氯乙酸異丙酯復(fù)合催化合成研究

高曉涵，高 軍*，張紅鳳，林 立

(1.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266510;2.山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東 濟(jì)南250100)

氯乙酸異丙酯是一種重要的有機(jī)合成化合物，醫(yī)藥工業(yè)上用作生產(chǎn)新型高效非甾體類消炎、鎮(zhèn)痛藥物萘普生、布洛芬及酮洛芬的原料。該化合物的生產(chǎn)工藝主要有2類:1)用氯乙酸與異丙醇(或異丙烯)為原料，用氟化硼作催化劑反應(yīng)合成。此法收率低且對(duì)環(huán)境和人體的危害較大;2)采用氯乙酸與異丙醇在硫酸催化下經(jīng)酯化制得，此法較常用，雖收率相對(duì)提高，但存在反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(約7 h)，對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，副反應(yīng)多，產(chǎn)物分離復(fù)雜且產(chǎn)生廢水污染環(huán)境等問題。尋找催化活性高的環(huán)境友好酯化催化劑是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

由宏君［1］報(bào)道以氯乙酸與異丙醇為原料合成氯乙酸異丙酯的催化劑，主要包括無(wú)機(jī)鹽、雜多酸、陽(yáng)離子交換樹脂、固體超強(qiáng)酸、磺酸類等，都取得了顯著的催化效果。但雜多酸價(jià)昂，改性固體超強(qiáng)酸制備復(fù)雜，且兩者的后處理工藝繁瑣，廢液排放量大［2］。陽(yáng)離子交換樹脂、磺酸類催化劑成本高［1－3］。

無(wú)機(jī)鹽類催化劑又包括硫酸高鈰、硫酸氫鉀、一水硫酸氫鈉、氯化鐵、三氯化磷、十二烷基硫酸鈉和十二水合硫酸鐵銨等。氯化鐵易于吸潮且溶于乙酸和異丙醇的反應(yīng)體系中，在催化合成氯乙酸異丙酯時(shí)一般只能使用1次［1］。三氯化磷易于水解、使反應(yīng)條件不易控制且有一定的腐蝕性［2］。十二水合硫酸鐵銨收率不太高，且不易回收利用［4］。硫酸高鈰、硫酸氫鉀、一水硫酸氫鈉催化劑催化活性高，不溶于反應(yīng)體系，后處理簡(jiǎn)單方便［4－9］。

結(jié)晶硫酸高鈰做為酯化反應(yīng)的催化劑具有收率高，反應(yīng)時(shí)間短，副反應(yīng)少等優(yōu)點(diǎn)，但其重復(fù)利用性不好［7］。如若能篩選一種合適的助催化劑與主催化劑硫酸高鈰相復(fù)配，可以提高主催化劑的穩(wěn)定性，解決其易失活的弊端。

本研究以氯乙酸和異丙醇為原料，環(huán)己烷為帶水劑，采用結(jié)晶硫酸高鈰為主催化劑，硫酸氫鉀為助催化劑合成氯乙酸異丙酯，解決了單獨(dú)使用結(jié)晶硫酸高鈰做為酯化反應(yīng)催化劑時(shí)出現(xiàn)的問題，在此基礎(chǔ)上對(duì)其合成工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

KDW型調(diào)溫電熱套;BP210S型電子天平，德國(guó)賽多利斯公司;JJ－1型電動(dòng)攪拌器，金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠;WQF－301型紅外光譜儀。

氯乙酸，山東萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠;異丙醇，天津巴斯夫化工有限公司;結(jié)晶硫酸高鈰，天津博迪化工有限公司;硫酸氫鉀，上海風(fēng)舜精細(xì)化工有限公司;硫酸氫鈉，天津福晨化學(xué)試劑廠;氨基磺酸，江蘇強(qiáng)盛化工有限公司;環(huán)己烷，天津廣成化學(xué)試劑有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

將一定比例的氯乙酸、異丙醇、帶水劑和催化劑加入帶有溫度計(jì)、分水器及回流冷凝管的三口燒瓶中，開啟電動(dòng)攪拌器攪拌，加熱升溫至回流，帶水劑從反應(yīng)體系中帶出反應(yīng)生成的水。分水器中水量基本不變，反應(yīng)溫度也不再上升時(shí)，停止反應(yīng)。冷卻反應(yīng)體系至室溫，濾出催化劑，取樣分析反應(yīng)液中氯乙酸濃度，酯化率按式(1)計(jì)算。

濾液加熱蒸餾，收集前餾分和146～150℃的餾分為產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 助催化劑的選擇

氯乙酸用量為0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.33，帶水劑環(huán)己烷20 mL，復(fù)合催化劑用量為6.4%(以氯乙酸質(zhì)量計(jì))，回流反應(yīng)3 h，考察選用不同輔助催化劑與結(jié)晶硫酸高鈰復(fù)配對(duì)酯化率的影響，結(jié)果見表1。

表1 復(fù)合催化劑催化合成氯乙酸異丙酯Table 1 Synthesis of isopropyl chloroacetate with different composite catalyst

結(jié)晶硫酸高鈰作為酯化催化劑，其催化活性高，但容易失活［7－8］，選擇一種助催化劑與 Ce(SO4)2·4H2O進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)，目的在于解決結(jié)晶硫酸高鈰的失活問題及在一定程度上降低催化劑的應(yīng)用成本，同時(shí)反應(yīng)結(jié)束后催化劑體系可作為固體析出，使后處理過程催化劑的回收簡(jiǎn)便。

由表1可知:通過對(duì)比3種助催化劑在反應(yīng)中的分散情況，可知硫酸氫鉀做助催化劑時(shí)催化更易回收，利于催化劑的重復(fù)使用。通過酯化率對(duì)比可知，硫酸氫鉀作助催化劑時(shí)對(duì)硫酸高鈰的催化活性影響最小，酯化率最高。

2.2 催化劑配比對(duì)酯化率的影響

氯乙酸用量為0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.33，帶水劑環(huán)己烷20 mL，復(fù)合催化劑用量為6.4%(以氯乙酸質(zhì)量計(jì))，回流反應(yīng)3 h，考察同樣催化劑用量下及2種催化劑不同質(zhì)量配比對(duì)酯化率的影響，結(jié)果見表2。

表2 復(fù)合催化劑配比對(duì)酯化率的影響Table 2 Influence of m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)on the esterification rate

由表2可知:在其它反應(yīng)條件相同的情況下，隨著Ce(SO4)2·4H2O用量的減少酯化率逐漸降低。單獨(dú)使用Ce(SO4)2·4H2O時(shí)有較高的催化活性，原因是含有空軌道的變價(jià)金屬離子Ce有較高的離子價(jià)態(tài)，Ce4+對(duì)暴露于表面的水分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的誘導(dǎo)從而形成較強(qiáng)的B酸中心。硫酸氫鉀作為一種質(zhì)子酸催化劑在水溶液中電離后只能形成少量的H+，呈現(xiàn)中等酸性，相對(duì)等量的 Ce(SO4)2·4H2O催化活性是較低的。當(dāng)Ce(SO4)2·4H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)由100%下降到66.67%時(shí)酯化率變化不大，同時(shí)助催化劑的加入能降低總體成本，確定2種催化劑較適宜的質(zhì)量比為m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為2。

2.3 n(醇)/n(酸)對(duì)酯化率的影響

氯乙酸用量為 0.3 mol，復(fù)合催化劑用量為6.4%(以氯乙酸質(zhì)量計(jì))，回流反應(yīng) 3 h，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為 2，改變 n(異丙醇)/n(氯乙酸)，考察其對(duì)酯化反應(yīng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可知，在其它反應(yīng)條件相同的情況下，在一定范圍內(nèi)，酯化率隨著n(醇)/n(酸)的增加而提高，原因是增加異丙醇的用量，一方面增加了可逆反應(yīng)中反應(yīng)物的濃度;另一方面多余的異丙醇和環(huán)己烷會(huì)與生成的水形成三元共沸帶出反應(yīng)體系，促使反應(yīng)向正方向進(jìn)行。當(dāng) n(醇)/n(酸)為1.35時(shí)，酯化率達(dá)到最高值 92.1%，繼續(xù)增加 n(醇)/n(酸)，酯化率降低。原因是過多的異丙醇一方面使氯乙酸與催化劑相對(duì)濃度降低;另一方面異丙醇過量太多，使得反應(yīng)溫度難以上升，均不利于反應(yīng)的進(jìn)行。因此，確定適宜的n(醇)/n(酸)為1.35。

2.4 催化劑的用量對(duì)酯化反應(yīng)的影響

氯乙酸用量為0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.35，回流反應(yīng) 3 h，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為2?？疾齑呋瘎┯昧繉?duì)酯化反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖2。

圖1 醇酸摩爾比對(duì)酯化率的影響Fig.1 Influence of molar ratio of isopropyl alcohol tochloroacetic acid on the esterification rate

圖2 催化劑用量對(duì)酯化率的影響Fig.2 Influence of catalyst amount on the esterification rate

由圖2可知，隨著催化劑用量的增加，酯化率增加，當(dāng)n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為1.1%與 1.3%時(shí)，酯化率為89.3%與89.6%，基本接近。因此適宜的催化劑用量取為 n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為0.011。

2.5 不同帶水劑對(duì)反應(yīng)的影響

帶水劑可以使反應(yīng)體系中生成的水帶出反應(yīng)體系，有利于反應(yīng)平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行，提高酯化率，同時(shí)帶水劑的加入可以降低反應(yīng)體系的溫度，減少副反應(yīng)的發(fā)生。

氯乙酸用量為 0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.35，n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為 0.011，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為2，在回流溫度下反應(yīng)3 h，選用3種不同帶水劑(各20 mL)對(duì)酯化率的影響結(jié)果見表3。

表3 不同帶水劑對(duì)酯化率的影響Table 3 Influence of different water-carrying agent on the esterification rate

由表3可知，3種帶水劑中以環(huán)己烷較好，不僅毒性低，而且產(chǎn)品收率較高。

2.6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

氯乙酸用量為 0.3 mol，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為 2，n(醇)/n(酸)為 1.35，n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為0.011。記錄不同反應(yīng)時(shí)間分水量，結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響Table 4 Influence of time on the reaction

由表4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，氯乙酸異丙酯收率隨之升高，到3 h左右，氯乙酸異丙酯收率不再升高，最適宜反應(yīng)時(shí)間為3 h。

2.7 催化劑重復(fù)使用次數(shù)對(duì)酯化率的影響

氯乙酸用量為 0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.35，n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為 0.011，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為2，在體系回流條件下反應(yīng)結(jié)束，濾出反應(yīng)液，催化劑留在反應(yīng)瓶中，再加入反應(yīng)物與帶水劑重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果見表5。與單一的Ce(SO4)2·4H2O催化重復(fù)性作比較，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，此復(fù)合催化劑對(duì)酯化反應(yīng)具有良好的催化效果，重復(fù)使用4次以后，復(fù)合催化劑酯化率仍高達(dá)82.9%，單一催化劑Ce(SO4)2·4H2O酯化率僅為70.5%。

圖3 催化劑使用重復(fù)性對(duì)比Fig.3 Comparison of repeatability of the catalysts

3 結(jié)論

以氯乙酸和異丙醇為原料，采用結(jié)晶硫酸高鈰為主的復(fù)合催化劑，環(huán)己烷為帶水劑，試驗(yàn)合成了氯乙酸異丙酯，研究了不同助催化劑、催化劑配比和用量對(duì)其反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，以 Ce(SO4)2·4H2O與KHSO4復(fù)配作為催化劑催化合成氯乙酸異丙酯具有催化活性高穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，其最適宜工藝條件為:n(醇)/n(酸)為 1.35，催化劑配比為m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為 2，n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為0.011，反應(yīng)時(shí)間3 h，酯化率可達(dá)92.1%。

參考文獻(xiàn):

［1］由宏君.氯乙酸異丙酯的合成研究進(jìn)展［J］.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，9(24):35－37

［2］陳丹云，張 鋒.復(fù)合無(wú)機(jī)鹽催化合成氯乙酸異丙酯［J］.天然氣化工:C1化學(xué)與化工，2004，29(3):63－64

［3］井博義.氨基磺酸催化合成氯乙酸異丙酯［J］.河套大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，4(2):33－35

［4］劉國(guó)華，朱孝蓉，儲(chǔ)開華，等.硫酸氫鉀催化合成氯乙酸異丙酯［J］.化學(xué)世界，2002，43(3):153－155

［5］魏 猛，蔣平平，黃淑娟，等.稀土鈰鹽 Ce(SO4)2·4H2O/NH2SO3H催化合成檸檬酸三丁酯［J］.化工進(jìn)展，2009，28(7):1 257－1 260

［6］楊良準(zhǔn)，褚聯(lián)峰，李 鳳，等.硫酸高鈰催化合成氯乙酸異丙酯［J］.精細(xì)石油化工，2000，(3):27－29

［7］何 靜，段 雪，張保國(guó)，等.稀土鹽醋化催化劑失活原因的探討［J］.催化學(xué)報(bào)，1994，15(5):350－353

［8］LUONG J H T，HRAPOVIC S.Oxidation，deformation，and destruction of carbon nanotubes in aqueous ceric sulfate［J］.Journal of Physical Chemistry B，2005，109(4):1 400－1 407

［9］劉淑云，俞善信.硫酸氫鈉催化合成氯乙酸異丙酯［J］.天津化工，2001，(1):20－21