CN109608317A - 一种α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种α‑乙酰基‑γ‑丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，包括在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α‑乙酰‑γ‑丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵进行高速喷射混合等步骤，本发明采用了新型的基于文丘里效应的喷射环路反应器，极大的促进了反应器中各个反应物种间的传质，从而使得反应可以处于动力学控制，反应体系中有机相和催化剂原料之间可以实现充分的传质与反应，极大提升了反应效率，降低了副反应的发生。本申请采用的组合催化剂催化效率高，活性高，选择性高，这样不仅降低了反应温度，也减少了高温下裂解的其他副反应，同时减少了能耗，降低了成本。

Description

一种α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法

技术领域

本发明属于有机化学技术领域，具体涉及一种α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法。

背景技术

α-乙酰-γ-丁内酯，简称ABL，分子式C6H8O3，分子量为128.13，是一种为无色透明的液体。它是合成维生素B的重要中间体，也是合成3,4-二取代基吡啶和5-(β-羟乙基)-4-甲基噻唑的中间体。其结构如下所示：

近年来，国外开发了α-乙酰基-γ-丁内酯的裂解脱羧方法，可以制备得到环丙基甲基酮，从而获得更为广泛的应用。环丙基甲基酮是结构较为特殊的甲基酮,它是合成新广谱抗菌剂环丙氟哌酸类药物和拟除虫菊酯类农药的重要中间体，经过手性还原为手性醇后成为重要的药物。在香料酮中，甲基酮无论本身作为香料，还是作为合成香料的中间体，都占有重要地位，因此研究这些特殊结构的单酮的合成方法具有重要意义。

环丙基甲基酮的合成方法有多种，其中以原料α-乙酰-γ-丁内酯较有竞争力。原料α-乙酰-γ-丁内酯可以发生水解卤代反应，生成卤代戊酮，再进行环合反应得到产品环丙甲酮。这条路线三废太多，污染严重，成本高。

美国专利US5254739公开了一种新方法，原料α-乙酰-γ-丁内酯在高沸点溶剂和催化剂存在下进行高温裂解反应，反应温度为180-200℃，催化剂为碘化钠、溴化钾等卤代盐。反应结束后，需要回收催化剂、溶剂和再生催化剂和溶剂。该路线反应温度太高，一般企业难以达到，同时反应收率较低，一般低于90％，产品含量也较低，含有较多裂解副产物，催化剂活性不足导致。

现有的α-乙酰基-γ-丁内酯的催化裂解方法，或多或少存在缺陷，或是产品收率较低，或是反应过程中腐蚀性太强，或是成本过高。现有的技术路线在环境友好性和成本方面都需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

本发明公开了一种α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，包括以下步骤：

1)在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵进行高速喷射混合；

2)开启换热器，控制温度在100-140℃，将α-乙酰-γ-丁内酯原料和催化剂缓慢加入喷射环路反应器中，喷射混合并实现充分的催化裂解反应；

3)从反应釜的顶部，不断冷凝采出裂解产品环丙基甲基酮，同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，原料加入完成后，继续循环反应30-60分钟，收集完全产品环丙基甲基酮。

作为进一步的改进，本发明所述的喷射环路反应器的环路操作为向下流动。

作为进一步的改进，本发明所述的反应器的喷射式混合器浸入环路反应器液相中。

作为进一步的改进，本发明所述的催化剂为混合催化剂，包括组分1和组分2，组分1为碘化钠、碘化钾、溴化钠、溴化钾、氯化钠、氯化钾中的一种，组分2为沸石咪唑酯骨架配合物ZIF-8。

作为进一步的改进，本发明所述的混合催化剂中组分1和组分2的质量比为1:0.05-1:0.5。

作为进一步的改进，本发明所述催化剂的粒径小于2000微米。

作为进一步的改进，本发明所述催化剂的粒径小于1000微米。

作为进一步的改进，本发明反应结束后，反应器内催化剂不经任何处理，直接用于下一批α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解产品的制备。

作为进一步的改进，本发明所述方法的所得产品环丙基甲基酮含量大于99％，反应总收率大于98％。

本发明的有益效果：

ZIF-8是硝酸锌和2-甲基咪唑配位形成的一种金属有机骨架配合物，具有无机分子筛拓扑网络结构、高比表面积、含钴金属位点、配体中氮含量高等特点，其比表面积超过2100平方米/克。本申请发现该催化剂对于本反应体系具有特别优异的催化裂解效果，得到了高选择性的产品，同时大幅度降低了裂解反应温度。

本发明采用了新型的基于文丘里效应的喷射环路反应器，替代了传统的搅拌釜式反应器。根据测试，基于文丘里效应的喷射环路反应器的传质速率比传统的搅拌釜式反应器的传质速率提高了1-2个数量级以上，极大的促进了反应器中各个反应物种间的传质，从而使得反应可以处于动力学控制。反应原料在泵的作用下向前喷射推进时，会产生强大的吸力(局部高真空)，此吸力可以自动地吸入反应釜中的气相反应物料，从而在剧烈的气液湍流流动中获得极佳的传质效果。同时由于采用了高压泵的强烈喷射，反应体系中不仅适用于液体物料和气体物料的混合，也适合于液体原料与固体催化剂之间的强烈快速混合情形，这不同于普通的喷雾设备。

由于新型基于文丘里效应的喷射环路反应器的使用，本反应体系中无需采用相转移催化剂，也无需加入额外的反应溶剂。反应体系中有机相和催化剂原料之间可以实现充分的传质与反应，极大提升了反应效率，降低了副反应的发生。反应体系中的喷射可以产生强大的吸力，此吸力可以自动地吸入反应釜中的气相物料并迅速进入反应液相体系，通过气液湍流流动从而极大的促进了反应体系中各个反应物种间的传质过程，并保证了反应体系中各物质的内容浓度的均一性，比搅拌反应釜中浓度分布均匀性有了极大提升，这进一步降低了副反应的发生几率，提高了反应的选择性和效率。这种新型反应方法的应用是本发明得以实现快速催化高效裂解反应的核心和关键技术。

本申请采用的组合催化剂催化效率高，活性高，选择性高，这样不仅降低了反应温度，也减少了高温下裂解的其他副反应，同时减少了能耗，降低了成本。通过本催化体系催化裂解原料α-乙酰基-γ-丁内酯，在所述条件下反应具有高度的选择性，反应几乎无杂质。反应温度仅仅在100-140℃下即可进行，这个温度普通企业的蒸汽温度即可达到。此外，所述方法不采用任何溶剂，所得产品环丙基甲基酮含量大于99％，反应总收率大于98％，都远高于传统方法和文献报道。反应过程中完全避免了三废的产生，保护了环境；避免了高温生产过程中可能发生的危险，更加安全，有利于提高操作效率。

附图说明

图1为基于文丘里效应的喷射环路反应器的结构示意图。

图中，1是喷射式混合器；2是换热器；3是外循环泵；4是排污口；5是物料进料口；6是环丙基甲基酮采出口。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明：

实施例1

(1)在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵3进行高速喷射混合。

(2)开启换热器2，控制温度在140℃下，将α-乙酰-γ-丁内酯原料和催化剂通过物料进口5缓慢加入喷射环路反应器中，通过喷射式混合器1喷射混合并实现充分的催化裂解反应。催化剂1.0kg(氯化钠：ZIF-8＝1:0.05)，催化剂的粒径小于2000微米。

(3)从反应釜的顶部，从环丙基甲基酮采出口6不断冷凝采出裂解产品环丙基甲基酮，废料从排污口4排出。同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料。原料加入完成后，继续循环反应30分钟，收集完全产品环丙基甲基酮。收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.1％，反应总摩尔收率为98.0％。

实施例2

(1)在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵3进行高速喷射混合。

(2)开启换热器2，控制温度在100℃下，将α-乙酰-γ-丁内酯原料和催化剂通过物料进口5缓慢加入喷射环路反应器中，通过喷射式混合器1喷射混合并实现充分的催化裂解反应。催化剂1.0kg(碘化钠：ZIF-8＝1:0.5)，催化剂的粒径小于500微米。

(3)从反应釜的顶部，从环丙基甲基酮采出口6不断冷凝采出裂解产品环丙基甲基酮，废料从排污口4排出。同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料。原料加入完成后，继续循环反应60分钟，收集完全产品环丙基甲基酮。收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.6％，反应总摩尔收率为99.1％。

实施例3

(1)在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵3进行高速喷射混合。

(2)开启换热器2，控制温度在130℃下，将α-乙酰-γ-丁内酯原料和催化剂通过物料进口5缓慢加入喷射环路反应器中，通过喷射式混合器1喷射混合并实现充分的催化裂解反应。催化剂1.0kg(碘化钾：ZIF-8＝1:0.1)，催化剂的粒径小于1000微米。

(3)从反应釜的顶部，从环丙基甲基酮采出口6不断冷凝采出裂解产品环丙基甲基酮，废料从排污口4排出。同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料。原料加入完成后，继续循环反应45分钟，收集完全产品环丙基甲基酮。收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.2％，反应总摩尔收率为98.5％。

实施例4

(1)在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵3进行高速喷射混合。

(2)开启换热器2，控制温度在120℃下，将α-乙酰-γ-丁内酯原料和催化剂通过物料进口5缓慢加入喷射环路反应器中，通过喷射式混合器1喷射混合并实现充分的催化裂解反应。催化剂1.0kg(溴化钠：ZIF-8＝1:0.2)，催化剂的粒径小于1000微米。

(3)从反应釜的顶部，从环丙基甲基酮采出口6不断冷凝采出裂解产品环丙基甲基酮，废料从排污口4排出。同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料。原料加入完成后，继续循环反应45分钟，收集完全产品环丙基甲基酮。收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.0％，反应总摩尔收率为98.3％。

实施例5

(1)在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵3进行高速喷射混合。

(2)开启换热器2，控制温度在130℃下，将α-乙酰-γ-丁内酯原料和催化剂通过物料进口5缓慢加入喷射环路反应器中，通过喷射式混合器1喷射混合并实现充分的催化裂解反应。催化剂1.0kg(溴化钾：ZIF-8＝1:0.4)，催化剂的粒径小于1000微米。

(3)从反应釜的顶部，从环丙基甲基酮采出口6不断冷凝采出裂解产品环丙基甲基酮，废料从排污口4排出。同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料。原料加入完成后，继续循环反应45分钟，收集完全产品环丙基甲基酮。收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.1％，反应总摩尔收率为99.0％。

实施例6

(1)在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵3进行高速喷射混合。

(2)开启换热器2，控制温度在130℃下，将α-乙酰-γ-丁内酯原料和催化剂缓慢加入喷射环路反应器中，通过喷射式混合器1喷射混合并实现充分的催化裂解反应。催化剂1.0kg(氯化钾：ZIF-8＝1:0.15)，催化剂的粒径小于500微米。

(3)从反应釜的顶部，从环丙基甲基酮采出口6不断冷凝采出裂解产品环丙基甲基酮，废料从排污口4排出。同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料。原料加入完成后，继续循环反应45分钟，收集完全产品环丙基甲基酮。收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.2％，反应总摩尔收率为98.7％。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在基于文丘里效应的喷射环路反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，除氧充入惰性气体置换保护，开启外循环泵进行高速喷射混合；

2)开启换热器，控制温度在100-140℃，将α-乙酰-γ-丁内酯原料和催化剂缓慢加入喷射环路反应器中，喷射混合并实现充分的催化裂解反应；

3)从反应釜的顶部，不断冷凝采出裂解产品环丙基甲基酮，同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，原料加入完成后，继续循环反应30-60分钟，收集完全产品环丙基甲基酮。

2.根据权利要求1所述的α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，所述的喷射环路反应器的环路操作为向下流动。

3.根据权利要求1所述的α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，所述的反应器的喷射式混合器浸入环路反应器液相中。

4.根据权利要求1所述的α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，所述的催化剂为混合催化剂，包括组分1和组分2，组分1为碘化钠、碘化钾、溴化钠、溴化钾、氯化钠、氯化钾中的一种，组分2为沸石咪唑酯骨架配合物ZIF-8。

5.根据权利要求4所述的α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，所述的混合催化剂中组分1和组分2的质量比为1:0.05-1:0.5。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，所述催化剂的粒径小于2000微米。

7.根据权利要求1所述的α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，所述催化剂的粒径小于1000微米。

8.根据权利要求1所述的α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，反应结束后，反应器内催化剂不经任何处理，直接用于下一批α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解产品的制备。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或7或8所述的α-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的合成方法，其特征在于，所述方法的所得产品环丙基甲基酮含量大于99％，反应总收率大于98％。