CN106748713B - 一种基于uio-66的固体酸催化酯交换反应合成(r)-2-氯丙酸的方法 - Google Patents

一种基于uio-66的固体酸催化酯交换反应合成(r)-2-氯丙酸的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于UIO‑66的固体酸催化酯交换反应合成(R)‑2‑氯丙酸的方法，包括以下步骤：（1）固体酸催化剂SO4 2‑/UIO‑66的制备；（2）(R)‑2‑氯丙酸的制备；本发明采用UIO‑66为基体的固体酸催化剂，该催化剂酸度强，能有效催化合成(R)‑2‑氯丙酸的酯交换反应，转化率高于98%，副反应少，可重复使用，有效避免了尾料的产生，降低了生成成本的同时有利于环保。

Description

一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸 的方法
技术领域
本发明涉及(R)-2-氯丙酸的制备技术领域，尤其是一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸的方法。
背景技术
2-氯丙酸是合成农药、染料、医药、营养补充剂等的重要中间体之一，它的应用涉及许多领域，是一种重要的产品。由于光学对映体在生物活性、毒性、药理性等方面都有所不同，因此单一对映体的制备极为重要，近年来随着手性医药市场发展迅速，对于单一对映体药物的研究和应用也越来越重要，因此制备高光学纯度的2-氯丙酸具有重要意义。
目前，(R)-2-氯丙酸的制备方法主要有以下几种：
（1）将(R)-2-氯丙酸乙酯和甲酸在浓硫酸的催化作用下水解，但由于浓硫酸氧化性和腐蚀性太强，在温度升高的情况下容易氧化含碳化合物，损耗原料，产生的碳化合物阻碍反应进行，并且难以处理，污染环境，且有大量副产物尾料需要进行后期处理。而将(R)-2-氯丙酸乙酯和甲酸在氢氧化钠的催化作用下水解，收率太低，工业化生产成本高；
（2）工业上现在用阳离子交换树脂作为催化(R)-2-氯丙酸乙酯和甲酸合成2-氯丙酸的催化剂，但因其允许使用温度较低（＜120℃），机械强度低，因而增加了成本；
（3）利用色谱拆分法，主要采用在环糊精或环糊精衍生物手性上分离(R)-2-氯丙酸光学异构体，这类方法主要用于分析检测，并不适用于工业生产。
因此，建立一种催化效果好，副反应少，成本低，收率高，对环境友好的合成(R)-2-氯丙酸的方法是本发明亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是要解决目前(R)-2-氯丙酸的制备方法收率低、工业成本高，污染环境等问题，提供一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸的方法。
本发明的一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸的方法，包括以下步骤：
（1）固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的制备
称取ZrCl4和对苯二甲酸溶于DMF（二甲基甲酰胺）中，所述ZrCl4和对苯二甲酸的物质的量比为1.1-1.2:1，再将上述反应物转入聚四氟乙烯反应釜中，在110-130℃下反应11-13h后，过滤，将沉淀使用DMF和甲醇交替洗涤，再将沉淀置于55-65℃的烘箱内烘干12h，得到UIO-66，再用浓度为0.7-0.8mol/L的硫酸将UIO-66浸渍30min，所述硫酸的体积为UIO-66固体粉末体积的20-40倍，过滤烘干后，放入500℃的烘箱中3h即可得到固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66；
（2）(R)-2-氯丙酸的制备
在反应器中加入(R)-2-氯丙酸乙酯，边搅拌边加入质量分数为98%的甲酸及固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66，所述(R)-2-氯丙酸乙酯、甲酸和固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的质量比为1:1.5-4:0.01-0.05，将反应器接引风装置，在搅拌条件下升温至95℃，反应30-40min后，收集38-42℃的甲酸乙酯馏分，待收集的甲酸乙酯馏分的质量为加入(R)-2-氯丙酸乙酯质量的0.9-1.1倍时，继续升温，收集60-80℃的甲酸馏分，馏分收集完后将反应器中的反应物过滤，分离得到的固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66可以循环利用；再将滤液置于反应器中，连接真空泵，抽真空至-0.095～-0.01MPa，加热升温，收集105-115℃未反应完的(R)-2-氯丙酸乙酯和氯丙酸酐等馏分，反应器中剩余的产物为(R)-2-氯丙酸，将(R)-2-氯丙酸冷却后进行精馏，馏分即为本发明制备的(R)-2-氯丙酸。
本发明中所述(R)-2-氯丙酸乙酯、甲酸和固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的优选质量比为1:2:0.025。
本发明的化学反应式如下：
本发明中的UIO-66，化学式为Zr6O4(OH)4(CO2)12，它是以四价金属锆为中心、对苯二甲酸为配体的，具有较高的比表面积和很好的热稳定性，在500℃条件下稳定存在，其热稳定性高取决于高度对称Zr八面体团簇Zr6O4(OH)4，及该无机团簇与配体簇酸中的氧的强相互作用。UIO-66的BET比表面积在1100-1200 m2/g，表面积大能够附着更多的酸，为SO4 2-的吸附提供大量的附着位点，进而提高固体酸催化剂的酸性，UIO-66还有良好的化学稳定性，在水溶液及强酸溶液中能够稳定存在，以它为基体合成固体酸催化剂具有广阔的应用前景。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用(R)-2-氯丙酸乙酯与过量的甲酸在固体超强酸的作用下进行酯交换反应，直接生成(R)-2-氯丙酸和甲酸乙酯，过量的甲酸和甲酸乙酯通过蒸馏蒸出，同时能够促进反应的进行，使(R)-2-氯丙酸乙酯反应得更彻底，转化率高于98%；
（2）采用UIO-66为基体的固体酸催化剂，该催化剂酸度强，能有效催化合成(R)-2-氯丙酸的酯交换反应，副反应少，可重复使用，属于环保友好型催化剂；
（3）采用固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66，催化效果好，有效避免了尾料的产生，降低了生成成本的同时有利于环保。
具体实施方式
实施例1
本实施例的一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸的方法，包括以下步骤：
（1）固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的制备
称取0.053g ZrCl4和0.034g对苯二甲酸溶于25mL DMF（二甲基甲酰胺）中，再将上述反应物转入聚四氟乙烯反应釜中，在120℃下反应12h后，过滤，将沉淀使用DMF和甲醇交替洗涤，再将沉淀置于60℃的烘箱内烘干12h，得到UIO-66，再用1.5mL浓度为1.5mol/L的硫酸将UIO-66浸渍30min后，过滤烘干，放入500℃的烘箱中3h即可得到固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66；
（2）(R)-2-氯丙酸的制备
在反应器中加入(R)-2-氯丙酸乙酯，边搅拌边加入质量分数为98%的甲酸及固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66，所述(R)-2-氯丙酸乙酯、甲酸和固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的质量比为1:2:0.025，将反应器接引风装置，在搅拌条件下升温至95℃，反应35min后，收集38-42℃的甲酸乙酯馏分，待收集的甲酸乙酯馏分的质量等于加入(R)-2-氯丙酸乙酯的质量时，继续升温，收集60-80℃的甲酸馏分，馏分收集完后将反应器中的反应物过滤，分离得到的固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66可以循环利用；再将滤液置于反应器中，连接真空泵，抽真空至-0.095～-0.01MPa，加热升温，收集105-115℃未反应完的(R)-2-氯丙酸乙酯和氯丙酸酐等馏分，反应器中剩余的产物为(R)-2-氯丙酸，将(R)-2-氯丙酸冷却后进行精馏，馏分即为本实施例制备的(R)-2-氯丙酸。
本实施例中(R)-2-氯丙酸乙酯的转化率为99.84%。
实施例2
本实施例的一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸的方法，包括以下步骤：
（1）固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的制备
称取0.057gZrCl4和0.034g对苯二甲酸溶于25mL DMF（二甲基甲酰胺）中，再将上述反应物转入聚四氟乙烯反应釜中，在110℃下反应13h后，过滤，将沉淀使用DMF和甲醇交替洗涤，再将沉淀置于55℃的烘箱内烘干13h，得到UIO-66，再用1.1mL浓度为0.7mol/L的硫酸将UIO-66浸渍30min后，过滤烘干，放入500℃的烘箱中3h即可得到固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66；
（2）(R)-2-氯丙酸的制备
在反应器中加入(R)-2-氯丙酸乙酯，边搅拌边加入质量分数为98%的甲酸及固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66，所述(R)-2-氯丙酸乙酯、甲酸和固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的质量比为1:1.5:0.01，将反应器接引风装置，在搅拌条件下升温至95℃，反应30-40min后，收集38-42℃的甲酸乙酯馏分，待收集的甲酸乙酯馏分的质量为加入(R)-2-氯丙酸乙酯质量的0.9倍时，继续升温，收集60-80℃的甲酸馏分，馏分收集完后将反应器中的反应物过滤，分离得到的固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66可以循环利用；再将滤液置于反应器中，连接真空泵，抽真空至-0.095～-0.01MPa，加热升温，收集105-115℃未反应完的(R)-2-氯丙酸乙酯和氯丙酸酐等馏分，反应器中剩余的产物为(R)-2-氯丙酸，将(R)-2-氯丙酸冷却后进行精馏，馏分即为本实施例制备的(R)-2-氯丙酸。
本实施例中(R)-2-氯丙酸乙酯的转化率为98.54%。
实施例3
本实施例的一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸的方法，包括以下步骤：
（1）固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的制备
称取0.055gZrCl4和0.034g对苯二甲酸溶于25mL DMF（二甲基甲酰胺）中，再将上述反应物转入聚四氟乙烯反应釜中，在130℃下反应11h后，过滤，将沉淀使用DMF和甲醇交替洗涤，再将沉淀置于65℃的烘箱内烘干11h，得到UIO-66，再用2.2mL浓度为1.5mol/L的硫酸将UIO-66浸渍30min后，过滤烘干，放入500℃的烘箱中3h即可得到固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66；
（2）(R)-2-氯丙酸的制备
在反应器中加入(R)-2-氯丙酸乙酯，边搅拌边加入质量分数为98%的甲酸及固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66，所述(R)-2-氯丙酸乙酯、甲酸和固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的质量比为1: 4: 0.05，将反应器接引风装置，在搅拌条件下升温至95℃，反应30-40min后，收集38-42℃的甲酸乙酯馏分，待收集的甲酸乙酯馏分的质量为加入(R)-2-氯丙酸乙酯质量的1.1倍时，继续升温，收集60-80℃的甲酸馏分，馏分收集完后将反应器中的反应物过滤，分离得到的固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66可以循环利用；再将滤液置于反应器中，连接真空泵，抽真空至-0.095～-0.01MPa，加热升温，收集105-115℃未反应完的(R)-2-氯丙酸乙酯和氯丙酸酐等馏分，反应器中剩余的产物为(R)-2-氯丙酸，将(R)-2-氯丙酸冷却后进行精馏，馏分即为本实施例制备的(R)-2-氯丙酸。
本实施例中(R)-2-氯丙酸乙酯的转化率为98.93%。

Claims (2)

1.一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的制备
称取ZrCl4和对苯二甲酸溶于DMF中，所述ZrCl4和对苯二甲酸的物质的量比为1.1-1.2:1，再将上述反应物转入聚四氟乙烯反应釜中，在110-130℃下反应11-13h后，过滤，将沉淀使用DMF和甲醇交替洗涤，再将沉淀置于55-65℃的烘箱内烘干11-13h，得到UIO-66，再用浓度为0.7-0.8mol/L的硫酸将UIO-66浸渍30min，所述硫酸的体积为UIO-66固体粉末体积的20-40倍，过滤烘干后，放入500℃的烘箱中3h即可得到固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66；
（2）(R)-2-氯丙酸的制备
在反应器中加入(R)-2-氯丙酸乙酯，边搅拌边加入质量分数为98%的甲酸及固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66，所述(R)-2-氯丙酸乙酯、甲酸和固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的质量比为1:1.5-4:0.01-0.05，将反应器接引风装置，在搅拌条件下升温至95℃，反应30-40min后，收集38-42℃的甲酸乙酯馏分，待收集的甲酸乙酯馏分的质量为加入(R)-2-氯丙酸乙酯质量的0.9-1.1倍时，继续升温，收集60-80℃的甲酸馏分，馏分收集完后将反应器中的反应物过滤，分离得到的固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66可以循环利用；再将滤液置于反应器中，连接真空泵，抽真空至-0.095～-0.01MPa，加热升温，收集105-115℃未反应完的(R)-2-氯丙酸乙酯和氯丙酸酐馏分，反应器中剩余的产物为(R)-2-氯丙酸，将(R)-2-氯丙酸冷却后进行精馏，馏分即为 (R)-2-氯丙酸。
2.根据权利要求1所述的一种基于UIO-66的固体酸催化酯交换反应合成(R)-2-氯丙酸的方法，其特征在于：所述(R)-2-氯丙酸乙酯、甲酸和固体酸催化剂SO4 2-/UIO-66的质量比为1:2:0.025。
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