CN109232313B

CN109232313B - 一种丙二腈的合成方法

Info

Publication number: CN109232313B
Application number: CN201811315738.1A
Authority: CN
Inventors: 苏蔚; 汤芝平; 苏斌林; 高志伟; 陈万成; 康福堂
Original assignee: Shanxi Xintianyuan Pharmaceutical Co ltd
Current assignee: Shanxi Xintianyuan Pharmaceutical Co ltd
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: CN109232313A

Abstract

本发明公开了一种丙二腈的合成方法，是以金属氰化物和二卤代甲烷为起始反应物体系，在金属碘盐催化剂存在下，以偶极非质子溶剂为反应助剂，制备目标产物丙二腈。本发明方法通过加入反应助剂促进反应进行，避免了水、醇等极性溶剂造成的丙二腈水解或醇解，确保了丙二腈的高收率与质量，可以得到收率91.0%以上，纯度99.3%以上的丙二腈。

Description

一种丙二腈的合成方法

技术领域

本发明属于有机合成技术领域，涉及一种有机化工中间体的合成方法，特别是合成丙二腈的方法。

背景技术

丙二腈(Malononitrile)，又名二氰基甲烷，无色至微黄色晶体，熔点30.5～32.0℃、沸点218.5～220.0℃、闪点118.6～112.2℃。

丙二腈在农药、医药和精细化工等领域应用极为广泛，是合成除草剂如苄嘧磺隆、吡嘧磺隆等；药物如氨蝶呤、氨苯蝶啶等；有机化工中间体如萘四甲酸、三氨嘧啶、6-氨基嘌呤等；B族维生素如V_B1、V_B4等相关产品的重要起始原料，市场需求量非常旺盛。

根据文献资料报道，丙二腈的生产工艺大致分为两类，即脱水法和合成法。

脱水法主要以2-氰基乙酰胺或丙二酰胺为起始原料，在光气、三光气、三氯氧膦、五氧化二磷、磷酸、氰脲酰氯或烷基磷酰二氯等脱水剂作用下，酰胺直接脱水得到目标产物丙二腈。这种方法生产成本高，使用原料价格昂贵且不易得到。

合成法主要包括：1）以氯化氰和氢氰酸为原料合成；2）以氨基乙腈、亚硝酸钠和氢氰酸为原料合成；3）以甲胩与乙腈为原料合成；4）以氨基丙腈或丙烯腈、氨气或二甲胺、氧气为原料合成；5）以2-氰基乙酰溴与对硝基苯甲氰为原料合成等多种合成路线。此类方法设备投资大、工艺控制要求苛刻、原料储运条件要求高。

因此，现有丙二腈生产工艺已经严重制约和影响了其自身的规模化生产和下游产品的稳定生产，研究与开发一种便捷、经济、绿色的丙二腈合成方法已非常迫切。

CN 105949084提供了一种丁二腈的制备方法，是将氰化钠(钾)溶于水中，加乙醇提温至回流，滴加1,2-二氯(溴)乙烷的乙醇溶液，滴毕继续回流反应24h。反应结束后，先减压蒸干溶剂乙醇与水，再加入萃取剂乙酸乙酯，过滤，滤液减压精馏得到丁二腈，收率69～72%。

虽然上述方法可以较简便地合成丁二腈，但不难发现，该法并不能直接用于丙二腈的合成。主要原因在于：1）由于卤素的强吸电子特性，使得二卤代甲烷的反应活性远低于1,2-二卤代乙烷，在上述反应条件下，二卤代甲烷根本不参与反应。2）在氰基(-C≡N)的碳-氮叁键中具有π键，当化合物中两个氰基相距越近时，π键电子越容易离域或共轭，易得到或失去电子形成带电粒子，从而使得化合物自身更加活泼而不稳定，即丙二腈的活泼性与不稳定性均远高于丁二腈。此时，若反应体系中有水、乙醇等极性质子介质存在，则化合物极易发生水解或醇解，从而大幅影响化合物的收率与质量。3）上述方法在反应结束后，需要更换体系介质，先蒸干溶剂乙醇与水，再加入乙酸乙酯萃取。众所周知，在实际生产操作过程中，将溶剂完全蒸干一般是难以严格实现的，必定会有少量溶剂残留。而在后续的高温精馏操作下，如果体系中残存有水，必然会分解萃取剂乙酸乙酯产生相应的醋酸。而体系中醋酸的存在，则会进一步加速氰基的分解。这也是CN 105949084中目标产物丁二腈收率不高，仅有69～72%的影响因素之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、便捷、经济、绿色的丙二腈合成方法。

本发明所述丙二腈的合成方法是以金属氰化物和二卤代甲烷为起始反应物体系，在金属碘盐催化剂存在下，以偶极非质子溶剂作为反应助剂，制备目标产物丙二腈。

采用本发明的丙二腈合成方法，可以制备得到收率91.0%以上，纯度99.3%以上的目标产物丙二腈。所述目标产物是由反应产物固液分离后，将液体产物在4～8mmHg下进行减压蒸馏，除去前馏分后，收集到的85～95℃温度段的正馏分。

本发明所述丙二腈的合成方法中，作为起始反应物之一的金属氰化物为碱金属或碱土金属氰化物，如氰化锂、氰化钠、氰化钾、氰化镁、氰化钙等。

进一步地，所述金属氰化物优选价廉、易得的氰化钠或氰化钾。

所述丙二腈的合成方法中，另一起始反应物二卤代甲烷为二氟甲烷、二氯甲烷、二溴甲烷或二碘甲烷。

进一步地，本发明优选使用价廉、易得的二氯甲烷或二溴甲烷。

本发明所述丙二腈的合成方法中，所述的偶极非质子溶剂可以是二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMA)、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(DMI)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的任意一种，或几种的任意比例混合物。其主要起到增溶所述金属氰化物固体的作用。

进一步地，本发明优选使用性能优越的DMSO和/或DMI。

所述丙二腈合成方法中使用的金属碘盐催化剂可以是碘化锂、碘化钠、碘化钾、碘化钙、碘化镁、碘化亚铜、碘化亚铁、碘化锌等中的任意一种。

进一步地，本发明优选使用价廉、易得的碘化钠或碘化钾。

本发明所述丙二腈的合成方法是在120～220℃的反应温度下进行的。进而，优选的反应温度为140～160℃。

进一步地，本发明所述反应的反应时间为4～30h，优选为8～18h。

更具体地，本发明所述丙二腈的合成方法中，所述金属氰化物与二卤代甲烷的摩尔用量比为1.5～3∶1。进而，优选的摩尔用量比为1.85～1.95∶1。

本发明丙二腈的合成方法中，通过加入较少量的偶极非质子溶剂作为反应助剂，就可以使所述反应高效、顺利进行。优选地，所述偶极非质子溶剂的用量为金属氰化物质量的0.5～20%。

更进一步地，所述偶极非质子溶剂的用量为金属氰化物质量的3～8%。

同时，本发明所述反应助剂可以在丙二腈的合成反应过程中连续循环套用。

具体地，本发明所述丙二腈的合成方法中，在减压蒸馏过程中产生的前馏分中，其主要组成为未反应的二卤代甲烷、中间产物单卤代乙腈、反应助剂和少量目标产物丙二腈的共沸物。该前馏分无需进行任何处理，可以直接套用于下批次的反应中，既实现了反应助剂的连续套用，又可以降低二卤代甲烷的消耗，并有利于提高目标产物的收率。

本发明所述丙二腈的合成方法中，催化剂的用量为二卤代甲烷质量的0.01～10%。优选地，催化剂用量为二卤代甲烷质量的0.5～3%。

进而，本发明所述丙二腈的合成方法中，反应结束后固液分离所得固体为副产物金属卤代盐，可以直接装袋外售。

本发明提出的丙二腈合成方法克服了现有丙二腈合成技术的不足，具有无需反应溶剂、工艺简单、产品收率高、成本低、质量稳定等诸多特点，极具产业化推广价值。

本发明的丙二腈合成方法采取高温下反应，克服了二卤代甲烷自身反应活性低的缺陷。通过加入适量反应助剂，对金属氰化物起到增溶效果，在不引入水、醇等极性溶剂的前提下，不仅实现了对反应有利的均相反应体系，同时也避免了目标产物丙二腈的水解或醇解损失。

本发明合成方法在反应结束后，无需更换反应体系介质和引入萃取剂，直接经固液分离和减压蒸馏处理，即可以得到目标产物丙二腈，彻底革除了由于萃取剂分解产生酸进一步加速分解目标产物的可能，确保了目标产物丙二腈的高收率与质量。

具体实施方式

下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1。

向压力反应器中依次加入二溴甲烷1200g、DMSO 30g、碘化钠15g、NaCN 650g，密闭压力反应器，通N₂置换系统，搅拌下升温至140℃，待体系温度与压力稳定后，保温计时反应16h。

反应结束后，降温，固液分离，回收固体溴化钠。滤液收集于精馏瓶中，直接进行减压精馏，将前馏分单独收集待用，收集到85～95℃(4～8mmHg)段的正馏分410.2g，即为目标产物丙二腈，收率93.64%。GC法测定产物纯度99.52%。

以FT-IR和¹H-NMR对产物结构进行表征。其中FT-IR σ/cm^-1：2965(vs, ν_C-H)，2930(vs, ν_C-H)，2280(s, ν_C≡N)，1400(vs, ν_C-H)，990(m, ν_C-H)，890(m, ν_C-H)；¹H-NMR(400MHz，CDCl₃) δ/ppm：3.610 (s, 2H, -CH₂-)；证明目标产物为丙二腈。

实施例2。

向压力反应器中依次加入二氯甲烷500g、DMI 25g、碘化钾12g、KCN 725g，密闭压力反应器，通N₂置换系统，搅拌下升温至155℃，待体系温度与压力稳定后，保温计时反应12h。

反应结束后，降温，固液分离，回收固体氯化钾。滤液收集于精馏瓶中，直接进行减压精馏，将前馏分单独收集待用，收集到85～95℃(4～8mmHg)段的正馏分334.8g，即为目标产物丙二腈，收率91.04%。GC法测定产物纯度99.36%。

FT-IR与¹H-NMR表征结果同实施例1。

实施例3。

将实施例1中收集到的前馏分加入压力反应器中，依次加入二溴甲烷1200g、碘化钠15g、NaCN 650g，密闭压力反应器，通N₂置换系统，搅拌下升温至140℃，待体系温度与压力稳定后，保温计时反应18h。

反应结束后，降温，固液分离，回收固体溴化钠。滤液收集于精馏瓶中，直接进行减压精馏，前馏分收集待用，收集85～95℃(4～8mmHg)段的正馏分415.4g，即为目标产物丙二腈，收率94.83%。GC法测定产物纯度99.41%。

FT-IR与¹H-NMR表征结果同实施例1。

实施例4。

向压力反应器中依次加入二溴甲烷1000g、DMI 55g、碘化钾5g、KCN 730g，密闭压力反应器，通N₂置换系统，搅拌下升温至160℃，待体系温度与压力稳定后，保温计时反应8h。

反应结束后，降温，固液分离，回收固体溴化钾。滤液收集于精馏瓶中，直接进行减压精馏，前馏分收集待用，收集85～95℃(4～8mmHg)段的正馏分351.8g，即为目标产物丙二腈，收率95.01%。GC法测定产物纯度99.47%。

FT-IR与¹H-NMR表征结果同实施例1。

实施例5。

将实施例3中收集到的前馏分加入压力反应器中，依次加入二溴甲烷1200g、碘化钠15g、NaCN 655g，密闭压力反应器，通N₂置换系统，搅拌下升温至150℃，待体系温度与压力稳定后，保温计时反应15h。

反应结束后，降温，固液分离，回收固体溴化钠。滤液收集于精馏瓶中，直接进行减压精馏，前馏分收集待用，收集85～95℃(4～8mmHg)段的正馏分420.0g，即为目标产物丙二腈，收率95.14%。GC法测定产物纯度99.60%。

Claims

1.一种丙二腈的合成方法，是以金属氰化物和二卤代甲烷为起始反应物体系，在金属碘盐催化剂存在下，以偶极非质子溶剂作为反应助剂，制备目标产物丙二腈，所述反应助剂是二甲基亚砜、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮中的任意一种，或两种的任意比例混合物。

2.根据权利要求1所述的丙二腈的合成方法，其特征是将反应产物固液分离，液体产物在4～8mmHg下减压蒸馏，除去前馏分，收集85～95℃温度段的正馏分得到目标产物丙二腈。

3.根据权利要求1所述的丙二腈的合成方法，其特征是所述的金属氰化物为碱金属或碱土金属氰化物。

4.根据权利要求1所述的丙二腈的合成方法，其特征是所述的二卤代甲烷为二氟甲烷、二氯甲烷、二溴甲烷或二碘甲烷。

5.根据权利要求1所述的丙二腈的合成方法，其特征是所述的金属碘盐催化剂是碘化锂、碘化钠、碘化钾、碘化钙、碘化镁、碘化亚铜、碘化亚铁、碘化锌中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的丙二腈的合成方法，其特征是所述合成方法在120～220℃下进行，反应时间4～30h。

7.根据权利要求1所述的丙二腈的合成方法，其特征是所述金属氰化物与二卤代甲烷的摩尔用量比为1.5～3∶1。

8.根据权利要求1所述的丙二腈的合成方法，其特征是所述反应助剂的用量为金属氰化物质量的0.5～20%。

9.根据权利要求1所述的丙二腈的合成方法，其特征是所述催化剂的用量为二卤代甲烷质量的0.01～10%。