三氟乙酸乙酯的合成工艺优化

李高鹏，朵万鹏，王振军，魏万磊

(兰州新区专精特新化工科技有限公司，甘肃 兰州 730000)

0 引言

有机氟化物具有优异的化学稳定性、热稳定性以及较低的表面能等特点，被广泛应用于国民经济的各个行业[1-2]。三氟乙酸乙酯是合成有机氟化物常用的原料之一，也是重要的有机氟化物中间体。可合成除草剂安全剂解草胺中间体2-羟基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸乙酯、植物生长调节剂4,4,4-三氟-3-(3-吲哚基)丁烯酸乙酯等农用化学药品[3-4]，也可用来合成新型抗炎药塞来昔布及其有关物质等医用化学品[5]，也常被用作有效的化学保护试剂[6]。

三氟乙酸乙酯的传统合成方法中，原料选用三氟乙酸和无水乙醇，催化剂为浓硫酸[7]。液体强酸对设备的严重腐蚀，是该合成工艺存在的缺点。目前有团队选用三氟乙酰氯和乙醇等为原料，连续非催化法制备三氟乙酸乙酯，虽然避免了使用传统催化剂浓硫酸，但其收率较低，而且要吸收和处理副产物HCl，成本也是一个问题。离子液体是一种新型、绿色、环境友好型催化剂，具有催化活性稳定、可回收、可重复利用等特点，被广泛应用于有机化学等领域[8]。

本课题组制备了两种绿色功能离子液体1-甲基-(3-磺酸基丙基)咪唑硫酸盐[MIM-PS][HSO4]、1-甲基-(3-磺酸基丙基)咪唑对甲苯磺酸盐[MIM-PS][pTSA]作为备选催化剂，以三氟乙酸(TFA)、无水乙醇(AE)为原料合成三氟乙酸乙酯。考察了催化剂选择、物料比例、催化剂用量，反应时间和反应温度等工艺条件，以及离子液体的重复利用情况。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

三氟乙酸，天津市福晨化学试剂厂；无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司；N-甲基咪唑，南京化学试剂股份有限公司；1，3-丙磺酸内酯，上海谱振生物科技有限公司；1,2-二氯乙烷，山东鲁岳化工有限公司；硫酸、对甲苯磺酸，南京盛庆和化工有限公司(以上除1,2-二氯乙烷、硫酸为工业品，其余为分析纯)。

250 mL、500 mL三口烧瓶，冷凝管、抽滤瓶、真空泵、数显电加热套、水浴锅、旋转蒸发仪、磁力搅拌等。

1.2 离子液体的制备

离子液体[MIM-PS][HSO4]、[MIM-PS][pTSA]的制备过程如下(以[MIM-PS][HSO4]的合成过程为例)：

将12.2 g的1，3-丙磺酸内酯溶解于90 mL1,2-二氯乙烷，转入三口瓶中，水浴下边强烈搅拌边滴加入8.2 g N-甲基咪唑，滴加时间控制在30～40 min。滴加结束后，在室温下继续搅拌反应2 h，生成的白色沉淀经过滤、乙酸乙酯洗涤，旋蒸溶剂，干燥后呈白色粉末状，即为MIM-PS，约19.5 g，收率为95.6%。称取10.2 g已制得的MIM-PS溶于100 mL水中，转入三口瓶中，水浴下边搅拌边滴加入5.0 g浓硫酸，滴加时间控制在30～40 min。滴加结束后升温至95 ℃，保温反应1.5 h。反应结束后真空脱水、用乙酸乙酯洗涤、真空干燥后的淡黄色粘稠液体，即为离子液体[MIM-PS][HSO4]，约14.2 g，收率为93.4%。

以上述合成方法，同样可以制备离子液体[MIMPS][pTSA]。在室温条件下，其外观性状也是淡黄色粘稠液体。

1.3 三氟乙酸乙酯的合成实验过程

将三氟乙酸按照规定的量加入到三口瓶中，开始搅拌，缓慢加入规定量的无水乙醇，搅拌均匀后加入离子液体[MIM-PS][HSO4]，升温至45 ℃，保温反应1.5 h。反应结束后用少量饱和碳酸钠溶液洗涤，用固体碳酸钾干燥，再进行蒸馏，收集60～62 ℃的馏分即为三氟乙酸乙酯[9-11]。酯化反应为可逆反应，正向反应速度和反向反应速度相等时，反应趋于平衡，要使反应酯化充分，必须及时分离副产物水。所以，副产物水的分离控制是该反应影响的重要因素之一。

2 结果与讨论

2.1 离子液体的选择

当投料量为：三氟乙酸质量为57 g，无水乙醇质量为30 g，离子液体质量为3.5 g，反应温度为50 ℃时，考察不同催化剂对反应的影响，如表1所示，两种离子液体催化效果明显优于传统催化剂浓硫酸，综合考虑成本及反应收率的影响，选用离子液体[MIM-PS][HSO4]作为催化剂。

表1 不同催化剂对反应的影响

2.2 无水乙醇用量的影响

当投料量为：三氟乙酸质量为57 g，离子液体质量为3.5 g，反应温度为50 ℃，反应时间为2.0 h时，考察无水乙醇用量对反应的影响，如图1所示。当无水乙醇用量在27～33 g之间时，随着其用量增大使三氟乙酸得以充分反应，使其转化率提高，得到较高的收率。继续增大无水乙醇的量，间接的稀释了反应体系的浓度，影响了反应平衡使得收率开始下降。所以，无水乙醇用量最佳为33 g。

图1 无水乙醇用量对反应收率的影响

2.3 离子液体用量的影响

当投料量为：三氟乙酸质量为57 g，无水乙醇质量为33 g，反应温度为50 ℃时，反应时间为2.0 h时，考察离子液体[MIM-PS][HSO4]用量对反应的影响，如图2所示。当离子液体用量在3～4 g之间时，随着其用量增大反应收率逐渐增大。当离子液体的量大于4 g后，反应收率已趋于稳定，继续加大其用量对反应体系影响不大。综合考虑，离子液体[MIM-PS][HSO4]用量最佳为4 g。

图2 离子液体用量对反应收率的影响

2.4 反应温度的影响

当投料量为：三氟乙酸质量为57 g，无水乙醇质量为33 g，离子液体[MIM-PS][HSO4]用量为4 g，反应时间为2.0 h时，考察对反应温度的影响，如图3所示。当反应温度在30～45 ℃之间时，随着温度增大对酯化反应的平衡影响较大，反应收率逐渐增大。当反应温度大于45 ℃后，反应收率已趋于稳定，继续升温意义不大。所以反应温度量最佳为45 ℃。

图3 温度对反应收率的影响

2.5 反应时间的影响

当投料量为：三氟乙酸质量为57 g，无水乙醇质量为33 g，离子液体[MIM-PS][HSO4]用量为4 g，反应温度为45 ℃时，考察对反应时间的影响，如图4所示。当反应温度在0.5～1.5 h之间时，随着时间的增加反应收率逐渐增大。当反应时间大于1.5 h后，该反应的收率已趋于稳定，综合考虑反应时间最佳为1.5 h。

图4 时间对反应收率的影响

2.6 离子液体可重复利用情况

当投料质量比例为：m(TFA)∶m(AE)∶m([MIMPS][HSO4])=5.7∶3.3∶0.4，反应温度为45 ℃，反应时间为1.5 h，在该工艺条件下合成三氟乙酸乙酯。反应结束后分离回收离子液体，在相同的工艺条件下重复利用该离子液体的情况如表2所示，表明，在该合成工艺条件下，离子液体催化剂[MIM-PS][HSO4]重复利用4次后活性没有明显降低。

表2 离子液体回收重复使用对反应的影响

3 结语

选用绿色功能离子液体1-甲基-(3-磺酸基丙基)咪唑硫酸盐[MIM-PS][HSO4]为催化剂，以三氟乙酸(TFA)、无水乙醇(AE)为原料，合成三氟乙酸乙酯。当投料质量比例为：m(TFA)∶m(AE)∶m([MIM-PS][HSO4])=5.7∶3.3∶0.4，反应温度为45 ℃，反应时间为1.5 h，产品收率可达98.3%，该离子液体催化剂重复利用4次后活性没有明显降低。