順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇合成工藝的優(yōu)化

楊長安, 黃 河, 陳 玲, 紀 拓

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順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇合成工藝的優(yōu)化

楊長安, 黃 河, 陳 玲, 紀 拓

(湖南理工學院 化學化工學院, 湖南 岳陽 414006)

介紹了硼氫化鈉在有機合成中的應用以及影響硼氫化鈉還原體系的因素, 并探討了采用硼氫化鈉還原體系制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇兩種方法的可行性. 方法一, 采用硼氫化鈉直接還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 其收率很低; 方法二, 采用硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 收率可達87%. 在此基礎上, 重點考察了不同硼氫化鈉還原體系對反應的影響.

硼氫化鈉還原體系; 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸; 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯; 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇

醇的制備目前主要采用氫化鋁鋰或氫化鋁鋰的衍生物雙(2-甲氧基乙氧基)氫化鋁鈉(紅鋁)作為還原劑還原羰基化合物制備醇[1~3], 但是這種還原劑的使用條件比較苛刻, 且價格昂貴. 硼氫化鈉是一種比較溫和、還原能力較強的還原劑[4], 可用于有機物的還原, 可以很容易地將不飽和的醛或酮還原為醇[5~7], 在質(zhì)子溶劑中將亞胺或亞胺鹽還原為胺, 經(jīng)過修飾的硼氫化鈉還可以還原羧酸[8,9]、胺基化合物[10]和腈[11]等有機物. 因此, 硼氫化鈉在有機合成和有機化工工業(yè)中應用很廣.

近年來, 以硼氫化鈉為還原劑, 將羧酸或羧酸衍生物還原成醇的技術日益受到人們的重視. Aammer Saeed[12]等報道了滴加甲醇到酯、NaBH4和四氫呋喃混合物中, 能大大提高反應活性, 將羧酸甲酯還原成相應的醇, 收率為70%~92%. Tomio Yamakawa[13]等報道了在叔胺的存在下, NaBH4/ZnCl2表現(xiàn)出較強的還原性, 羧酸酯被溫和地還原為相應的醇. 王偉[14]等報道了采用硼氫化鈉/氯化鈣還原體系將乙酰基二茂鐵還原為1-二茂鐵基乙醇, 收率為87.5%. 蔡良珍[15]等采用NaBH4-Lewis酸體系室溫下還原反式環(huán)己基羧酸及酯, 發(fā)現(xiàn)AlCl3, ZnCl2和TiCl4三種路易斯酸中TiCl4的反應效果最好, 采用NaBH4/TiCl4體系可將對位取代的反式環(huán)己基羧酸或酯還原成相應的醇, 收率為77%~95%. 陳蔚[16]報道了硼氫化鈉/三氟化硼乙醚還原體系還原1R, 2R-環(huán)己烷二甲酸制備1R, 2R-環(huán)己烷二甲醇, 但該工藝中硼氫化鈉和三氟化硼乙醚用量較大, 成本較高, 不利于工業(yè)化生產(chǎn).

順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇是非常重要的精細化學品、醫(yī)藥中間體和材料中間體, 屬于重要的化工原料, 被廣泛應用于高分子材料、農(nóng)藥及醫(yī)藥領域. 目前, 對于采用硼氫化鈉還原體系制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇還未見報道. 本文采用硼氫化鈉還原體系制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 利用便宜的硼氫化鈉替代價格昂貴、反應危險性大、不易操作且后處理麻煩的四氫鋰鋁或價格昂貴、用量很大的紅鋁, 高收率地制備高純度順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇. 該工藝過程簡單、成本低、高效、安全、經(jīng)濟、反應溫和、易操作, 尤其適合大規(guī)模生產(chǎn).

1 實驗部分

1.1 主要原料

順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸: 分析純, 阿拉丁試劑有限公司; 硼氫化鈉: 分析純, 阿拉丁試劑有限公司; 氯化鋅: 分析純, 天津天大化學制劑廠; 無水氯化鈣: 分析純, 天津天大化學制劑廠; 四氫呋喃: 分析純, 上海試一化學試劑廠; 其它試劑均為國產(chǎn)分析純.

1.2 儀器及測試

氣相色譜儀(GC)SPL1: 壓力: 125.6Kpa, 柱流量: 1.10 mL/min, 線速度: 31.3 cm/sec, 吹掃流量: 3.0ml/min, 總流量: 114.1 mL/min, 柱溫: 150℃, 分析時間: 20min, 所用溶劑為乙酸乙酯.

1.3 實驗步驟

方案1 硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇.

圖1 硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇的路線

(1) 硼氫化鈉/氯化鈣體系還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸

稱取10.0 g氯化鈣加入裝有50.0 mL四氫呋喃的三口瓶中, 冰水浴下緩慢加入5.0 g硼氫化鈉, 不停攪拌2h. 然后, 緩慢滴加含有5.0 g順-1, 2-環(huán)己烷二甲酸的四氫呋喃溶液. 滴加完畢, 保溫反應5h. 反應結束, 加入10 mL水中止反應, 用鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH值至4左右. 分別用50mL乙酸乙酯萃取兩次, 合并有機相, 用5.0 g無水硫酸鎂干燥1h. 抽濾, 旋干, 稱重, 得2.31 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 收率55.13%.

(2)硼氫化鈉/氯化鋅還原體系制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇

參考上述步驟(1), 反應投料比為: 5.0 g氯化鋅, 5.0 g硼氫化鈉和5.0 g順-1, 2-環(huán)己烷二甲酸, 反應后得1.77 g 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 收率42.24%.

方案2 硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇.

合成路線如圖2所示.

2） 修繕后的礦化床在前期（0～15 d） 對進水COD、NH3-N和TN均有較好的去除效果，COD最為明顯，去除率＞90%；隨著運行時間的延長，去除效果呈下降趨勢，推測由于礦化床靠微生物和吸附作用，受外界影響變化大，且易堵塞孔隙，極大影響礦化床的處理效果。

圖2 硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇的路線

(1) 制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯

稱取39.89 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸, 加入240 mL甲醇, 緩慢加入催化量的濃硫酸, 加熱回流5 h. 反應結束, 旋干, 分別加入二氯甲烷, 水, 碳酸氫鈉水溶液, 飽和食鹽水洗滌. 加入無水硫酸鎂干燥2 h. 抽濾, 旋干, 烘干, 稱重、得41.54 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯, 收率為89.56%.

(2) 硼氫化鈉/甲醇還原順式-1,2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯

將14.0 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯和50 mL四氫呋喃加入到反應瓶中, 攪拌, 冰水浴冷卻至0~5℃, 緩慢滴加硼氫化鈉(8.0g)和四氫呋喃(20mL)的混合液. 滴加完畢, 反應液在65℃下攪拌反應1h后, 緩慢滴加甲醇, 滴加完畢, 65℃反應8h. 緩慢加入稀鹽酸調(diào)至pH值1~3; 加入乙酸乙酯萃取, 無水硫酸鈉干燥. 抽濾, 旋干、重結晶、干燥后, 得到7.38g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 收率73.21%.

(3) 硼氫化鈉/乙醇還原順式-1,2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯

參考實驗步驟(2), 反應投料比為: 19.8 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯、11.3 g硼氫化鈉和一定量的乙醇, 反應后得到7.34 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 收率51.47%.

(4)硼氫化鈉/氯化鈣還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯

參考實驗步驟(2), 反應投料比為: 24.4 g氯化鈣、12.5 g硼氫化鈉和22.5 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯, 反應后得到9.95g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 收率61.41%.

(5)硼氫化鈉/氯化鋅還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯

參考實驗步驟(2), 反應投料比為: 27.2 g氯化鋅、11.4 g硼氫化鈉和20.0 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯, 反應后得到12.6 g順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 收率87.50%.

2 結果與討論

2.1 硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇

采用硼氫化鈉體系直接還原羧酸制備相應的醇, 重點考察了硼氫化鈉/氯化鋅和硼氫化鈉/氯化鈣還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 實驗結果見表1.

表1 硼氫化鈉直接還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇

從表1可以看出: 硼氫化鈉體系能夠直接還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 但收率較低. 此外, 硼氫化鈉/氯化鈣還原體系的活性比硼氫化鈉/氯化鋅體系稍高.

2.2 硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇

2.2.1順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯

采用順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸和甲醇為原料, 在濃硫酸催化下制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯, 其實驗結果見表2.

表2 投料比對酯化反應的影響

從表2可知, 當酸和醇的比例( g : mL)約為6時, 具有最高的收率, 收率為89.56%.

2.2.2硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇

由以上結果可知, 硼氫化鈉體系直接還原羧酸制備相應的醇, 產(chǎn)率較低, 故本文改用硼氫化鈉體系還原羧酸酯制備相應的醇. 著重考察了硼氫化鈉/甲醇、硼氫化鈉/乙醇、硼氫化鈉/氯化鈣和硼氫化鈉/氯化鋅等硼氫化鈉還原體系還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 其實驗結果見表3.

表3 硼氫化鈉還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇

從表3可以看出, 在以上四個催化體系中, 催化活性分別為: 硼氫化鈉/氯化鋅 > 硼氫化鈉/甲醇 > 硼氫化鈉/氯化鈣 > 硼氫化鈉/乙醇; 其中硼氫化鈉/氯化鋅體系還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇具有最高的產(chǎn)率, 其收率可達87.25 %.

2.3 原料和產(chǎn)物的氣相圖譜

原料和產(chǎn)物的氣相圖譜如圖3所示. 從圖3可以看出, 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸的出峰時間為4.087min, GC含量為100%; 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯出峰時間為7.110 min, GC含量為99.53%; 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇的出峰時間為4.393min, GC含量為99.21%.

圖3 原料和產(chǎn)物的氣相圖譜

3 結論

本文采用了兩種方案制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇. 第一種方案是利用硼氫化鈉體系直接還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸; 第二種方案分兩步, 先將順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸酯化制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯, 再利用硼氫化鈉體系還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇. 綜合以上實驗結果可知: 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸能直接被硼氫化鈉還原, 但收率很低, 最高收率僅55 %左右. 順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯還原制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇, 在其四個催化體系中, 催化活性分別為硼氫化鈉/氯化鋅 > 硼氫化鈉/甲醇 > 硼氫化鈉/氯化鈣 > 硼氫化鈉/乙醇; 其中硼氫化鈉/氯化鋅體系還原順式-1, 2-環(huán)己烷二甲酸二甲酯制備順式-1, 2-環(huán)己烷二甲醇具有最高的產(chǎn)率, 其收率可達87.25 %.

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Synthesis and Process Optimization of-1, 2-Cyclohexanedimethanol

YANG Changan, HUANG He, CHEN Ling, JI Tuo

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

Inthis paper, we introduce the application of sodium borohydride in organic synthesis reactions as well as the factors which affect the sodium borohydride reduction system. The feasibility of using sodium borohydride reduction system to prepared-1, 2-cyclohexanedimethanol are discussed, and the-1, 2-cyclohexanedimethanol are prepared by the following two methods. The first method was directly using the sodium borohydride into the reaction, and this method turned out to be failed because the extremely low production rate; the second method was using the dimethyl-1, 2-Cyclohexanedicarboxylate to prepared the-1, 2-cyclohexanedimethanol via sodium borohydride reduction system, the yield reached 87%. In this work, we focus on the effects of the different sodium borohydride reduction system on the reaction.

sodium borohydride reduction system,-1, 2-cyclohexane dicarboxylic acid, Dimethyl-1, 2-Cyclohexane- dicarboxylate,-1, 2-Cyclohexanedimethanol

2017-08-20

楊長安(1978? ), 男, 湖南益陽人, 博士, 湖南理工學院化學化工學院副教授. 主要研究方向: 高分子合成, 有機合成

O621.25

A

1672-5298(2017)04-0048-04