CN113897627B - 一种电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，包括如下步骤：在电解池中加入五元杂环化合物、醇类化合物、二酯类化合物及电解质，所述五元杂环化合物与醇类化合物在阳极发生烷氧基化反应，得到五元杂环二烷氧基化合物；所述二酯类化合物在阴极发生还原反应，生成二醇；阳极包括基材以及基材表面的镀层，所述镀层的材料包括钌以及一种或多种的稀土金属。本发明解决了现有生产技术使用卤素造成的生产成本高、三废排放量大、不便于大规模生产等问题。利用阳极的氧化反应，实现了卤离子的循环使用，减少了卤离子的排放量，降低了生产成本，工艺流程简单，对设备要求不高，适合工业化生产。

Description

一种电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法

技术领域

本发明涉及有机电化学合成领域，具体涉及一种电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法。

背景技术

二烷氧基杂环化合物用途十分广泛。如2,5-二甲氧基二氢呋喃是合成抗胆碱药物阿托品硫酸盐及山莨菪碱的中间体；还可以直接水解生成2-羟基-1,4-丁二醛；用雷尼镍催化还原可制得2,5-二甲氧基四氢呋喃，加氢后水解可制备丁二醛。

化学法制备2,5-二甲氧基二氢呋喃是利用呋喃环上的卤代反应实现的，合成反应中需采用卤素(液溴或氯气)作为反应物，因而卤素的消耗量大，每吨产品大约需要1.6吨液溴，同时反应过程中副产大量的无机酸(HCl或HBr)需要用碱中和，一吨产品会产生3吨以上的固废。因此，该工艺生产成本高，三废问题突出，环境污染严重。

电化学合成技术使用电子作为氧化还原试剂，电解过程中可以将卤离子氧化为卤单质，实现卤素的循环利用，从而减少了卤素的消耗及对环境的污染。专利DE2710420报道了一种电化学制备2,5-二甲氧基二氢呋喃的方法，该方法采用石墨做阳极，NaBr作为电解质和氧化还原介质，实现了目标产物的电化学合成，但是溶液电导率小，电流密度低，导致生产效率低，难以实现工业化。专利US4441970报导以2,5-二氢呋喃为底物，电化学制备2,5-二烷氧基-2,5-二氢呋喃，但是2,5-二氢呋喃需要通过呋喃还原制得，同时该反应收率偏低，会生成单烷氧基取代和双烷氧基取代两种产物，使分离难度增加，增加了生产成本，没有实际意义。

文献《化学反应工程与工艺，2001年6月，第17卷第2期，页码185-188》报道了一种固定床电化学反应器制备2,5-二甲氧基二氢呋喃的方法，但是电化学固定床反应器在放大生产过程中容易出现电场、流场分布不均的情况，同时三维电极也会使极板腐蚀加速，影响正常生产，难以实现大规模生产。另外，阴极发生析氢反应，由于氢气是可燃、易爆的气体，增加了安全风险。

因此，现有的合成工艺还存在污染物排放多、设备腐蚀大、难以实现大规模生产等问题，需要一种清洁高效、易于实现工业化的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，解决了现有生产技术使用卤素造成的生产成本高、三废排放量大、不便于大规模生产等问题。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，包括如下步骤：

在电解池中加入五元杂环化合物、醇类化合物、二酯类化合物及电解质，所述五元杂环化合物与醇类化合物在阳极发生烷氧基化反应，得到五元杂环二烷氧基化合物；所述二酯类化合物在阴极发生还原反应，生成二醇；阳极包括基材以及基材表面的镀层，所述镀层的材料包括钌和一种或多种的稀土金属。

所述五元杂环化合物具有如下结构式：

其中，R¹、R²各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、氢及羟甲基中的一种；X选自N-R³、S-R³中的一种，R³选自甲基、乙基及卞基中的一种；

所述二酯类化合物具有如下结构式：

R⁴OOC-(CH₂)_n-COOR⁴

其中n是自然数，R⁴选自甲基、乙基、丙基、丁基中的一种。

在本发明中，所述醇类化合物的结构式为：R⁴OH，R⁴选自甲基、乙基、丙基、丁基中的一种，所述醇类化合物优选自甲醇、乙醇、正丙醇及正丁醇中的一种。

本发明阳极中所述五元杂环化合物为底物，其与醇类化合物烷氧基化反应得到的五元杂环二烷氧基化合物的结构式如下：

其中，R¹、R²各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、氢及羟甲基中的一种；X选自N-R³或S-R³中的一种，R³选自甲基、乙基及卞基中的一种。所述五元杂环化合物优选自噻吩、2-正丙基噻吩、N-甲基-2，5-二乙基吡咯、N-苄基-2，-5-二甲基吡咯、N-乙基-2-羟甲基吡咯中的一种。

本发明阴极中二酯类化合物发生还原反应，得到二醇，其具体结构式如下：

HOH₂C-(CH₂)_n-CH₂OH

其中，1<n<12，n优选为2，4，6，8或10。所述二酯类化合物优选自丁二酸二甲酯、己二酸二甲酯、辛二酸二乙酯、癸二酸二丁酯及十二碳二酸二丙酯中的一种。

本发明阳极发生的烷氧基化反应，反应方程式如下:

本发明阴极发生的二酯类化合物的还原反应，反应方程式如下：

R⁴OOC-(CH₂)_n-COOR⁴→HOH₂C-(CH₂)_n-CH₂OH+2R⁴OH

在本发明中，阳极的醇类化合物与阴极的产物相同，可避免不同的醇发生进一步的副反应，简化后续分离。

在本发明中，电解质为季胺盐电解质，选自如下结构式中的一种或多种：

R⁵R⁶R⁷R⁸NY

其中，R⁵、R⁶、R⁷、R⁸各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、正丁基、苄基中的一种；Y选自氯离子、溴离子或碘离子的一种。所述电解质优选自四甲基氯化铵、四乙基碘化铵、四丁基溴化铵及三甲基苄基氯化铵中的一种。

优选地，所述电解质的加入量为原料五元杂环化合物质量的0.5-10％，优选1％-5％，所述醇类化合物与五元杂环化合物的质量比为(5-10)：1。二酯类化合物与五元杂环化合物的质量比为(0.5-2):1。

在本发明中，所述镀层材料中，钌的含量为80wt％-99wt％，优选90-98wt％，稀土金属的含量为1-20wt％，优选2-10wt％。

在本发明中，所述基材材料选自金属钛，所述稀土金属选自镧、钪、钇、铈、镨、钐、铽、钪中的一种，优选镧、铈、镨、钪、钇中的一种。加入稀土元素可以增加电极的催化活性，降低槽电压并提升电极的长期使用稳定性。

在本发明中，所述阳极的比表面积为100-2000m²/g，优选200-1500m²/g，进一步优选500-1000m²/g。控制电极比表面积可以加快反应速率，增加电极表面反应位点，提高电极利用率。

在本发明中，阴极材料选自金属铅、金属镉、金属钛、奥氏体不锈钢316L、奥氏体不锈钢304中的一种或多种。

在本发明中，阳极的电流密度为200-2000A/m²，优选500-1500A/m²，阴极的电流密度为500-3000A/m²，优选1000-2000A/m²。控制电流密度可以有效的减少析氧和析氢等副反应发生的比例，提升目标反应的选择性。

在本发明中，阴极或阳极反应温度范围是0-10℃，反应时间范围是6-8h。

本发明的反应在电解槽中进行，电解槽可以是常规的无隔膜电解槽，除了电极外还可带有搅拌子、温度计等配件。在一个具体实施例中，阳极、阴极是长方形电极，阳极电极面积为1cm²，阴极电极面积为2cm²，两电极平行放置，阴、阳极间距为5mm。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明为制备二烷氧基五元杂环提供了一种绿色、高效的方法，解决了现有生产技术使用卤素造成的生产成本高、三废排放量大、不便于大规模生产等问题。利用阳极的氧化反应，实现了卤离子的循环使用，减少了卤离子的排放量，降低了生产成本，工艺流程简单，对设备要求不高，适合工业化生产。

(2)本发明电解池中阴极和阳极同时发生反应，两者相互促进且互不干扰，而且选择常规即可以实现成对电解。

(3)本发明采用的电极材料进行了掺杂改性，加入了稀土金属，以改变电极对底物的适用性，即五元杂环化合物原料中限定X中元素为氮和硫，普通电极和固定床反应器中的电极对该类底物不发生反应。电解质采用季胺盐，增加了溶解性，提高电流密度，提高单位电极面积产量。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明申请所附权利要求书定义的技术方案的等效改进和变形。

实施例中原料及设备情况说明如下：

噻吩、2-正丙基噻吩、N-甲基-2，5-二乙基吡咯、N-苄基-2，-5-二甲基吡咯、N-乙基-2-羟甲基吡咯采购自阿拉丁试剂，纯度>99％。

甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇，购买厂家：西陇试剂，纯度>99％。

丁二酸二甲酯、己二酸二甲酯、辛二酸二乙酯、癸二酸二丁酯、十二碳二酸二丙酯，购买厂家：Sigma-Aldrich，纯度>99％。

四甲基氯化铵、四乙基碘化铵、四丁基溴化铵、三甲基苄基氯化铵，购买厂家：百灵威，纯度>98％。

阳极电极购买厂家，上海仙仁材料公司。

阴极电极购买厂家，苏州枫港钛材有限公司。

气相色谱分析条件：仪器型号：岛津2010Plus，载气：氦气；流速：1.0ml/min；进样量：0.2ul；进样口温度：300℃；分流比：30:1；色谱柱：DB-5(30m×0.25mm×0.25μm)；柱温：50℃保持2分钟，以5℃/min升温至80℃，保持0min，以15℃/min升温至300℃，保持10min；检测器：FID，温度：300℃。

实施例1

向电解池中加入100g甲醇、10g噻吩、0.05g四丁基溴化铵和10g己二酸二甲酯，阳极的基材为钛，镀层金属选自钌和钪，其中钌含量为80wt％，钪的含量为20wt％，电极表面比表面积为750m²/g，阴极使用铅电极。控制阳极电流密度为1000A/m²，阴极电流密度为1500A/m²，在2℃下电解7h。产物收率通过气相色谱测定，阳极产物2,5-二甲氧基二氢噻吩收率为95％，电流效率93％，阴极产物1,6-己二醇的收率为98％，电流效率95％，总的电流效率为188％。

实施例2

向电解池中加入100g甲醇、20g 2-正丙基噻吩、0.2g四乙基碘化铵和10g丁二酸二甲酯，阳极的基材为钛，镀层金属选自钌和镧，其中钌含量为90wt％，镧的含量为10wt％，电极表面比表面积为500m²/g，阴极使用镉电极。控制阳极电流密度为1500A/m²，阴极电流密度为1000A/m²，在0℃下电解6h。产物收率通过气相色谱测定，阳极产物2,5-二甲氧基-2-正丙基二氢噻吩收率为92％，电流效率94％，阴极产物1,4-丁二醇的收率为95％，电流效率92％，总的电流效率为186％。

实施例3

向电解池中加入75g乙醇、10g N-甲基-2，5-二乙基吡咯、0.5g四甲基氯化铵和20g辛二酸二乙酯，阳极的基材为钛，镀层金属选自钌和铈，其中钌含量为98wt％，铈的含量为2wt％，电极表面比表面积为1000m²/g，阴极使用钛电极。控制阳极电流密度为500A/m²，阴极电流密度为2000A/m²，在10℃下电解6h。产物收率通过气相色谱测定，阳极产物N-甲基-2,5-二乙氧基-2，5-二乙基二氢吡咯收率为91％，电流效率90％，阴极产物1,8-辛二醇的收率为92％，电流效率90％，总的电流效率为180％。

实施例4

向电解池中加入100g正丁醇、10g N-苄基-2，-5-二甲基吡咯、0.3g三甲基苄基氯化铵和7.5g癸二酸二丁酯，阳极的基材为钛，镀层金属选自钌和镨，其中钌含量为94wt％，镨的含量为6wt％，电极表面比表面积为200m²/g，阴极使用奥氏体不锈钢316L。控制阳极电流密度为2000A/m²，阴极电流密度为3000A/m²，在5℃下电解8h。产物收率通过气相色谱测定，阳极产物N-苄基-2,5-二丁氧基-2，5-二甲基二氢吡咯收率为88％，电流效率85％，阴极产物1,10癸二醇的收率为90％，电流效率86％，总的电流效率为171％。

实施例5

向电解池中加入75g正丙醇、7.5g N-乙基-2-羟甲基吡咯、0.75g四丁基溴化铵和10g十二碳二酸二丙酯，阳极的基材为钛，镀层金属选自钌和钇，其中钌含量为99wt％，钇的含量为1wt％，电极表面比表面积为1500m²/g，阴极使用奥氏体不锈钢304。控制阳极电流密度为200A/m²，阴极电流密度为500A/m²，在5℃下电解6.5h。产物收率通过气相色谱测定，阳极产物N-乙基-2-羟甲基-2,5-二正丙氧基二氢吡咯收率为82％，电流效率80％，阴极产物1,12-十二碳二醇的收率为86％，电流效率85％，总的电流效率为165％。

实施例6

向电解池中加入100g正丁醇、10g N-甲基-2，5-二乙基吡咯、0.2g四乙基碘化铵和10g癸二酸二丁酯，阳极的基材为钛，镀层金属选自钌、钪和铈，其中钌含量为80wt％，钪和铈的含量分别为10wt％，电极表面比表面积为800m²/g，阴极使用奥氏体不锈钢316L材料。控制阳极电流密度为1200A/m²，阴极电流密度为2000A/m²，在5℃下电解6h。产物收率通过气相色谱测定，阳极产物N-甲基-2,5-二正丁氧基-2，5-二乙基二氢吡咯收率为94％，电流效率92％，阴极产物1,10-癸二醇的收率为95％，电流效率92％，总的电流效率为184％。

对比例1

向电解池中加入100g甲醇、10g噻吩、0.05g四丁基溴化铵和10g己二酸二甲酯，阳极使用石墨电极，阴极使用铅电极。控制阳极电流密度为1000A/m²，阴极电流密度为1500A/m²，在2℃下电解7h。产物收率通过气相色谱测定，阳极产物2,5-二甲氧基二氢噻吩收率为5％，电流效率7％，阴极产物己二醇的收率为8％，电流效率5％，总电流效率为12％。

上述实施例1-6和对比例1中采用无隔膜电解槽，除了电极外还带有搅拌子、温度计；采用的阳极、阴极是长方形电极，阳极电极面积为1cm²，阴极电极面积为2cm²，两电极平行放置，阴、阳极间距为5mm。

将各实施例之间以及实施例与对比例对比，由反应收率和电流效率可知，本发明实施例利用电极材料的掺杂改性和成对电解反应后，可以显著提高阴、阳极产物的选择性、增加电能的利用效率，具有反应选择性高、电能效率高等特点。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动均在本发明涵盖的精神范围之内。

Claims (17)

1.一种电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：包括如下步骤：

在电解池中加入五元杂环化合物、醇类化合物、二酯类化合物及电解质，所述五元杂环化合物与醇类化合物在阳极发生烷氧基化反应，得到五元杂环二烷氧基化合物；所述二酯类化合物在阴极发生还原反应，生成二醇；阳极包括基材以及基材表面的镀层，所述镀层的材料包括钌以及一种或多种的稀土金属；

所述五元杂环化合物具有如下结构式：

其中，R¹、R²各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、氢及羟甲基中的一种；X选自N-R³或S-R³中的一种，R³选自甲基、乙基及卞基中的一种；和/或，

所述二酯类化合物具有如下结构式：

R⁴OOC-(CH₂)_n-COOR⁴

其中n是自然数，R⁴选自甲基、乙基、丙基及丁基中的一种；

所述醇类化合物的结构式为：R⁴OH，其中，R⁴选自甲基、乙基、丙基及丁基中的一种；

所述电解质为季胺盐电解质，选自如下结构式中的一种或多种：

R⁵R⁶R⁷R⁸NY

其中，R⁵、R⁶、R⁷、R⁸各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、正丁基和苄基中的一种；Y选自氯离子、溴离子或碘离子的一种；

所述镀层的材料中，钌的含量为80wt％-99wt％，稀土金属的含量为1-20wt％；

所述基材材料选自金属钛。

2.根据权利要求1所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述醇类化合物选自甲醇、乙醇、正丙醇及正丁醇中的一种。

3.根据权利要求1所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：阳极中所述五元杂环化合物为底物，其与醇类化合物烷氧基化反应得到的五元杂环二烷氧基化合物的结构式如下：

其中，R¹、R²各自独立的选自甲基、乙基、正丙基、氢及羟甲基中的一种；X选自N-R³或S-R³中的一种，R³选自甲基、乙基及卞基中的一种。

4.根据权利要求3所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述五元杂环化合物选自噻吩、2-正丙基噻吩、N-甲基-2，5-二乙基吡咯、N-苄基-2，-5-二甲基吡咯、N-乙基-2-羟甲基吡咯中的一种。

5.根据权利要求1所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述二酯类化合物在阴极中反应得到的二醇，其结构式如下：

HOH₂C-(CH₂)_n-CH₂OH

其中，1<n<12；所述二酯类化合物选自丁二酸二甲酯、己二酸二甲酯、辛二酸二乙酯、癸二酸二丁酯及十二碳二酸二丙酯中的一种。

6.根据权利要求5所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述n为2，4，6，8或10。

7.根据权利要求1所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述电解质选自四甲基氯化铵、四乙基碘化铵、四丁基溴化铵及三甲基苄基氯化铵中的一种；所述电解质的加入量为原料五元杂环化合物质量的0.5-10％；所述醇类化合物与五元杂环化合物的质量比为(5-10)：1；二酯类化合物与五元杂环化合物的质量比为(0.5-2):1。

8.根据权利要求7所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述电解质的加入量为原料五元杂环化合物质量的1％-5％。

9.根据权利要求1所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述镀层的材料中，钌的含量为90-98wt％，稀土金属的含量为2-10wt％。

10.根据权利要求1所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述稀土金属选自镧、钪、钇、铈、镨、钐、铽、钪中的一种；和/或，所述阴极材料选自金属铅、金属镉、金属钛、奥氏体不锈钢316L、奥氏体不锈钢304中的一种或多种。

11.根据权利要求10所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述稀土金属选自镧、铈、镨、钪、钇中的一种。

12.根据权利要求1-11任一项所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述阳极的比表面积为100-2000m²/g。

13.根据权利要求12所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述阳极的比表面积为200-1500m²/g。

14.根据权利要求13所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：所述阳极的比表面积为500-1000m²/g。

15.根据权利要求1-11任一项所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：阳极的电流密度为200-2000A/m²，阴极的电流密度为500-3000A/m²。

16.根据权利要求15所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：阳极的电流密度为500-1500A/m²，阴极的电流密度为1000-2000A/m²。

17.根据权利要求1-11任一项所述的电化学制备五元杂环二烷氧基化合物的方法，其特征在于：阳极或阴极反应的温度范围是0-10℃，反应时间范围是6-8h。