CN115677508A - 一种二醇单硝酸酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二醇单硝酸酯的合成方法。通过二醇在醚化试剂存在下选择性的形成单醚化产物和双醚化产物，控制二者比例，进行后续硝化反应和去保护，以形成二醇单硝酸酯。本发明避免了硝化反应中硝基乙酸酐的使用，工艺安全性好。
Description
技术领域
本发明属于化工中间体合成领域，具体涉及一种二醇单硝酸酯的制备方法。
背景技术
进入21世纪，全球温度在持续变暖，造成这一现象的主要原因就是温室气体的大量排放。二氧化碳和甲烷是排放量最大的两种温室气体，其中甲烷的增温潜力是二氧化碳的20～25倍，因此减少甲烷排放对于缓解全球气候变暖的很有意义的。近年来科学研究表明，3-硝基羟基丙醇(3-NOP)在减少畜牧业反刍动物甲烷排放领域有明显效果。
目前已知常用的3-NOP的合成方法主要是WO-2012/084629报道的：使用3-溴代丙醇和硝酸银溶液在乙腈中反应，生成3-NOP和溴化银。这种方法在实验室中是操作方便和收率可观的，但是用于工业化生产则是经济性不合理的。另一种已知的羟基硝化的方法是使用硝基乙酸酐(使用硝酸、乙酸酐、乙酸配制)直接氧化底物醇，这种方法硝化效率高，但硝基乙酸酐是一种极不稳定的化合物，温度超过60℃即可能发生剧烈爆炸，反应风险具有极大地不可控性，工业化放大工艺的安全性较差。
CN112702923A和CN112703179A报道了一种ω-硝基氧基-1-烷醇的制备方法，反应中添加氨基磺酸或尿素，可以避免使用硝基乙酸酐，而直接使用硝酸氧化底物醇制备目标产物，但该方法引入了难以脱除的第三组份，增加了反应体系的复杂性和分离的难度，而且该方案与本领域的公知常识相反，其反应的可操作性和可重复性是无法令人满意的。
因此，有必要开发一种工业化可操作性的，经济性好的3-NOP的合成方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二醇单硝酸酯的合成方法，该方法原料利用率高，可操作性强，工艺安全可靠。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种二醇单硝酸酯的制备方法，包括以下步骤：
(1)二醇在醚化试剂存在下，羟基发生单醚化或双醚化反应；
其中，代表性的二醇结构为
优选地，n＝1，即二醇为1,3-丙二醇；
(2)单醚化产物在硝化试剂存在下发生反应，形成单醚化烷基硝酸酯；
(3)单醚化烷基硝酸酯在脱除试剂的作用下发生连续的脱保护反应，形成羟基烷基硝酸酯。
本发明中，步骤(1)中醚化反应是指二醇化合物的羟基官能团和醚化试剂反应形成碳-氧键或硅-氧键的反应；单醚化指反应形成一个碳-氧键或硅-氧键的反应，双醚化是指新形成的碳-氧键或硅-氧键总数量为2的反应。
优选地，步骤(1)中，醚化试剂选自叔丁基二甲基氯硅烷、叔丁基二苯基氯硅烷、卞氯、烯丙基氯、对溴卞氯、对甲氧基卞氯、三苯基甲基卞氯、三甲基氯硅烷、三异丙基氯硅烷、二乙基异丙基氯硅烷和三乙基氯硅烷中的一种或多种，优选三甲基氯硅烷。
进一步地，醚化试剂和二醇的摩尔比为(2～5):1，优选(3～4)：1。研究过程中发现，步骤(1)中控制醚化试剂和二醇的摩尔比在(2～5):1，优选(3～4)：1；控制反应液中单醚产物和双醚产物的摩尔比为(2～5)：1，优选(3～4)：1，可以有效提高原料二醇的利用率。
本发明中，步骤(1)二醇醚化反应在有机溶剂存在下进行，有机溶剂为本领域内公知的化学品，包括碳原子在6-12的烷烃、碳原子数在1-5的一级醇或二级醇、惰性的芳香族化合物和其他常用溶剂，如己烷、庚烷、辛烷、甲醇、乙醇、异丙醇、苯、甲苯、二甲苯、乙腈、二氯甲烷和1,2-二氯乙烷等；
优选的，有机溶剂和二醇的质量比为(1-5)：1，优选(3-4)：1。
本发明中，步骤(1)二醇醚化反应温度为-30℃～40℃，优选-10℃～0℃；反应时间1～24h，优选5～7h。
本发明中，步骤(2)中硝化试剂为硝酸水溶液和硫酸的组合物，硝酸质量浓度为10-80％，优选30-60％；硝酸和单醚化产物的摩尔比为(1.1-6)：1，优选(1.5-3)：1；
和/或，硫酸和硝酸的摩尔比为(1.5-4)：1，优选(2-3):1。
本发明中，步骤(2)中可以在有机溶剂中进行，有机溶剂选自己烷、庚烷、辛烷、苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙酸乙酯中的一种或多种，溶剂和单醚化产物的质量比为(0.5-5)：1，优选(2-3)：1。
本发明中，步骤(2)反应温度为-30℃～40℃，优选0℃～15℃。
本发明中，步骤(3)中单醚化烷基硝酸酯的醚键需要脱除，脱除试剂选择四丁基氟化胺、四甲基氟化胺，四乙基氟化胺、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种，优选四丁基氟化胺；
和/或，脱除试剂和单醚化烷基硝酸酯的摩尔比为(1.5-4)：1，优选(2-3)：1。
本发明中，步骤(3)中醚键脱除在溶剂中进行，溶剂可以是水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、乙腈、甲苯中的一种或多种，优选水；
优选的，溶剂和单醚化烷基硝酸酯质量比为(1-10)：1，优选(2-5)：1。
本发明中，步骤(3)中醚键脱除反应温度为50℃～200℃，优选100℃～150℃；反应时间5～24h，优选10～15h。
本发明的积极效果在于：
(1)以二醇为起始原料计，反应收率高，控制醚化反应中单醚产物和二醚产物比例，可有效提高原料二醇的利用率，降低成本；
(2)避免了硝化反应中硝基乙酸酐的使用，工艺安全性好。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
气相色谱分析：色谱型号：Agilent WAX:1701.42249；载气：高纯氮气；进样模式：自动进样器；氮气流量：60.0ml/min；汽化室温度：295℃；分流进样，分流比：1：60；进样量：0.2μl；柱流速2.0ml/min；柱温：一阶程序升温，初始温度150℃，保持3分钟，然后以15℃/min的速率升至280℃，保持20分钟；检测器温度285℃；选用外标法定量。
NMR分析：核磁共振数据(1H 400 MHz,13C 100 MHz)均经由Varian 400NMR核磁共振波谱仪测得，溶解试剂为CDCl3。
实施例和对比例中部分试剂规格及来源
实施例1
(1)醚化：称取1，3-丙二醇76.05g于1000mL三口烧瓶中，加入甲苯228.15g，氮气置换三次，反应液降温至-30℃，然后滴加叔丁基二甲基氯硅烷301.44g，滴加时间1h，滴加过程控制反应温度-30℃，反应通过气相色谱监测反应进程。叔丁基二甲基氯硅烷滴加结束后-30℃保温5h，1,3-丙二醇转化率100％，单醚产物含量23.3％，双醚产物含量12.23％，对应单醚产物和双醚产物的摩尔比3.05:1。
反应结束后反应液脱除甲苯，加入500mL水淬灭过量的叔丁基二甲基氯硅烷，加入500mL乙酸乙酯萃取水相，重复2次，合并有机相，脱除乙酸乙酯，得单醚和双醚混合物215.16g，作为原料进行后续反应。
(2)硝化：取上述醚化产物215.16g溶解在705.61g庚烷中，记为溶液1；取30％硝酸水溶液233.56g和333.87g浓硫酸混合，记为溶液2；500mL反应釜预冷至0℃，然后连续向其中加入溶液1(流量14.11g/h)和溶液2(9.46g/h)。反应釜连续出料至水中淬灭，分出有机相，有机相脱除溶剂，得产物243.91g，单醚化烷基硝酸酯含量69.64％，双醚产物含量30.36％，产物直接用于后续反应。
(3)醚键脱除：取上述产物243.91g于3000mL三口烧瓶中，加入849.34g水和377.43g四丁基氟化铵，反应液升温至100℃，反应时间15h。反应结束后，反应液脱出溶液，减压蒸馏得产物3-硝基羟丙醇88.18g，纯度98.22％。
丙二醇可回收重复利用，纯度99.14％，回收率98.66％。
实施例2
(1)醚化：称取1，3-丙二醇76.05g于1000mL三口烧瓶中，加入乙腈76.05g，氮气置换三次，反应液降温至-10℃，然后滴加三乙基氯硅烷452.16g，滴加时间1h，滴加过程控制反应温度-10℃，反应通过气相色谱监测反应进程。三乙基氯硅烷滴加结束后-10℃保温7h，1,3-丙二醇转化率100％，单醚产物含量20.87％，双醚产物含量16.37％，对应单醚产物和双醚产物的摩尔比2.04:1。
反应结束后反应液脱除乙腈，加入500mL水淬灭过量的三乙基氯硅烷，加入500mL乙酸乙酯萃取水相，重复2次，合并有机相，脱除乙酸乙酯，得单醚和双醚混合物225.07g，作为原料进行后续反应。
(2)硝化：取上述醚化产物225.07g溶解在63.07g甲苯中，记为溶液1；取10％硝酸水溶液459.25g和145.89g浓硫酸混合，记为溶液2；500mL反应釜升温至40℃，然后连续向其中加入溶液1(流量3.15g/h)和溶液2(10.08g/h)。反应釜连续出料至水中淬灭，分出有机相，有机相脱除溶剂，得产物250.86g，单醚化烷基硝酸酯含量60.56％，双醚产物含量39.44％，产物直接用于后续反应。
(3)醚键脱除：取上述产物250.86g于2000mL三口烧瓶中，加入303.84g甲醇和90.18g四甲基氟化胺，反应液升温至150℃，反应时间10h。反应结束后，反应液脱出溶液，减压蒸馏得产物3-硝基羟丙醇78.80g，纯度98.54％。
丙二醇可回收重复利用，纯度99.2％，回收率98.04％。
实施例3
(1)醚化：称取1，4-丁二醇90.12g于2000mL三口烧瓶中，加入甲苯90.12g，氮气置换三次，反应液降温至0℃，然后滴加叔丁基二甲基氯硅烷753.6g，滴加时间1h，滴加过程控制反应温度0℃，反应通过气相色谱监测反应进程。叔丁基二甲基氯硅烷滴加结束后0℃保温1h，1,3-丙二醇转化率100％，单醚产物含量17.99％，双醚产物含量5.63％，对应单醚产物和双醚产物的摩尔比4.98:1。
反应结束后反应液脱除甲苯，加入500mL水淬灭过量的叔丁基二甲基氯硅烷，加入500mL乙酸乙酯萃取水相，重复2次，合并有机相，脱除乙酸乙酯，得单醚和双醚混合物220.63g，作为原料进行后续反应。
(2)硝化：取上述醚化产物220.63g溶解在504.07g庚烷中，记为溶液1；取80％硝酸水溶液388.51g和740.51g浓硫酸混合，记为溶液2；500mL反应釜预冷至15℃，然后连续向其中加入溶液1(流量11.2g/h)和溶液2(18.82g/h)。反应釜连续出料至水中淬灭，分出有机相，有机相脱除溶剂，得产物252.72g，单醚化烷基硝酸酯含量79.19％，双醚产物含量21.81％，产物直接用于后续反应。
(3)醚键脱除：取上述产物252.72g于5000mL三口烧瓶中，加入2001.19g水和629.44g四丁基氟化铵，反应液升温至200℃，反应时间5h。反应结束后，反应液脱出溶液，减压蒸馏得产物3-硝基羟丙醇98.22g，纯度98.44％。
丙二醇可回收重复利用，纯度99.34％，回收率98.67％。
Claims (10)
1.一种二醇单硝酸酯的制备方法，包括以下步骤：
(1)二醇在醚化试剂存在下，羟基发生单醚化或双醚化反应；
(2)单醚化产物在硝化试剂存在下发生反应，形成单醚化烷基硝酸酯；
(3)单醚化烷基硝酸酯在脱除试剂的作用下发生脱保护反应，生成二醇单硝酸酯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，醚化试剂选自叔丁基二甲基氯硅烷、叔丁基二苯基氯硅烷、卞氯、烯丙基氯、对溴卞氯、对甲氧基卞氯、三苯基甲基卞氯、三甲基氯硅烷、三异丙基氯硅烷、二乙基异丙基氯硅烷和三乙基氯硅烷中的一种或多种，优选三甲基氯硅烷；
二醇结构为
进一步地，醚化试剂和二醇的摩尔比为(2～5):1，优选(3～4)：1。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)在有机溶剂存在下进行；
优选的，有机溶剂和二醇的质量比为(1-5)：1。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)反应温度为-30℃～40℃，优选-10℃～0℃；反应时间1～24h，优选5～7h。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中硝化试剂为硝酸和硫酸的组合物；
优选的，硝酸和单醚产物的摩尔比为(1.1-6)：1；
优选的，硫酸和硝酸的摩尔比为(1.5-4)：1。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中可以在有机溶剂中进行，有机溶剂选自己烷、庚烷、辛烷、苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙酸乙酯中的一种或多种；
优选的，溶剂和单醚产物的质量比为(0.5-5)：1。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)反应温度为-30℃～40℃，优选0℃～15℃。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)脱除试剂选自四丁基氟化胺、四甲基氟化胺、四乙基氟化胺、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种，优选四丁基氟化胺；
优选的，脱除试剂和单醚化烷基硝酸酯的摩尔比为(1.5-4)：1。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)在溶剂中进行，溶剂是水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、乙腈、甲苯中的一种或多种，优选水；
优选的，溶剂和单醚化烷基硝酸酯质量比为(1-10)：1。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中反应温度为50℃～200℃，优选100℃～150℃；反应时间5～24h，优选10～15h。
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