CN105348056A

CN105348056A - 一种两相法合成2,5-己二酮的方法

Info

Publication number: CN105348056A
Application number: CN201510916819.7A
Authority: CN
Inventors: 杨永兴; 李岳秦; 邓天昇; 侯相林
Original assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Current assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: CN105348056B

Abstract

一种两相法合成2,5-己二酮的方法是将2,5-二甲基呋喃与弱极性有机溶剂混合，加入酸催化剂的水溶液，反应温度为60-180℃，反应时间为30分钟－24小时，将反应体系淬火，体系温度迅速降至常温，取出反应液。相有机相分相，水相过滤或者离心分离，收集有机相。将得到的有机相减压蒸馏，去除有机溶剂，得到产物2,5-己二酮。本发明具有效、经济绿色，产率高的优点。

Description

一种两相法合成2,5-己二酮的方法

技术领域

本发明属于一种2,5-二甲基呋喃在两相体系中水解制备2,5-己二酮的方法。

背景技术

近年来，2,5-己二酮作为一种重要的化工中间体而受到越来越多的关注。2,5-己二酮常被用作毒理学、神经生物学等理学领域的基础研究，它也是化学工业中广泛使用的正己烷和甲基正丁酮经人体吸收后的代谢产物。由于其特殊的分子结构，被广泛应用于医药原料、食品添加剂、香料、照相药剂、合成树脂、硝基喷漆、着色剂等众多，也可用做印刷油墨等的高沸点溶剂，橡胶硫化促进剂，在工业上有巨大的应用。

2,5-己二酮的合成方法众多，一种合成方法是乙酰乙酸乙酯钠与纯碘反应生成二乙酰琥珀酸二乙酯，再将其与10％氢氧化钠溶液进行水解。用无水碳酸钾使反应液饱和，析出丙酮基丙酮。用乙醚提取，从提取液中蒸去乙醚后，蒸馏剩余物，收集192-194℃馏分得到无色产品。但这个方法复杂，需要用到化学计量的多种试剂，成本高，污染严重。另一种方法是以2,5-二甲基呋喃为原料制备2,5-己二酮的方法，操作简便，反应条件温和，如发明专利CN200810079766中公开了在醋酸条件下，采用稀硫酸催化水解，接着对水解液进行前馏分脱除，以及产物的精制，最终得到2,5-己二酮。上述研究存在副反应多，产率低和分离工艺过程复杂等问题，限制了相关技术在产业化方面的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高效、经济绿色，产率高的两相法合成2,5-己二酮的方法。

2,5-二甲基呋喃酸解是氧原子与H⁺结合质子化的作用，醚键遇酸容易发生断裂，生成产物2,5-己二酮。而2,5-己二酮与无机酸在反应中长时间接触会产生明显的副作用(低聚反应)，会导致腐殖质或其他副产物的形成，最终会使2,5-己二酮的产量减少。

本发明中，提出了引入有机溶剂作为除水相以外的有机相，构建了一个两相催化体系。在单一的均相体系中，2,5-二甲基呋喃的水解速度很快，但生成的2,5-己二酮会迅速聚合成未知结构的复杂产物，致使2,5-己二酮的产率只有5％。而相对于单一的均相体系，本发明专利利用了有机相的萃取能力，在这个两相催化系统中，不与水混溶的有机相可以在水相和有机相之间的界面不断原位萃取生成的2,5-己二酮，减少产物与水相酸催化剂的接触几率，抑制了2,5-己二酮低聚反应，同时可以促进平衡反应继续向水解方向移动，从而提高反应的效率和产物的产量。本发明采用水相和有机相两相法反应分离一体化实现2,5-己二酮的制备，整个反应过程，安全可靠，又不会对环境产生污染。

本发明的具体步骤如下：

(1)将2,5-二甲基呋喃与弱极性有机溶剂混合，加入酸催化剂的水溶液，反应温度为60-180℃，反应时间为30分钟－24小时。

(2)反应结束后，将反应体系淬火，体系温度迅速降至常温，取出反应液。相有机相分相，水相过滤或者离心分离，收集有机相。将得到的有机相减压蒸馏，去除有机溶剂，得到产物2,5-己二酮。产品的定性分析由核磁图谱表征得到。

如步骤(1)所述弱极性有机溶剂包括：环己烷、甲苯、甲基异丁酮、二氯甲烷或乙酸乙酯等；

如步骤(1)所述2,5-二甲基呋喃与弱极性有机溶剂的体积比为1:5－20；

如步骤(1)所述的酸催化剂包括稀盐酸(质量分数为3.7％－18.5％)、稀硫酸(质量分数为9.8％－49％)、稀磷酸(质量分数为8.5％－42,5％)；

如步骤(1)所述2,5-二甲基呋喃与酸催化剂的体积比为1:5－10。

本发明提供了一种操作简便、高效经济绿色的方法来制备2,5-己二酮。本发明选用弱极性有机溶剂作为第二相，无机酸水溶液作为酸催化剂，在60-180℃温度范围内，30分钟－24小时反应时间内考察了2,5-二甲基呋喃高选择性转化为2,5-己二酮的反应结果。

反应考察了不同溶剂、不同催化剂、反应时间、反应温度和反应物料配比对2,5-己二酮收率的影响。首先，筛选不同的有机溶剂。目标产物2,5-己二酮是一种弱极性化合物，根据相似相溶的原理，选用弱极性有机溶剂相较于极性溶剂更适用于该产物的分离制备。弱极性有机溶剂是一种环境友好型溶剂，被用作很多有化学反应的介质。本发明中选用了多种弱极性有机溶剂，如环己烷、甲苯、甲基异丁酮、二氯甲烷、乙酸乙酯等。产物2,5-己二酮在这些有机溶剂中分配系数均大于1.0。实验数据表明，在这些溶剂中甲苯和甲基异丁酮催化效果很好，这是因为产物2,5-己二酮在甲苯和甲基异丁酮中有很好的溶解性。特别地是，由于甲基异丁酮含有酮基，所以对2,5-己二酮的萃取效果最好，最终产品的产量也高达98％。但是，当2,5-二甲基呋喃与弱极性有机溶剂的体积比大于1:20时，原料的转化率会下降，这是由于大量的有机溶剂存在，原料在有机溶剂中的传质受到阻碍，致使原料2,5-二甲基呋喃不能与酸充分接触发生完全转化；而2,5-二甲基呋喃与弱极性有机溶剂的体积比小于1:5时，由于有机溶剂的加入量过少，不能完全萃取产物，产物会继续与无机酸接触，发生副反应，不能高收率地制备目标产物。因此，原料2,5-二甲基呋喃与弱极性有机溶剂体积比为1:5－20之间时，2,5-二甲基呋喃可以高效高产地制备产品2,5-己二酮。

另一方面，考察不同的催化剂对原料转化和产品收率的影响。呋喃环酸解断裂的机理是氧原子的质子化作用破坏了呋喃环的芳香性。而环断裂的稳定性取决于局部取代基的类型，其中呋喃的烷基衍生物则较容易被破坏芳香性，这就使得2,5-二甲基呋喃有更快的水解速率。事实上，2,5-二甲基呋喃的水解速率甚至可以到达呋喃的5000倍。本发明选用了常用的无机酸作为2,5-二甲基呋喃的酸催化剂，如盐酸、硫酸、磷酸等。无机酸绿色环保经济，被广泛应用于碳水化合物转化，且实验证明呋喃环对无机酸具有特殊的敏感性，可提高反应的选择性，所以选用无机酸作为2,5-二甲基呋喃的酸水解催化剂。然而，当盐酸的质量分数小于3.7％、硫酸的质量分数小于9.8％、磷酸的质量分数小于8.5％时，由于酸的浓度低，在水相中的H⁺数量少，能够进入到两相界面更少，不能有效促进2,5-二甲基呋喃水解，得到的产物2,5-己二酮产量较低。当盐酸的质量分数大于18.5％、硫酸的质量分数大于49％、磷酸的质量分数大于42,5％时，原料2,5-二甲基呋喃的转化率明显降低，这是由于浓酸可以将生物质基的原料脱水发生碳化，从而抑制原料分子的下一步转化，导致转化率下降，不能获得高收率的目标化合物。所以，当盐酸质量分数范围为3.7％－18.5％、硫酸质量分数范围为9.8％－49％、磷酸质量分数范围为8.5％－42,5％时，为最适宜的酸浓度。另外，酸催化剂的体积也是反应考察的范围，当2,5-二甲基呋喃与酸催化剂的体积比低于为1:5时，反应不能完全转化，少量的酸浓度不能有效得使原料发生水解；当2,5-二甲基呋喃与酸催化剂的体积比高于1:10时，反应原料的转化率以及产品的收率明显下降，这是由于加入过量的无机酸，导致生成的2,5-己二酮与H⁺在反应中长时间接触会产生明显的副作用(低聚)，生成腐殖质或其他副产物，最终获得2,5-己二酮产量低。因此，2,5-二甲基呋喃与酸催化剂合适的体积比处于1:5－10之间时，可以高效促进2,5-二甲基呋喃转化为2,5-己二酮。

本发明水解的反应条件是反应温度为60－180℃，反应时间是30分钟－24小时，反应条件的确定需要结合反应的特点及催化剂的性能综合考虑。实验结果表明，反应开始，2,5-己二酮的收率较低，随着反应时间从30分钟增加到24小时，原料2,5-二甲基呋喃与无机酸不断接触水解转化，2,5-己二酮的收率持续增加，24小时时收率达到最大98％。但反应时间超过24小时后，随着时间的延长，收率有所下降。在反应温度从60℃升高到180℃，2,5-二甲基呋喃的转化率逐渐升高，2,5-己二酮的收率也在升高，随着温度的升高，产物2,5-己二酮选择性也升高。原因是，2,5-二甲基呋喃在水解过程中表现出两种质子化路线：β-质子化作用和α-质子化质子化作用。β-质子化可以得到2,5-己二酮产物，并且它的活化能(E_a＝20kcal/mol)高于α-质子化的活化能(E_a＝17kcal/mol)(见图2)。高的温度会使反应倾向于β-质子化路线。因此随着温度的升高，2,5-己二酮选择性会增大。当温度达到180℃时，原料的转化率和产物的收率达到最大，2,5-二甲基呋喃的转化率为99％。当温度超过180℃时，2,5-己二酮的收率随温度升高以及反应时间延长，收率有所下降。主要原因是高温会引起严重的副反应，可能会促使生成的2,5-己二酮进一步分解为其他小分子化合物，从而导致2,5-己二酮的收率降低。

根据上述实验，可确定在所考察的催化剂和有机溶剂中，本专利所采用的两相系统体系，可以高效催化2,5-二甲基呋喃转化为2,5-己二酮。

本发明有如下的优点：

(1)本发明在2,5-二甲基呋喃酸解的反应中采用了包含有机相和水相的两相体系，实验结果证明引入有机溶剂相可以避免2,5-己二酮发生副反应形成腐殖质或其他副产物，明显提高了反应的催化效率。最终的原料2,5-二甲基呋喃的转化率≥85％，产物2,5-己二酮的纯度≥90％，产物2,5-己二酮的收率≥80％。

(2)由于产物都溶解在弱极性有机溶剂中，采用简单的方法就可以实现催化剂、反应产物和溶剂的分离。

附图说明

图1是本发明2,5-二甲基呋喃合成2,5-己二酮的反应路径图。

图2是本发明2,5-二甲基呋喃两条质子化路线图。

图3是实施例1产物的¹HNMR图谱。

图4是实施例1产物的¹³CNMR图谱。

具体实施方式

实施例1：

将1ml2,5-二甲基呋喃加入到容器中，接着加入10ml甲基异丁酮，7ml稀硫酸(质量分数9.8％)，混合均匀。将容器置于120℃恒温反应器中，反应24小时。反应结束后，容器放入冰浴中，使反应淬火，体系温度迅速下降至室温。取出反应产物，离心分离两相，收集有机相。将得到的有机相减压蒸馏，去除有机溶剂，得到产品(见附图3和4)。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为97％，产物的纯度为97％，2,5-己二酮的收率为95％。

实施例2：

向容器中，依次加入：1ml2,5-二甲基呋喃，10ml环己烷，7ml稀盐酸(质量分数3.7％)，并均匀混合。将容器置于恒温反应器中，在100℃反应12小时。反应结束后使体系迅速下降至常温。将反应溶液离心分离，将得到的有机相减压蒸馏，去除有机溶剂，得到产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为89％，产物的纯度为90％，2,5-己二酮的收率为85％。

实施例3

将1ml2,5-二甲基呋喃加入到容器中，接着加入15ml二氯甲烷，10ml稀磷酸(质量分数8.5％)，混合均匀。将容器置于180℃恒温反应器中，反应12小时。反应结束后，容器放入冰浴中，使反应淬火，体系温度迅速下降至室温。取出反应产物，离心分离水相和有机相，收集有机相，对有机相进行减压蒸馏，以除去有机溶剂，得到产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为87％，产物的纯度为92％，2,5-己二酮的收率为85％。

实施例4

先将1ml原料2,5-二甲基呋喃加入到容器中，接着加入15ml甲基异丁酮，8ml稀盐酸(质量分数14.8％)。混合均匀后放入反应器中，150℃恒温反应5小时。反应完成，将反应产物放在低温中淬火，使温度迅速降至常温。之后离心分离，收集有机相。对有机相进行减压蒸馏，以除去有机溶剂，得到目标产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为88％，产物的纯度为92％，2,5-己二酮的收率为85％。

实施例5

将1ml2,5-二甲基呋喃加入到容器中，接着加入20ml乙酸乙酯，10ml稀硫酸(质量分数19.8％)，混合均匀。将容器置于180℃恒温反应器中，反应7小时。反应结束后，容器放入冰浴中，使反应淬火，体系温度迅速下降至室温。取出反应产物，离心分离有机相与水相，收集有机相，并对其进行减压蒸馏，以除去有机溶剂，得到目标产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为87％，产物的纯度为94％，2,5-己二酮的收率为82％。

实施例6

向容器中，依次加入：1ml2,5-二甲基呋喃，8ml甲基异丁酮，8ml稀磷酸(质量分数8.5％)，并均匀混合。将容器置于恒温反应器中，以180℃恒定温度，反应5小时。反应结束后将容器置于低温环境中，使体系迅速下降至常温。将反应溶液的水相分离，保留有机相，并对其进行减压蒸馏，可得到目标产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为91％，产物的纯度为95％，2,5-己二酮的收率为86％。

实施例7

向容器中，依次加入：1ml2,5-二甲基呋喃，10mL二氯甲烷，7ml稀盐酸(质量分数7.4％)并均匀混合。将容器置于恒温反应器中，以180℃恒定温度，反应12小时。反应结束后将容器置于低温环境中，使体系迅速下降至常温。分离出反应溶液的水相，保留有机相，并对其进行减压蒸馏，可得到目标产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为86％，产物的纯度为92％，2,5-己二酮的收率为80％。

实施例8

将1ml2,5-二甲基呋喃加入到容器中，接着加入10ml环己烷，8ml稀硫酸(质量分数8.5％)，混合均匀。将容器置于120℃恒温反应器中，反应12小时。反应结束后，容器放入冰浴中，使反应淬火，体系温度迅速下降至室温。取出反应产物，离心分离有机相与水相，收集有机相。对有机相进行减压蒸馏，可得到目标产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为85％，产物的纯度为95％，2,5-己二酮的收率为82％。

实施例9

向容器中，依次加入：1.5ml2,5-二甲基呋喃，12mL二氯甲烷，15ml稀硫酸(质量分数34％)，并均匀混合。将容器置于恒温反应器中，以180℃恒定温度，反应10小时。反应结束后将容器置于低温环境中，使体系迅速下降至常温。将反应溶液离心分离，收集保留有机相，并对其进行减压蒸馏，可得到目标产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示2,5-二甲基呋喃的转化率为85％，产物的纯度为96％，2,5-己二酮的收率为80％。

实施例10

先将1ml原料2,5-二甲基呋喃加入到容器中，接着加入6ml甲基异丁酮，8ml稀盐酸(质量分数3.7％)。混合均匀后放入反应器中，180℃恒温反应3小时。反应完成，将反应产物放在低温中淬火，使温度迅速降至常温。之后离心分离，收集有机相，对其进行减压蒸馏，可得到目标产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示原料2,5-二甲基呋喃的转化率为90％，产物的纯度为95％，2,5-己二酮的收率为85％。

实施例11

先将1ml原料2,5-二甲基呋喃加入到容器中，接着加入10ml环己烷，7ml稀磷酸(质量分数8.5％)。混合均匀后放入反应器中，100℃恒温反应5小时。反应完成，将反应产物放在低温中淬火，使温度迅速降至常温。对反应液进行离心分离，收集有机相，并对其进行减压蒸馏，可得到目标产品。原料的转化率和产物的收率由气相色谱外标法测定得到，产物的纯度由液相色谱测定得到。结果显示2,5-二甲基呋喃的转化率为82％，产物的纯度为94％，2,5-己二酮的收率为80％。

Claims

1.一种两相法合成2,5-己二酮的方法，其特征在于包括步骤如下：

（1）将2,5-二甲基呋喃与弱极性有机溶剂混合，加入酸催化剂的水溶液，反应温度为60-180℃，反应时间为30分钟－24小时；

（2）反应结束后，将反应体系淬火，体系温度迅速降至常温，取出反应液；

相有机相分相，水相过滤或者离心分离，收集有机相；

将得到的有机相减压蒸馏，去除有机溶剂，得到产物2,5-己二酮；

产品的定性分析由核磁图谱表征得到。

2.如权利要求1所述的一种两相法合成2,5-己二酮的方法，其特征在于步骤（1）所述弱极性有机溶剂包括：环己烷、甲苯、甲基异丁酮、二氯甲烷或乙酸乙酯。

3.如权利要求1所述的一种两相法合成2,5-己二酮的方法，其特征在于步骤（1）所述2,5-二甲基呋喃与弱极性有机溶剂的体积比为1:5－20。

4.如权利要求1所述的一种两相法合成2,5-己二酮的方法，其特征在于步骤（1）所述的酸催化剂包括稀盐酸、稀硫酸或稀磷酸。

5.如权利要求4所述的一种两相法合成2,5-己二酮的方法，其特征在于稀盐酸的质量分数为3.7%－18.5%。

6.如权利要求4所述的一种两相法合成2,5-己二酮的方法，其特征在于稀硫酸的质量分数为9.8%－49%。

7.如权利要求4所述的一种两相法合成2,5-己二酮的方法，其特征在于稀磷酸的质量分数为8.5%－42,5%。

8.如权利要求1所述的一种两相法合成2,5-己二酮的方法，其特征在于步骤（1）所述2,5-二甲基呋喃与酸催化剂的体积比为1:5－10。