三氟乙酸乙酯的合成工藝優(yōu)化

李高鵬，朵萬鵬，王振軍，魏萬磊

(蘭州新區(qū)專精特新化工科技有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

有機(jī)氟化物具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及較低的表面能等特點，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)[1-2]。三氟乙酸乙酯是合成有機(jī)氟化物常用的原料之一，也是重要的有機(jī)氟化物中間體?？珊铣沙輨┌踩珓┙獠莅分虚g體2-羥基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸乙酯、植物生長調(diào)節(jié)劑4,4,4-三氟-3-(3-吲哚基)丁烯酸乙酯等農(nóng)用化學(xué)藥品[3-4]，也可用來合成新型抗炎藥塞來昔布及其有關(guān)物質(zhì)等醫(yī)用化學(xué)品[5]，也常被用作有效的化學(xué)保護(hù)試劑[6]。

三氟乙酸乙酯的傳統(tǒng)合成方法中，原料選用三氟乙酸和無水乙醇，催化劑為濃硫酸[7]。液體強(qiáng)酸對設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕，是該合成工藝存在的缺點。目前有團(tuán)隊選用三氟乙酰氯和乙醇等為原料，連續(xù)非催化法制備三氟乙酸乙酯，雖然避免了使用傳統(tǒng)催化劑濃硫酸，但其收率較低，而且要吸收和處理副產(chǎn)物HCl，成本也是一個問題。離子液體是一種新型、綠色、環(huán)境友好型催化劑，具有催化活性穩(wěn)定、可回收、可重復(fù)利用等特點，被廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)等領(lǐng)域[8]。

本課題組制備了兩種綠色功能離子液體1-甲基-(3-磺酸基丙基)咪唑硫酸鹽[MIM-PS][HSO4]、1-甲基-(3-磺酸基丙基)咪唑?qū)妆交撬猁}[MIM-PS][pTSA]作為備選催化劑，以三氟乙酸(TFA)、無水乙醇(AE)為原料合成三氟乙酸乙酯?？疾炝舜呋瘎┻x擇、物料比例、催化劑用量，反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度等工藝條件，以及離子液體的重復(fù)利用情況。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

三氟乙酸，天津市福晨化學(xué)試劑廠；無水乙醇，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；N-甲基咪唑，南京化學(xué)試劑股份有限公司；1，3-丙磺酸內(nèi)酯，上海譜振生物科技有限公司；1,2-二氯乙烷，山東魯岳化工有限公司；硫酸、對甲苯磺酸，南京盛慶和化工有限公司(以上除1,2-二氯乙烷、硫酸為工業(yè)品，其余為分析純)。

250 mL、500 mL三口燒瓶，冷凝管、抽濾瓶、真空泵、數(shù)顯電加熱套、水浴鍋、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、磁力攪拌等。

1.2 離子液體的制備

離子液體[MIM-PS][HSO4]、[MIM-PS][pTSA]的制備過程如下(以[MIM-PS][HSO4]的合成過程為例)：

將12.2 g的1，3-丙磺酸內(nèi)酯溶解于90 mL1,2-二氯乙烷，轉(zhuǎn)入三口瓶中，水浴下邊強(qiáng)烈攪拌邊滴加入8.2 g N-甲基咪唑，滴加時間控制在30～40 min。滴加結(jié)束后，在室溫下繼續(xù)攪拌反應(yīng)2 h，生成的白色沉淀經(jīng)過濾、乙酸乙酯洗滌，旋蒸溶劑，干燥后呈白色粉末狀，即為MIM-PS，約19.5 g，收率為95.6%。稱取10.2 g已制得的MIM-PS溶于100 mL水中，轉(zhuǎn)入三口瓶中，水浴下邊攪拌邊滴加入5.0 g濃硫酸，滴加時間控制在30～40 min。滴加結(jié)束后升溫至95 ℃，保溫反應(yīng)1.5 h。反應(yīng)結(jié)束后真空脫水、用乙酸乙酯洗滌、真空干燥后的淡黃色粘稠液體，即為離子液體[MIM-PS][HSO4]，約14.2 g，收率為93.4%。

以上述合成方法，同樣可以制備離子液體[MIMPS][pTSA]。在室溫條件下，其外觀性狀也是淡黃色粘稠液體。

1.3 三氟乙酸乙酯的合成實驗過程

將三氟乙酸按照規(guī)定的量加入到三口瓶中，開始攪拌，緩慢加入規(guī)定量的無水乙醇，攪拌均勻后加入離子液體[MIM-PS][HSO4]，升溫至45 ℃，保溫反應(yīng)1.5 h。反應(yīng)結(jié)束后用少量飽和碳酸鈉溶液洗滌，用固體碳酸鉀干燥，再進(jìn)行蒸餾，收集60～62 ℃的餾分即為三氟乙酸乙酯[9-11]。酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，正向反應(yīng)速度和反向反應(yīng)速度相等時，反應(yīng)趨于平衡，要使反應(yīng)酯化充分，必須及時分離副產(chǎn)物水。所以，副產(chǎn)物水的分離控制是該反應(yīng)影響的重要因素之一。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子液體的選擇

當(dāng)投料量為：三氟乙酸質(zhì)量為57 g，無水乙醇質(zhì)量為30 g，離子液體質(zhì)量為3.5 g，反應(yīng)溫度為50 ℃時，考察不同催化劑對反應(yīng)的影響，如表1所示，兩種離子液體催化效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑濃硫酸，綜合考慮成本及反應(yīng)收率的影響，選用離子液體[MIM-PS][HSO4]作為催化劑。

表1 不同催化劑對反應(yīng)的影響

2.2 無水乙醇用量的影響

當(dāng)投料量為：三氟乙酸質(zhì)量為57 g，離子液體質(zhì)量為3.5 g，反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時間為2.0 h時，考察無水乙醇用量對反應(yīng)的影響，如圖1所示。當(dāng)無水乙醇用量在27～33 g之間時，隨著其用量增大使三氟乙酸得以充分反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化率提高，得到較高的收率。繼續(xù)增大無水乙醇的量，間接的稀釋了反應(yīng)體系的濃度，影響了反應(yīng)平衡使得收率開始下降。所以，無水乙醇用量最佳為33 g。

圖1 無水乙醇用量對反應(yīng)收率的影響

2.3 離子液體用量的影響

當(dāng)投料量為：三氟乙酸質(zhì)量為57 g，無水乙醇質(zhì)量為33 g，反應(yīng)溫度為50 ℃時，反應(yīng)時間為2.0 h時，考察離子液體[MIM-PS][HSO4]用量對反應(yīng)的影響，如圖2所示。當(dāng)離子液體用量在3～4 g之間時，隨著其用量增大反應(yīng)收率逐漸增大。當(dāng)離子液體的量大于4 g后，反應(yīng)收率已趨于穩(wěn)定，繼續(xù)加大其用量對反應(yīng)體系影響不大。綜合考慮，離子液體[MIM-PS][HSO4]用量最佳為4 g。

圖2 離子液體用量對反應(yīng)收率的影響

2.4 反應(yīng)溫度的影響

當(dāng)投料量為：三氟乙酸質(zhì)量為57 g，無水乙醇質(zhì)量為33 g，離子液體[MIM-PS][HSO4]用量為4 g，反應(yīng)時間為2.0 h時，考察對反應(yīng)溫度的影響，如圖3所示。當(dāng)反應(yīng)溫度在30～45 ℃之間時，隨著溫度增大對酯化反應(yīng)的平衡影響較大，反應(yīng)收率逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)溫度大于45 ℃后，反應(yīng)收率已趨于穩(wěn)定，繼續(xù)升溫意義不大。所以反應(yīng)溫度量最佳為45 ℃。

圖3 溫度對反應(yīng)收率的影響

2.5 反應(yīng)時間的影響

當(dāng)投料量為：三氟乙酸質(zhì)量為57 g，無水乙醇質(zhì)量為33 g，離子液體[MIM-PS][HSO4]用量為4 g，反應(yīng)溫度為45 ℃時，考察對反應(yīng)時間的影響，如圖4所示。當(dāng)反應(yīng)溫度在0.5～1.5 h之間時，隨著時間的增加反應(yīng)收率逐漸增大。當(dāng)反應(yīng)時間大于1.5 h后，該反應(yīng)的收率已趨于穩(wěn)定，綜合考慮反應(yīng)時間最佳為1.5 h。

圖4 時間對反應(yīng)收率的影響

2.6 離子液體可重復(fù)利用情況

當(dāng)投料質(zhì)量比例為：m(TFA)∶m(AE)∶m([MIMPS][HSO4])=5.7∶3.3∶0.4，反應(yīng)溫度為45 ℃，反應(yīng)時間為1.5 h，在該工藝條件下合成三氟乙酸乙酯。反應(yīng)結(jié)束后分離回收離子液體，在相同的工藝條件下重復(fù)利用該離子液體的情況如表2所示，表明，在該合成工藝條件下，離子液體催化劑[MIM-PS][HSO4]重復(fù)利用4次后活性沒有明顯降低。

表2 離子液體回收重復(fù)使用對反應(yīng)的影響

3 結(jié)語

選用綠色功能離子液體1-甲基-(3-磺酸基丙基)咪唑硫酸鹽[MIM-PS][HSO4]為催化劑，以三氟乙酸(TFA)、無水乙醇(AE)為原料，合成三氟乙酸乙酯。當(dāng)投料質(zhì)量比例為：m(TFA)∶m(AE)∶m([MIM-PS][HSO4])=5.7∶3.3∶0.4，反應(yīng)溫度為45 ℃，反應(yīng)時間為1.5 h，產(chǎn)品收率可達(dá)98.3%，該離子液體催化劑重復(fù)利用4次后活性沒有明顯降低。