CN106397372B - 一种3-甲胺四氢呋喃的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3‑甲胺四氢呋喃的制备方法，采用1,4‑丁烯二醇为原料，在固体酸的催化作用下，环合脱水生成2,5‑二氢呋喃，再在醋酸钴的催化作用下，与水煤气反应生成3‑四氢呋喃甲醛，再在5%Pd/C催化作用下，与氨气、氢气发生氢化反应制得目标产物3‑甲胺四氢呋喃，其纯度为98.12%，总收率为74.16%。本发明所述的3‑甲胺四氢呋喃的制备方法，具有原料廉价易得、步骤少、操作简便、产品纯度和收率高、三废污染少的优点，同时降低了生产成本，适合工业化生产。

Description

一种3-甲胺四氢呋喃的制备方法
技术领域
本发明涉及一种3‐甲胺四氢呋喃的制备方法，属于有机合成技术领域。
背景技术
呋虫胺是日本三井东亚化学株式会社开发的新烟碱类杀虫剂，与现有的烟碱类杀虫剂在化学结构上大不相同，它用四氢呋喃基取代了以前的氯代吡啶基、氯代噻唑基，不含卤族元素。同时，在性能方面也与烟碱有所不同，其对哺乳动物十分安全，其急性经口LD50为雄性大鼠2450mg/kg，雌性大鼠2275mg/kg；雄性小鼠2840mg/kg，雌性小鼠2000mg/kg。对大鼠急性经皮LD50>2000mg/kg(雌、雄)，无致畸、致癌和致突变性。呋虫胺对水生生物也十分安全，鱼毒试验表明，呋虫胺对鲤鱼nm(48h)>1000mg/L，对水蚤>1000mg/L。同样，呋虫胺对鸟类毒性也很低，对鹌鹑急性经口LD50>1000mg/kg。经对蜜蜂试验得知，呋虫胺对蜜蜂安全，并且不影响蜜蜂采蜜。
该药剂具有触杀、胃毒和根部内吸性强、速效高、持效期长(可达3-4周，理论持效期可达43天)、杀虫谱广等特点，且对刺吸口器害虫有优异防效，并在很低的剂量即显示了很高的杀虫活性。主要用于防治小麦、水稻、棉花、蔬菜、果树、烟叶等多种作物上的蚜虫、叶蝉、飞虱、蓟马、粉虱及其他抗性品系。同时，对鞘翅目、双翅目、鳞翅目、甲虫目和总翅目等害虫，以及对蜚蠊、自蚁、家蝇等卫生害虫有高效。其于1993年在日本介绍，随后在中国和以韩国为代表的亚洲其他各国及欧洲各国获得登记。
呋虫胺具有很广的杀虫谱，对作物、人畜和环境十分安全，再配以各种用途的使用方法，使该农药有望成为世界性的大型农药。目前国内外市场需求量急剧增长，而3-甲胺四氢呋喃作为合成呋虫胺的关键中间体，每吨呋虫胺需用量为0.63吨。目前，3-甲胺四氢呋喃每年在国内仅医药市场需求量就在500吨左右，国外市场需求量在1700吨以上。预计总需求量国内市场约2200吨左右，且每年以20-25％的速度增长，国外市场需求量约3800吨左右。
目前3-四氢呋喃甲胺的合成主要是以1,2,4-丁三醇为原料，经环合、氯代、腈化和加氢合成得到3-四氢呋喃甲胺。该工艺路线步骤长、收率低，产生的三废多，同时需要使用剧毒物氰化钠，危险性大，对操作要求较高。原料1,2,4-丁三醇主要依靠进口，成本较高，不适于工业化生产。
Wakita T.(Synthesis and structure-activity relationships ofdinotefuran derivatives:Modification in the tetrahydro-3-furylmethyl part,JPestic Sci,2004,29(4):356-363.)采用3-甲磺酰基氧甲基四氢呋喃与邻苯二甲酰亚胺钾盐经Gabriel反应生成N-(3-四氢呋喃甲基)邻苯二甲酰亚胺，再经碱性水解制得3-甲胺四氢呋喃。该方法具有工艺简单、原料易得、废弃物污染优点，但产物总收率较低，仅为56％。
专利Wo 2005066126采用3-甲磺酰基氧甲基四氢呋喃与叠氮钠反应生成3-叠氮甲基四氢呋喃，再经加氢反应制得3-甲胺四氢呋喃，反应收率为64％。该反应所用原料叠氮钠若操作不当有爆炸风险，也不太适合工业化生产。
发明内容
本发明提供了一种3‐甲胺四氢呋喃的制备方法，具有原料廉价易得、合成工艺简单、产品纯度和收率高、三废污染少的优点，同时降低了生产成本，适合工业化生产。
本发明解决技术问题的具体技术方案为：所述的3-甲胺四氢呋喃制备方法为：
(1)环合反应：采用1,4-丁烯二醇为原料，在固体酸的催化作用下脱水环合制得2,5-二氢呋喃；
(2)醛化反应：步骤(1)所得的2,5-二氢呋喃在醋酸钴的催化作用下，与水煤气反应生成3-四氢呋喃甲醛；
(3)氢化反应：步骤(2)所得的3-四氢呋喃甲醛在5％Pd/C的催化作用下，与氨、氢气反应制得目标产物3-甲胺四氢呋喃。
作为优选，步骤(1)所述环合反应的具体操作方法为：(a)在反应釜中先后加入固体酸催化剂和部分1,4-丁烯二醇，搅拌混合均匀后升温至125-135℃，再持续滴加剩余1,4-丁烯二醇直至反应结束，反应时间为7-9小时，反应过程中不断蒸馏收集102℃以下馏分；(b)将步骤(a)所得馏分静置分层，有机层经干燥脱水后，常压精馏，收集64-67℃馏分为2,5-二氢呋喃，水层经常压蒸馏收集64-67℃馏分，将两次所得64-67℃馏分混合即为所需2,5-二氢呋喃。先加入少量1,4-丁烯二醇，与固体酸催化剂混合均匀后，采用滴加的方式加入剩余的1,4-丁烯二醇。与一次性加入的方式相比，滴加加入的方式反应更为温和，避免了快速反应而生成过多的副产物。反应过程中不断蒸馏收集102℃以下馏分为生成的水和2,5-二氢呋喃，通过不断除去产物，使得反应向正方向进行，从而增大反应收率。
更优选，步骤(a)中所述1,4-丁烯二醇的总投料质量为固体酸的32-35倍，所述滴加1,4-丁烯二醇的质量是固体酸的27-30倍。
作为优选，步骤(a)中所述固体酸为氧化铝、二氧化硅和三氧化二硼中的任意一种。
更优选，所述固体酸为氧化铝。
作为优选，步骤(2)所述醛化反应的具体操作方法为：在高压反应容器中依次加入2,5-二氢呋喃、甲苯和醋酸钴，采用氮气置换脱氧后，将反应液搅拌升温至80-95℃，通入水煤气至压力为6.0-7.5MPa，保温反应24-48小时后冷却至室温，缓慢放空反应釜并通入氮气至压力为0.1MPa，将反应液压入精馏塔蒸馏，收集64-67℃馏分为未反应完全的2,5-二氢呋喃，余液经减压蒸馏，收集85-90℃馏分为3-四氢呋喃甲醛，催化剂留在蒸馏残液中，所述2,5-二氢呋喃和醋酸钴的投料质量比为1：0.006-0.008。醛化反应过程中，催化剂醋酸钴用量过大或水煤气压力过大，反应过快，副产物增多，同时对设备要求增高；而催化剂醋酸钴用量过少或水煤气压力过低时，反应不完全，3-四氢呋喃甲醛的纯度和收率较低。
作为优选，步骤(3)所述氢化反应的具体操作方法为：在高压反应容器中依次加入浓氨水、5％Pd/C和3-四氢呋喃甲醛，采用氮气置换脱氧后，将反应液搅拌升温至70-80℃，通入氢气至压力为2.0-2.5MPa，保温反应2-3小时后，缓慢放空反应釜并通入氮气至0.1MPa，反应液过滤，滤液经常压蒸馏收集氨水，残留反应液经减压蒸馏得到所需3-甲胺四氢呋喃，所述3-四氢呋喃甲醛、浓氨水和5％Pd/C的投料质量比为1：9-11：0.09-0.11。所收集氨水经通入氨气增浓后回收二次使用。采用5％Pd/C作催化剂，在非均相、加压条件下，将3-四氢呋喃甲醛还原胺化制得目标产物3-甲胺四氢呋喃。还原胺化反应中氢气用量是影响反应程度的重要因素，氢气压力过低，反应速度慢，反应不完全，产物收率低；氢气压力过高，则对设备的要求较高。反应过程中浓氨水需过量，浓氨水的用量过低，则反应副产物增多；浓氨水质量为3-四氢呋喃甲醛质量的9-11倍时，产物的纯度和收率达到最佳，继续增加浓氨水的用量，产物的纯度和收率不会继续升高，反而会增加生产成本。
本发明的有益效果为：
1、反应步骤短，工艺流程简单，产品纯度高达98.12％，总收率高达74.16％。
2、三废污染少，氢化反应中回收的氨水可经增浓后二次使用，减少了废液排放，降低了生产成本。
3、所采用原料廉价易得，适合工业化生产。
具体实施方式
以下结合实施例来解释本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
实施例1 3-甲胺四氢呋喃的制备
(1)环合反应制备2,5-二氢呋喃
称取1000kg 1,4-丁烯二醇待用。在反应釜中先后加入30kg氧化铝和100kg1,4-丁烯二醇，搅拌混合均匀后升温至130℃，再持续滴加900kg的1,4-丁烯二醇至反应结束，保温反应8小时，反应过程中不断蒸馏收集102℃以下馏分，将所得馏分静置分层，有机层经干燥脱水后，常压精馏，收集64-67℃馏分；水层经蒸馏收集64-67℃馏分，将两次所得64-67℃馏分混合即为所需2,5-二氢呋喃，共制得2,5-二氢呋喃787.5kg，HPLC纯度为95.03％，收率为94.08％。
(2)醛化反应制备3-四氢呋喃甲醛
在高压反应容器中依次加入42kg 2,5-二氢呋喃和0.3kg醋酸钴，采用氮气置换脱氧后，将反应液搅拌升温至90℃，通入水煤气至压力为7MPa，保温反应30小时后冷却至室温，缓慢放空反应釜并通入氮气至0.1MPa，将反应液压入精馏塔蒸馏，收集64-67℃馏分为未反应完全的2,5-二氢呋喃，余液经减压蒸馏，收集85-90℃馏分为3-四氢呋喃甲醛，催化剂留在蒸馏残液中。反应共制得3-四氢呋喃甲醛50.98kg，HPLC纯度为98.51％，收率为87.65％。
(3)氢化反应制备3-甲胺四氢呋喃
在高压反应釜中依次加入60kg浓氨水，0.6kg 5％Pd/C，6kg 3-四氢呋喃甲醛后，通入氮气直至釜内空气全部排出，搅拌升温至70℃，通入氢气至压力为2.5MPa，保温反应2小时后，缓慢放空反应釜并通入氮气至0.1MPa，反应液过滤，滤液经常压蒸馏收集氨水，通入氨气增浓后回收二次使用；下层有机物经减压蒸馏得到5.45kg 3-甲胺四氢呋喃，HPLC纯度为98.12％，收率为89.93％。经计算，3-甲胺四氢呋喃总收率为74.16％。
实施例2-3环合反应制备2,5-二氢呋喃
采用与实施例1步骤(1)中相同的操作方法和相同种类原料制备2,5-二氢呋喃，不同的是投料比和反应时间，所得实验结果如表1所示：
表1：
实施例4-5醛化反应制备3-四氢呋喃甲醛
采用与实施例1步骤(2)相同的操作方法和相同原料制备3-四氢呋喃甲醛，不同是投料比、水煤气压力、反应温度和反应时间，所得实验结果如表2所示：
表2：
实施例6-7氢化反应制备3-甲胺四氢呋喃
采用与实施例1步骤(3)中相同的操作方法和相同种类原料制备3-甲胺四氢呋喃，不同的是投料比、反应温度和反应时间，所得实验结果如表3所示：
表3：
以上仅列举了本发明的优选实施方案，本发明的保护范围并不限制于此，本领域技术人员在本发明权利要求范围内所作的任何改变均落入本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种3-甲胺四氢呋喃的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
(1) 环合反应：采用1,4-丁烯二醇为原料，在固体酸的催化作用下脱水环合制得2,5-二氢呋喃；
(2) 醛化反应：步骤(1)所得的2,5-二氢呋喃在醋酸钴的催化作用下，与水煤气反应生成3-四氢呋喃甲醛；
(3) 氢化反应：步骤(2)所得的3-四氢呋喃甲醛在5%Pd/C的催化作用下，与氨、氢气反应制得目标产物3-甲胺四氢呋喃；
步骤(2)所述醛化反应的具体操作方法为：在高压反应容器中依次加入2,5-二氢呋喃和醋酸钴，采用氮气置换脱氧后，将反应液搅拌升温至80-95℃，通入水煤气至压力为6.0-7.5MPa，保温反应24-48小时后冷却至室温，缓慢放空反应釜并通入氮气至0.1MPa，将反应液压入精馏塔蒸馏，收集64-67℃馏分为未反应完全的2,5-二氢呋喃，余液经减压蒸馏，收集85-90℃馏分为3-四氢呋喃甲醛，催化剂留在蒸馏残液中。
2.如权利要求1所述的3-甲胺四氢呋喃的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述环合反应的具体操作方法为：(a) 在反应釜中先后加入固体酸催化剂和部分1,4-丁烯二醇，搅拌混合均匀后升温至125-135℃，再持续滴加剩余1,4-丁烯二醇直至反应结束，反应时间为7-9小时，反应过程中不断蒸馏收集102℃以下馏分；(b) 将步骤(a)所得馏分静置分层，有机层经干燥脱水后，常压精馏，收集64-67℃馏分；水层经常压蒸馏收集64-67℃馏分，将两次所得64-67℃馏分混合即为所需2,5-二氢呋喃。
3.如权利要求1所述的3-甲胺四氢呋喃的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述氢化反应的具体操作方法为：在高压反应容器中依次加入浓氨水、5%Pd/C 和3-四氢呋喃甲醛，采用氮气置换脱氧后，将反应液搅拌升温至70-80℃，通入氢气至压力为2.0-2.5MPa，保温反应2-3小时后，缓慢放空反应釜并通入氮气至压力为0.1MPa，反应液过滤，滤液经常压蒸馏收集氨水，残留反应液经减压蒸馏得到所需3-甲胺四氢呋喃。
4.如权利要求2所述的3-甲胺四氢呋喃的制备方法，其特征在于，步骤(a)中所述固体酸催化剂为氧化铝、二氧化硅和三氧化二硼中的任意一种。
5.如权利要求4所述的3-甲胺四氢呋喃的制备方法，其特征在于，所述固体酸催化剂为氧化铝。
6.如权利要求2所述的3-甲胺四氢呋喃的制备方法，其特征在于，步骤(a)中所述1,4-丁烯二醇的总投料质量为固体酸催化剂的32-35倍，所述滴加1,4-丁烯二醇的质量为固体酸催化剂的27-30倍。
7.如权利要求3所述的3-甲胺四氢呋喃的制备方法，其特征在于，所述2,5-二氢呋喃、醋酸钴的投料质量比为1：0.006-0.008。
8.如权利要求3所述的3-甲胺四氢呋喃的制备方法，其特征在于，所述3-四氢呋喃甲醛、浓氨水和5%Pd/C的投料质量比为1：9-11：0.09-0.11。
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