CN109251153A - 一种肉桂腈的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种肉桂腈的合成方法，以肉桂醛为起始原料经过缩合反应、消除反应合成肉桂腈。本发明在缩合反应中采用滤液套用的方式，实现了缩合反应废水“零”排放，提高了肉桂醛肟收率，降低了肉桂醛、盐酸羟胺单耗，副产氯化钠或氯化钾固体；消除反应中加入催化剂，提高了醋酐的酯化能力，提高了消除反应速率，降低了醋酐单耗。
Description
技术领域
本发明涉及精细有机化学合成领域，具体涉及一种精细化工产品肉桂腈的合成。
背景技术
肉桂腈(Cinnamonitrile)是一种优良的人工合成香料，香气很像天然肉桂，具有强烈的辛香花香。与肉桂醛相比较，肉桂腈具有更加强烈的透发性，香势强而持久。肉桂腈的性质稳定，对光、热、酸、碱均不敏感，使用范围更加广泛。经过毒性检验确认，肉桂腈对皮肤的刺激性和毒性均比肉桂醛小是肉桂醛的理想替代品。肉桂腈对霉菌抑制效果好，抑菌谱广，并具有驱虫作用。因此广泛应用于香料、化妆品、肥皂、洗衣粉等日用品中。
由于肉桂腈特有的化学结构，可进行傅克反应、加成反应、还原反应、水解反应等，可以合成出一系列衍生物。因此在医药、精细化工等领域也有广泛的使用。
肉桂腈的合成路线主要有：1、苯甲醛-乙腈法；2、苯甲醛-卤乙腈法；3、碘苯-丙烯腈法；4、溴代苯乙烯-氰化物法；5、肉桂醛法等。本发明介绍一种以肉桂醛为原料合成肉桂腈的方法。
以肉桂醛为原料合成肉桂腈的化学合成反应方程式如下所述：
2、消除反应：
首先，肉桂醛与盐酸羟胺发生缩合反应合成肉桂醛肟；然后，肉桂醛肟在脱水剂作用下发生消除反应合成肉桂腈。
第一步肉桂醛与盐酸羟胺在碳酸钠作用下合成肉桂醛肟，在反应过程中，碳酸钠的用量对醛肟的收率有较大的影响。一方面，反应体系保持一定的酸度，氢离子与羰基结合成羟基碳正离子而增加羰基的亲电性，这对反应是有利的；另一方面，若酸度过强，氢离子和羟胺结合成铵离子的衍生物，降低了羟胺的亲核性，使反应难于进行。缩合反应通常以甲醇或乙醇作为反应溶剂(加入一定量的水)，这有利于肉桂醛、盐酸羟胺、碳酸钠的溶解，对提高反应速率有利；太多的甲醇或乙醇又会造成碳酸钠、盐酸羟胺难于电离，影响反应的进行。
缩合反应完毕，将反应料液直接倒入冰水中进行冷却、结晶。结晶完毕，过滤，滤饼为肉桂醛肟，烘干后进行下一步反应。滤液回收溶剂后作废液处理。
第二步消除反应通常在POCl3、亚硫酰氯、五氧化二磷等脱水剂作用下，通过溶剂回流方式进行消除反应合成肉桂腈。采用上述脱水剂进行脱水反应，后处理过程中会形成难于处理的含有亚磷酸、亚硫酸、磷酸、硫酸、盐酸等的废水，该工艺存在废水处理难度大的问题。
上述肉桂腈的合成方法存在如下缺陷：
1、缩合反应中为将主原料肉桂醛反应完全，盐酸羟胺的投料量大，利用率低，缩合废水量大，处理难度大；
2、采用POCl3、亚硫酰氯、五氧化二磷等作为脱水剂，价格贵，成本高，废水处理难度大。
专利CN101230017A对上述工艺进行了改进，采用在甲醇或乙醇中制备肉桂醛肟，然后肉桂醛肟在醋酐中脱水形成肉桂腈。该方法使用醋酐替代常规工艺POCl3等作为脱水剂，解决了消除反应产生废水的问题，但肉桂醛肟与醋酐的摩尔比例达到1：2.0～2.5，醋酐成本较高。
右江民族医学院的黄祖良等在《化工技术与开发》中发表了题为：《Nafion/SiO2催化合成肉桂腈的研究》的文章。固体酸全氟醋酸树脂Nafion/SiO2在苯为溶剂下催化肉桂醛肟脱水收率达90％，但根据文献报道树脂8～1O次套用后收率从90％降到80％,文献未就催化剂活化提出可行的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提高盐酸羟胺的利用率，降低废水数量，降低醋酐单耗。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
(1)肉桂醛与盐酸羟胺在醇类溶剂中及碳酸钠或碳酸钾水溶液的作用下发生缩合反应合成肉桂醛肟；
(2)肉桂醛肟与醋酐在催化剂作用下发生消除反应合成肉桂腈。
优选的，步骤(1)采用的醇类溶剂为：甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的至少一种。
优选的，肉桂醛与盐酸羟胺的投料质量比例为，1：0.6～1.2；
进一步优选的，盐酸羟胺与碳酸钠或碳酸钾的投料摩尔比例为，1：0.5～1.5；
优选的，步骤(1)缩合反应完毕向反应液中再加入一定量醇类溶剂，反应液将析出固体；过滤，滤饼为氯化钠或氯化钾，滤液蒸馏掉反应溶剂后在15～25℃条件下进行冷却结晶；结晶完毕，过滤，滤饼为肉桂醛肟，烘干后进行步骤(2)所述的消除反应，滤液在下一批缩合反应中进行套用。
进一步优选的，步骤(1)投入的肉桂醛量与缩合反应完毕再加入的醇类溶剂的质量比例为，1：0.5～8.0。
优选的，步骤(2)中肉桂醛肟与醋酐的投料摩尔比例为，1：1.05～1.20。
进一步优选的，步骤(2)中加入N,N-二甲胺基吡啶、2，4，6-三甲基吡啶、2-甲基吡啶、3-甲基吡啶、4-甲基吡啶中的至少一种作为消除反应的催化剂。
再进一步优选的，步骤(2)中消除反应的催化剂优先选用N,N-二甲胺基吡啶。
优选的，步骤(2)中肉桂醛肟与催化剂的投料质量比例为，1：0.002～0.01。
本发明一种肉桂腈的合成方法具体步骤如下：
步骤(1)、缩合反应：
反应方程式：
本发明对肉桂醛与盐酸羟胺缩合反应的后处理过程进行了改进，结合说明书附图1说明如下：缩合反应完毕，向缩合反应液中加入定量甲醇(以甲醇为例进行说明，此处加入甲醇的目的是使反应液中的盐从反应液中析出)，随着甲醇的加入反应液将析出白色的固体。过滤，滤饼为氯化钠固体。滤液浓缩，浓缩出的甲醇在下一批缩合反应或反应完毕的析盐时使用。将回收甲醇后剩余的反应液降温到15～25℃进行冷却结晶。结晶完毕，过滤，滤饼为肉桂醛肟，烘干后进行步骤(2)的消除反应。滤液在下一批配制盐酸羟胺、碳酸钠混合液时作为水使用。合成肉桂醛肟的缩合反应中通过滤液套用实现废水“零”排放，并且充分利用了水溶液中少量的肉桂醛肟、盐酸羟胺和肉桂醛。
在肉桂醛与盐酸羟胺的缩合反应中肉桂醛是关键组分，为保证肉桂醛反应完全，盐酸羟胺的投料量要比理论量稍大。本发明由于充分利用了水溶液中残留的肉桂醛及盐酸羟胺，当肉桂醛与盐酸羟胺的投料质量比例在1：0.6～1.2都可以达到比较满意的效果。
碳酸钠或碳酸钾的作用是使反应体系的PH保持在碱性条件，经过优化当采用盐酸羟胺与碳酸钠或碳酸钾的摩尔比例为1：0.5～1.5时反应效果最好，滤液套用时反应结果稳定。
步骤(2)、消除反应：
在步骤(2)的消除反应中，首先肉桂醛肟与醋酐在催化剂的作用下发生酯化反应形成酯化物，然后酯化物在催化剂及热的作用下消除一分子醋酸形成肉桂腈。
本发明在消除反应中采用N,N-二甲胺基吡啶、2，4，6-三甲基吡啶、2-甲基吡啶、3-甲基吡啶、4-甲基吡啶中的至少一种作为酯化及消除反应的催化剂。上述吡啶类物质可以促使醋酐电离为乙酰碳正离子该乙酰碳正离子可以更容易与肉桂醛肟发生酯化反应，促进了醋酐与肉桂醛肟的酯化反应。上述吡啶类物质作为一种有机碱能够更容易和酯化物碳氮双键(-CH＝N-)碳上的氢原子结合，然后在热的作用下消除一分子醋酸形成肉桂腈。通过上述催化剂的加入可以将肉桂醛肟与醋酐的摩尔比例由1：2.0～2.5降低到1：1.05～1.2，极大的降低了醋酐的单耗。N,N二甲胺基吡啶在催化该消除反应时，可以使酯化反应在70～80℃就能够顺利发生，使得整个消除反应更加稳定。通过优化，肉桂醛肟与催化剂的投料质量比例在1：0.002～0.01都可以达到良好的效果。
本发明具有如下优点：
1、实现了缩合反应废水“零”排放，提高了肉桂醛肟的收率，降低了肉桂醛、盐酸羟胺单耗，副产氯化钠固体；
2、通过在消除反应中加入催化剂，提高了醋酐的酯化能力，提高了消除反应速率，降低了醋酐单耗。
附图说明：
图1为本发明一种肉桂腈的合成方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
混合液配制：在250ml带有搅拌桨、温度计、回流冷凝器的三口烧瓶中投入盐酸羟胺：25.0g(99.1％，0.3565mol),去离子水：120.0g，反应瓶外壁用25～30℃冷却水冷却，缓慢向反应瓶内加入无水碳酸钠：28.5g(99.3％，0.2670mol)，随着碳酸钠的加入将形成大量二氧化碳气体。碳酸钠加料完毕，反应瓶内混合液静置备用。
缩合反应：在500ml带有搅拌浆、温度计、回流冷凝器的四口烧瓶中依次投入肉桂醛：40.0g(含量：98.8％，0.2994mol),甲醇：140ml，四口烧瓶外壁用20～25℃冷却水冷却。将250ml三口烧瓶内制备好的混合液转移入恒压滴加漏斗中，并缓慢滴加到500ml四口烧瓶中，滴加速度保证反应瓶内温不超过30℃。滴加完毕，控制内温40～50℃下保温反应3～5小时。
析盐：反应完毕，四口烧瓶外壁用20～25℃冷却水进行冷却。向四口烧瓶中缓慢加入甲醇140ml，随着甲醇的加入，烧瓶中将逐步析出白色固体，甲醇加料完毕，搅拌结晶30分钟。结晶完毕，过滤，滤饼为氯化钠固体。将滤液转移到500ml三口烧瓶中，三口烧瓶外壁用50℃热水加热，控制真空度≥0.075MPa，内温≤50℃条件下减压回收甲醇，回收出的甲醇在下一批缩合反应投料或缩合完毕析盐时使用。
产品结晶：回收完毕，三口烧瓶用低温冷却槽进行冷却，设定冷却槽冷媒温度为10℃，进行冷却结晶。冷却结晶完毕，过滤，滤饼为肉桂醛肟，在真空烘箱内35～40℃条件下烘干后得到肉桂醛肟成品41.9g(含量：98.3％,收率：93.6％)。滤液在下一批混合液配制中当作去离子水使用。
消除反应：在100ml带有温度计、磁力搅拌转子、冷凝器的三口烧瓶中投入肉桂醛肟：41.5g(98.3％，0.2775mol),醋酐：32.2g(99.0％，0.3125mol)，N,N-二甲胺基吡啶：0.25g。三口烧瓶用电热套加热，在内温115～125℃条件下回流反应3小时。
回流完毕，将装置由回流状态改为回收状态，进行减压回收。在真空度≥0.08MPa，内温≤110℃条件下减压回收乙酸。乙酸回收完毕，采用高真空滑片泵进行回收，在绝压≤200Pa，温度≤80℃条件下减压回收得到肉桂腈成品：34.5g(含量98.9％，收率：95.3％)
实施例2
混合液配制：在250ml带有搅拌桨、温度计、回流冷凝器的三口烧瓶中投入盐酸羟胺：25.0g(99.1％，0.3565mol),上批肉桂醛肟结晶滤液：108.0g，补加去离子水：12.0g，反应瓶外壁用25～30℃冷却水冷却，缓慢向反应瓶内加入无水碳酸钠：28.2g(99.3％，0.2642mol)。随着碳酸钠的加入将形成大量二氧化碳气体，碳酸钠加料完毕，反应瓶内混合液静置备用。
缩合反应：在500ml带有搅拌浆、温度计、回流冷凝器的四口烧瓶中依次投入肉桂醛：40.0g(含量：98.8％，0.2994mol),上批回收甲醇：140ml，四口瓶外壁用20～25℃冷却水冷却。将250ml三口烧瓶内制备好的混合液转移入恒压滴加漏斗中，并缓慢滴加到500ml四口烧瓶中，滴加速度保证反应瓶内温不超过30℃。滴加完毕，控制内温40～50℃下保温反应3～5小时。
析盐：反应完毕，四口烧瓶外壁用20～25℃冷却水进行冷却。向四口烧瓶中缓慢加入上批回收甲醇96ml，补加新甲醇24ml，随着甲醇的加入，烧瓶中将逐步析出白色固体，甲醇加料完毕，搅拌结晶30分钟。结晶完毕，过滤，滤饼为氯化钠固体。将滤液转移到500ml三口烧瓶中，三口烧瓶外壁用50℃热水加热，控制真空度≥0.075MPa，内温≤50℃条件下减压回收甲醇，回收出的甲醇在下一批缩合反应投料或缩合完毕析盐时使用。
产品结晶：回收完毕，三口烧瓶用低温冷却槽进行冷却，设定冷却槽冷媒温度为10℃，进行冷却结晶。冷却结晶完毕，过滤，滤饼为肉桂醛肟，在真空烘箱内35～40℃条件下烘干后得到肉桂醛肟成品42.5g(含量：98.2％,收率：94.8％)。滤液在下一批混合液配制中当作去离子水使用。
消除反应：在100ml带有温度计、磁力搅拌转子、冷凝器的三口烧瓶中投入肉桂醛肟：42.1g(98.2％，0.2812mol),醋酐：32.0g(99.0％，0.3106mol)，2-甲基吡啶：0.3g。三口烧瓶用电热套加热，在内温115～125℃条件下回流反应3小时。
回流完毕，将装置由回流状态改为回收状态，进行减压回收。在真空度≥0.08MPa，内温≤110℃条件下减压回收乙酸。乙酸回收完毕，采用高真空滑片泵进行回收，在绝压≤200Pa，温度≤80℃条件下减压回收得到肉桂腈成品：33.2g(含量97.6％，收率：89.3％)
实施例3
混合液配制：在250ml带有搅拌桨、温度计、回流冷凝器的三口烧瓶中投入盐酸羟胺：24.8g(99.1％，0.3536mol),上批肉桂醛肟结晶滤液：111.0g，补加去离子水：9.0g，反应瓶外壁用25～30℃冷却水冷却，缓慢向反应瓶内加入无水碳酸钠：28.6g(99.3％，0.2679mol)。随着碳酸钠的加入将形成大量二氧化碳气体，碳酸钠加料完毕，反应瓶内混合液静置备用。
缩合反应：在500ml带有搅拌浆、温度计、回流冷凝器的四口烧瓶中依次投入肉桂醛：40.1g(含量：98.8％，0.3001mol),乙醇：140ml，四口瓶外壁用20～25℃冷却水冷却。将250ml三口瓶内制备好的混合液转移入恒压滴加漏斗中，并缓慢滴加到500ml四口烧瓶中，滴加速度保证反应瓶内温不超过30℃。滴加完毕，控制内温40～50℃下保温反应3～5小时。
析盐：反应完毕，四口烧瓶外壁用20～25℃冷却水进行冷却。向四口烧瓶中缓慢加入乙醇120ml，随着乙醇的加入，烧瓶中将逐步析出白色固体，乙醇加料完毕，搅拌结晶30分钟。结晶完毕，过滤，滤饼为氯化钠固体。将滤液转移到500ml三口烧瓶中，三口瓶外壁用65℃热水加热，控制真空度≥0.075MPa，内温≤65℃条件下减压回收乙醇，回收出的乙醇在下一批缩合反应投料或缩合完毕析盐时使用。
产品结晶：回收完毕，三口烧瓶用低温冷却槽进行冷却，设定冷却槽冷媒温度为10℃，进行冷却结晶。冷却结晶完毕，过滤，滤饼为肉桂醛肟，在真空烘箱内35～40℃条件下烘干后得到肉桂醛肟成品42.7g(含量：98.4％,收率：95.2％)。滤液在下一批混合液配制中当作去离子水使用。
消除反应：在100ml带有温度计、磁力搅拌转子、冷凝器的三口烧瓶中投入肉桂醛肟：42.5g(98.4％，0.2845mol),醋酐：34.3g(99.0％，0.3329mol)，2，4，6-三甲基吡啶：0.25g。三口瓶用电热套加热，在内温115～125℃条件下回流反应3小时。
回流完毕，将装置由回流状态改为回收状态，进行减压回收。在真空度≥0.08MPa，内温≤110℃条件下减压回收乙酸。乙酸回收完毕，采用高真空滑片泵进行回收，在绝压≤200Pa，温度≤80℃条件下减压回收得到肉桂腈成品：35.0g(含量99.0％，收率：94.4％)
实施例4
混合液配制：在250ml带有搅拌桨、温度计、回流冷凝器的三口烧瓶中投入盐酸羟胺：25.2g(99.1％，0.3593mol),上批肉桂醛肟结晶滤液：109.0g，补加去离子水：11.0g，反应瓶外壁用25～30℃冷却水冷却，缓慢向反应瓶内加入无水碳酸钾：37.2g(99.0％，0.2669mol)。随着碳酸钾的加入将形成大量二氧化碳气体，碳酸钾加料完毕，应瓶反内混合液静置备用。
缩合反应：在500ml带有搅拌浆、温度计、回流冷凝器的四口烧瓶中依次投入肉桂醛：40.1g(含量：98.8％，0.3001mol),异丙醇：140ml，四口瓶外壁用20～25℃冷却水冷却。将250ml三口瓶内制备好的混合液转移入恒压滴加漏斗中，并缓慢滴加到500ml四口烧瓶中，滴加速度保证反应瓶内温不超过30℃。滴加完毕，控制内温40～50℃下保温反应3～5小时。
析盐：反应完毕，四口烧瓶外壁用20～25℃冷却水进行冷却。向四口烧瓶中缓慢加入异丙醇120ml，随着异丙醇的加入，烧瓶中将逐步析出白色固体，异丙醇加料完毕，搅拌结晶30分钟。结晶完毕，过滤，滤饼为氯化钾固体。将滤液转移到500ml三口烧瓶中，三口烧瓶外壁用65℃热水加热，控制真空度≥0.075MPa，内温≤65℃条件下减压回收异丙醇，回收出的异丙醇在下一批缩合反应投料或缩合完毕析盐时使用。
产品结晶：回收完毕，三口烧瓶用低温冷却槽进行冷却，设定冷却槽冷媒温度为10℃，进行冷却结晶。冷却结晶完毕，过滤，滤饼为肉桂醛肟，在真空烘箱内35～40℃条件下烘干后得到肉桂醛肟成品40.2g(含量：97.8％,收率：89.1％)。滤液在下一批混合液配制中当作去离子水使用。
消除反应：在100ml带有温度计、磁力搅拌转子、冷凝器的三口烧瓶中投入肉桂醛肟：38.5g(97.8％，0.2561mol),醋酐：32.0g(99.0％，0.3106mol)，3-甲基吡啶：0.2g。三口瓶用电热套加热，在内温115～125℃条件下回流反应3小时。
回流完毕，将装置由回流状态改为回收状态，进行减压回收。在真空度≥0.08MPa，内温≤110℃条件下减压回收乙酸。乙酸回收完毕，采用高真空滑片泵进行回收，在绝压≤200Pa，温度≤80℃条件下减压回收得到肉桂腈成品：31.3g(含量98.5％，收率：93.3％)。
Claims (10)
1.一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)肉桂醛与盐酸羟胺在醇类溶剂中及碳酸钠或碳酸钾水溶液的作用下发生缩合反应合成肉桂醛肟；
(2)肉桂醛肟与醋酐在催化剂作用下发生消除反应合成肉桂腈。
2.根据权利要求1所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，步骤(1)采用的醇类溶剂为：甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，肉桂醛与盐酸羟胺的投料质量比例为，1：0.6～1.2。
4.根据权利要求3所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，盐酸羟胺与碳酸钠或碳酸钾的投料摩尔比例为，1：0.5～1.5。
5.根据权利要求2所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，步骤(1)缩合反应完毕向反应液中再加入一定量醇类溶剂，反应液将析出固体；过滤，滤饼为氯化钠或氯化钾，滤液蒸馏掉反应溶剂后在15～25℃条件下进行冷却结晶；结晶完毕，过滤，滤饼为肉桂醛肟，烘干后进行步骤(2)所述的消除反应，滤液在下一批缩合反应中进行套用。
6.根据权利要求5所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，步骤(1)投入的肉桂醛量与缩合反应完毕再加入的醇类溶剂的质量比例为，1：0.5～8.0。
7.根据权利要求1所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，步骤(2)中肉桂醛肟与醋酐的投料摩尔比例为，1：1.05～1.20。
8.根据权利要求7所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，步骤(2)中加入N,N-二甲胺基吡啶、2，4，6-三甲基吡啶、2-甲基吡啶、3-甲基吡啶、4-甲基吡啶中的至少一种作为消除反应的催化剂。
9.根据权利要求8所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，步骤(2)中消除反应的催化剂优先选用N,N-二甲胺基吡啶。
10.根据权利要求8所述的一种肉桂腈的合成方法，其特征在于，步骤(2)中肉桂醛肟与催化剂的投料质量比例为，1：0.002～0.01。
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