007,46,5844-5846报道了以[Cu(TPMA)Cl][Cl]为催化剂，在AIBN与紫外光引发下合成2,4,4,4-四氯丁腈。虽然收率较高，但催化剂[Cu(TPMA)Cl][Cl]昂贵不易得，且反应需在AIBN与紫外光引发下进行，操作繁琐，不适合工业化应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种简便高效的2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法，具有催化剂与配体价廉易得，操作简单，反应收率高，产品纯度好等优点，适合工业化生产。

本发明采用的技术方案如下：

一种2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法，其特征在于：四氯化碳与丙烯腈在氯化铜盐催化剂与二元叔胺配体共同作用下，于50～150℃反应得到2,4,4,4-四氯丁腈。

本发明采用的合成路线可用如下反应式表示：

进一步设置如下：

四氯化碳与丙烯腈的物质的量之比优选为0.05:1～20:1。四氯化碳与丙烯腈作为反应原料，理论上两者以物质的量之比1:1参与反应，得到产物。但为了使其中之一的原料利用率更高，反应更加完全,及抑制与该原料相关的副反应的发生，可适当提高另一原料的投料配比。同时，丙烯腈和四氯化碳均是较好的溶剂，增加的原料用量可以作为反应溶剂使用。反应结束后，采用蒸馏的方法，回收其中过量的原料，回收原料可套用于下批次反应。

四氯化碳与丙烯腈的投料方式，可以采用一次性投料，也可以采用分批投料。对于提高反应安全性和抑制副反应发生而言，分批投料为更优选的投料方式。

四氯化碳与丙烯腈作为反应的两个基本原料，以其中物质的量用量较少的原料定义为基准原料，其它物料的用量通过基准原料的量来确定，产物的理论产量也通过基准原料的物质的量来计算。

反应可以在过量的四氯化碳或丙烯腈存在下进行，也可以在其它适当的溶剂中进行，可供选择的溶剂有醇类溶剂，如乙醇、正丙醇、异丙醇、叔丁醇、乙二醇、聚乙二醇等，极性非质子性溶剂，如N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜等，烷烃类溶剂，如正戊烷、正己烷、环己烷、正辛烷、石油醚等，芳烃类溶剂，如苯、甲苯、二甲苯等，以及乙腈。溶剂的加入，目的是为了使反应体系具有更好的流动性和溶解状态，改善反应状况。但过多的溶剂用量，会造成反应速度下降，合成效率降低，生产成本增加。

所述的氯化铜盐催化剂，选自以下一种或两种：氯化亚铜、氯化铜，催化剂与基准原料的物质的量之比为0.005:1～0.2:1。反应历程如下所示：

从反应历程中可知，在催化剂的催化循环过程中，催化剂存在一价铜盐与二价铜盐两种形态，分别为催化剂的还原态与氧化态，因此，从理论上分析可以得出，氯化亚铜与氯化铜均具有催化作用。经过实验验证，事实确实如此。

除氯化铜盐外，氯化铁盐，如氯化亚铁，氯化铁也具有催化作用，但催化效果较氯化铜盐差。

由于氯化铜盐催化剂为无机盐类，在有机溶剂中的溶解度极小，因而抑制了催化剂的活性。在研究过程中，我们确认，如果仅以氯化铜盐作催化剂，在同样的温度下，反应几乎不能进行。为了增加催化剂的溶解性，提高催化效率，向反应体系中加入适当的配体不失为一种能起到非常有益效果的简便方法。通过配体与催化剂间的络合作用，使催化剂更易进入到反应体系中，达到提高催化剂活性的目的。

经研究发现，具有特定结构的含氮、氧原子的有机化合物能与铜盐发生络合作用，其中氮原子的络合能力优于氧原子。因此，我们将配体选择方向优先定位在具有特定结构的含氮原子的有机胺类化合物。配体筛选的标准如下：(1)能与氯化铜盐形成较稳定结构的络合物，从而最大限度的活化催化剂；(2)为成熟的工业化产品，价格低廉，市场供应稳定，可以实现工业化应用。

经研究发现，具有类似结构的有机胺类化合物，随着分子中胺基氮原子个数的增加，化合物分子对铜盐的络合能力随之增加，即具有类似结构的一元有机胺类化合物对铜盐的络合能力小于具有类似结构的二元有机胺类化合物，具有类似结构的二元有机胺类化合物对铜盐的络合能力小于具有类似结构的三元有机胺类化合物，以此类推。这是因为，一元有机胺类化合物的分子中只有一个胺基氮原子，其与铜盐络合时，只能形成一个络合键，因此络合物结构不稳定，易分解，对催化剂的活化效果差。二元有机胺类化合物的分子中具有二个胺基氮原子，其与铜盐络合时，能形成二个络合键，因此络合物结构稳定，不易分解，对催化剂的活化效果好。当然，三元及以上的有机胺类化合物理论上应该具有较类似结构的二元有机胺类化合物更强的络合能力，对催化剂具有更好的活化效果。但是，含三元及以上的有机胺类化合物，一般具有相对复杂的分子结构，较难在市场上获得稳定供应，使用成本高，不适合工业化应用。相较之下，二元有机胺类化合物不失为一种更优的选择，既具有对氯化铜盐较好的络合能力，起到较好的助催化作用，分子结构又较简单，使用成本较低，适合工业化应用。

但是，并非所有的二元有机胺类化合物都具有相同优良的助催化效果，其分子化学结构对助催化活性影响很大。我们知道，二元有机胺类化合物，为了发挥最优的络合能力，在与氯化铜盐络合时，分子中两个胺基氮原子应同时络合到同一铜原子上，形成环状结构，才能起到稳定络合物结构的作用。在所有的分子环状结构中，以五元环和六元环状结构最为稳定，如下所示：

其中R₁、R₂、R₃、R₄可以相同，也可以不同，为氢原子或含1～4个碳原子的烷基。符合上述要求的二元有机胺类化合物有1,2-乙二胺及其衍生物，如N,N'-二甲基-1,2-乙二胺、N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺等，能与铜盐形成五元环状络合物，1,3-丙二胺及其衍生物，如N,N'-二甲基-1,3-丙二胺、N,N,N',N'-四甲基-1,3-丙二胺等，能与铜盐形成六元环状络合物。

经过实验证实，1,2-乙二胺及其衍生物，1,3-丙二胺及其衍生物均具有活化催化剂的助催化活性，其中又以N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺和N,N,N',N'-四甲基-1,3-丙二胺的助催化活性最优，原因是：甲基取代后的胺基具有更高的电负性，因此具有更好的络合能力，同时甲基取代基位阻较小，不会在空间上阻碍络合物的形成。因此优选的配体为二元有机叔胺类化合物，选自以下一种或两种：N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺、N,N,N',N'-四甲基-1,3-丙二胺，配体与氯化铜盐催化剂的物质的量之比为0.1:1～10:1。

此外，其它的二元叔胺类化合物，如N,N,N',N'-四甲基-1,4-丁二胺、N,N,N',N'-四甲基-1,5-戊二胺、N,N,N',N'-四甲基-1,6-己二胺等也具有一定的助催化活性，但因助催化效果相对较差，且使用成本较高，因此实用意义不大。

反应温度优选为50～150℃。反应温度过高，会使副反应增加，导致产品质量下降，反应收率降低，同时，过高的反应温度，亦会使反应过程中体系压力过高，增加对设备的要求。过低的反应温度，则会延长反应时间，降低合成效率。

本发明与现有技术相比，其有益的效果体现在：

(1)由氯化铜盐与二元叔胺配体组成的催化体系，不仅催化效果优异，而且成本低廉，适合工业化应用；

(2)所用的二元叔胺配体，N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺、N,N,N',N'-四甲基-1,3-丙二胺，能与氯化铜盐形成稳定的五元/六元环状结构络合分子，从而提高催化剂的溶解性和催化活性，起到优良的助催化作用；

(3)反应过程无需其它催化剂或引发剂，如AIBN，也无需其它的催化手段，如紫外光照，操作简单，适合工业化生产使用；

(4)反应收率高，产品纯度好：反应收率85％以上，产品纯度99％以上。

以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

实施例一：

500毫升高压反应釜中加入四氯化碳385克，氯化铜3.4克，N,N,N',N'-四甲基-1,3-丙二胺3.3克，将反应釜密闭，搅拌升温至80～90℃，用输液泵向高压釜中慢慢注入丙烯腈26.5克，物料注入完毕后，将反应体系升温至110～120℃反应18小时。反应体系降至室温，过滤除去不溶物，滤液常压蒸馏回收四氯化碳，残留物减压精馏，得无色透明液体89.9克，收率87％，GC分析，纯度99.1％。

实施例二：

500毫升三口反应瓶中加入四氯化碳30.8克，丙烯腈212克，氯化亚铜2.0克，N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺4.6克，体系搅拌升温至50～60℃反应5小时，升温至75～80℃继续反应25小时。反应体系降至室温，过滤除去不溶物，滤液常压蒸馏回收丙烯腈，残留物减压精馏，得无色透明液体35.6克，收率86％，GC分析，纯度99.3％。

实施例三：

250毫升高压反应釜中加入四氯化碳23.1克，丙烯腈80克，氯化亚铜1.5克，N,N,N',N'-四甲基-1,3-丙二胺1.0克，将反应釜密闭，搅拌升温至120～130℃反应16小时。反应体系降至室温，过滤除去不溶物，滤液常压蒸馏回收丙烯腈，残留物减压精馏，得无色透明液体27.6克，收率89％，GC分析，纯度99.2％。

实施例四：

250毫升高压反应釜中加入四氯化碳46.2克，丙烯腈31.8克，乙腈100克，氯化亚铜0.6克，氯化铜0.8克，N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺1.4克，将反应釜密闭，搅拌升温至140～150℃反应10小时。反应体系降至室温，过滤除去不溶物，滤液常压蒸馏回收乙腈和丙烯腈，残留物减压精馏，得无色透明液体55.9克，收率90％，GC分析，纯度99.3％。

实施例五：

250毫升高压反应釜中加入乙腈100克，氯化亚铜2.0克，N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺2.3克，将反应釜密闭，搅拌升温至70～80℃，用两台输液泵同时向反应釜中按比例注入四氯化碳61.5克和丙烯腈21.2克，物料注入结束后，体系升温至100～110℃反应20小时。反应体系降至室温，过滤除去不溶物，滤液常压蒸馏回收乙腈，残留物减压精馏，得无色透明液体72.8克，收率88％，GC分析，纯度99.4％。

实施例六：

250毫升高压反应釜中加入丙烯腈15.9克，四氯化碳230克，氯化亚铜2.4克，N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺2.8克，将反应釜密闭，搅拌升温至90～100℃反应22小时。反应体系降至室温，过滤除去不溶物，滤液常压蒸馏回收四氯化碳，残留物减压精馏，得无色透明液体53.3克，收率86％，GC分析，纯度99.2％。对比反应例一

250毫升高压反应釜中加入丙烯腈15.9克，四氯化碳230克，氯化亚铜2.4克，将反应釜密闭，搅拌升温至90～100℃反应22小时。反应体系降至室温，过滤除去不溶物，滤液送GC分析，无明显产物生成。

与实施例六对比可知，反应体系中不加入任何配体，同时保持其它条件相同，反应几乎不进行。

对比反应例二

250毫升高压反应釜中加入丙烯腈15.9克，四氯化碳230克，氯化亚铜2.4克，二乙胺1.8克，将反应釜密闭，搅拌升温至90～100℃反应22小时。反应体系降至室温，过滤除去不溶物，滤液常压蒸馏回收四氯化碳，残留物减压精馏，得淡黄色液体5.4克，收率8.7％，GC分析，纯度96.5％。

与实施例六对比可知，以二乙胺替代N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺作为配体，同时保持其它条件相同，反应收率仅有8.7％，产品外观与纯度也较差，纯度仅为96.5％。

Claims

1.一种2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法，其特征在于：四氯化碳与丙烯腈在氯化铜盐催化剂与二元叔胺配体共同作用下，于50～150^oC反应得到2,4,4,4-四氯丁腈；

所述的氯化铜盐催化剂，选自以下一种或两种：氯化亚铜、氯化铜，催化剂与基准原料的物质的量之比为0.005:1～0.2:1；

四氯化碳与丙烯腈作为反应的两个基本原料，以其中物质的量用量较少的原料定义为基准原料；

所述的二元叔胺配体，选自以下一种或两种：N,N,N',N'-四甲基-1,2-乙二胺、N,N,N',N'-四甲基-1,3-丙二胺，配体与氯化铜盐催化剂的物质的量之比为0.1:1～10:1。

2.根据权利要求1所述的一种2,4,4,4-四氯丁腈的合成方法，其特征在于：四氯化碳与丙烯腈的物质的量之比为0.05:1～20:1。