CN112645843B

CN112645843B - 一种氰乙酸叔丁酯的合成方法

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Publication number: CN112645843B
Application number: CN202011555329.6A
Authority: CN
Inventors: 陈芬儿; 刘敏杰; 程荡; 黄则度; 姜梅芬; 陶媛
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: CN112645843A

Abstract

本发明属于有机化学技术领域，具体为一种氰乙酸叔丁酯的合成方法。本发明将氰乙酸与异丁烯在路易斯酸存在下于有机溶剂中进行催化酯化反应得到氰乙酸叔丁酯。本发明方法的原料价廉易得，反应条件温和，操作简便，后处理简单，成本低，产品收率高及纯度高，易于工业化生产。

Description

一种氰乙酸叔丁酯的合成方法

技术领域

本发明属有机化学技术领域，具体涉及一种氰乙酸叔丁酯的合成方法。

背景技术

氰乙酸叔丁酯是一种重要的精细化工中间体，在医药、农药和染料等行业具有广泛的应用前景。其结构式如下式（I）所示：

。

Bowie等（Tetrahedron, 1967, 23, 305）报道了氰乙酸和叔丁醇在浓硫酸催化作用下直接酯化合成化合物(I)的方法。此法化合物(I)的收率仅20%。Shelkov等（J. Org. Chem., 2002, 67, 8975）报道了氰乙酸与叔丁醇在N,N’-二环己基碳二亚胺（DCC）存在下脱水酯化制备氰乙酸叔丁酯的方法。该法所用DCC价格昂贵，产生大量固废1,3-二环己基脲（DCU）。中国专利CN 102633681、ZL 94191232.9、日本专利JP 3026407、Imwinkelried等（Org. Synth., 1987, 65, 230）、Schnurrenberger等（Helv. Chim. Acta, 1982, 65,1197）和Seebach 等（Synthesis, 1982, 2, 138）分别叙述了氰乙酸酯与叔丁醇在叔丁醇钠/叔丁醇钾、锡化合物和钛酸盐等催化剂催化作用下进行酯交换制备化合物(I)的方法。该法存在反应时间长，温度高，能耗高，操作繁复，收率偏低以及锡化合物和钛酸盐等催化剂制备复杂和成本高等缺点。Beech等（J. Chem. Soc.1955, 423）和Ireland等（Org. Synth.,1961, 41, 5）描述了一种氰乙酰氯与叔丁醇反应制备化合物(I)的方法。此法所用原料氰乙酰氯来源受限，产物(I)的收率仅63~67%。Dahn等（Helv. Chim. Acta, 1959, 42,1214）和美国专利US 3773808均描述了卤代乙酸叔丁酯与氰化物反应制备化合物(I)的方法。此法不但使用剧毒氰化物，产生极难处理的含氰废水，而且产物(I)的收率偏低。德国专利DE2403483公开了一种氯乙腈与一氧化碳和叔丁醇进行烷氧羰基化制备化合物(I)的工艺，但此法反应条件苛刻，需在高压条件下进行，收率未超过66%。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低、操作简便和收率高的氰乙酸叔丁酯(I)的合成方法。

本发明提供的氰乙酸叔丁酯(I)的合成方法，是将氰乙酸(II)与异丁烯在路易斯酸(III)存在下于有机溶剂中进行催化酯化反应，即得氰乙酸叔丁酯(I)；本发明方法的化学反应式为：

。

本发明中，所用路易斯酸为三氯化铝、三氯化铝络合物、三氟化硼、三氟化硼络合物、五氯化锑、五氯化锑络合物、三溴化铁、三溴化铁络合物、三氯化铁、三氯化铁络合物、四氯化锡、四氯化锡络合物、四氯化钛、四氯化钛络合物、二氯化锌和二氯化锌络合物等中的任何一种。

本发明中，所用有机溶剂为非质子溶剂；所述非质子溶剂为芳香烃类（如苯、甲苯和二甲苯等）、脂肪烃类（如戊烷、己烷和辛烷等）、脂环烃类（如环戊烷、环己烷和甲基环己烷等）、卤代烃类（如二氯甲烷、1,2-二氯乙烷和1,3-二氯丙烷等）、醚类（如异丙醚、四氢呋喃和1, 4-二氧六环等）和酮类（如丙酮、甲基丁酮和甲基异丁酮等）溶剂等中的任何一种。

本发明中，所用氰乙酸与异丁烯的摩尔比为1:（1.0~1.5）。

本发明中，所用氰乙酸与路易斯酸的摩尔比为1:（0.01~0.5）。

本发明中，反应温度为-20~50℃，反应时间为1~12小时。

本发明方法的合成反应完毕后，往反应混合液加入无机碱的水溶液进行中和，待反应混合物分层后回收有机相，蒸馏有机相得无色油状产物氰乙酸叔丁酯。

所述无机碱为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢锂、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

作为一种优选的实施方式，本发明方法采用固体状氰乙酸作为反应原料，操作更为方便。

作为一种优选的实施方式，本发明方法所用的路易斯酸采用三氟化硼络合物（如三氟化硼乙醚络合物、三氟化硼四氢呋喃络合物、三氟化硼二甲醚络合物、三氟化硼丁醚络合物和三氟化硼哌啶络合物等），其来源方便，价格不贵，反应效果好。

作为一种优选的实施方式，本发明方法所用的有机溶剂采用卤代烃类（如二氯甲烷、1,2-二氯乙烷和1,3-二氯丙烷等），其来源广泛，反应效果好，后处理简便，回收方便，成本降低。

作为一种优选的实施方式，本发明方法将氰乙酸与异丁烯的摩尔比控制在1:（1.05~1.3），反应可顺利完成，成本降低。

作为一种优选的实施方式，本发明方法将氰乙酸与路易斯酸的摩尔比控制在1:（0.02~0.4），反应可顺利完成，反应效果更好。

作为一种优选的实施方式，本发明方法将反应温度控制在0~30℃范围内，反应效果更佳，反应时间缩短，反应1.5~10小时即可完成。

有益效果

本发明提出的采用氰乙酸与异丁烯在路易斯酸催化下合成氰乙酸叔丁酯的方法，相比现有的合成方法具有以下优势：

所用原料（包括反应物和催化剂）价廉易得，反应条件温和，操作简便，后处理简单，成本低，收率达85~90%，产品纯度高，具有很好的工业化应用前景。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例详予说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

将固体状氰乙酸(3.4 kg，40 mol)、三氟化硼乙醚(0.284 kg，2mol)和二氯甲烷(17 L)置干燥间歇式反应釜中，开启搅拌，控制釜内温度为10 ℃，然后缓慢通入异丁烯（2.918 kg，52 mol），反应7小时GC-MS监测显示底物氰乙酸完全转化。接着加饱和碳酸氢钠溶液中和，分层，回收有机相蒸馏得无色油状氰乙酸叔丁酯5.082 kg，收率90%，产品纯度99%（GC）。

实施例2

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中路易斯酸采用三氯化铝(0.267 kg，2 mol)。反应8.2小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率86.7%，纯度99%（GC）。

实施例3

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中路易斯酸采用四氯化钛(0.379 kg，2 mol)。反应7.5小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率87.4%，纯度99%（GC）。

实施例4

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中路易斯酸采用四氯化锡(0.521 kg，2 mol)。反应7.8小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率85.6%，纯度99%（GC）。

实施例5

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中路易斯酸采用三氟化硼(0.136 kg，2 mol)。反应8.5小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率86.2%，纯度99%（GC）。

实施例6

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中路易斯酸采用五氯化锑(0.598 kg，2 mol)。反应7.8小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率87.1%，纯度99%（GC）。

实施例7

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中三氟化硼乙醚的用量为0.568 kg (4 mol)。反应6.2小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率90%，纯度99%（GC）。

实施例8

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中控制反应釜内温度为20℃。反应6.3小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率87.7%，纯度99%（GC）。

实施例9

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中控制反应釜内温度为30℃。反应5.8小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率85.8%，纯度99%（GC）。

实施例10

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中所用溶剂为甲苯(17 L)。反应7.7小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率89.6%，纯度99%（GC）。

实施例11

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中所用溶剂为戊烷(17 L)。反应7.2小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率88.2%，纯度99%（GC）。

实施例12

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中所用溶剂为环己烷(17 L)。反应7.2小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率88.4%，纯度99%（GC）。

实施例13

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中所用溶剂为1,2-二氯乙烷(17 L)。反应7小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率90%，纯度99%（GC）。

实施例14

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中所用溶剂为四氢呋喃(17L)。反应7.4小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率89.2%，纯度99%（GC）。

实施例15

本实施例与实施例1相同，唯一不同之处是本实施例中所用溶剂为丙酮(17 L)。反应7.6小时底物氰乙酸完全转化，所得氰乙酸叔丁酯收率89.8%，纯度99%（GC）。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种氰乙酸叔丁酯（I）的合成方法，

，

其特征在于，将氰乙酸(II)与异丁烯在路易斯酸(III)存在下于有机溶剂中进行催化酯化反应，即得氰乙酸叔丁酯(I)；其化学反应式为：

；

具体制备条件为：

（1）路易斯酸为三氯化铝、三氯化铝络合物、三氟化硼、三氟化硼络合物、五氯化锑、五氯化锑络合物、三溴化铁、三溴化铁络合物、三氯化铁、三氯化铁络合物、四氯化锡、四氯化锡络合物、四氯化钛、四氯化钛络合物、二氯化锌和二氯化锌络合物中的任何一种；

（2）有机溶剂为非质子溶剂；所述非质子溶剂为芳香烃类、脂肪烃类、脂环烃类、卤代烃类、醚类和酮类溶剂中的任何一种；

（3）氰乙酸与异丁烯的摩尔比为1:（1.0~1.5）；

（4）氰乙酸与路易斯酸的摩尔比为1:（0.01~0.5）；

（5）反应温度为-20~50 ℃，反应时间为1~12小时。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芳香烃类溶剂选自苯、甲苯和二甲苯，所述脂肪烃类溶剂选自戊烷、己烷和辛烷，所述脂环烃类溶剂选自环戊烷、环己烷和甲基环己烷，所述卤代烃类溶剂选自二氯甲烷、1,2-二氯乙烷和1,3-二氯丙烷，所述醚类溶剂选自异丙醚、四氢呋喃和1, 4-二氧六环，所述酮类溶剂选自丙酮、甲基丁酮和甲基异丁酮。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所用路易斯酸为三氟化硼络合物；所述三氟化硼络合物为三氟化硼乙醚络合物、三氟化硼四氢呋喃络合物、三氟化硼二甲醚络合物、三氟化硼丁醚络合物和三氟化硼哌啶络合物中的任何一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氰乙酸与异丁烯的摩尔比为1:（1.05~1.3）。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氰乙酸与路易斯酸的摩尔比为1:（0.02~0.4）。

6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，反应温度为0~30 ℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，反应时间为1.5~10小时。

8.根据权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，合成反应完毕后，往反应混合液加入无机碱的水溶液进行中和，待反应混合物分层后回收有机相，蒸馏有机相，得无色油状产物氰乙酸叔丁酯。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述无机碱为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢锂、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化锂、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种。