深度氯化制備高純六氯丙酮工藝

劉曉林，許東海，代偉娜，郭大偉，王雙超(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引言

六氯丙酮主要用于氘代氯仿等同位素化學(xué)品的生產(chǎn)以及醫(yī)藥中間體和農(nóng)藥中間體的制備。六氯丙酮在甾體藥物合成中，用作環(huán)氧反應(yīng)的催化劑[1]；在烯胺的氯化以及糖半縮醛的無溶劑氯化中用作氯離子的提供試劑[2]；在合成領(lǐng)域關(guān)鍵材料六氟丙酮中作為原料[3]。工業(yè)上采用丙酮氯化的方法來制備六氯丙酮，但通常工藝制備的六氯丙酮的純度只能達(dá)到98%，制約了六氯丙酮的應(yīng)用范圍。文章通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)最終選擇吡啶做催化劑，結(jié)合光催化以及提純處理工藝進(jìn)行深度氯化，將制備的六氯丙酮的純度提高到99.9%以上。

1 六氯丙酮合成技術(shù)路線

在催化劑存在的條件下，將氯氣通入丙酮中反應(yīng)生成六氯丙酮。這是一個(gè)連串反應(yīng)，反應(yīng)過程如圖1所示。

圖1 六氯丙酮生成過程

由于丙酮分子中α碳上氫原子受羰基影響極易跟鹵族元素發(fā)生取代反應(yīng)，并且氯氣化學(xué)性質(zhì)活潑,因此在反應(yīng)初期，氯化具有極快的反應(yīng)速度,同時(shí)放出大量的熱。隨著丙酮氯化程度的加深，由于位阻效應(yīng)和電子效應(yīng)的抑制作用，氯化反應(yīng)速率減慢，生成熱隨之減少。因此需要采用深度氯化工藝，在催化劑、光源等協(xié)同作用下保證氯化反應(yīng)進(jìn)行得更加徹底。

2 催化劑的選擇

丙酮氯化生成六氯丙酮屬于深度氯化，反應(yīng)過程中一般選取路易斯堿作為催化劑。氯化反應(yīng)后期溫度需達(dá)到100 ℃以上，要求在此條件下催化劑分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)失活。選擇吡啶、三苯基膦、亞磷酸三苯酯三種路易斯堿作為丙酮氯化反應(yīng)的催化劑，在丙酮氯化低溫階段反應(yīng)達(dá)到平衡后加入催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：丙酮1.0 mol，催化劑0.05 mol，攪拌轉(zhuǎn)速120 r/min，氯氣流量100 mL/min。實(shí)驗(yàn)過程中采用油浴來進(jìn)行控溫。在10 ℃反應(yīng)平衡后加入催化劑緩慢升溫至110 ℃，并在110 ℃通入過量氯氣直至反應(yīng)終止。表內(nèi)“-”代表未檢出(如表1所示)。

表1 不同催化劑對(duì)氯化產(chǎn)物的影響

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，催化效果的排序依次為吡啶、亞磷酸三苯酯、三苯基膦，且吡啶的催化效果明顯優(yōu)于三苯基膦和亞磷酸三苯酯。在向反應(yīng)液中加入三苯基膦時(shí)，如果有過量的氯氣存在，三苯基膦極易發(fā)生自燃。

由于吡啶與三苯基膦、亞磷酸三苯酯比較，相對(duì)分子量最小，因此反應(yīng)過程中需要的吡啶質(zhì)量最少。在吡啶催化氯化反應(yīng)結(jié)束后，靜置一段時(shí)間，吡啶和副產(chǎn)物氯化氫之間會(huì)形成鹽酸吡啶鹽，與生成的六氯丙酮之間有明顯的分層，有利于后續(xù)的分離以及催化劑的回收。與此同時(shí)，吡啶與三苯基膦、亞磷酸三苯酯相比，經(jīng)濟(jì)成本最低，經(jīng)濟(jì)效益最好。因此選擇吡啶作為丙酮深度氯化反應(yīng)中的催化劑。

選擇吡啶作為丙酮氯化反應(yīng)催化劑后，還要進(jìn)一步探究吡啶用量對(duì)氯化反應(yīng)的影響。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：丙酮1.0 mol，攪拌轉(zhuǎn)速120 r/min，氯氣流量100 mL/min。實(shí)驗(yàn)過程中采用油浴進(jìn)行控溫。在10 ℃反應(yīng)平衡后加入催化劑，依次緩慢升溫至110 ℃，通入過量氯氣直至反應(yīng)終止。表內(nèi)“-”代表未檢出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 吡啶用量對(duì)氯化產(chǎn)物的影響

以1 mol丙酮所需要的催化劑計(jì)算，當(dāng)吡啶在0.025～0.075 mol的范圍內(nèi)，隨著吡啶用量的增加，六氯丙酮的收率也隨之增加；當(dāng)吡啶用量在0.075～0.1 mol范圍內(nèi)增加，六氯丙酮的收率無顯著提升，產(chǎn)物中2-氯吡啶的含量急劇增加。綜合以上因素，深度氯化反應(yīng)催化過程中，相對(duì)摩爾量為7.5%的吡啶為最佳的催化劑用量。

3 光輔助催化

在吡啶的催化作用下，六氯丙酮的收率可達(dá)84.45%，但此時(shí)五氯丙酮的含量仍有15.2%，且五氯丙酮沸點(diǎn)與六氯丙酮沸點(diǎn)比較接近，在減壓(壓力在1 kPa以下)的條件下，沸點(diǎn)差距僅為2 ℃左右，無法通過減壓蒸餾工藝來進(jìn)行完全的分離，需要通過外界光源來輔助深化氯化反應(yīng)，使生成的五氯丙酮都轉(zhuǎn)化為六氯丙酮。實(shí)驗(yàn)中選擇365 nm、395 nm、日光燈三種光源在不同功率下來進(jìn)行輔助深度氯化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同光源對(duì)氯化產(chǎn)物的影響

實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容：丙 酮1.0 mol，吡 啶：0.075 mol，攪 拌 轉(zhuǎn) 速120 r/min，氯氣流量100 mL/min。實(shí)驗(yàn)過程中采用油浴進(jìn)行控溫。在10 ℃反應(yīng)平衡后加入吡啶0.075 mol緩慢升溫至110 ℃，增加外部光源來輔助氯化反應(yīng)的深化，通入過量氯氣直至反應(yīng)終止。表內(nèi)“-”代表未檢出。

從表3可知，日光燈、波長(zhǎng)為395 nm紫外光、波長(zhǎng)為365 nm紫外光三種光源均可明顯提高六氯丙酮的產(chǎn)率，其中波長(zhǎng)為395 nm紫外光輔助氯化的效果最好，此時(shí)六氯丙酮的產(chǎn)率達(dá)到99.13%。日光燈來輔助深化氯化反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的其它副產(chǎn)物增多，可能的原因是日光燈波長(zhǎng)范圍相對(duì)較寬，從而造成反應(yīng)過程中的副反應(yīng)增多。波長(zhǎng)為395 nm紫外光比365 nm紫外光輔助氯化的效果更好，原因有兩個(gè)方面：一方面是實(shí)驗(yàn)過程中外界光源在燒瓶外部照射，波長(zhǎng)為395 nm紫外光在玻璃中的透過率比波長(zhǎng)為365 nm紫外光在玻璃中的透過率高；另一方面是波長(zhǎng)為395 nm的紫外光在反應(yīng)液中的穿透深度也比波長(zhǎng)為365 nm的紫外光高。

從表3發(fā)現(xiàn)，隨著紫外光波長(zhǎng)的減小，吡啶被氯化為2-氯吡啶的量增加，這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)短的紫外光能量較高，有助于吡啶活化和氯化。

綜合上述結(jié)果選用波長(zhǎng)為395 nm的紫外燈作為輔助氯化的光源。當(dāng)功率不大于6 W時(shí)，隨外部紫外光光源功率的增加，六氯丙酮的含量也隨之增加；當(dāng)功率高于6 W后，實(shí)驗(yàn)過程中其它副產(chǎn)物和2-氯吡啶的含量出現(xiàn)明顯的增加，因此實(shí)驗(yàn)中外部紫外燈光源的功率設(shè)置在6 W時(shí)，光源輔助氯化反應(yīng)達(dá)到最佳的效果。

4 反應(yīng)產(chǎn)物后續(xù)處理工藝

丙酮氯化反應(yīng)中產(chǎn)物復(fù)雜，產(chǎn)物在一段時(shí)間的靜置后分為兩層，下層為六氯丙酮，上層為鹽酸吡啶鹽。在六氯丙酮相中含有五氯丙酮、氯氣、氯化氫、鹽酸吡啶鹽、2-氯吡啶鹽酸鹽等雜質(zhì)。因此要想得到純度為99.9%以上的高純六氯丙酮，需要對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行后續(xù)的純化處理。

首先在停止通入氯氣后，通入流量為100 mL/min的高純氮?dú)?，?10 ℃的條件下吹掃氯氣、氯化氫，吹掃30 min后進(jìn)行氮?dú)獗Ｗo(hù)，隨后靜置分層、冷卻、分離六氯丙酮相。

分離六氯丙酮的產(chǎn)物中仍然含有五氯丙酮、鹽酸吡啶鹽、2-氯吡啶鹽酸鹽以及少量氯氣、氯化氫。對(duì)雜質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行分析，用含產(chǎn)物20%的水水洗兩次，含產(chǎn)物20%的飽和碳酸氫鈉溶液水洗一次，干燥，得到六氯丙酮粗品。在減壓條件下進(jìn)行蒸餾，收集90～92 ℃餾分，經(jīng)過分析測(cè)定，六氯丙酮含量達(dá)到99.93%。

高純六氯丙酮將會(huì)大大擴(kuò)展六氯丙酮在藥物合成、同位素化學(xué)品等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。