CN110963964B - 吡罗克酮的连续化合成方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及吡罗克酮的连续化合成方法，包括以下步骤：提供第一溶液和第二溶液；将第一溶液和第二溶液分别连续泵入微反应器中，在90℃～180℃、0.2Mpa～2MPa反应，得到吡罗克酮。上述吡罗克酮的合成方法，以叔丁醇钾为催化剂和碱，并以异丙醇为溶剂，采用微反应器实现连续化合成工艺，使得吡罗克酮的收率可达85％以上，反应时间缩短至60分钟以内，缩短了生产周期。另外，微反应器系统具有封闭性，避免了羟胺与外部环境中的氧气、水分等接触反应，极大地减少了副反应的发生与羟胺的损耗，从而后处理过程更加简单，过程更加安全。

Description

吡罗克酮的连续化合成方法
技术领域
本发明涉及微反应合成方法，特别是涉及吡罗克酮的连续化合成方法。
背景技术
吡罗克酮，CAS号50650-76-5，中文别名1-羟基-4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2(1H)-吡啶酮，是生产吡罗克酮乙醇胺盐的关键物料。吡罗克酮乙醇胺盐是一种高效、无毒、无刺激的去屑剂，能够与洗发水中的其他添加成分较好的混合，广泛使用于去屑香波、养发液和护发素等洗护类化妆品中。
传统的吡罗克酮的合成方法是以3,5,5-三甲基己酸为起始原料，四步法合成吡罗克酮，其中关键步骤之一是以4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2-吡喃酮进行羟胺化反应合成吡罗克酮。该步骤羟胺化反应是在250ml单口烧瓶中按照顺序先后加入起始物料：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2-吡喃酮、盐酸羟胺和甲醇钠。优化后4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2-吡喃酮、盐酸羟胺和甲醇钠的摩尔比为1:2.8:2.8，反应温度50℃，反应时间15小时，成盐后收率为73.2％。
该方法由于采取釜式间歇式合成工艺，反应时间较长，产品收率较低，并且物料采用按次序分批加入的方式，盐酸羟胺固体与空气的接触时间过长，容易潮解或者氧化失效，从而导致副产品产生，增加后处理难度，过程安全性也会大大降低。
发明内容
基于此，有必要提供一种吡罗克酮的连续化合成方法，该方法可有效缩短反应时间，提高产品收率，并提高过程安全性。
一种吡罗克酮的连续化合成方法，包括以下步骤：
提供第一溶液，所述第一溶液包括4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮、叔丁醇钾和异丙醇；
提供第二溶液，所述第二溶液包括羟胺、水和异丙醇；
将所述第一溶液和第二溶液分别连续泵入微反应器中，在90℃～180℃，0.2MPa～2MPa反应，得到所述吡罗克酮。
在其中一个实施例中，所述第一溶液中4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的质量含量为10％～30％，叔丁醇钾的质量含量为5％～20％；所述第二溶液中羟胺的质量含量为10％～30％，水的质量含量为5％～20％。
在其中一个实施例中，所述羟胺与所述4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(1～10):1。
在其中一个实施例中，所述羟胺与所述4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(2～6):1。
在其中一个实施例中，所述叔丁醇钾与所述4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(1～4):1。
在其中一个实施例中，所述叔丁醇钾与所述4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(2～3):1。
在其中一个实施例中，所述反应的温度为100℃～150℃。
在其中一个实施例中，所述反应的压力为0.5MPa～1MPa。
在其中一个实施例中，所述第一溶液与第二溶液在微反应器中的停留时间为0.2min～60min。
在其中一个实施例中，所述第一溶液与第二溶液在微反应器中的停留时间为0.5min～30min。
上述吡罗克酮的合成方法，以叔丁醇钾为催化剂和碱，并以异丙醇为溶剂，采用微反应器实现连续化合成工艺，使得吡罗克酮的收率可达85％以上，反应时间缩短至60分钟以内，缩短了生产周期。
另外，微反应器系统具有封闭性，避免了羟胺与外部环境中的氧气、水分等接触反应，极大地减少了副反应的发生与羟胺的损耗，从而后处理过程更加简单，过程更加安全。
附图说明
图1为一实施方式的吡罗克酮的连续化合成流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式的吡罗克酮的连续化合成方法，包括以下步骤：
S110、提供第一溶液，该第一溶液包括4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮、叔丁醇钾和异丙醇。
其中，该第一溶液中4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的质量含量为10％～30％，叔丁醇钾的质量含量为5％～20％。
通过将4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮、叔丁醇钾和异丙醇混合，配制成均相液态体系，以确保叔丁醇钾和原料的流动性，提高反应和催化效果。
S120、提供第二溶液，该第二溶液包括羟胺、水和异丙醇。
其中，该第二溶液中羟胺的质量含量为10％～30％，水的质量含量为5％～20％。
通过将羟胺、水和异丙醇混合，配制成均相液态体系，以确保原料的流动性，水的少量加入具有协同催化效果。
可以理解，通过控制第一溶液中4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的浓度、叔丁醇钾的浓度，以及第二溶液中羟胺的浓度和水的浓度，可使反应液粘度较小易于输送，确保反应效果较好。
需要说明的是，步骤S110和步骤S120可以同时进行，也可以先后进行。
S130、将第一溶液和第二溶液分别连续泵入微反应器中，在90℃～180℃、0.2MPa～2MPa反应，得到吡罗克酮。
在本实施方式中，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(1～10):1。进一步的，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(2～6):1。
需要说明的是，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比不能过大也不能过小，过小可能导致反应不完全，过大则会导致羟胺原料的浪费，并增加后处理难度。
在本实施方式中，叔丁醇钾与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(1～4):1。进一步的，叔丁醇钾与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(2～3):1。
需要说明的是，叔丁醇钾与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比不能过大也不能过小，过小可能导致叔丁甲醇的催化效果不好，过大则会导致副反应的发生，增加后处理难度。
在本实施方式中，步骤S130的反应在90℃～180℃进行，进一步的在100℃～150℃进行。通过反应温度的控制，可确保原料转化完全，提高产品收率。
在本实施方式中，步骤S130的反应在0.2MPa～2MPa进行，进一步的，在0.5MPa～1MPa进行。通过反应压力的控制，使微反应体系维持在液液反应体系，确保水和异丙醇在高温下无汽化，以确保物料在微反应器内有足够的反应停留时间，并确保微反应器内物料的高效混合，以进一步提高收率。
在本实施方式中，第一溶液和第二溶液在微反应器中的停留时间为0.2min～60min，进一步的，第一溶液和第二溶液在微反应器中的停留时间为0.5min～30min。
需要说明的是，上述第一溶液和第二溶液在微反应器中的停留时间是根据化学反应动力学测定的结果，通过对90℃，100℃，110℃，120℃，130℃，140℃，150℃，160℃，170℃，180℃分别在0.05min,0.1min,0.2min,0.5min,1min,2min,5min,10min,20min,30min,45min,60min的停留时间条件下的各反应物与产物的浓度测量与计算，建立了流动化学反应动力学方程。我们发现反应温度越高，反应速度越快，反应所需的停留时间越短。100℃时，30min停留时间4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的转化率100％；150℃时，0.5min停留时间4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的转化率100％。
另外，需要说明的是，本申请中采用的微反应器为商业通用微反应器，微通道水力直径为0.1mm～30mm，微通道的总体积为0.2ml～100ml，微反应器的材质为不锈钢，哈氏合金和碳化硅陶瓷等，耐腐蚀性好，导热强，对反应体系钝性。
步骤S130的反应式如下：
具体的，反应流程如图1所示，平流泵3和平流泵4分别控制第一溶液1和第二溶液2的输出，使得第一溶液和第二溶液按照设定的流速同时泵入微反应器5的第一溶液入口6和第二溶液入口7，第一溶液1和第二溶液2在微反应器5内接触并引发羟胺化反应，反应温度由控温系统9控制，反应压力由背压阀11调节控制，产品从微反应器5的出口8流出，进入产品储料罐10中。
上述吡罗克酮的合成方法，以叔丁醇钾为催化剂和碱，并以异丙醇为溶剂，将原料和催化剂分别形成第一溶液和第二溶液的均相液态体系，采用微反应器实现连续化合成工艺，催化效果明显，吡罗克酮的收率可达85％以上，反应时间缩短至60分钟以内，缩短了生产周期。
另外，微反应器系统具有封闭性，避免了羟胺与外部环境中的氧气、水分等接触反应，极大地减少了副反应的发生与羟胺的损耗，从而后处理过程更加简单，过程更加安全。
以下为具体实施例。
实施例1
使用两台平流泵(型号MPF0502C，上海三为科学仪器有限公司)控制第一溶液和第二溶液的输出，使得第一溶液与第二溶液同时泵入微反应器的第一溶液入口与第二溶液入口，在微反应器内接触并引发羟胺化反应。
其中，微反应器：
型号RMCS101010，山东豪迈机械制造有限公司
材质SiC
水力直径1mm
反应管路持液量：17.2ml
工艺条件：
第一溶液中4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮12wt.％，叔丁醇钾12wt.％，异丙醇66wt.％；
第二溶液中羟胺30wt.％，水10wt.％，异丙醇60wt.％；
微反应器控温150℃；
反应压力2Mpa；
羟胺：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮＝3:1(摩尔比)；
叔丁醇钾：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮＝2:1(摩尔比)；
微反应器内的反应时间0.5min；
分析条件：
C18柱(DIKMA Inertsil ODS-3column，250×4.6mm)
流动相：乙腈：水＝80：20(v/v)，流速1.0ml/min
检测波长302nm
面积归一化定量，样品量0.4μl
保留时间：
吡罗克酮—7.04min
4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮—9.82min，
实施结果：吡罗克酮收率86.2％，其它13.8％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例2，微反应器内反应温度改变
按照实施例1相同的方法，微反应器内反应温度改变为140℃，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率85.1％，其它14.9％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例3，微反应器内反应温度改变
按照实施例1相同的方法，微反应器内反应温度改变为130℃，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率83.4％，其它15.8％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0.8％。
实施例4，微反应器内反应温度改变
按照实施例1相同的方法，微反应器内反应温度改变为160℃，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率86.1％，其它14.9％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例5，微反应器内反应温度改变
按照实施例1相同的方法，微反应器内反应温度改变为170℃，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率85.7％，其它16.3％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0％。
实施例6，微反应器内物料停留时间改变
按照实施例1相同的方法，微反应器内停留时间改变为1min，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率86.0％，其它14.0％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例7，微反应器内物料停留时间改变
按照实施例1相同的方法，微反应器内停留时间改变为2min，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率85.9％，其它14.1％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例8，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮摩尔比的改变
按照实施例1相同的方法，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮摩尔比改变为2:1，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率82.6％，其它17.1％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0.3％。
实施例9，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮摩尔比的改变
按照实施例1相同的方法，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮摩尔比改变为4:1，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率86.1％，其它13.9％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0％。
实施例10，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮摩尔比的改变
按照实施例1相同的方法，羟胺与4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮摩尔比改变为10:1，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率85.2％，其它14.8％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0％。
实施例11，微反应器内反应温度改变与停留时间改变按照实施例1相同的方法，微反应器内反应温度改变为140℃，物料停留时间1min，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率86.2％，其它14.8％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例12，微反应器内反应温度改变与停留时间改变按照实施例1相同的方法，微反应器内反应温度改变为130℃，物料停留时间2min，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率86.2％，其它14.8％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例13，微反应器内反应温度改变与停留时间改变按照实施例1相同的方法，微反应器内反应温度改变为120℃，物料停留时间5min，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率86.2％，其它14.8％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例14，微反应器内反应温度改变与停留时间改变按照实施例1相同的方法，微反应器内反应温度改变为100℃，物料停留时间30min，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率86.2％，其它14.8％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例15，微反应器内反应压力改变
按照实施例1相同的方法，微反应器内压力改变为1Mpa，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率86.2％，其它14.8％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例16，微反应器内反应压力改变
按照实施例1相同的方法，微反应器内压力改变为0.5Mpa，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率78.2％，其它12.3％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮9.5％。
实施例17，4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮溶液配比改变
4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮溶液配比改为：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮10wt.％，叔丁醇钾20wt.％，异丙醇70wt.％。计算得叔丁醇钾：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮＝4:1(摩尔比)，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率85.8％，其它15.2％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0。
实施例18，4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮溶液配比改变
4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮溶液配比改为：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮20wt.％，叔丁醇钾10wt.％，异丙醇70wt.％。计算得叔丁醇钾：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮＝1:1(摩尔比)，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率84.9％，其它15.0％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮0.1％。
比较例1：采用甲醇钠代替叔丁醇钾
4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮溶液配比改为：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮12wt.％，甲醇钠5.8wt.％，异丙醇82.2wt.％。计算得甲醇钠：4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮＝2:1(摩尔比)，其它实验条件与分析方法与实施例1相同。实施结果：吡罗克酮收率76.9％，其它13.0％，原料4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮10.1％。
从实施例1和比较例1可以看出，采用叔丁醇钾代替甲醇钠，收率从76.9％提高到86.2％。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种吡罗克酮的连续化合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供第一溶液，所述第一溶液包括4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮、叔丁醇钾和异丙醇；
提供第二溶液，所述第二溶液包括羟胺、水和异丙醇；
将所述第一溶液和第二溶液分别连续泵入微反应器中，在90℃～180℃、0.2MPa～2MPa反应，得到所述吡罗克酮；
其中，所述第一溶液中4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的质量含量为10％～30％，叔丁醇钾的质量含量为5％～20％；所述第二溶液中羟胺的质量含量为10％～30％，水的质量含量为5％～20％；
所述羟胺与所述4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(1～10):1；
所述叔丁醇钾与所述4-甲基-6-(2,4,4-三甲基戊基)-2H-吡喃-2-酮的摩尔比为(2～3):1；
所述第一溶液与第二溶液在微反应器中的停留时间为0.2min～60min。
2.根据权利要求1所述的吡罗克酮的连续化合成方法，其特征在于，所述反应的温度为100℃～150℃。
3.根据权利要求1所述的吡罗克酮的连续化合成方法，其特征在于，所述反应的压力为0.5MPa～1MPa。
4.根据权利要求1所述的吡罗克酮的连续化合成方法，其特征在于，
所述第一溶液与第二溶液在微反应器中的停留时间为0.5min～30min。
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