CN117430494A - 一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种2‑羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，将2‑羟基四氢呋喃、催化剂及溶剂依次加入反应釜中，安装好反应釜后通入氧气，然后升温加热至反应温度，反应物在反应温度保持不变的条件下进行反应，反应结束后将反应后的物料冷却至室温，然后过滤除去催化剂，减压蒸馏滤液除去溶剂，得到白色粉末状固体，即为所制备的丁二酸，合成的丁二酸纯度大于99%，产品收率>99%，本发明使用的原料可以从常用溶剂四氢呋喃催化得到，反应条件温和，工艺操作简单，产物非常容易分离，并且溶剂可循环利用，实现了高纯度丁二酸的简单、绿色、高效制备，同时也避免了工艺过程中带来的环境问题。
Description
技术领域
本发明属于化学合成技术领域，具体涉及一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法。
背景技术
丁二酸作为一种多功能化合物可以制备一系列高附加值化学品，如1，4-丁二醇、γ-丁内酯、N-甲基吡咯烷酮、丁二酸二烷基酯等[1]。此外，它本身在食品工业中用于调味剂、酸味剂、缓冲剂；在材料领域还可作为一种被广泛应用的可生物降解材料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的合成原料[2]。随着“白色污染”问题的日益严重，可生物降解材料的使用受到了越来越多的关注，丁二酸的市场需求量也在不断攀升。因此，丁二酸的制备工艺也受到了科研工作者们的广泛研究。
现有技术中，丁二酸的生产方法主要有生物法、电解法和催化加氢法。生物法生产效率低、产品提取和纯化工艺复杂、生产成本昂贵；顺酐电解法存在电极腐蚀严重、电解槽维修困难、投资成本高和占地面积大等问题，限制了丁二酸的大规模生产；顺酐催化加氢法以顺酐为原料，顺酐的产业链较长，其市场规模也不足以满足PBS产业所需丁二酸的原料供给，且顺酐价格较高，导致丁二酸成本高企。
公开号为CN114591163A的中国发明专利公开了一种丁二醛氧化合成丁二酸的方法，以1，4-丁二醛和氧气或空气为原料，以酸性溶液为溶剂，在钴锰催化剂催化作用下，丁二醛被氧化生成丁二酸，工艺路线短，反应条件可控，但是该反应在酸性溶液下进行，对于反应设备的要求相对高。
Svetlakov等人使用高浓度硝酸作为催化剂可实现85%的丁二酸产率，然而当硝酸浓度降低时丁二酸产率明显下降[4]，并且强酸催化会造成严重的设备腐蚀和安全隐患不易于工业化操作。
此外丁二酸还主要通过催化氧化石脑油的C4组分，经马来酸酐进一步水解氢化得到[3]。另一种丁二酸制备途径是丁苯橡胶经臭氧氧化法，同时，四氢呋喃氧化制备丁二酸也是一条非常有前景的反应途径[4]。然而该过程的选择性较低，主要是因为γ-丁内酯的生成与丁二酸的生成同时发生，二者竞争性较强[5–7]。
因此，寻求一种简单、绿色、高效的丁二酸合成途径具有广阔的应用前景以及重大的现实意义。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，解决现有呋喃衍生物制备丁二酸选择性低、反应条件苛刻及环境污染严重问题。
本发明的技术方案如下：
一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，包括如下步骤：将原料2-羟基四氢呋喃溶于溶剂中，通入氧气，在催化剂的催化作用下，2-羟基四氢呋喃被氧化成丁二酸，其反应式为：
。
进一步地，丁二酸的具体合成过程如下：
将 2-羟基四氢呋喃、催化剂及溶剂依次加入反应釜中，安装好反应釜后通入氧气，然后升温加热至反应温度，反应物在反应温度保持不变的条件下进行反应，反应结束后将反应后的物料冷却至室温，然后过滤除去催化剂，减压蒸馏滤液除去溶剂，得到白色粉末状固体，即为所制备的丁二酸。
进一步地，所述2-羟基四氢呋喃与催化剂的质量比为1:0.05-0.2；所述2-羟基四氢呋喃与溶剂的体积比为1:0.05-0.2。
进一步地，所述催化剂为Co/C、Ni/C、Ru/C、Ag/C的一种或多种。
进一步地，所述溶剂为水，甲醇，乙腈，环己烷，1,2-二氯乙烷，氯仿，丙酮，丁酮，甲酸，乙酸乙酯中的一种或多种。
进一步地，所述氧气压力为1-50 bar。
进一步地，所述反应温度为25-150℃。
进一步地，所述反应时间为0.1-24h。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
1）本发明将原料2-羟基四氢呋喃溶于溶剂中，通入氧气，在催化剂的催化作用下，2-羟基四氢呋喃被氧化成丁二酸，合成的丁二酸纯度大于99%，产品收率>99%；
2）本发明的合成方法在温和条件下，首次通过2-羟基四氢呋喃的氧化实现了高纯度丁二酸的高效制备，该过程对生产设备要求非常低，符合绿色，高效，安全生产的原则；
3）本发明使用的原料可以从常用溶剂四氢呋喃催化得到，反应条件温和，工艺操作简单，产物非常容易分离，并且溶剂可循环利用，实现了高纯度丁二酸的简单、绿色、高效制备，同时也避免了工艺过程中带来的环境问题。
附图说明
图1为本发明实施例1反应后液相色谱图；
图2为本发明实施例1得到固体粉末产物核磁氢谱；
图3为本发明实施例1得到固体粉末产物核磁碳谱。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步地说明，但本发明所保护的范围不限于所述范围。
本发明提出了一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，包括如下步骤：将原料2-羟基四氢呋喃溶于溶剂中，通入氧气，在催化剂的催化作用下，2-羟基四氢呋喃被氧化成丁二酸，其反应式为：
。
进一步地，丁二酸的具体合成过程如下：
将 2-羟基四氢呋喃、催化剂及溶剂依次加入反应釜中，安装好反应釜后通入氧气，然后升温加热，反应物在反应温度保持不变的条件下进行反应，反应结束后将反应后的物料冷却至室温，然后过滤除去催化剂，减压蒸馏滤液除去溶剂，得到白色粉末状固体，即为所制备的丁二酸。
所述2-羟基四氢呋喃与催化剂的质量比为1:0.05-0.2；所述2-羟基四氢呋喃与溶剂的体积比为1:5-20。
优选地，所述催化剂为Co/C、Ni/C、Ru/C、Ag/C的一种或多种。
优选地，所述溶剂为水，甲醇，乙腈，环己烷，1,2-二氯乙烷，氯仿，丙酮，丁酮，甲酸，乙酸乙酯中的一种或多种。
其中所述氧气压力为1-50 bar；所述反应温度为25-150℃；所述反应时间为0.1-24h。
丁二酸产物检测和计算依据下述方法进行：
用去离子水将得到的白色固体粉末进行溶解，定容，然后取溶液进行液相色谱定量分析，参照丁二酸标准曲线计算丁二酸生成量为n（产物），产物的摩尔量除以投入原料的摩尔量乘以100%就可以得到了反应的产率；
取少量的白色固体产物进行核磁氢谱和核磁碳谱验证。
丁二酸产率计算公式；
丁二酸产率 = (生成的丁二酸摩尔量/（2-羟基四氢呋喃投入摩尔量))×100%
实施例1
在50mL 反应釜中依次加入1.32g 2-羟基四氢呋喃，0.1gCo/C催化剂，10mL丙酮，安装好反应釜后充入20bar氧气，然后升温至110℃，保持24 h，反应结束后冷却至室温，然后将反应后的物料过滤除去催化剂，接着将滤液减压蒸馏除去溶剂，得到白色粉末状固体1。
由图1的液相色谱图可知，12.0min处为丁二酸，15.9min处为丙酮，白色粉末状固体1经过图2的核磁氢谱和图3的核磁碳谱检测得到了证实，为丁二酸。用去离子水将上述白色粉末状固体1溶解，并定容至25mL后，取溶液进行液相色谱定量分析，丁二酸产率为99%。
实施例2
在50mL 反应釜中依次加入1.0g 2-羟基四氢呋喃，0.1g Ni/C催化剂，10mL水，安装好反应釜后充入30bar氧气，然后升温至120℃，保持12h，反应结束后冷却至室温，然后将反应后的物料过滤除去催化剂，接着将滤液减压蒸馏除去溶剂，得到白色粉末状固体2。
经过液相色谱、核磁氢谱，核磁碳谱检测得到了证实，白色粉末状固体2为丁二酸。用去离子水将上述白色粉末状固体2溶解，并定容至25mL后，取溶液进行液相色谱定量分析，丁二酸产率为90%。
实施例3
在50mL 反应釜中依次加入2.7g 2-羟基四氢呋喃，0.15g Ru/C催化剂，10mL乙腈，安装好反应釜后充入10bar氧气，然后升温至140℃，保持2 h，反应结束后冷却至室温，然后将反应后的物料过滤除去催化剂，接着将滤液减压蒸馏除去溶剂，得到白色粉末状固体3。
经过液相色谱、核磁氢谱，核磁碳谱检测得到了证实，白色粉末状固体3为丁二酸。用去离子水将上述白色粉末状固体3溶解，并定容至25mL后，取溶液进行液相色谱定量分析，丁二酸产率为95%。
实施例4
在50mL 反应釜中依次加入0.88 g 2-羟基四氢呋喃，0.08g Ag/C催化剂，10mL甲醇，安装好反应釜后充入50 bar氧气，然后升温至150℃，保持1h，反应结束后冷却至室温，然后将反应后的物料过滤除去催化剂，接着将滤液减压蒸馏除去溶剂，得到白色粉末状固体4。
经过液相色谱、核磁氢谱，核磁碳谱检测得到了证实，白色粉末状固体4为丁二酸。用去离子水将上述白色粉末状固体4溶解，并定容至25mL后，取溶液进行液相色谱定量分析，丁二酸产率为99%。
实施例5
在50mL 反应釜中依次加入1.0g 2-羟基四氢呋喃，0.08g Co/C催化剂，10mL甲酸，安装好反应釜后充入50bar氧气，然后升温至90℃，保持24 hours。反应结束后冷却至室温，然后将反应后的物料过滤除去催化剂，接着将滤液减压蒸馏除去溶剂，得到白色粉末状固体5。
经过液相色谱、核磁氢谱，核磁碳谱检测得到了证实，白色粉末状固体5为丁二酸。用去离子水将上述白色粉末状固体5粉末溶解，并定容至25mL后，取溶液进行液相色谱定量分析，丁二酸产率为57%，可能是酸性反应环境不利于2-羟甲基四氢呋喃氧化的进行。
实施例6
在50mL 反应釜中依次加入1.32g 2-羟基四氢呋喃，0.1g Ni/C催化剂，10mL乙酸乙酯，安装好反应釜后充入20bar氧气，然后升温至110℃，保持24 h，反应结束后冷却至室温，然后将反应后的物料过滤除去催化剂，接着将滤液减压蒸馏除去溶剂，得到白色粉末状固体6。
经过液相色谱、核磁氢谱，核磁碳谱检测得到了证实，白色粉末状固体6为丁二酸。用去离子水将上述白色粉末状固体6粉末溶解，并定容至25mL后，取溶液进行液相色谱定量分析，丁二酸产率为79%。
实施例7
在50mL 反应釜中依次加入2.4g 2-羟基四氢呋喃，0.15g Ru/C催化剂，10mL丁酮，安装好反应釜后充入20bar氧气，然后升温至110℃，保持24 ，反应结束后冷却至室温，然后将反应后的物料过滤除去催化剂，接着将滤液减压蒸馏除去溶剂，得到白色粉末状固体7。
经过液相色谱、核磁氢谱，核磁碳谱检测得到了证实，白色粉末状固体7为丁二酸。用去离子水将上述白色粉末状固体7溶解，并定容至25mL后，取溶液进行液相色谱定量分析，丁二酸产率为99%。
实施例8
在50mL 反应釜中依次加入2.4 g 2-羟基四氢呋喃，1.0g Ag/C催化剂，10mL氯仿，安装好反应釜后充入20bar氧气，然后升温至110℃，保持24 h，反应结束后冷却至室温，然后将反应后的物料过滤除去催化剂，接着将滤液减压蒸馏除去溶剂，得到白色粉末状固体8。
经过液相色谱、核磁氢谱，核磁碳谱检测得到了证实，白色粉末状固体8为丁二酸。用去离子水将上述白色粉末状固体8溶解，并定容至25mL后，取溶液进行液相色谱定量分析，丁二酸产率为59%，氯仿作为溶剂时有未知副产物生成。
Claims (8)
1.一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，其特征在于包括如下步骤：将原料2-羟基四氢呋喃溶于溶剂中，通入氧气，在催化剂的催化作用下，2-羟基四氢呋喃被氧化成丁二酸，其反应式为：
。
2.根据权利要求1所述的一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，其特征在于丁二酸的具体合成过程如下：
将 2-羟基四氢呋喃、催化剂及溶剂依次加入反应釜中，安装好反应釜后通入氧气，然后升温加热至反应温度，反应物在反应温度保持不变的条件下进行反应，反应结束后将反应后的物料冷却至室温，然后过滤除去催化剂，减压蒸馏滤液除去溶剂，得到白色粉末状固体，即为所制备的丁二酸。
3.根据权利要求1或2所述的一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，其特征在于所述2-羟基四氢呋喃与催化剂的质量比为1:0.05-0.2；所述2-羟基四氢呋喃与溶剂的体积比为1:5-20。
4.根据权利要求1或2所述的一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，其特征在于所述催化剂为Co/C、Ni/C、Ru/C、Ag/C的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，其特征在于所述溶剂为水，甲醇，乙腈，环己烷，1,2-二氯乙烷，氯仿，丙酮，丁酮，甲酸，乙酸乙酯中的一种或多种。
6.根据权利要求1或2所述的一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，其特征在于所述氧气压力为1-50 bar。
7.根据权利要求2所述的一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，其特征在于所述反应温度为25-150℃。
8.根据权利要求2所述的一种2-羟基四氢呋喃制备丁二酸的合成方法，其特征在于所述反应时间为0.1-24h。
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