CN110092714A - 一种2,2-二羟甲基丁酸的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种2,2‑二羟甲基丁酸的制备方法,以丁醛和多聚甲醛为原料,在有机碱催化剂作用下反应生成β,β‑二羟甲基丁醛,再在双氧水的作用下进行氧化得到β,β‑二羟甲基丁酸,利用无机碱进行中和得到β,β‑二羟甲基丁酸盐,通过蒸馏、过滤得到高纯β,β‑二羟甲基丁酸盐,最后在酸的作用下进行酸化即可得到2,2‑二羟甲基丁酸。本发明特点在于通过一种新的合成方法制备2,2‑二羟甲基丁酸,省去了传统工艺中的重结晶步骤,反应效率高、产品易分离,能够大大提高产品的收率,并且能废弃物少,符合绿色化学的设计思路。

Description

一种2,2-二羟甲基丁酸的制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备2,2-二羟甲基丁酸的方法,具体属于有机化工技术领域。
背景技术
2,2-二羟甲基丁酸是在一个季碳原子上分别连有两个羟甲基,四个基团与季碳原子在空间组成类似金刚石的共价结构,决定了该相对稳定性;而其中的羟基和羧基作为反应性官能团,使得该分子既具有醇类,又具有酸类化合物的特性。亲油性的碳骨架及亲水性的官能团结构使其具有独特的溶解性能,成为一种优异的交联剂和有机中间体,可广泛用于水溶性聚氨酯、聚酯、环氧树脂、交联剂等方面。
目前国内外合成2,2-二羟甲基丁酸主要是分两步法进行。一是在碱性催化剂的存在下,甲醛水溶液和丁醛进行羟醛缩合反应,生成2,2-二羟甲基丁醛;二是再以过氧化氢为氧化剂,经过2,2-二羟甲基丁醛氧化、结晶、重结晶,二次结晶,得到2,2-二羟甲基丁酸白色晶体。羟醛缩合反应是两步法的关键步骤,其碱性催化剂多见采用无机碱(碳酸钠、氢氧化钠)、混合碱(碳酸钠和氢氧化钠的混合物)或有机碱(三乙胺)。由于在缩合反应过程中有康尼扎罗反应等副反应发生,致使反应体系的pH值改变较大,存在催化剂选性差、反应性差、产品收率低等问题。另外在烷酸回收工程中需加入7wt%的硫酸,用以除去催化剂无机碱。
现有的2,2-二羟甲基丁酸的制备方法存在以下弊病:一、以甲醛水溶液为原料在运输的过程中容易聚合,甲醛利用率低;二、单分子甲醛氧化后形成甲酸,甲酸对产品有良好的增溶作用,使产品形成稳定的过饱和溶液而不能析出产品;三、氧化液中含有聚合物等杂质,冷却后粘性变大,造成产品难以析出,即使有产品析出也要进行重结晶和二次重结晶,产品从混合液中的回收率较低,并且析晶过程不稳定;四、甲醛与丁醛在缩合的过程中使用无机碱,在后期需要使用酸来中和该碱使得生产成本上升。上述存在的弊端使得2,2-二羟甲基丁酸工业化生成受到极大限制。
发明内容
本发明的目的地在于克服上述现有技术的不足,提供一种工艺简单,未见文献报道、高效的2,2-二羟甲基丁酸的制备方法。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种2,2-二羟甲基丁酸的制备方法,所述的方法包括以下步骤:
(1)以多聚固体甲醛和丁醛为原料,在催化剂作用下反应生成含有β,β-二羟甲基丁醛的反应液;
(2)减压条件下除去步骤1)中的反应液中的催化剂和小分子副产物。在加热状态下加入双氧水进行氧化后得含2,2-二羟甲基丁酸的混合液;
(3)向2,2-二羟甲基丁酸的混合液中加入无机碱进行中和,蒸馏除去水并加入一定量有机溶剂,经过滤即可析出纯2,2-二羟甲基丁酸盐;
(4)加入一定量水溶解2,2-二羟甲基丁酸盐,并加入等量的酸进行酸化,蒸馏除去水并加入一定量的有机溶剂析出无机盐,过滤、母液减压蒸馏即可得到纯2,2-二羟甲基丁酸。
本发明反应方程式如下:
本发明的方法中,步骤1)中所述的多聚甲醛为3聚或者4聚的固体甲醛。
本发明的方法中,步骤1)中所述的催化剂为有机催化剂,其分子式为(CnH2n+1)mN,n为≤4的正整数,m为2或者3,选自二甲胺、二乙胺、二丙胺、二丁胺、三甲胺、三乙胺、三丁胺等中的一种或两种或多种,优选三甲胺或三乙胺中的一种或两种。
本发明的方法中,步骤1)反应中投料中丁醛与甲醛的摩尔比为1:2~4,优选1:2~2.5。
本发明的方法中,步骤1)反应中催化剂的量与丁醛的摩尔比为0.05~0.2:1,优选0.05~0.1:1。
本发明的方法中,步骤1)反应中丁醛与多聚甲醛的反应温度为30~80℃,优选30~60℃,反应时间0.5~4h,优选1~2h。
本发明的方法中,步骤2)反应中2,2-二羟甲基丁醛与双氧水的摩尔比为1:1~4,优选1:1~2,反应的温度为50~100℃,优选50~80℃,反应时间0.5~3h,优选1~2h。
本发明的方法中,步骤3)反应中所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化镁、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾等中的一种或两种或多种,优选氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的一种或两种。
本发明的方法中,步骤3)反应中粗品2,2-二羟甲基丁酸与碱的摩尔比为1:1~1.2,优选1:1~1.1。
本发明的方法中,步骤3)和4)中所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或两种或多种,优选乙醇、丙酮、乙腈中一种或两种。本发明的方法中,步骤4)中所述的酸为无机酸或有机酸,其中无机酸选自稀硫酸、盐酸、磷酸和碳酸中的一种,有机酸选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和丁二酸中的一种,优选稀硫酸和乙酸中的一种,将体系pH调节到2~7,优选4~5。
传统方法大部分是利用丁醛与甲醛水溶液在催化剂的作用下反应结束后生成β,β-二羟甲基丁醛,通过减压蒸馏除去催化剂以及副产物,之后进行氧化得到2,2-二羟甲基丁酸的混合液,由于该混合液中含有一定量的聚合物,使得2,2-二羟甲基丁酸很难从体系中析出来,生产稳定性差,即使析出来得到的产品也要进行二次重结晶,损耗比较大,在母液中也有大量产品残留,造成总产率比较低。另外使用甲醛水溶液在运输和储备的过程中容易聚合,造成甲醛利用率低。
本发明的有益效果
(1)本发明首次利用碱中和的方法把2,2-二羟甲基丁酸以盐的形式从混合体系中完全析出来,该反应过程具有快(投完料即反应完)、稳定(每次均能重复)、转化率高(99%)的特点,并且析出的2,2-二羟甲基丁酸盐不需要进一步提纯(纯度99.9%)。
(2)利用多聚甲醛代替甲醛水溶液,提高甲醛利用率,减少运输成本。本发明的方法与传统工艺相比虽然多了两步,但是本发明方法省去了传统工艺中重结晶步骤(该过程不稳定,产品损耗大),并且能使产品完全从混合体系中分离出来,在母液中不残留,使得生产工艺稳定,大大提高了2,2-二羟甲基丁酸总收率(≥70%)。
(3)应用本发明的方法制备2,2-二羟甲基丁酸,反应性好,产品易于分离,产品收率可达到70%以上,同时能耗低,废水少,符合绿色化学的设计思路。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明,但本发明并不局限于此
实施例1
在装有搅拌器、回流冷凝管和温度计的500mL三口烧瓶中加入72g丁醛和60g多聚甲醛,启动搅拌和加热,预热至45℃,滴加30%的三甲胶水溶液19.7g,控制反应温度在45~50℃,反应60min。
反应结束后,在60℃下减压蒸馏除去催化剂和副产物,在50℃加热条件下,滴加双氧水113g,然后在70℃下保温1个小时后加入氢氧化钠40g进行中和,减压蒸馏除去水,并加入适量的乙醇,过滤除去无机盐,用硫酸调节母液的pH到4,除去乙醇即可获得纯度为99.5%的2,2-二羟甲基丁酸白色晶体产品104.4g,产率为70.5%(以丁醛计,下同)。
实施例2
在装有搅拌器、回流冷凝管和温度计的500mL三口烧瓶中加入72g丁醛和60g多聚甲醛,启动搅拌和加热,预热至30℃,滴加三乙胺10.1g,控制反应温度在30-40℃,反应60min。
反应结束后,在60℃下减压蒸馏除去催化剂和副产物,在50℃加热条件下,滴加双氧水113g,然后在70℃下保温1个小时后加入氢氧化钾56g进行中和,减压蒸馏除去水,并加入适量的丙酮,过滤除去无机盐,用醋酸调节母液的pH到4,除去丙酮即可获得纯度为99.5%的2,2-二羟甲基丁酸白色晶体产品108.1g,产率为73.1%。
实施例3
在装有搅拌器、回流冷凝管和温度计的500mL三口烧瓶中加入72g丁醛和75g多聚甲醛,启动搅拌和加热,预热至30℃,滴加二乙胺4.4g,控制反应温度在30~40℃,反应60min。
反应结束后,在60℃下减压蒸馏除去催化剂和副产物,在50℃加热条件下,滴加双氧水113g,然后在70℃下保温1个小时后加入氢氧化钾56g进行中和,减压蒸馏除去水,并加入适量的乙腈,过滤除去无机盐,用磷酸调节母液的pH到4,除去乙腈即可获得纯度为99.5%的2,2-二羟甲基丁酸白色晶体产品111.2g,产率为75.1%。
实施例4
在装有搅拌器、回流冷凝管和温度计的500mL三口烧瓶中加入72g丁醛和75g多聚甲醛,启动搅拌和加热,预热至30℃,滴加三乙胺10.1g,控制反应温度在40~45℃,反应120min。
反应结束后,在60℃下减压蒸馏除去催化剂和副产物,在50℃加热条件下,滴加双氧水113g,然后在70℃下保温2个小时后加入碳酸钠106g进行中和,减压蒸馏除去水,并加入适量的N,N-二甲基甲酰胺,过滤除去无机盐,用醋酸调节母液的pH到4,除去N,N-二甲基甲酰胺即可获得纯度为99.5%的2,2-二羟甲基丁酸白色晶体产品120.8g,产率为81.6%。
对比例1
按照2018年公布的专利(CN108558652A)方法进行制备2,2-二羟甲基丁酸,最后得到其收率为38.1%,其实施过程如下:
在30L反应釜中加入纯水8Kg,投入活性炭负载氢氧化钠0.18Kg,加入37wt%甲醛8.2Kg,搅拌滴加99wt%正丁醛3Kg,滴加完毕再20-40℃反应2h后,再经过滤后加入85t%甲酸0.1Kg中和至值6到7.2之间,其后将物料转入氧化釜中。
对氧化釜中的物料进行减压蒸馏回收未反应的正丁醛,其后升温滴加35wt%双氧水520Kg,滴加完毕在60-90℃反应9h;
加入水6Kg,减压浓缩去除甲酸,浓缩至水分在5t%8wt%之间,冷却结晶,得到粗品,过滤母液用于循环重结晶在10kg粗品中加甲醇10kg,常温下搅拌,过滤除去硫酸钠。再在脱色釜中加入少量活性碳和除铁剂,40-60℃下搅拌1h,经热过滤除去活性碳和除铁剂后冷却结品,离心、烘干、过筛等得产品粗品母液重新浓缩后再重结晶,再次提取产品;重结晶母液再回收处理,最后残液再作废水处理精品母液先做精1(精品母液经浓缩、脱色、结品、离心、烘干回收产品)再做精2(精1母液再经浓缩、除钠、脱色、脱溶、结晶、离心、烘干回收产品)。过滤后的母液都得到了很好地处理,回收母液中的2,2-二羟甲基丁酸,相应的提高了产品收率。
从上述实施例和对比例可以看出,本发明的技术方案与现有技术相比可以大大的提高收率。

Claims (10)

1.一种2,2-二羟甲基丁酸的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)以多聚固体甲醛和丁醛为原料,在催化剂作用下反应生成含有β,β-二羟甲基丁醛的反应液;
(2)减压条件下除去步骤(1)中的反应液中的催化剂和小分子副产物,在加热状态下加入双氧水进行氧化后得含2,2-二羟甲基丁酸的混合液;
(3)向2,2-二羟甲基丁酸的混合液中加入无机碱进行中和,蒸馏除去水并加入一定量有机溶剂,经过滤即可析出纯2,2-二羟甲基丁酸盐;
(4)加入一定量水溶解2,2-二羟甲基丁酸盐,并加入等量的酸进行酸化,蒸馏除去水并加入一定量的有机溶剂析出无机盐,过滤、减压蒸馏即可得到纯2,2-二羟甲基丁酸。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的多聚甲醛为3聚或者4聚的固体甲醛,丁醛的加入量与甲醛加入量的摩尔比例为1:2~4,优选1:2~2.5。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的催化剂为有机碱催化剂,其分子式为(CnH2n+1)mN,n为≤4的正整数,m为2或者3,选自二甲胺、二乙胺、二丙胺、二丁胺、三甲胺、三乙胺、三丁胺中的一种或两种或多种,优选三甲胺或三乙胺中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中催化剂的加入量与丁醛的加入量的摩尔比例为0.05~0.2:1,优选0.05~0.1:1。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的方法,其特征在于,步骤(1)中丁醛与多聚甲醛的反应温度为30~80℃,优选30~60℃,反应时间为0.5~4h,优选1~2h。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中通过减压除去(1)步得到的反应液中催化剂和小分子副产物。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中2,2-二羟甲基丁醛与双氧水的摩尔比为1:1~4,优选1:1~2,反应的温度为50~100℃,优选50~80℃,反应时间0.5~3h,优选1~2h。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)中所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化镁、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种或两种或多种,优选氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的一种或两种。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)反应中粗品2,2-二羟甲基丁酸与碱的摩尔比为1:1~1.2,优选1:1~1.1。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(4)中所述的酸液为无机酸或有机剂其中,无机酸选自稀硫酸、盐酸、磷酸和碳酸中的一种,有机酸选自甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和丁二酸中的一种,优选稀硫酸和乙酸中的一种,将体系pH调节到2~7,优选4~5;步骤3)和4)中所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或两种或多种,优选乙醇、丙酮、乙腈中一种或两种。
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