CN104725345A - 一种2-噻吩乙酸的清洁生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学有机合成领域，具体提供了一种反应条件温和、环保的2-噻吩乙酸的制备方法，以2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)或其衍生物为催化剂，2-噻吩乙醇被次氯酸钠、亚氯酸钠等氧化剂氧化制备2-噻吩乙酸；该工艺具有反应条件温和，反应选择性高(95%)、转化率高(100%)、收率高(85%)等特点，且易于工业化操作。
Description
技术领域
本发明涉及化学合成领域，具体涉及一种2-噻吩乙酸的清洁生产工艺。
背景技术
2-噻吩乙酸是目前用量最大的噻吩系列衍生物，被广泛应用于医药、农药、染料、高分子助剂等。在医药领域，噻吩乙酸是合成头孢噻吩钠、头孢噻啶、头孢西丁等抗生素的重要中间体。近年来，国外又用2-噻吩乙酸研制出许多新的头孢菌素抗生素，如头孢三唑、头孢尼特罗和呋烟腙等。抗生素作为治疗细菌感染性疾病的主要药物，是目前世界上应用最广、发展最快、品种最多的一类药物，具有较刚性的需求。因而，2-噻吩乙酸市场前景广阔。
目前，制备2-噻吩乙酸有两条成熟的工艺路线。其一是以噻吩为原料，经氯甲基化后，再与氰化钠反应、水解得到产品。该工艺成本低，是国内普遍采用的方法。但该工艺有两个致命的缺点：第一，中间体氯甲基噻吩非常不稳定，不易采用大规模装置分离提纯得到，反应处理不当易产生爆炸危险；第二，反应过程需使用剧毒物质氰化钠；对此，任小亮等人提出在有机溶液中反应，提高氯甲基噻吩的稳定性，采用三甲基氰硅烷替代氰化钠降低原料毒性(CN201410266507)；但三甲基氰硅烷也属于剧毒物质，对环境、人体危害很大。
另一条制备2-噻吩乙酸的成熟工艺是采用噻吩为原料，经乙酸酐乙酰化制备2-乙酰噻吩，然后与胺类物质反应，经Willgerodt重排制备得到酰胺，再水解、酸化得到产品(JACS,1946,68(10)：2025–2029)。此工艺不使用剧毒物质，环保性好，是国外主要采用的工艺。但此工艺条件比较苛刻，如2-乙酰噻吩与氨水反应制备酰胺时需要1～1.4Mpa的高压和125～140℃的高温。而且，此反应收率较低。
除上述两种方法以外，2-噻吩乙酸还可通过噻吩与乙醛酸反应制备(CN200510047449)，或由2-乙酰噻吩经四乙酸铅氧化重排，再水解制得(合成化学，2004，(4)：394-396)，此两方法所用原料乙醛酸、四乙酸铅不易制备。此外，孙彬采用琼斯试剂氧化2-噻吩乙醇制备2-噻吩乙酸，反应条件温和，过程简单(CN201210492466)，但琼斯试剂中的重金属易污染环境，而且，反应的收率也不高(55％～65％)。
采用氧化方法将2-噻吩乙醇氧化是一种简便、快捷的制备2-噻吩乙酸的方法，但通过前期的实验发现，直接采用高锰酸钾、次氯酸钠等强氧化剂氧化2-噻吩乙醇时，2-噻吩乙醇发生氧化降解生成了2-噻吩甲酸，2-噻吩乙酸的生成量很小。当采用上述的琼斯试剂氧化2-噻吩乙醇时，也有大量2-噻吩甲酸生成。由此可见，采用强氧化剂氧化时，易导致2-噻吩乙醇的降解，不能大量得到产品。当采用较弱的氧化剂如双氧水、氧气氧化2-噻吩乙醇时，由于氧化剂氧化性较弱，也得不到目标产品。因此，需要寻找一种具有中等氧化活性且反应条件温和的氧化体系来氧化2-噻吩乙醇。
TEMPO是最近被广泛研究的一种新的催化剂，它可调节NaClO等的氧化，提高反应选择性，且反应条件温和。目前，该氧化方法已被成功用于许多醇类化合物的氧化研究，如氧化淀粉制备羧甲基淀粉，但未见应用于2-噻吩乙酸的制备中。
发明内容
针对现有技术存在的诸多不足之处，本发明提供了一种反应条件温和、环保的2-噻吩乙酸的制备方法，以2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)或其衍生物为催化剂，2-噻吩乙醇被次氯酸钠、亚氯酸钠等氧化剂氧化制备2-噻吩乙酸；该工艺具有反应条件温和，反应选择性高(95％)、转化率高(100％)、收率高(85％)等特点，且易于工业化操作。
本发明的具体技术方案是：
一种2-噻吩乙酸的清洁生产工艺，具体制备步骤如下：
(1)在反应器中分别加入2-噻吩乙醇、催化剂、乙腈、磷酸盐缓冲液，搅拌均匀，反应器保温至0～50℃，更优选采用20～40℃；
(2)然后向反应器中缓慢滴加氧化剂水溶液，1.5～2.5h滴加完毕，继续反应3～5h后，加入亚硫酸钠溶液，直至反应器中氧化剂被中和完全；
(3)加入NaOH溶液调节反应液至pH＝7～8，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用HCl溶液调节反应液pH至1～2，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
(4)将粗品用石油醚重结晶即可得到2-噻吩乙酸纯品；
所述2-噻吩乙酸制备方法中采用的催化剂为TEMPO、4-羟基TEMPO、4-氨基TEMPO、4-乙酰氨基TEMPO中的一种或其混合物，其结构式分别如下：
上述催化剂的用量为2-噻吩乙醇质量的2％～8％；之所以选择上述的用量范围是由于催化剂用量小于2％时，氧化剂不能快速转化为硝鎓盐，易发生氧化剂氧化亚甲基的副反应，导致副产物2-噻吩甲酸增加，催化剂用量大于8％时，反应速率、选择性不再增加同时会增加反应的成本；
所述2-噻吩乙酸的制备方法中，氧化反应的氧化剂选自次氯酸钠(NaClO)、亚氯酸钠(NaClO2)、过氧乙酸、过硫酸氢钾、高铁酸钾中的一种或其中两种的混合物水溶液，所述氧化剂水溶液的质量浓度为15～20％；
所述2-噻吩乙酸的制备方法中，氧化剂与2-噻吩乙醇的摩尔比为2:1～2.5:1；
所述2-噻吩乙酸的制备方法中，反应溶剂选自乙腈和磷酸盐缓冲液的混合液。磷酸盐缓冲液的pH范围为5.5～8.5，磷酸盐缓冲液和乙腈的体积比为1:1～1:3。2-噻吩乙醇和磷酸盐缓冲液的用量比为1g/10mL～1g/20mL。
所述的磷酸盐选自磷酸二氢钠或磷酸氢二钠或磷酸氢二钾或磷酸氢二钾。
本发明利用2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)或其衍生物为催化剂，采用上述的物质作为氧化剂，氧化剂可以将醇基氧化为羧基，为了达到最佳的氧化效率，一般控制氧化剂与醇的摩尔比≥2:1；
本发明利用乙腈/磷酸盐缓冲液为溶剂，乙腈对磷酸盐、2-噻吩乙醇、TEMPO等均具有较好的溶解性，且乙腈与水可混溶，故乙腈的使用可使反应在均相条件下进行，有利于反应的进行，为了保证均相反应体系，乙腈与磷酸盐的体积比应≥1:1，如上述的1:1～1:3；
本发明利用磷酸盐为缓冲液，缓冲液的使用可中和反应过程中产生的酸，使溶液pH值稳定在氧化剂氧化活性最高的区域，采用上述的氧化剂时，缓冲液的pH范围选为5.5～8.5；
本发明采用的氧化剂均配制为水溶液使用，氧化剂经水溶解稀释后加入反应体系可避免因局部氧化剂浓度过高而导致的副反应，一般控制氧化剂水溶液的质量浓度为15～20％；
本发明采用的氧化反应温度优选为20～40℃，降低反应温度，氧化剂的氧化活性下降，反应转化率、选择性下降，升高反应温度，氧化剂分解速度加快，也会促使反应转化率、选择性下降，故而发明人选择了上述最适宜的温度范围。
采用本发明制备2-噻吩乙酸可实现高转化率、高选择性的原理在于：2-噻吩乙醇的羟基和亚甲基均易被氧化，采用强氧化剂直接氧化时，主要是亚甲基被氧化，产品主要为2-噻吩甲酸，因而需加入催化剂使氧化剂只氧化羟基。而本发明为了实现这一目的，采用加入催化剂TEMPO系列物质，这样一来氧化剂将TEMPO氧化为硝鎓盐，此时硝鎓盐成为实际起作用的氧化剂，由于硝鎓盐分子上4个甲基的位阻作用，致使亚甲基很难与氧化剂作用，因而只有羟基被氧化，实现了氧化的高选择性。另外，催化剂的加入提高了反应活性，促使了反应的高转化率。
本发明所述的粗品用石油醚重结晶工艺为现有常用工艺，在此不再赘述；
综上所述，本发明提供的2-噻吩乙酸的清洁生产工艺与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)所述制备方法反应条件温和，不使用剧毒物质；
(2)工艺环保性较好，乙酸乙酯萃取回收的催化剂和2-噻吩乙醇可循环使用，萃取剂乙酸乙酯、溶剂乙腈也可回收循环利用；
(3)所述制备方法操作简单，易于实现工业化放大；
(4)所述制备方法的转化率高、选择性好，产品收率高。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，可以使本领域技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
在反应器中分别加入2-噻吩乙醇10g、TEMPO 0.4g、乙腈200mL、pH＝6.5的磷酸盐缓冲液100mL(0.6mol.L-1)，搅拌均匀，反应器升温至35℃；
然后向反应器中缓慢滴加NaClO水溶液(16wt％)80g，2h滴加完毕，继续反应4h后，加入2mol.L-1亚硫酸钠溶液，直至反应器中NaClO被中和完全(淀粉碘化钾试纸检测)；
加2mol.L-1NaOH调节溶液至弱碱性，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用4mol.L-1HCl调节溶液pH至1，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
将粗品用石油醚重结晶得到2-噻吩乙酸纯品，液相检测产品纯度为99％，2-噻吩乙醇的转化率为100％，反应选择性为95％，收率为85％。
实施例2
在反应器中分别加入2-噻吩乙醇10g、4-羟基TEMPO 0.2g、乙腈100mL、pH＝5.5的磷酸盐缓冲液100mL(0.6mol.L-1)，搅拌均匀，反应器降温至0℃；
然后向反应器中缓慢滴加NaClO2水溶液(20wt％)70.6g，1.5h滴加完毕，继续反应3h后，加入2mol.L-1亚硫酸钠溶液，直至反应器中NaClO2被中和完全(淀粉碘化钾试纸检测)；
加2mol.L-1NaOH调节溶液至弱碱性，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用4mol.L-1HCl调节溶液pH至1.5，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
将粗品用石油醚重结晶得到2-噻吩乙酸纯品，2-噻吩乙醇的转化率为92％，反应选择性为90％，收率为73％。
实施例3
在反应器中分别加入2-噻吩乙醇10g、4-氨基TEMPO 0.6g、乙腈300mL、pH＝8.5的磷酸盐缓冲液100mL(0.6mol.L-1)，搅拌均匀，反应器升温至50℃；
然后向反应器中缓慢滴加过硫酸氢钾水溶液(50wt％)138g，2.5h滴加完毕，继续反应5h后，加入2mol.L-1亚硫酸钠溶液，直至反应器中过硫酸氢钾被中和完全(淀粉碘化钾试纸检测)；
加2mol.L-1NaOH调节溶液至弱碱性，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用4mol.L-1HCl调节溶液pH至1.7，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
将粗品用石油醚重结晶得到2-噻吩乙酸纯品，2-噻吩乙醇的转化率为90％，反应选择性为88％，收率为70％。
实施例4
在反应器中分别加入2-噻吩乙醇10g、4-乙酰氨基TEMPO 0.8g、乙腈200mL、pH＝7.5的磷酸盐缓冲液100mL(0.6mol.L-1)，搅拌均匀，反应器保温至20℃；
然后向反应器中缓慢滴加高铁酸钾水溶液(30wt％)103g，2h滴加完毕，继续反应5h后，加入2mol.L-1亚硫酸钠溶液，直至反应器中高铁酸钾被中和完全(淀粉碘化钾试纸检测)；
加2mol.L-1NaOH调节溶液至弱碱性，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用4mol.L-1HCl调节溶液pH至2，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
将粗品用石油醚重结晶得到2-噻吩乙酸纯品，2-噻吩乙醇的转化率为94％，反应选择性为93％，收率为77％。
实施例5
在反应器中分别加入2-噻吩乙醇10g、TEMPO 0.6g、乙腈200mL、pH＝7.0的磷酸盐缓冲液100mL(0.6mol.L-1)，搅拌均匀，反应器保温至20℃；
然后向反应器中缓慢滴加NaClO溶液(16wt％)7.6g和NaClO2溶液(20wt％)74.1g，1.5h滴加完毕，继续反应4h后，加入2mol.L-1亚硫酸钠溶液，直至反应器中氧化剂被中和完全(淀粉碘化钾试纸检测)；
加2mol.L-1NaOH调节溶液至弱碱性，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用4mol.L-1HCl调节溶液pH至1.4，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
将粗品用石油醚重结晶得到2-噻吩乙酸纯品，2-噻吩乙醇的转化率为98％，反应选择性为94％，收率为82％。
实施例6
在反应器中分别加入2-噻吩乙醇10g、TEMPO 0.4g、乙腈200mL、pH＝6.5的磷酸盐缓冲液100mL(0.6mol.L-1)，搅拌均匀，反应器保温至30℃；
然后向反应器中缓慢滴加NaClO溶液(16wt％)0.8g和NaClO2溶液(20wt％)74.1g，2h滴加完毕，继续反应4h后，加入2mol.L-1亚硫酸钠溶液，直至反应器中氧化剂被中和完全(淀粉碘化钾试纸检测)；
加2mol.L-1NaOH调节溶液至弱碱性，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用4mol.L-1HCl调节溶液pH至1，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
将粗品用石油醚重结晶得到2-噻吩乙酸纯品，2-噻吩乙醇的转化率为97％，反应选择性为95％，收率为82％。
实施例7
在反应器中分别加入2-噻吩乙醇10g、TEMPO 0.5g、乙腈200mL、pH＝6.0的磷酸盐缓冲液100mL(0.6mol.L-1)，搅拌均匀，反应器保温至40℃；
然后向反应器中缓慢滴加NaClO溶液(16wt％)3.8g和NaClO2溶液(20wt％)74.1g，2h滴加完毕，继续反应4h后，加入2mol.L-1亚硫酸钠溶液，直至反应器中氧化剂被中和完全(淀粉碘化钾试纸检测)；
加2mol.L-1NaOH调节溶液至弱碱性，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用4mol.L-1HCl调节溶液pH至1，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
将粗品用石油醚重结晶得到2-噻吩乙酸纯品，2-噻吩乙醇的转化率为100％，反应选择性为94％，收率为84％。
Claims (4)
1.一种2-噻吩乙酸的清洁生产工艺，具体制备步骤如下：
(1)在反应器中分别加入2-噻吩乙醇、催化剂、乙腈、磷酸盐缓冲液，搅拌均匀，反应器保温至0～50℃；
(2)然后向反应器中缓慢滴加氧化剂水溶液，1.5～2.5h滴加完毕，继续反应3～5h后，加入亚硫酸钠溶液，直至反应器中氧化剂被中和完全；
(3)加入NaOH溶液调节反应液至pH＝7～8，采用乙酸乙酯萃取出催化剂及未反应完全的原料，再采用HCl溶液调节反应液pH至1～2，采用乙酸乙酯萃取得到2-噻吩乙酸粗品；
(4)将粗品用石油醚重结晶即可得到2-噻吩乙酸纯品；
所述催化剂为TEMPO、4-羟基TEMPO、4-氨基TEMPO、4-乙酰氨基TEMPO中的一种或其混合物；
上述催化剂的用量为2-噻吩乙醇质量的2％～8％；
所述氧化反应的氧化剂选自次氯酸钠、亚氯酸钠、过氧乙酸、过硫酸氢钾、高铁酸钾中的一种或其中两种的混合物，氧化剂水溶液的质量浓度为15％～20％；
所述氧化剂与2-噻吩乙醇的摩尔比为2:1～2.5:1；
2-噻吩乙醇和磷酸盐缓冲液的用量比为1g/10mL～1g/20mL；
所述磷酸盐缓冲液的pH范围为5.5～8.5；磷酸盐缓冲液和乙腈的体积比为1:1～1:3。
2.根据权利要求1所述的2-噻吩乙酸的清洁生产工艺，其特征在于：所述的磷酸盐选自磷酸二氢钠或磷酸氢二钠或磷酸氢二钾或磷酸氢二钾。
3.根据权利要求1所述的2-噻吩乙酸的清洁生产工艺，其特征在于：步骤(3)中经乙酸乙酯萃取回收的催化剂、乙腈和2-噻吩乙醇循环利用。
4.根据权利要求1所述的2-噻吩乙酸的清洁生产工艺，其特征在于：步骤(1)中保温温度为20～40℃。
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