穩(wěn)定同位素13C標記乙醇

羅 勇,杜曉寧,譚樹波,王 剛,張 亮,孫桂香

(上?；ぱ芯吭?上海穩(wěn)定同位素工程技術(shù)研究中心,上海 200062)

乙醇是一種重要的有機化工原料。廣泛應用于有機合成、農(nóng)藥、醫(yī)藥及精細化學品生產(chǎn)中。穩(wěn)定同位素13C標記乙醇是合成13C標記產(chǎn)品的基礎(chǔ)有機試劑之一,以13C2-乙醇作為前體,可以在化合物中引入13C標記的乙基和乙酰基,進而得到一系列同位素13C標記的有機化合物。

實驗室規(guī)模上同位素標記乙醇一般采用乙酸或乙酸酯還原方法[1-2]制備,或從BaCO3出發(fā),經(jīng)乙炔制乙烯,乙烯水合制環(huán)氧乙烷,最后經(jīng)LiA lH 4還原[3-4]得到13C2-乙醇。以上方法或是實驗路線太長,或是穩(wěn)定同位素收率偏低。因此尋找一種簡便且收率高的合成13C2-乙醇的方法十分必要。

本工作擬采用Ba13CO3為原料,對生成的13CO2通過活性金屬碳化物水解方法制備乙炔,乙炔經(jīng)催化水合生成乙醛,乙醛再經(jīng)NaBH4還原得到13C2-乙醇。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與裝置

Agilent 7890A氣質(zhì)聯(lián)用儀、Agilent 1790F氣相色譜儀:美國安捷倫公司;Nocolet 6700傅里葉紅外儀:美國尼高力公司;KF-1卡爾費休水分測定儀:上海化工研究院;MAT-271氣體同位素質(zhì)譜計:美國Finnigan公司;DLSB循環(huán)冷卻泵:河南鞏義英峪予華儀器廠;BT100-2J蠕動泵:河北保定蘭格恒流泵有限公司;真空手套操作箱:上海華巖儀器設(shè)備有限公司;鋰反應器:采用耐高溫不銹鋼材質(zhì),直徑9 cm,高度35 cm,閥蓋為卡套式快開設(shè)計,配備真空表。

1.2 主要材料與試劑

Ba13CO3(13C同位素豐度 98.0%):美國CIL公司;金屬鋰、硫酸汞、硼氫化鈉、乙二醇二甲醚等皆為市售化學純或分析純試劑。

1.3 實驗方法

13C標記乙醇的合成路線示于圖1。

圖1 13C標記乙醇的合成路線

1.3.1 乙炔的制備

在真空手套箱中稱取22 g金屬鋰,經(jīng)轉(zhuǎn)移后快速放入鋰反應器中,密閉后抽真空,再置于加熱爐中開始升溫。升溫過程中保持真空條件以除去加熱過程中可能產(chǎn)生的氣體。待反應器溫度升至680～720℃時,關(guān)閉反應器與真空泵的閥門,開始緩慢通入由99 g BaCO3(0.50m ol)定量反應得到的CO2(0.50 mol),通過控制CO2的通入速度,使整個過程中反應器的絕對壓力始終低于0.01 MPa。通完氣體后,反應器再升溫至900℃,保持1 h,然后降溫。至室溫后即可進行水解制取乙炔。

水解所用的蒸餾水使用前需經(jīng)煮沸以除去CO2,將蒸餾水緩慢滴加至鋰反應器中,生成的乙炔氣體經(jīng)液氮冷阱收集后,轉(zhuǎn)移至氣袋中待用。

1.3.2 催化水合法制備乙醛

催化劑母液組成為2 g HgSO4溶于100 m L 10%硫酸中。乙醛合成裝置示于圖2。圖2中反應器依次連接回流冷凝管、冷阱、三通閥、恒流泵。反應時,確認裝置的氣密性后,先將反應體系抽真空,氬氣置換三次,再通入約5 L乙炔,反應溫度為65～95℃,反應5～10 h。乙炔氣在恒流泵的作用下以一定速率鼓泡進入反應器,產(chǎn)生的乙醛在-40℃的酒精-液氮冷阱中收集,未反應的乙炔回到反應器繼續(xù)反應至結(jié)束。

1.3.3 乙醛還原制備乙醇

在冰浴下,將7.5 g(0.159 mol)無水乙醛、2.1 g(0.056 mo l)NaBH4和30 m L聚乙二醇二甲醚加入到配有磁力攪拌和回流冷凝管的50m L圓底燒瓶中,緩慢升溫至20℃,保持6 h;然后緩慢滴加20m L 3 mol/L的HCl溶液,水解完畢后,在減壓蒸餾條件下,將乙醇蒸餾收集。

圖2 乙醇制備流程

2 結(jié)果與討論

2.1 合成工藝對乙炔合成的影響

以CO2為原料,與金屬鋰在高溫下生成碳化鋰,碳化鋰經(jīng)水解,可得到具有良好純度和收率的乙炔[5]。CO2在高溫下與金屬鋰生成碳化鋰的反應過程如下:

10Li+2CO2——→Li2C2+4Li2O (1)

4Li+2CO2——→Li2O+Li2CO3+C (2)

Li2O+CO2——→Li2CO3(3)

Li2CO3——→Li2O+CO2(4)

Li2C2——→2Li+2C (5)

由此可見,除主反應(1)外,還同時存在副反應(2)～(5),這些副反應會降低原料CO2的利用率,因此需要通過控制反應工藝加以抑制。

副產(chǎn)物Li2 CO3主要在900℃以下形成,隨著溫度的升高,其含量減少,Li2C2的含量增加;但是反應溫度過高,Li2 C2也會發(fā)生分解形成金屬鋰和碳黑。因此,本工作對Li2C2的制備、水解過程中的多種工藝參數(shù)進行了考察和優(yōu)化,得到較優(yōu)的工藝條件:金屬鋰過量30%～50%,CO2進氣溫度700℃,控制CO2進氣速度,使體系絕對壓力始終低于0.01 MPa,CO2通入完畢后,再快速升溫至900℃保持1 h。

此外,在碳化鋰水解中,采用6 mol/L的鹽酸溶液代替蒸餾水,以促進生成的LiOH轉(zhuǎn)化為易溶于水的LiCl,使水解時間和水用量都大幅減少。

在優(yōu)化的條件下,以消耗的BaCO3計,乙炔的收率高于95%,化學純度高于99%,可直接用于乙醛的合成。

2.2 反應溫度對乙醛合成的影響

采用庫切洛夫反應,通過乙炔催化水合方法是制備13C標記乙醛的較好方法[6],其機理如下:在高汞離子及硫酸存在下,乙炔與水進行加成反應生成乙醛,其化學過程示于圖3。

圖3 乙醛的合成路線

在乙醛合成中,由于乙炔的單程轉(zhuǎn)化率很低,以及生成的乙醛長期滯留在催化劑母液中可能會導致進一步反應生成巴豆醛等副產(chǎn)物。因此在反應裝置設(shè)計中加強了反應氣的循環(huán)和傳質(zhì),生成的乙醛在冷阱中收集,未轉(zhuǎn)化的乙炔繼續(xù)回到反應器進行反應;并且通過設(shè)置合適的回流冷凝溫度,可以使冷阱中乙醛的含水量低于0.3%。

在工業(yè)上,為提高乙炔的轉(zhuǎn)化率,其水合反應一般控制溫度為 90～95℃,壓力為 0.1～0.2 MPa。本實驗中采用常壓操作,反應溫度對乙醛收率影響列于表1。由表1可知,升高反應溫度對乙炔的水合反應有利,反應溫度為85℃時,可獲得最高的乙醛收率;進一步升高反應溫度,乙醛收率有所下降。

2.3 助催化劑對乙醛合成反應的影響

在乙炔催化水合制備乙醛過程中還存在如下反應:生成的乙醛在催化劑體系中被氧化成乙酸,同時具有活性的高汞離子被還原成非活性的亞汞離子,最終被還原成為金屬汞而從反應液中析出,從而降低了體系的催化活性。

表1 反應溫度對乙醛收率的影響

CH3CHO+2H g2++H2O——→CH3COOH+2Hg++2H+

CH3CHO+Hg2++H2O ——→CH3COOH+Hg·+2H+

在實驗中也觀察到反應器底部有明顯的金屬汞生成,一方面降低了催化劑的活性,另一方面也增加了后處理難度。多種具有可變價態(tài)的金屬鹽均對汞催化劑的還原有一定的抑制作用,本研究中選用Fe2(SO4)3作為助催化劑,并考察了其用量對乙醛合成的影響,其他實驗條件同1.3.2,結(jié)果列于表2。

由表2可以看出,隨著助催化劑用量的增加,乙醛收率先隨之升高,到1.0 g時達到最高,此后,助催化劑用量進一步增加,乙醛收率顯著下降。在實驗中同時注意到,使用助催化劑后,反應器內(nèi)基本未觀察到金屬汞的生成,表明助催化劑的使用對抑制催化劑的還原有較好作用。

表2 助催化劑對乙醛收率的影響

2.4 溶劑對乙醇合成的影響

NaBH 4是一種優(yōu)良的還原劑,性質(zhì)穩(wěn)定,能選擇性地將醛基還原為醇。采用 THF、乙醚等多種溶劑體系均可高收率地將乙醛還原為乙醇。但由于產(chǎn)物乙醇和溶劑沸點接近,在產(chǎn)物精制上有較大難度,不適合同位素標記乙醇的合成。通過對多種溶劑的篩選,最終確定了采用平均相對分子質(zhì)量約為250的聚乙二醇二甲醚[7]作為溶劑,在優(yōu)化的條件下,當以試劑無水乙醛為原料時,獲得了超過90%的乙醇收率(以消耗的無水乙醛計算)。

2.5 連續(xù)法合成乙醇

采用自制的無水乙醛作為原料用于乙醇的合成時,出現(xiàn)了乙醇收率普遍較低(40%～70%)且波動較大的現(xiàn)象。通過對自制的無水乙醛做進一步分析,發(fā)現(xiàn)自制的乙醛在冷阱中可自聚生成少量三聚乙醛(1%～3%),隨著放置時間的延長,三聚乙醛含量可增加至10%以上。而在乙醇合成反應中,即使低至1%的三聚乙醛含量也會對反應收率有一定影響。對此采取了包括三聚乙醛解聚和添加阻聚劑[8-10]等在內(nèi)的方法純化自制的無水乙醛,雖然可以顯著提高乙醛的純度,但操作中乙醛的損失較大,同時可能引入其它有機物造成產(chǎn)物豐度稀釋現(xiàn)象。

經(jīng)對原有反應裝置進行改造,將原本分別進行的乙炔催化水合制乙醛和乙醛NaBH4還原制乙醇兩個反應串聯(lián)起來,反應氣先后經(jīng)過乙醛反應器和乙醇反應器,生成的乙醛直接在乙醇反應器中被還原,以避免在低溫和無水條件下乙醛發(fā)生自聚,從而消除了三聚乙醛對后續(xù)NaBH 4還原反應的影響;同時也避免了原先分步操作中乙醛因轉(zhuǎn)移造成的損失。這一改進在實踐中取得了良好的效果,實驗結(jié)果列于表3。以消耗的BaCO3計算,乙醇的收率達到了60%。

表3 操作方式對乙醇收率的影響

2.6 13C2-乙醇的合成與表征

在優(yōu)化各步收率,并多次模擬實驗的基礎(chǔ)上,以 Ba13CO3(13C豐度為98.0%)為原料,進行13C2-乙醇合成的豐度實驗,以消耗的Ba13CO3計,13C2-乙醇的收率為 51%。以分析純(99.7%)的無水乙醇試劑為外標,用氣相色譜檢測,結(jié)果示于圖4。由圖4可計算得,13C2-乙醇的純度為99.3%。

圖4 13C2-乙醇的氣相色譜圖

用NMR檢測13C2-乙醇中13C同位素豐度,結(jié)果示于圖5和圖6,圖5為C1位的13C譜圖,圖6為 C2位的13C譜圖。由13C譜積分計算得,13C2-乙醇的C1位的13C同位素豐度為95.45%,C2位的13C同位素豐度為95.84%。

13C2-乙醇的紅外譜圖示于圖7。由圖7可見,13C2-乙醇的紅外譜圖與乙醇的標準紅外圖基本一致。其中,在 3 300 cm-1處有一寬峰,推測為O-H的吸收峰,這是由于13C的取代使得該吸收峰移向低波數(shù);在1 000 cm-1左右出現(xiàn)一強峰,推測為C-H的吸收峰,同樣是由于13C的取代使得吸收峰向低波數(shù)發(fā)生位移。

圖5 13C2-乙醇C1位的13CNMR譜

圖6 13C2-乙醇C2位的13CNMR譜

圖7 13C2-乙醇的紅外譜圖

3 結(jié) 論

本工作設(shè)計并完成了適合13C2-乙醇合成的工藝。以Ba13CO3為原料,采用金屬鋰法制備乙炔,乙炔催化水合制得乙醛,乙醛在高沸點溶劑中經(jīng)NaBH4還原,制得13C2-乙醇;并對影響乙醇收率的多種因素進行了考察,獲得了較佳的合成工藝。產(chǎn)物經(jīng)色譜和質(zhì)譜等證實,化學純度＞99%,13C同位素豐度＞95%,同位素稀釋效應的影響小于3%。

[1] Tolbert B,Christenson F,Chang F,et al.Synthesis of ethano l-1-14C,ethanol-2-14C,ethy l-bromide-1-14C,ethyl-brom ide-2-14C and14C-labeled methadone[J].JO rg Chem,1949,14:525-529.

[2] Adam s P,Selff R,Tolbert B.H ydrogenation of fatty acids to alcoho ls[J].JAm Chem Soc,1952,74:2 416-2 417.

[3] Cox J,Warne R.Syntheses with isotopic tracers elements:partⅢ.the preparation of ethylene oxide and ethanol labeled with carbon isotopes[J].J Chem Soc,1951:1 893-1 896.

[4] Authur M,L loyd W.O rganic syntheses w ith isotopes:part I[M].New York:Interscience Publishers,1958:904-916.

[5] 周明富,沈承德.14C年代測定的碳化鋰制樣法的研究[J].地球化學,1983,4:411-416.

[6] 肖淑興,高文德,劉維銘,等.高氘代率乙醛的制備[J].四川大學學報:自然科學版,1998,35(4):645-647.

[7] Kiyoshi T,Tsuneo S,Yoko Nishida,etal.Chemical reduction of aldehy des in the presence of ketones with NaBH4in polyethy lene glycol dimethy l ethers[J].Synthetic Communication,2005,35:867-872.

[8] 劉瑞江,張業(yè)旺,聞崇煒,等.乙醛阻聚對策和罐裝安全預測研究[J].化工生成與技術(shù),2008,15(5):49-52.

[9] 劉瑞江,崇余.乙醛合成三聚乙醛反應規(guī)律的研究[J].南京工業(yè)大學學報,2004,26(6):29-32.

[10]楊文玲,康文通,李景生.三聚乙醛解聚制備乙醛研究[C]//第九屆全國化學工藝年會論文集.北京:中國石化出版社,2005:926-930.