羟基丙酮的合成研究＊

武建林

(山西省吕梁市质量技术监督检验测试所,山西,吕梁,033000)

羟基丙酮的合成研究＊

武建林

(山西省吕梁市质量技术监督检验测试所,山西,吕梁,033000)

以乙醛和甲醛(以多聚甲醛形式存在)为原料,利用极性转换的原理,合成制备了羟基丙酮。考察了原料配比、催化剂品种及用量、溶剂种类、反应时间等因素对反应的影响。结果表明：在原料摩尔比 n(乙醛)：n(甲醛)=1：1.2,3-乙基 -4 -甲基 -5-羟乙基噻唑盐为催化剂,n(催化剂)：n(乙醛)=1：10,二恶烷为催化剂,碱为 1,8-二氮杂环[5,4,0]十一碳 -7-烯,pH8-9,反应温度 60℃,反应时间 5h反应条件下,原料乙醛转化率达 90.5%,产品选择性达 87.6%,合成收率为 76.6%。

羟基丙酮;极性转换;合成

羟基丙酮又名丙酮醇、乙酰甲醇等,存在于啤酒、烟草和蜂蜜中,一种无色有刺激性气味的液体,易燃,易吸潮,不稳定,易形成二聚体,但用甲醇可致稳定。羟基丙酮是合成药物、香料、染料等有机产品的重要中间体,可用于合成消沙星的中间体 (s)-(+)～2-氨基丙醇、外消旋组氨酸的中间体4-(羟甲基咪唑等药物化系统的 H2受体阻滞药西咪替丁的中间体 4-甲基咪唑、喹诺酮类抗菌药左旋氧氟中间体的合成。关于羟基丙酮的合成方法有一些相关文献报道,李楠等[1]采用电解银催化剂,选择催化氧化 1,2-丙二醇同时得到α-羟基丙酮和丙酮醛,该法优势是产品选择性较高,副产物少,缺点是反应条件及设备要求高、需要用昂贵的金属催化剂、产品收率不高。姚日生等[2]采用一氯丙酮酯化 -醇解法制备羟基丙酮,在较优条件下,一氯丙酮的转化率大于98%,甲酸丙酮酯的醇解率大于 95%。Liorta D C等[3]采用一溴丙酮酯化/醇解法合成制备羟基丙酮,该法反应条件温和,产品收率和纯度高,缺点是原料一溴丙酮价格高,导致生产成本过高。本文以乙醛和多聚甲醛为原料,利用极性转换[4]原理,在催化剂的作用下合成制备羟基丙酮。

1 实验部分

1.1 实验试剂和仪器

1.1.1 实验试剂 乙醛,40%水溶液,苏州市万隆化学试剂有限公司(使用时浓缩提纯得到高纯度的乙醛,保存于冰箱中备用);多聚甲醛,AR,天津市化学试剂研究所;DNF,AR,天津市博迪化工有限公司;无水甲醇,无水乙醇,维生素 B1,氢氧化钠和三乙胺,AR,国药集团化学试剂有限公司;异丙醇,AR,武汉联碱厂;二恶烷,AR,上海森斐化学品有限公司; 1,8-二氮杂环[5,4,0]十一碳 -7-烯,AR,上海晶醇试剂有限公司;无水碳酸钾,AR,天津市福晨化学试剂厂;甲醇钠,AR,上海科达化工有限公司;噻唑盐(自制)。

1.1.2 仪器 GC9160-气相色谱仪 (上海欧华分析仪器有限公司);数显恒温磁力搅拌水浴锅(江苏省金坛市汉康电子有限公司);烧瓶等。

1.2 实验步骤 在 100ml密闭烧瓶中先后加入多聚甲醛、溶剂、碱、催化剂和乙醛,磁力搅拌,水浴加热反应,60℃恒温反应,维持反应体系 pH8-9,定时进行 GC检测,跟踪反应进程,反应结束后,用冷水冷却,蒸馏分离出溶剂和未反应原料,得到羟基丙酮粗品。

1.3 产物分析 反应转化率、最后产品羟基丙酮的选择性及其纯度测定均采用气相色谱仪,采用面积归一化法定量。采用 GC-9160气相色谱仪,SE-30毛细管柱,柱长 30m, F ID检测器,柱温 120～200℃,10℃/min程序升温,汽化室250℃,检测室 250℃,载气 N210ml/min,H220ml/min。校正归一法进行定量。

2 结果与讨论

2.1 不同种类催化剂对反应的影响 在其他反应条件不变的前提下,考察了维生素B1、3-乙基 -4-甲基 -5-羟乙基噻唑溴盐、3-丙基 -4-甲基 -5-羟乙基噻唑溴盐等噻唑盐类催化剂对反应的影响。结果如表 1所示。

表1 不同催化剂对反应的影响

从表 1可以看出,噻唑盐的催化能力以及选择能力与噻唑环上取代基链长度和体积有较大的关系,在相同反应条件下,3-乙基 -4-甲基 -5-羟乙基噻唑溴盐具有较优的催化效果和选择能力,从反应机理来推断[5,6],原因可能是噻唑环氮原子上取代基产生的空间位阻效应对该类催化剂的作用效果产生的影响。

2.2 催化剂用量对反应的影响 3-乙基 -4-甲基 -5-羟乙基噻唑溴盐作为反应催化剂,其他条件保持不变,改变催化剂用量(以乙醛计,n/n),结果如图 1所示。

图1 催化剂用量对乙醛转化率的影响

从图 1可知,随着催化剂量的增加,相同条件下,催化剂用量越大,乙醛转率程度越高,当 n(催化剂)：n(乙醛)=1：10时,乙醛转化率 90%左右,再增加用量,乙醛转化率变化不大,却可能导致副反应加剧,导致羟基丙酮选择性降低。因此,较佳的催化剂用量是 n(催化剂)：n(乙醛)=1：10。

2.3 原料配比对反应的影响 改变原料乙醛和甲醛 (以多聚甲醛形式存在)摩尔配比,其他条件固定,原料摩尔配比对反应的影响如表 2所示。

表2 原料配比对反应的影响

可以看出,随着 n(乙醛)：n(甲醛)增加,乙醛的转化率随之增加,但是羟基丙酮的选择性却减低,副产物增加。原因是随着甲醛的量的增加,乙醛在相同条件下可更加完全的反应,但是过量的甲醛易和产品羟基丙酮发生进一步反应,导致产品选择性和收率的降低。综合考虑,n(乙醛)：n(甲醛)=1：1.2为较优反应条件。

2.4 不同溶剂对反应的影响 在相同条件下,分别考察了DMF,无水乙醇,无水甲醇,二恶烷,异丙醇五种溶剂对反应的影响,结果如表 3所示。

实验过程中发现,DMF作为溶剂,反应很难进行,原因是多聚甲醛在此溶剂中解聚非常缓慢,产品选择性差,副产物增加。其他四种都能使多聚甲醛解聚,使得反应较易进行,从表中可以看出,它们对反应的影响相差不大,二恶烷较其他作用效果更明显,因此选择的二恶烷作为反应溶剂。

2.5 不同碱对反应的影响 相同条件下,分别考察了氢氧化钠、碳酸钾、甲醇钠、三乙胺、1,8-二氮杂环[5,4,0]十一碳 -7-烯(DBU)五种不同碱对反应的影响,所得结果如表4所示。

表3 不同溶剂对反应的影响

表4 不同碱对反应的影响

从表 4可以看出,碱的种类及其碱性强弱对反应有较大的影响,有机碱较无机碱具有更好的效果,原因是可能是有机碱溶于溶剂中,形成均相反应,而无机碱不溶于或者微溶于反应体系;另外碱性强有利于反应,弱碱不利于反应进行。因此,DBU是较佳的碱。

2.6 反应时间的选择 在相同条件下,考察了在不同反应时间的反应情况,结果如图 2所示：

图2 反应时间对反应的影响

由图 2表明,随着反应时间的递增,乙醛转化率逐渐增大,而产物羟基丙酮的选择性却降低,当反应 5h时,乙醛转化率达 90%左右,选择性达 87.6%,继续反应,乙醛转化率几乎不发生变化,但产物选择性却在减小,因为随着反应的进行,副反应逐渐的加强,反应时间时间越长,副产物越多。因此,考虑到原料的转化率和产品的选择性,反应 5h是较适宜。

3 结论

以乙醛和甲醛(以多聚甲醛的形式存在)原料,通过极性转换作用,可合成制得羟基丙酮。通过单因素实验得到优化合成条件：n(乙醛)：n(甲醛)=1：1.2,3-乙基 -4-甲基 -5-羟乙基噻唑盐为催化剂,用量为 n(催化剂)：n(乙醛)= 1：10,二恶烷为溶剂,碱是 DBU,pH8-9,反应温度 60℃,反应时间 5h,在上述条件下,原料乙醛转化率达到 90.5%,产物羟基丙酮选择性达 87.6%,合成收率为 75.6%。

[1]李楠,季云娣,曾碧照,等.1,2-丙二醇空气选择氧化合成α -羟基丙酮和丙酮醛[J].化学世界,2008,(7)：421-423.

[2]姚日生,金友华.一氯丙酮酯化 -醇解法制备羟基丙酮[J].湖南化工,2000,30(6)：32-33.

[3] Liorta D C,VolrnerM.Organic Syntheses,Reaction Guide[M]. JohnW iley&Sons Inc,l991：568.

[4]王乃兴.有机反应中的极性转化方法[J].有机化学,2004, 24(3)：350-354.

TQ351.27+3

A

1003-3467(2010)10-0009-02

武建林(1964.3～),男,山西省吕梁市人,本科,工程师。