高效氯代法制備異戊烯醇

夏美芳，翟德偉，霍鴻飛，趙嘉偉，郭 佳

（浙江醫(yī)藥股份有限公司昌海生物分公司，浙江 紹興 312000）

異戊烯醇，中文名3-甲基-2-丁烯-1-醇，是一種重要的精細化工原料，主要用來合成維生素A[1-2]、維生素E[2-3]、檸檬醛[4]、高效低毒低殘留擬除蟲菊酯殺蟲劑[1,5-8]、橡膠及其他精細化學品[1,5]以及聚羧酸水泥減水劑[9]。因此對異戊烯醇合成技術(shù)的深入研究具有重要意義和應(yīng)用價值。氯代法制備異戊烯醇見圖1。

圖1 氯代法制備異戊烯醇

1 異戊烯醇的合成方法簡介

傳統(tǒng)異戊烯醇的合成方法可以分為以下幾種：

（1）2-丁炔酸衍生物和金屬有機氧化物發(fā)生加成反應(yīng)[10-11]，然后在催化劑催化下高壓加氫分解羧酸得到異戊烯醇。由于羧基比羰基更難氫化還原，反應(yīng)條件比較苛刻，需要在200 ℃～300 ℃和20～30 MPa 的條件下才能進行。

（2）氯代法[12-14]。此反應(yīng)以異戊二烯和氯化氫為原料，得到4-氯-2-甲基-1-丁烯，接著在乙酸鈉水溶液中制得異戊烯醇乙酸乙酯，最后經(jīng)皂化或者酯化交換制得異戊烯醇，收率達到80%。目前，此方法氯代過程中會產(chǎn)生約10%的非目標產(chǎn)物3-氯代異戊烯，致使收率較低。此方法反應(yīng)條件溫和，設(shè)備要求低，如果能改進工藝提高收率,并且解決精餾過程中氯代異戊烯對設(shè)備腐蝕非常嚴重等問題，用此路線合成的異戊烯醇將具有更大的市場競爭力。

（3）以丙酮為原料，通過羥醛縮合，再經(jīng)過脫水制得4-甲基-3 戊烯-2-酮，進一步與鹵仿反應(yīng)得到3-甲基-2-丁烯酸，最后將3-甲基-2-丁烯酸酰氯化，用硼氫化鈉還原得到異戊烯醇。此反應(yīng)條件溫和，但工藝路線相對較長，工藝較復(fù)雜，并且所用試劑價格昂貴，成本較高[15]。

（4）乙炔和丙酮在堿性條件下反應(yīng)生成乙炔基異丙醇，接著采用鈀碳催化劑催化乙炔基異丙醇加氫制得2-甲基-3-丁烯-2-醇，最后在催化劑作用下通過異構(gòu)化得到異戊烯醇[16-17]，見圖2。此法工藝路線較長，工藝復(fù)雜，難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

圖2 乙炔丙酮法制備異戊烯醇

（5）普林斯(Prins)縮合法[18-22]。采用甲醛和異丁烯為原料，先通過普林斯反應(yīng)制得3-甲基-3-丁烯-1-醇，接著3-甲基-3-丁烯-1-醇經(jīng)過催化異構(gòu)得到異戊烯醇，見圖3。此方法工藝路線相對較短，兩步反應(yīng)選擇性都比較高，工藝也比較成熟，原子經(jīng)濟性高。但是第一步產(chǎn)物3-甲基-3-丁烯-1-醇需要在高溫高壓條件下合成，反應(yīng)條件非常苛刻，對設(shè)備要求比較高，投資大，具有一定的安全風險。

圖3 普林斯縮合反應(yīng)法制備異戊烯醇

2 實驗部分

在前人工作的基礎(chǔ)上，本研究用異戊二烯和2-甲基-3-丁烯-2-醇混合物作為原料，氯代后不精餾分離，酯化和堿解后得到異戊烯醇和2-甲基-3-丁烯-2-醇。2-甲基-3-丁烯-2-醇經(jīng)過分離后循環(huán)套用，并將堿解生成的乙酸鈉也回收套用。通過改進提高了產(chǎn)品異戊烯醇的收率，同時大大減少固廢的排放，降低生產(chǎn)異戊烯醇的原料成本，實現(xiàn)了綠色化合成異戊烯醇。

2.1 實驗試劑

實驗原料及試劑見表1。

表1 實驗原料及試劑

2.2 實驗過程

將90 g 異戊二烯和10 g 2-甲基-3-丁烯-2-醇投入1000 mL 三口瓶中，再投入100 g 溶劑甲苯，充分攪拌混合均勻后，降溫至-10 ℃，開始緩慢滴加400 mL 濃度為36%～38%的濃鹽酸，大約0.5 h 滴加完；保溫反應(yīng)5 h 后停止反應(yīng)，靜置分層。水層通氯化氫形成濃鹽酸下次套用。將有機層干燥后置于500 mL 三口瓶中，加入一定量的無水乙酸鹽和1.5 g 四乙基溴化銨，于100 ℃下反應(yīng)6 h，冷卻后過濾分離出有機層中的固體氯化鈉。向酯化物中加入120 mL 濃度為30%的NaOH溶液，在75 ℃下堿解3 h。冷卻后分液，精餾有機層分離出異戊烯醇、異丁烯和甲苯，異丁烯和甲苯套用。蒸發(fā)堿解反應(yīng)水層的水，結(jié)晶回收乙酸鈉，循環(huán)套用到下一批酯化反應(yīng)中。

產(chǎn)物的定量、定性分析采用安捷倫7890A 氣相色譜儀：HP-5 型色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），高純氮氣作載氣，F(xiàn)ID 檢測器，汽化室溫度：250 ℃，檢測器溫度：280 ℃。程序升溫：初始溫度30 ℃，保持2 min，以10 ℃/min 升溫至160 ℃，保持5 min。面積歸一法計算相關(guān)結(jié)果。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 反應(yīng)溫度和時間對氯化反應(yīng)的影響

從表2 中可以看出，反應(yīng)溫度在-15 ℃～-10℃之間，反應(yīng)速度較慢，隨溫度升高，反應(yīng)速度加快，異戊二烯反應(yīng)完全所需的時間縮短；在-15 ℃～ -10 ℃時目標產(chǎn)物1-氯-3-甲基-2-丁烯選擇性約為92.4%。當反應(yīng)溫度大于-10 ℃，異戊二烯反應(yīng)完全時，隨溫度升高，目標產(chǎn)物1-氯-3-甲基-2-丁烯的選擇性下降明顯。這是由于反應(yīng)溫度高反應(yīng)速度快，1-氯-3-甲基-2-丁烯或者3-氯-3-甲基-1-丁烯中雙鍵很容易進一步加成生成二氯代副產(chǎn)物，反應(yīng)程度不易于把握。因此在氯化過程中控制合適的反應(yīng)溫度和時間是非常必要的。

表2 溫度和時間對氯代反應(yīng)的影響a

3.2 有機酸鹽對酯化反應(yīng)的影響

從表3 中可以看出，無水乙酸鈉的投料量要適當大于異戊二烯的量，1-氯-3-甲基-2-丁烯才能反應(yīng)完全。這可能是由于一部分1-氯-3-甲基-2-丁烯由2-甲基-3-丁烯-2-醇氯化得到，另外雜質(zhì)二氯代物酯化也需要消耗無水乙酸鈉。當無水乙酸鈉摩爾投料量約為異戊二烯的1.3 倍時，1-氯-3-甲基-2-丁烯的轉(zhuǎn)化率為99.9%，選擇性基本高于98.5%。實驗3、實驗4 和實驗5 對比可以看出，當有機酸鹽分別為無水乙酸鈉和無水乙酸鉀時，1-氯-3-甲基-2-丁烯的轉(zhuǎn)化率和目標產(chǎn)物的選擇性基本一致，而選用無水甲酸鈉作為有機酸鹽時，1-氯-3-甲基-2-丁烯的轉(zhuǎn)化率較前兩者低，因為乙酸根比甲酸根親核性強，乙酸鈉和1-氯-3-甲基-2-丁烯酯化反應(yīng)更快。實驗3、實驗8 和實驗9 對比可以看出，反應(yīng)溫度對目標產(chǎn)物異戊烯酯的選擇性也有一定的影響，因此選擇合適的酯化溫度是有必要的。

表3 不同有機酸鹽對酯化反應(yīng)的影響a

3.3 堿濃度和溫度對堿解反應(yīng)的影響

前面合成的乙酸異戊烯酯過濾之后，加入一定濃度的堿溶液，在75 ℃下攪拌水解，無乙酸異戊烯酯時停止反應(yīng)，有機層精餾分離出套用組分及產(chǎn)品異戊烯醇，水層蒸發(fā)結(jié)晶回收無水乙酸鈉?？疾炝薔aOH 的濃度和用氫氧化鉀作為堿時對堿解反應(yīng)的影響，具體結(jié)果見表4。

對比表4 中實驗1～5 可以看出，當NaOH 的濃度較低時，乙酸異戊烯酯能夠全部堿解生成異戊烯醇，但是反應(yīng)液中的3-氯-3-甲基-1-丁烯只能部分水解生成2-甲基-3-丁烯-2-醇，可能是因為堿性不夠，3-氯-3-甲基-1-丁烯中的氯較難取代，只有部分水解生成2-甲基-3-丁烯-2-醇。隨著NaOH 濃度的升高，3-氯-3-甲基-1-丁烯的轉(zhuǎn)化率增大，當NaOH 濃度升至30%時，3-氯-3-甲基-1-丁烯基本完全水解。而異戊烯醇和2-甲基-3-丁烯-2-醇的選擇性都隨堿濃度升高有所降低，這可能是由于當堿濃度較大時少量的氯代物會發(fā)生脫HCl 的副反應(yīng)，生成的不飽和醇會發(fā)生脫水的副反應(yīng)使異戊烯醇和2-甲基-3-丁烯-2-醇的選擇性降低。實驗3 和實驗6 對比可以看出，使用NaOH 和KOH 作堿效果相差不大。實驗3、7 和8 對比可以看出，溫度對此反應(yīng)也有一定的影響。

表4 NaOH 濃度和不同堿對堿解反應(yīng)的影響a

3.4 反應(yīng)工藝對異戊烯醇收率和選擇性的影響

不同工藝對異戊烯醇收率和選擇性影響的實驗結(jié)果如圖4 所示，采用本文改進方法得到異戊烯醇的收率為91.4%，遠高于傳統(tǒng)工藝異戊烯醇的收率，而且選擇性也略高。其主要原因是在氯化過程中2-甲基-3-丁烯-2-醇和鹽酸反應(yīng)生成的3-氯-3-甲基-1-丁烯對于異戊二烯和鹽酸加成生成副產(chǎn)物3-氯-3-甲基-1-丁烯的反應(yīng)有一定抑制作用，從而使異戊二烯在氯化過程中生成更多的目標產(chǎn)物1-氯-3-甲基-2-丁烯，大大提高了目標產(chǎn)物的收率。異戊二烯和2-甲基-3-丁烯-2-醇氯化反應(yīng)見圖5。

3.5 2-甲基-3-丁烯-2-醇和無水乙酸鈉循環(huán)套用分別對異戊烯醇和乙酸異戊烯酯收率的影響

圖4 不同反應(yīng)工藝對異戊烯醇收率和選擇性的影響

圖5 異戊二烯和2-甲基-3-丁烯-2-醇氯化反應(yīng)

本文還進一步研究了2-甲基-3-丁烯-2-醇和無水乙酸鈉循環(huán)套用對最終產(chǎn)品和乙酸異戊烯酯收率的影響。兩者均套用5 次，實驗結(jié)果如圖6 和圖7 所示。改進工藝采用90 g 異戊二烯+10 g 2-甲基-3-丁烯-2-醇的投料方式，前一次得到的2-甲基-3-丁烯-2-醇和無水乙酸鈉套用到下一次反應(yīng)中，即實現(xiàn)了3-氯-3-甲基-1-丁烯堿解生成的2-甲基-3-丁烯-2-醇和無水乙酸鈉的循環(huán)套用。每次反應(yīng)得到最終產(chǎn)物異戊烯醇和乙酸異戊烯酯的收率分別穩(wěn)定在91.5%和98%左右。循環(huán)套用對工藝穩(wěn)定性無影響，異戊烯醇相對于異戊二烯的收率有了明顯的提高，而且還大大減少了固廢，使氯代法制備異戊烯醇的工藝更加綠色環(huán)保。

圖6 2-甲基-3-丁烯-2-醇循環(huán)套用對異戊烯醇收率的影響

圖7 無水乙酸鈉套用對乙酸異戊烯酯收率的影響

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)異戊二烯氯化法制備異戊烯醇工藝基礎(chǔ)上進行改進，即采用添加2-甲基-3-丁烯-2-醇為助劑，提高異戊二烯的轉(zhuǎn)化率，經(jīng)過酯化、堿解最終得到異戊烯醇，收率為91.4%，遠高于傳統(tǒng)工藝80.7%的收率，而且選擇性也略高。在親電氯化反應(yīng)中，2-甲基-3-丁烯-2-醇和鹽酸反應(yīng)生成的3-氯-3-甲基-1-丁烯抑制了異戊二烯和鹽酸加成生成3-氯-3-甲基-1-丁烯副反應(yīng)的進行，從而大大提高了目標產(chǎn)物的收率。3-氯-3-甲基-1-丁烯經(jīng)過堿解又生成2-甲基-3-丁烯-2-醇，可以循環(huán)套用。循環(huán)套用5 次，最終產(chǎn)物異戊烯醇相對于異戊二烯的收率基本穩(wěn)定在91%～92%之間。將堿解反應(yīng)生成的乙酸鈉回收循環(huán)套用，套用5 次，乙酸異戊烯酯收率基本穩(wěn)定在98%。改進工藝不僅使副產(chǎn)物3-氯-3-甲基-1-丁烯得到了有效的綜合利用，而且還對工藝中產(chǎn)生的乙酸鈉回收套用，大大減少了固廢的排放，提高了原料的原子經(jīng)濟性，使工藝更加綠色環(huán)保。