3-巰基丙酸制備的研究進(jìn)展

王艷華，李 猛

（黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150040）

前 言

3-巰基丙酸（3-mercaptopropionicacid，簡(jiǎn)稱(chēng)3-MPA）是一種無(wú)色或淺黃色液體，在空氣中有很強(qiáng)的惡臭味，具有毒性。3-巰基丙酸溶解性很好，能夠和水、乙醇、苯、甲苯、乙醚、氯代烴等大多數(shù)溶劑互溶。由于具有巰基和羧基，3-巰基丙酸很不穩(wěn)定，巰基具有強(qiáng)還原性，會(huì)被氧化物氧化成二硫化物。3-巰基丙酸是醫(yī)藥芬那露的中間體,也可用于制備交聯(lián)劑、硬化劑、樹(shù)脂添加劑、抗氧劑、催化劑和生化試劑,還可作為PVC熱穩(wěn)定劑酯基錫的原料,市場(chǎng)前景十分廣闊[1]。

其合成方法可概括為三種類(lèi)型:其一為丙烯腈路線(xiàn),即利用丙烯腈與NaHS[2~4]通過(guò)Michael加成反應(yīng)然后酸解合成3-巰基丙酸。該工藝穩(wěn)定性差,產(chǎn)品色度高。其二為丙烯酸[5~7]路線(xiàn),即利用丙烯酸與H2S通過(guò)Michael加成反應(yīng)制備,或利用丙烯酸與Na2S2O3加成生成Bunte鹽，然后水解制備。其三為3-氯丙酸[8，9]路線(xiàn),即利用3-氯丙酸為原料,通過(guò)與Na2CS3進(jìn)行親核取代反應(yīng)再酸解制備。該方法原料成本高,廢水量大,對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。把硫化氫作為引入巰基的原料，與丙烯酸進(jìn)行反應(yīng)制取巰基丙酸是所有方法中最為簡(jiǎn)單易行且低成本的制備方法，同時(shí)還可以消耗污染物硫化氫。

丙烯酸與硫化氫反應(yīng)分均相法和多相法。多相法使用固體酸為催化劑，這些固體酸催化劑包括有氧化鎂[10，11]、堿性離子交換樹(shù)脂、弱堿性胺類(lèi)等。多相法中丙烯酸與硫化氫的反應(yīng)需要在較高壓力下進(jìn)行，又因?yàn)榱蚧瘹渑c丙烯酸是酸性物質(zhì)有腐蝕性，對(duì)反應(yīng)容器的要求比較高，要同時(shí)具備耐高壓、耐腐蝕的特點(diǎn)。硫化氫易燃易爆，還具有毒性，故在反應(yīng)中存在一定的不安全因素。為提高反應(yīng)產(chǎn)物3-巰基丙酸的選擇性，在反應(yīng)過(guò)程中要控制副產(chǎn)物2-巰基丙酸和3,3'-硫代二丙酸的生成，所以要篩選催化劑。至于反應(yīng)溶劑可選用飽和脂類(lèi)、低級(jí)醇、環(huán)脂類(lèi)、芳烴類(lèi)等。

目前國(guó)內(nèi)外主要是研究丙烯酸與硫化氫在NaOH溶液中反應(yīng)[12]，這個(gè)反應(yīng)也會(huì)用到H2S氣體。國(guó)內(nèi)研究比較少，有一定的創(chuàng)新性。阿雷茨[13]的專(zhuān)利使用固體堿作為催化劑，此固體堿具有堿性胍官能團(tuán)，以酰胺或酮或醚為反應(yīng)溶劑，催化合成了巰基丙酸。一般認(rèn)為該反應(yīng)屬于碳負(fù)離子機(jī)理。

總之，丙烯酸與硫化氫反應(yīng)合成3-巰基丙酸所使用的催化劑一般都是堿性物質(zhì)。反應(yīng)機(jī)理可能是硫化氫與堿反應(yīng)生成中間體，也可能是堿的存在增加了硫化氫的電離，堿類(lèi)物質(zhì)包括堿金屬、堿土金屬及液體有機(jī)胺等。

1 3-氯丙酸與硫代硫酸鈉反應(yīng)

顧建榮[9]以3-氯丙酸與硫代硫酸鈉水溶液為原料，反應(yīng)溫度50~90℃，反應(yīng)1h，反應(yīng)結(jié)束后用鹽酸酸化回流反應(yīng)，酸化后加入鋅粉或鐵粉進(jìn)行還原，最后得到含有3-巰基丙酸的溶液，有乙醚萃取有機(jī)相，減壓蒸餾得到無(wú)色液體產(chǎn)品。劉福德[8]控制反應(yīng)溶液pH值為7,反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間8h，酸解反應(yīng)時(shí)間2h，用鐵粉還原，產(chǎn)品收率可達(dá)80%。

2 丙烯腈與硫氫化鈉反應(yīng)

文獻(xiàn)[1,20]反應(yīng)溫度45℃，硫氫化鈉水溶液中，加硫粉，滴加丙烯腈，反應(yīng)2h，濃鹽酸酸化，水解時(shí)間3h，鋅粉還原，產(chǎn)物用乙酸乙酯萃取，去溶劑，真空精餾，得無(wú)色透明液體，巰基丙酸收率87%。張圣光[18]的亮點(diǎn)是開(kāi)發(fā)了電還原副產(chǎn)物二硫代二丙酸，避免了傳統(tǒng)鋅粉還原工藝造成的鋅泥污染等問(wèn)題。丙烯腈轉(zhuǎn)化率100%，巰基丙酸收率82.79%，略高于鋅粉還原法的81.75%。陳云海[19]反應(yīng)溫度45℃，硫氫化鈉水溶液中，加氫氧化鈉，滴加丙烯腈，反應(yīng)1h，鹽酸酸化，水解時(shí)間4h，鐵粉還原二硫代二丙酸，轉(zhuǎn)化率可達(dá)83%。顧建榮[21]將氫氧化鈉水溶液、硫氫化鈉、作為催化劑的多硫化鈉混合后，在20~70℃下滴加入丙烯腈，然后加鹽酸酸化，再加入鋅粉進(jìn)行還原，得到含3-巰基丙酸的溶液，加入有機(jī)溶劑萃取再減壓蒸餾得產(chǎn)物。

3 丙烯酸與硫氫化鈉或硫化氫反應(yīng)

古屋政幸[22]使H2S或Na2S或K2S、和NaOH或KOH、不飽和羧酸反應(yīng)得到3-巰基羧酸鹽，用酸中和該鹽，得到3-巰基羧酸和副產(chǎn)物硫代二羧酸，蒸餾精制得到3-巰基羧酸，至于蒸餾殘?jiān)虼人岱祷刂脸跏脊ば蜃鰹樵涎h(huán)利用。澀谷章[17]使用沸石或酸性離子交換樹(shù)脂（也稱(chēng)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂）作為催化劑，催化劑不溶或難溶于溶劑，溶劑是與水相容的（如四氫呋喃、二甲基甲酰胺等），起始原料為α，β-不飽和羧酸與硫化氫之間的反應(yīng)。以丙烯酸和硫化氫為原料，反應(yīng)溫度100℃反應(yīng)5h，壓力0.63Mpa，丙烯酸轉(zhuǎn)化率100%，3-巰基丙酸收率87%，選擇性87%。阿雷茨[13]用帶有胍官能團(tuán)的樹(shù)脂為催化劑，以二甲基甲酰胺（DMF）為溶劑。如圖1所示。

圖1 帶有胍官能團(tuán)的樹(shù)脂F(xiàn)ig.1 Resin with guanidine group

這些基團(tuán)沒(méi)有與氮原子直接連接的氫原子。它是一種堿性官能團(tuán)。H2S/AA物質(zhì)的量比為3~10，壓力1.5~3.5MPa。反應(yīng)溫度30~110℃。可以在攪拌反應(yīng)器或管式反應(yīng)器中進(jìn)行，可間斷反應(yīng)也可連續(xù)反應(yīng)。文獻(xiàn)中還提到了胍官能團(tuán)催化劑的制備。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)具有胍官能的樹(shù)脂比具有叔胺官能的樹(shù)脂有更好的3-巰基丙酸選擇性，可達(dá)90%以上。古屋政幸[16]使用等離子體反應(yīng)器，氣化丙烯酸與硫化氫混合在200℃左右反應(yīng)，催化劑是金屬氧化物，如氧化鎂等，載體為硅膠、分子篩等。產(chǎn)物3-巰基丙酸，平均收率78.77%，經(jīng)減壓精餾后產(chǎn)品純度99%以上，反應(yīng)條件在-0.05~0.1MPa下進(jìn)行，操作條件溫和，安全性高；并且反應(yīng)過(guò)程中不使用水或有機(jī)溶劑，無(wú)三廢產(chǎn)生，環(huán)保性好。古屋政幸[12]在五口燒瓶裝入氫氧化鈉水溶液，在油浴中加熱燒瓶，將內(nèi)溫保持在45~50℃，由滴液漏斗加入丙烯酸，滴加結(jié)束后，在相同溫度下，從液化硫化氫瓶向反應(yīng)液中吹入硫化氫氣體，吹入結(jié)束后升溫至100℃，在該溫度下反應(yīng)8h，反應(yīng)結(jié)束后對(duì)反應(yīng)進(jìn)行定量分析（HPLC），生成了86mol%β-巰基丙酸鈉鹽，副產(chǎn)物硫代二丙酸鈉鹽13mol%，二硫代二丙酸鈉鹽0.4mol%。脫氣結(jié)束后，裝入乙酸丁酯，進(jìn)行萃取操作，共萃取三次，使用蒸發(fā)器在減壓下餾去乙酸丁酯，將所得濃縮液在減壓下進(jìn)行蒸餾，得到純度為99.9%β-巰基丙酸。相對(duì)于丙烯酸的收率為82.5%。青木英雅[14]不使用固態(tài)催化劑并在pH調(diào)節(jié)劑（堿）的存在下在90~150℃的范圍內(nèi)加熱α，β不飽和羧酸、溶劑和硫化氫混合物制備巰基丙酸。使用含有酰胺基的溶劑，pH值范圍在6.0~8.5。一鍋法生產(chǎn)，反應(yīng)壓力7atm左右。用酸中和反應(yīng)液，因使用硫化氫為原料所以抑制了中和反應(yīng)液時(shí)所發(fā)生的作為副產(chǎn)物二硫代二羧酸的生成。將反應(yīng)液直接蒸餾提純。該反應(yīng)耗時(shí)長(zhǎng)，生產(chǎn)率低，副產(chǎn)物多，后處理難，在生產(chǎn)過(guò)程中大量使用pH調(diào)節(jié)劑且難回收，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。古屋政幸[15]的發(fā)明能夠在常壓下以高收率得到巰基羧酸。此外，通過(guò)使用硫化氫作為原料，抑制了中和反應(yīng)液時(shí)所發(fā)生的作為副產(chǎn)物的二硫代二羧酸的生成，可以提供在工業(yè)上也簡(jiǎn)便的方法。本發(fā)明的制造方法與添加NaSH的方法相比，二硫代二羧酸的產(chǎn)量少，可以提高3-巰基羧酸的反應(yīng)收率。此外，由于二硫代二羧酸的產(chǎn)量少，因此可以減少來(lái)自用于還原的金屬的廢棄物的量。由于在中和后所得的水層中溶解有3-巰基羧酸，因此利用有機(jī)溶劑從水層中進(jìn)行萃取。另外，在蒸餾后，殘?jiān)泻凶鳛楦碑a(chǎn)物的硫代二羧酸。還可以將該蒸餾殘?jiān)虼人幔┯米?-巰基羧酸的原料。通過(guò)重復(fù)進(jìn)行所述工序，可以提高3-巰基羧酸的最終收率。

4 總結(jié)與展望

雖然有許多不同原料的合成路線(xiàn)，但是只有丙烯酸與硫化氫為原料的路線(xiàn)副產(chǎn)物硫代二丙酸與二硫代二丙酸的選擇性低，為進(jìn)一步增加巰基丙酸的選擇性可加入催化劑，經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱與本實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，離子交換樹(shù)脂的活性與選擇性要相對(duì)好些。將來(lái)的工業(yè)化發(fā)展前景應(yīng)該是就此方面展開(kāi)更深入的研究。