3-巯基丙酸制备的研究进展

2021-08-02王艳华

化学与粘合 2021年4期

王艳华，李猛

（黑龙江省科学院石油化学研究院，黑龙江哈尔滨150040）

前言

3-巯基丙酸（3-mercaptopropionicacid，简称3-MPA）是一种无色或浅黄色液体，在空气中有很强的恶臭味，具有毒性。3-巯基丙酸溶解性很好，能够和水、乙醇、苯、甲苯、乙醚、氯代烃等大多数溶剂互溶。由于具有巯基和羧基，3-巯基丙酸很不稳定，巯基具有强还原性，会被氧化物氧化成二硫化物。3-巯基丙酸是医药芬那露的中间体,也可用于制备交联剂、硬化剂、树脂添加剂、抗氧剂、催化剂和生化试剂,还可作为PVC热稳定剂酯基锡的原料,市场前景十分广阔[1]。

其合成方法可概括为三种类型:其一为丙烯腈路线,即利用丙烯腈与NaHS[2~4]通过Michael加成反应然后酸解合成3-巯基丙酸。该工艺稳定性差,产品色度高。其二为丙烯酸[5~7]路线,即利用丙烯酸与H2S通过Michael加成反应制备,或利用丙烯酸与Na2S2O3加成生成Bunte盐，然后水解制备。其三为3-氯丙酸[8，9]路线,即利用3-氯丙酸为原料,通过与Na2CS3进行亲核取代反应再酸解制备。该方法原料成本高,废水量大,对环境污染严重。把硫化氢作为引入巯基的原料，与丙烯酸进行反应制取巯基丙酸是所有方法中最为简单易行且低成本的制备方法，同时还可以消耗污染物硫化氢。

丙烯酸与硫化氢反应分均相法和多相法。多相法使用固体酸为催化剂，这些固体酸催化剂包括有氧化镁[10，11]、碱性离子交换树脂、弱碱性胺类等。多相法中丙烯酸与硫化氢的反应需要在较高压力下进行，又因为硫化氢与丙烯酸是酸性物质有腐蚀性，对反应容器的要求比较高，要同时具备耐高压、耐腐蚀的特点。硫化氢易燃易爆，还具有毒性，故在反应中存在一定的不安全因素。为提高反应产物3-巯基丙酸的选择性，在反应过程中要控制副产物2-巯基丙酸和3,3'-硫代二丙酸的生成，所以要筛选催化剂。至于反应溶剂可选用饱和脂类、低级醇、环脂类、芳烃类等。

目前国内外主要是研究丙烯酸与硫化氢在NaOH溶液中反应[12]，这个反应也会用到H2S气体。国内研究比较少，有一定的创新性。阿雷茨[13]的专利使用固体碱作为催化剂，此固体碱具有碱性胍官能团，以酰胺或酮或醚为反应溶剂，催化合成了巯基丙酸。一般认为该反应属于碳负离子机理。

总之，丙烯酸与硫化氢反应合成3-巯基丙酸所使用的催化剂一般都是碱性物质。反应机理可能是硫化氢与碱反应生成中间体，也可能是碱的存在增加了硫化氢的电离，碱类物质包括碱金属、碱土金属及液体有机胺等。

1 3-氯丙酸与硫代硫酸钠反应

顾建荣[9]以3-氯丙酸与硫代硫酸钠水溶液为原料，反应温度50~90℃，反应1h，反应结束后用盐酸酸化回流反应，酸化后加入锌粉或铁粉进行还原，最后得到含有3-巯基丙酸的溶液，有乙醚萃取有机相，减压蒸馏得到无色液体产品。刘福德[8]控制反应溶液pH值为7,反应温度90℃，反应时间8h，酸解反应时间2h，用铁粉还原，产品收率可达80%。

2 丙烯腈与硫氢化钠反应

文献[1,20]反应温度45℃，硫氢化钠水溶液中，加硫粉，滴加丙烯腈，反应2h，浓盐酸酸化，水解时间3h，锌粉还原，产物用乙酸乙酯萃取，去溶剂，真空精馏，得无色透明液体，巯基丙酸收率87%。张圣光[18]的亮点是开发了电还原副产物二硫代二丙酸，避免了传统锌粉还原工艺造成的锌泥污染等问题。丙烯腈转化率100%，巯基丙酸收率82.79%，略高于锌粉还原法的81.75%。陈云海[19]反应温度45℃，硫氢化钠水溶液中，加氢氧化钠，滴加丙烯腈，反应1h，盐酸酸化，水解时间4h，铁粉还原二硫代二丙酸，转化率可达83%。顾建荣[21]将氢氧化钠水溶液、硫氢化钠、作为催化剂的多硫化钠混合后，在20~70℃下滴加入丙烯腈，然后加盐酸酸化，再加入锌粉进行还原，得到含3-巯基丙酸的溶液，加入有机溶剂萃取再减压蒸馏得产物。

3 丙烯酸与硫氢化钠或硫化氢反应

古屋政幸[22]使H2S或Na2S或K2S、和NaOH或KOH、不饱和羧酸反应得到3-巯基羧酸盐，用酸中和该盐，得到3-巯基羧酸和副产物硫代二羧酸，蒸馏精制得到3-巯基羧酸，至于蒸馏残渣硫代二羧酸返回至初始工序做为原料循环利用。涩谷章[17]使用沸石或酸性离子交换树脂（也称阳离子交换树脂）作为催化剂，催化剂不溶或难溶于溶剂，溶剂是与水相容的（如四氢呋喃、二甲基甲酰胺等），起始原料为α，β-不饱和羧酸与硫化氢之间的反应。以丙烯酸和硫化氢为原料，反应温度100℃反应5h，压力0.63Mpa，丙烯酸转化率100%，3-巯基丙酸收率87%，选择性87%。阿雷茨[13]用带有胍官能团的树脂为催化剂，以二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂。如图1所示。

图1 带有胍官能团的树脂Fig.1 Resin with guanidine group

这些基团没有与氮原子直接连接的氢原子。它是一种碱性官能团。H2S/AA物质的量比为3~10，压力1.5~3.5MPa。反应温度30~110℃。可以在搅拌反应器或管式反应器中进行，可间断反应也可连续反应。文献中还提到了胍官能团催化剂的制备。通过实验比较发现具有胍官能的树脂比具有叔胺官能的树脂有更好的3-巯基丙酸选择性，可达90%以上。古屋政幸[16]使用等离子体反应器，气化丙烯酸与硫化氢混合在200℃左右反应，催化剂是金属氧化物，如氧化镁等，载体为硅胶、分子筛等。产物3-巯基丙酸，平均收率78.77%，经减压精馏后产品纯度99%以上，反应条件在-0.05~0.1MPa下进行，操作条件温和，安全性高；并且反应过程中不使用水或有机溶剂，无三废产生，环保性好。古屋政幸[12]在五口烧瓶装入氢氧化钠水溶液，在油浴中加热烧瓶，将内温保持在45~50℃，由滴液漏斗加入丙烯酸，滴加结束后，在相同温度下，从液化硫化氢瓶向反应液中吹入硫化氢气体，吹入结束后升温至100℃，在该温度下反应8h，反应结束后对反应进行定量分析（HPLC），生成了86mol%β-巯基丙酸钠盐，副产物硫代二丙酸钠盐13mol%，二硫代二丙酸钠盐0.4mol%。脱气结束后，装入乙酸丁酯，进行萃取操作，共萃取三次，使用蒸发器在减压下馏去乙酸丁酯，将所得浓缩液在减压下进行蒸馏，得到纯度为99.9%β-巯基丙酸。相对于丙烯酸的收率为82.5%。青木英雅[14]不使用固态催化剂并在pH调节剂（碱）的存在下在90~150℃的范围内加热α，β不饱和羧酸、溶剂和硫化氢混合物制备巯基丙酸。使用含有酰胺基的溶剂，pH值范围在6.0~8.5。一锅法生产，反应压力7atm左右。用酸中和反应液，因使用硫化氢为原料所以抑制了中和反应液时所发生的作为副产物二硫代二羧酸的生成。将反应液直接蒸馏提纯。该反应耗时长，生产率低，副产物多，后处理难，在生产过程中大量使用pH调节剂且难回收，不适合工业化生产。古屋政幸[15]的发明能够在常压下以高收率得到巯基羧酸。此外，通过使用硫化氢作为原料，抑制了中和反应液时所发生的作为副产物的二硫代二羧酸的生成，可以提供在工业上也简便的方法。本发明的制造方法与添加NaSH的方法相比，二硫代二羧酸的产量少，可以提高3-巯基羧酸的反应收率。此外，由于二硫代二羧酸的产量少，因此可以减少来自用于还原的金属的废弃物的量。由于在中和后所得的水层中溶解有3-巯基羧酸，因此利用有机溶剂从水层中进行萃取。另外，在蒸馏后，残渣中含有作为副产物的硫代二羧酸。还可以将该蒸馏残渣（硫代二羧酸）用作3-巯基羧酸的原料。通过重复进行所述工序，可以提高3-巯基羧酸的最终收率。