深度氯化制备高纯六氯丙酮工艺

刘晓林，许东海，代伟娜，郭大伟，王双超(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)

0 引言

六氯丙酮主要用于氘代氯仿等同位素化学品的生产以及医药中间体和农药中间体的制备。六氯丙酮在甾体药物合成中，用作环氧反应的催化剂[1]；在烯胺的氯化以及糖半缩醛的无溶剂氯化中用作氯离子的提供试剂[2]；在合成领域关键材料六氟丙酮中作为原料[3]。工业上采用丙酮氯化的方法来制备六氯丙酮，但通常工艺制备的六氯丙酮的纯度只能达到98%，制约了六氯丙酮的应用范围。文章通过对比实验最终选择吡啶做催化剂，结合光催化以及提纯处理工艺进行深度氯化，将制备的六氯丙酮的纯度提高到99.9%以上。

1 六氯丙酮合成技术路线

在催化剂存在的条件下，将氯气通入丙酮中反应生成六氯丙酮。这是一个连串反应，反应过程如图1所示。

图1 六氯丙酮生成过程

由于丙酮分子中α碳上氢原子受羰基影响极易跟卤族元素发生取代反应，并且氯气化学性质活泼,因此在反应初期，氯化具有极快的反应速度,同时放出大量的热。随着丙酮氯化程度的加深，由于位阻效应和电子效应的抑制作用，氯化反应速率减慢，生成热随之减少。因此需要采用深度氯化工艺，在催化剂、光源等协同作用下保证氯化反应进行得更加彻底。

2 催化剂的选择

丙酮氯化生成六氯丙酮属于深度氯化，反应过程中一般选取路易斯碱作为催化剂。氯化反应后期温度需达到100 ℃以上，要求在此条件下催化剂分子结构稳定，不会失活。选择吡啶、三苯基膦、亚磷酸三苯酯三种路易斯碱作为丙酮氯化反应的催化剂，在丙酮氯化低温阶段反应达到平衡后加入催化剂。实验结果如表1所示。

实验内容：丙酮1.0 mol，催化剂0.05 mol，搅拌转速120 r/min，氯气流量100 mL/min。实验过程中采用油浴来进行控温。在10 ℃反应平衡后加入催化剂缓慢升温至110 ℃，并在110 ℃通入过量氯气直至反应终止。表内“-”代表未检出(如表1所示)。

表1 不同催化剂对氯化产物的影响

对上述实验的结果进行对比分析，催化效果的排序依次为吡啶、亚磷酸三苯酯、三苯基膦，且吡啶的催化效果明显优于三苯基膦和亚磷酸三苯酯。在向反应液中加入三苯基膦时，如果有过量的氯气存在，三苯基膦极易发生自燃。

由于吡啶与三苯基膦、亚磷酸三苯酯比较，相对分子量最小，因此反应过程中需要的吡啶质量最少。在吡啶催化氯化反应结束后，静置一段时间，吡啶和副产物氯化氢之间会形成盐酸吡啶盐，与生成的六氯丙酮之间有明显的分层，有利于后续的分离以及催化剂的回收。与此同时，吡啶与三苯基膦、亚磷酸三苯酯相比，经济成本最低，经济效益最好。因此选择吡啶作为丙酮深度氯化反应中的催化剂。

选择吡啶作为丙酮氯化反应催化剂后，还要进一步探究吡啶用量对氯化反应的影响。

实验内容：丙酮1.0 mol，搅拌转速120 r/min，氯气流量100 mL/min。实验过程中采用油浴进行控温。在10 ℃反应平衡后加入催化剂，依次缓慢升温至110 ℃，通入过量氯气直至反应终止。表内“-”代表未检出。实验结果如表2所示。

表2 吡啶用量对氯化产物的影响

以1 mol丙酮所需要的催化剂计算，当吡啶在0.025～0.075 mol的范围内，随着吡啶用量的增加，六氯丙酮的收率也随之增加；当吡啶用量在0.075～0.1 mol范围内增加，六氯丙酮的收率无显著提升，产物中2-氯吡啶的含量急剧增加。综合以上因素，深度氯化反应催化过程中，相对摩尔量为7.5%的吡啶为最佳的催化剂用量。

3 光辅助催化

在吡啶的催化作用下，六氯丙酮的收率可达84.45%，但此时五氯丙酮的含量仍有15.2%，且五氯丙酮沸点与六氯丙酮沸点比较接近，在减压(压力在1 kPa以下)的条件下，沸点差距仅为2 ℃左右，无法通过减压蒸馏工艺来进行完全的分离，需要通过外界光源来辅助深化氯化反应，使生成的五氯丙酮都转化为六氯丙酮。实验中选择365 nm、395 nm、日光灯三种光源在不同功率下来进行辅助深度氯化。实验结果如表3所示。

表3 不同光源对氯化产物的影响

实 验 内 容：丙 酮1.0 mol，吡 啶：0.075 mol，搅 拌 转 速120 r/min，氯气流量100 mL/min。实验过程中采用油浴进行控温。在10 ℃反应平衡后加入吡啶0.075 mol缓慢升温至110 ℃，增加外部光源来辅助氯化反应的深化，通入过量氯气直至反应终止。表内“-”代表未检出。

从表3可知，日光灯、波长为395 nm紫外光、波长为365 nm紫外光三种光源均可明显提高六氯丙酮的产率，其中波长为395 nm紫外光辅助氯化的效果最好，此时六氯丙酮的产率达到99.13%。日光灯来辅助深化氯化反应时产生的其它副产物增多，可能的原因是日光灯波长范围相对较宽，从而造成反应过程中的副反应增多。波长为395 nm紫外光比365 nm紫外光辅助氯化的效果更好，原因有两个方面：一方面是实验过程中外界光源在烧瓶外部照射，波长为395 nm紫外光在玻璃中的透过率比波长为365 nm紫外光在玻璃中的透过率高；另一方面是波长为395 nm的紫外光在反应液中的穿透深度也比波长为365 nm的紫外光高。

从表3发现，随着紫外光波长的减小，吡啶被氯化为2-氯吡啶的量增加，这是因为波长短的紫外光能量较高，有助于吡啶活化和氯化。

综合上述结果选用波长为395 nm的紫外灯作为辅助氯化的光源。当功率不大于6 W时，随外部紫外光光源功率的增加，六氯丙酮的含量也随之增加；当功率高于6 W后，实验过程中其它副产物和2-氯吡啶的含量出现明显的增加，因此实验中外部紫外灯光源的功率设置在6 W时，光源辅助氯化反应达到最佳的效果。

4 反应产物后续处理工艺

丙酮氯化反应中产物复杂，产物在一段时间的静置后分为两层，下层为六氯丙酮，上层为盐酸吡啶盐。在六氯丙酮相中含有五氯丙酮、氯气、氯化氢、盐酸吡啶盐、2-氯吡啶盐酸盐等杂质。因此要想得到纯度为99.9%以上的高纯六氯丙酮，需要对反应产物进行后续的纯化处理。

首先在停止通入氯气后，通入流量为100 mL/min的高纯氮气，在110 ℃的条件下吹扫氯气、氯化氢，吹扫30 min后进行氮气保护，随后静置分层、冷却、分离六氯丙酮相。

分离六氯丙酮的产物中仍然含有五氯丙酮、盐酸吡啶盐、2-氯吡啶盐酸盐以及少量氯气、氯化氢。对杂质性质进行分析，用含产物20%的水水洗两次，含产物20%的饱和碳酸氢钠溶液水洗一次，干燥，得到六氯丙酮粗品。在减压条件下进行蒸馏，收集90～92 ℃馏分，经过分析测定，六氯丙酮含量达到99.93%。

高纯六氯丙酮将会大大扩展六氯丙酮在药物合成、同位素化学品等领域的应用范围，产生良好的经济效益。