CN115403458A - 一种环丙基甲基酮的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种环丙基甲基酮的制备方法，将催化剂和溶剂加入反应器后升温至130‑170℃的温度范围内，加入2‑乙酰基‑γ‑丁内酯制备环丙基甲基酮粗产物，并对粗产物进行提纯得到环丙基甲基酮，由于采用具有超强酸性的有机含氧酸盐作为催化剂，能够显著降低反应所需的温度，在降低生产成本的同时有效避免了副反应的发生，显著降低了副产物的生成，提高了主产物环丙基甲基酮的转化率；同时，由于反应温度的降低，本发明中采用更加符合绿色化学理念的砜类溶剂，大幅度降低了反应对环境的影响，有利于大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于有机合成技术领域，特别涉及一种环丙基甲基酮的制备方法。
背景技术
环丙基甲基酮(Cyclopropyl methyl ketone)简称CPMK，分子式C5H8O，是一种重要的有机合成原料，在农药方面，德国拜耳公司首先利用环丙基甲基酮为原料，研制出一种新型广谱三唑硫酮类杀菌剂丙硫菌唑，主要用于防治谷类、麦类、豆类等作物病害，其毒性低，无致畸与致突变性，安全性高；在医药方面，环丙基甲基酮被用于合成依法韦伦，后者是一种非核苷类逆转录酶抑制剂，与其它病毒逆转录酶抑制剂联合使用，用于HIV-1感染病人的治疗；因此，对环丙基甲基酮的工业制备方法的研究十分有意义。
目前通常采用α-乙酰-γ丁内酯裂解法制备环丙基甲基酮，2-乙酰基-γ-丁内酯与浓盐酸共热，得到5-氯-2-戊酮。随后5-氯-2-戊酮与强碱共热，脱去HCl 生成环丙基甲基酮；虽然该方法原料廉价易得，但是生产效率较低，并且会产生大量焦油状废液，污染严重。
另一种裂解法为，使用金属卤化物作为催化剂，在高温下催化2-乙酰基-γ- 丁内酯脱羧，一步生成产物环丙基甲基酮，例如，申请号为CN201511010127.2 的中国发明专利公开了一种环丙基甲基酮的制备方法，将金属卤化物及惰性溶剂加入到反应器中，提升温度至185-195℃，然后向反应器内连续加入α-乙酰- γ丁内酯，对产物进行精馏得到高纯度环丙基甲基酮；但是上述反应中存在反应温度较高的问题，并且副产物较多导致目标产物的转化率较低，大幅提高了生产成本，不利于工业化生产。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一是针对上述现有技术中的问题提供一种环丙基甲基酮的制备方法，通过对催化剂的筛选，有效避免了制备过程中副产物的产生，提高了产物转化率，降低了生产成本。
为了实现上述目的，本发明提供一种环丙基甲基酮的制备方法，包括如下步骤：
S1、以2-乙酰基-γ-丁内酯为原料经催化反应制备环丙基甲基酮粗产物；
S2、对环丙基甲基酮粗产物进行提纯得到环丙基甲基酮；
步骤S1中选用的催化剂为具有超强酸性的有机含氧酸盐。
以金属卤化物NaOTs(对甲苯磺酰钠)作为催化剂的裂解反应为例，2-乙酰基-γ-丁内酯裂解制备环丙基甲基酮的过程如下：
从上述反应过程中可以看出C-O键断开后C-的进攻位置直接影响最终产物，通常情况下，C-进攻C-OTs键，OTs-离去后形成C-C键，得到环丙基甲基酮(CPMK)；同时也存在另一种情况，即C-夺取相邻C＝O键上的质子形成O-，然后O-进攻C-OTs键得到副产物5-甲基-2,3-二氢呋喃(DHMF)，由此可以得知，避免C-夺取C＝O键上的质子能够直接的降低副产物的生成；而C-的活性远高于 O-，OTs-也是极易离去的基团，因此提高反应速度，减缓C-对相邻C＝O键中质子的夺取能够直接导致副产物的减少。
本申请通过采用具有超强酸性的含氧酸盐作为催化剂，由于含氧酸根离子具有较高的反应活性，丁内酯裂解后端部生成的C-含氧酸根键更易被C-进攻，有效避免了副反应的发生，提高了目标产物的转化率。
进一步的，具有超强酸性的含氧酸盐中，包括含氧酸根为CH3SO3 —、CF3SO3 —或者CH3C6H4SO3H—中的至少一种或多种的具有超强酸性的含氧酸盐。
优选的，具有超强酸性的含氧酸盐为甲磺酸锂、甲磺酸钠、对甲苯磺酸锂、对甲苯磺酸钠、三氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸钠中的至少一种或多种。
进一步的，步骤S1的具体操作为，向反应器中加入溶剂和催化剂，并将反应器内的温度提升至反应温度，然后将2-乙酰基-γ-丁内酯连续注入反应器中，在保护气氛下进行反应，得到环丙基甲基酮粗产物。
进一步的，步骤S1中，加入反应器中的催化剂与反应物2-乙酰基-γ-丁内酯的质量比为(0.001-0.04)：1。
上述催化剂与反应物的质量比为技术人员针对具有超强酸性的含氧酸盐的催化能力进行大量研究的基础上得到的较为优选的配比，如果催化剂的用量过少，则会因为催化点位不足导致反应速度降低，进而导致了副产物的增加；如果催化剂用量过大，则提升了制备成本，浪费了物料。
进一步的，步骤S1中，2-乙酰基-γ-丁内酯的添加速度为5-50g/min。
进一步的，步骤S1中反应温度为130-170℃。
优选的，步骤S1中反应温度为130℃
上述温度为技术人员在大量研究的基础上得出的最为适合的反应温度范围，如果温度过高，则体系稳定性降低，促进了C-对相邻C＝O键中质子的夺取导致副产物的生成量提升；如果温度过低则主产物环丙基甲基酮不能被蒸出。
并且由于本发明将具有超强酸性的含氧酸盐作为催化剂，在其具有强催化能力的基础上裂解反应无需过高的温度，降低了环丙基甲基酮制备过程中的能耗，进一步降低了生产成本。
进一步的，步骤S1中，加入反应器中的溶剂为偶极非质子性溶剂。
进一步的，偶极非质子性溶剂包括如下种类：
酰胺类：N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二乙基乙酰胺、N,N- 二甲基丙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四甲基脲、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮；
砜类：二甲基亚砜、二甲基砜、环丁砜；
醚类：二苯醚、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、聚乙二醇二甲醚；
步骤S1中选用溶剂中的任意一种或多种作为溶剂。
优选的，加入反应器中的溶剂为环丁砜。
环丁砜为石油化工领域常用的有机溶剂，具有低毒无害，不易挥发，价格低廉，安全性好等特性，能够满足环丙基甲基酮的制备需求，并且本发明中步骤S1的反应温度为130-170℃，而环丁砜具有较高的稳定性，在温度130-170℃的范围内几乎不会发生分解，进而不会对因溶剂分解而对反应过程产生影响，也不会影响产物的纯度。
进一步的，虽然环丁砜的闪点为166℃，但是步骤S1在保护气氛下进行，反应过程中即使反应温度高于环丁砜的闪点环丁砜也不会发生燃烧，保证了反应的安全进行。
进一步的，步骤S1中，加入反应器中的催化剂与溶剂的质量比为(0.02-0.2)： 1。
上述方案中的催化剂与溶剂的质量比为技术人员在大量研究的基础上得到的较为优选的配比范围，溶剂用量过小，则催化剂不能完全溶解，影响催化效果；溶剂用量过大，则反应混合物被稀释，反应物浓度降低导致反应变慢。
进一步的，经过步骤S1制得的环丙基甲基酮粗产物中，副产物的占比不超过5.0％。
由于副产物比例显著降低，使得反应原料能够更加充分的转化为目标产物环丙基甲基酮，提高了环丙基甲基酮的转化率。
进一步的，步骤S2中的提纯方式为精馏。
精馏的具体操作为：使用长度15cm的刺型蒸馏柱，在常压下进行分馏，收集114℃±2℃的馏分。
本发明的有益效果为：
1、采用具有超强酸性的含氧酸盐作为催化剂，充分利用了含氧酸根离子的高反应活性，进一步提升了反应速度，有效避免了副反应的发生，提高了目标产物的转化率。
2、采用具有超强酸性的含氧酸盐作为催化剂，降低了反应温度，进而降低了制备能耗，有利于工业化生产。
3、由于较低的反应温度，本发明能够采用对环境影响较小环丁砜作为溶剂，避免了对环境的污染，符合绿色化学理念。
具体实施方式
下面将参照更详细地描述本发明的示例性实施方式，本领域技术人员可以了解到的是，下列实施方式仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
实施例一
本实施例提供一种环丙基甲基酮的快速制备方法，具体制备方法如下：
向100mL两口烧瓶中加入200g环丁砜、20g催化剂甲磺酸锂，维持反应器中处于保护气氛并升温至130℃，温度稳定后以50g/min的速度向反应器内加入 1kg反应物2-乙酰基-γ-丁内酯，并在反应过程中持续搅拌，收集蒸出物至不再有液体蒸出，得到环丙基甲基酮粗产物。
然后对环丙基甲基酮粗产物进行精馏，取113-114℃的馏出组分，经过冷凝得到环丙基甲基酮。
实施例二
向100mL两口烧瓶中加入200g环丁砜、10g催化剂甲磺酸钠，维持反应器中处于保护气氛并升温至130℃，温度稳定后以50g/min的速度向反应器内加入 1kg反应物2-乙酰基-γ-丁内酯，并在反应过程中持续搅拌，收集蒸出物至不再有液体蒸出，得到环丙基甲基酮粗产物。
然后对环丙基甲基酮粗产物进行精馏，取113-114℃的馏出组分，经过冷凝得到环丙基甲基酮。
实施例三
向100mL两口烧瓶中加入200g二乙二醇二乙醚、20g催化剂对甲苯磺酸钠，维持反应器中处于保护气氛并升温至130℃，温度稳定后以50g/min的速度向反应器内加入1kg反应物2-乙酰基-γ-丁内酯，并在反应过程中持续搅拌，收集蒸出物至不再有液体蒸出，得到环丙基甲基酮粗产物。
然后对环丙基甲基酮粗产物进行精馏，取113-114℃的馏出组分，经过冷凝得到环丙基甲基酮。
实施例四
向100mL两口烧瓶中加入200g二乙二醇二乙醚、20g催化剂对甲苯磺酸钾，维持反应器中处于保护气氛并升温至130℃，温度稳定后以50g/min的速度向反应器内加入1kg反应物2-乙酰基-γ-丁内酯，并在反应过程中持续搅拌，收集蒸出物至不再有液体蒸出，得到环丙基甲基酮粗产物。
然后对环丙基甲基酮粗产物进行精馏，取113-114℃的馏出组分，经过冷凝得到环丙基甲基酮。
实施例五
向100mL两口烧瓶中加入200g N,N-二甲基乙酰胺、7g催化剂三氟甲磺酸锂，维持反应器中处于保护气氛并升温至130℃，温度稳定后以50g/min的速度向反应器内加入1kg反应物2-乙酰基-γ-丁内酯，并在反应过程中持续搅拌，收集蒸出物至不再有液体蒸出，得到环丙基甲基酮粗产物。
然后对环丙基甲基酮粗产物进行精馏，取113-114℃的馏出组分，经过冷凝得到环丙基甲基酮。
实施例六
向100mL两口烧瓶中加入200g N,N-二甲基乙酰胺、11g催化剂三氟甲磺酸钠，维持反应器中处于保护气氛并升温至130℃，温度稳定后以50g/min的速度向反应器内加入1kg反应物2-乙酰基-γ-丁内酯，并在反应过程中持续搅拌，收集蒸出物至不再有液体蒸出，得到环丙基甲基酮粗产物。
然后对环丙基甲基酮粗产物进行精馏，取113-114℃的馏出组分，经过冷凝得到环丙基甲基酮。
实施例七
向100mL两口烧瓶中加入200g N,N-二甲基乙酰胺、20g催化剂三氟甲磺酸钾，维持反应器中处于保护气氛并升温至130℃，温度稳定后以50g/min的速度向反应器内加入1kg反应物2-乙酰基-γ-丁内酯，并在反应过程中持续搅拌，收集蒸出物至不再有液体蒸出，得到环丙基甲基酮粗产物。
然后对环丙基甲基酮粗产物进行精馏，取113-114℃的馏出组分，经过冷凝得到环丙基甲基酮。
如实施例一至实施例七所述的制备过程，2-乙酰基-γ-丁内酯的转化率和环丙基甲基酮的产率如下表所示：
对比例一
本对比例提供一种环丙基甲基酮的制备方法，制备方法和条件与实施例一相同，区别在于选用的催化剂不同，具体采用的催化剂及对应的测试结果如下：
从上述对比结果中可以看出，采用具有超强酸性的有机含氧酸盐作为催化剂的转化率和产率都能达到较高的水平，并且与常规的碘化物催化剂NaI、LiI 相比也具有更好的催化能力，反应物的转化率和产物的产率均高于金属碘化物，而采用其他类型的无机盐作为催化剂，则大都不能顺利进行催化，即使能够进行催化，以硫酸锂为例，其催化效果也并不理想。
对比例二
本对比例提供一种环丙基甲基酮的制备方法，制备方法和采用的反应物与实施例一相同，区别在于反应温度不同，具体采用的反应温度及对应的测试结果如下：
从上述对比结果中可以看出，反应温度选择130～150℃为宜，温度过高则生成焦油状副产物，产率降低，浪费物料；温度过低则转化率不高。由于加热装置耗费电能，综合转化率、产率和生产成本考虑，反应温度优选为130℃。
对比例三
本对比例提供一种环丙基甲基酮的制备方法，制备方法和反应条件与实施例一相同，区别在于采用的溶剂不同，具体采用的溶剂及对应的测试结果如下：
从上述对比结果中可以看出，环丁砜、二甲基亚砜等砜类溶剂的效果最好，醚类溶剂极性较弱，对催化剂溶解能力不强，因而转化率产率较低；酰胺类溶剂虽然总体转化率尚可，仍低于环丁砜，因此选用砜类溶剂为最优选的溶剂类型，其中环丁砜为最优选的溶剂能够显著提高2-乙酰基γ-丁内酯的转化率以及环丙基甲基酮的产率。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，上述实施例中的实施方案也可以进一步组合或者替换，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、向反应器中加入溶剂和催化剂，升温至反应温度，加入2-乙酰基-γ-丁内酯，进行催化反应制备环丙基甲基酮粗产物；
S2、对环丙基甲基酮粗产物进行提纯得到环丙基甲基酮；
步骤S1中选用的催化剂为具有超强酸性的有机含氧酸盐。
2.根据权利要求1所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，所述具有超强酸性的有机含氧酸盐中，含氧酸根为CH3SO3 —、CF3SO3 —、p-CH3C6H4SO3 —中的至少一种或多种；
优选的，具有超强酸性的含氧酸盐为CH3SO3Li、CF3SO3Li、CH3SO3Na、CF3SO3Na、(CH3SO3)2Mg、(CF3SO3)2Mg中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，步骤S1中，加入反应器中的催化剂与2-乙酰基-γ-丁内酯的质量比为(0.001-0.04)：1。
4.根据权利要求1所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，步骤S1中的反应温度的范围为130-170℃；
优选的，反应温度为130℃。
5.根据权利要求3所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，所述2-乙酰基-γ-丁内酯的添加速度为5-50g/min。
6.根据权利要求3所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，步骤S1中，加入反应器中的溶剂为偶极非质子性溶剂；
偶极非质子性溶剂包括酰胺类溶剂、砜类溶剂和醚类溶剂；
优选的，酰胺类溶剂包括：N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二乙基乙酰胺、N,N-二甲基丙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四甲基脲、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮；
砜类溶剂包括：二甲基亚砜、二甲基砜、环丁砜；
醚类溶剂包括：二苯醚、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、聚乙二醇二甲醚。
7.根据权利要求6所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，加入反应器中的溶剂为环丁砜。
8.根据权利要求3所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，步骤S1中，加入反应器中的催化剂与溶剂的质量比为(0.02-0.2)：1。
9.根据权利要求1所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，经过步骤S1制得的环丙基甲基酮粗产物中，副产物的占比不超过5％。
10.根据权利要求1-9任一所述的环丙基甲基酮的制备方法，其特征在于，步骤S2中的提纯方式为精馏，具体为使用长度15cm的刺型蒸馏柱，在常压下进行分馏，收集114℃±2℃的馏分。
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