（化学工程专业论文）2氟异丁酸甲酯的合成工艺及工业化技术研究.pdf

浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 2 氟异丁酸甲酯的合成工艺及工业化技术研究 摘要 氟原子或含氟基团( 如三氟甲基、三氟甲氧基、二氟甲基、二氟甲 氧基) 代替农药分子芳环上的其他基团能够显著提高农药活性。含氟三 嗪基团类除草剂不仅在除草活性上有显著优点，而且对稻谷无毒害作用。 2 氟异丁酸甲酯为合成含氟三嗪基团类除草剂的关键中间体，研究开发合 成2 。氟异丁酸甲酯新工艺，对含氟三嗪基团类除草剂产品的开发具有重 要的现实意义。 论文在文献阅译和工艺原理分析的基础上，评估了合成2 一氟异丁酸 甲酯各条工艺路线。研究了以2 羟基异丁酸甲酯为原料，经与氯化亚砜 反应得到中间体氯代亚硫酰酯，然后在催化剂存在下再与氟化氢反应得 到产品2 氟异丁酸甲酯的合成工艺。重点研究并实验优化了酰酯化反应、 氟化反应等工艺过程和合成工艺参数。确定了酰酯化反应的较优合成工 艺参数组合为：n ( 氯化亚砜) ：n ( 2 羟基异丁酸甲酯) 为1 7 ，反应温度为一 i o o 。c ，反应时间为3 5 小时；氟化反应的较优合成工艺参数组合为： 催化剂吡啶用量为2 羟基异丁酸甲酯的2 3 ，n ( 氟化氢) ：n ( 2 羟基异 丁酸甲酯) 为1 0 ：1 ( m 0 1 ) ，反应温度为4 0 。c ，反应时间为3 5 小时。 产品总收率达7 5 。 研究了产品的提纯工艺，分析了影响难分离杂质甲基丙烯酸甲酯产 生的反应条件因素并确定了合适的工艺条件：酰酯化反应温度小于2 0 、 氟化反应温度小于5 0 、氟化氢和2 羟基异丁酸甲酯摩尔比大于1 0 。新 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 工艺具有原料易得、操作简单、反应条件温和等特点。 在小试研究基础上，设计了2 氟异丁酸甲酯中试工艺流程、操作方 法、安全环保措施以及应急预案等。通过中试试验验证了小试结果，产 品收率达7 4 2 。为生产工艺流程及操作的进步设计优化提供了良好 的理论依据和可参考的工艺参数。 关键词：含氟除草剂，2 羟基异丁酸甲酯，2 氟异丁酸甲酯， 工艺优化，中试实验 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 s t u d yo nt h es y n t h e s i sa n di n d u s t r i a l i z e dt e c h n o l o g y o fm e t h y l 2 - f l u o r o i s o b u t y r a t e a b s t r a c t t h es t r u c t u r ea n dv a r i e t yo fp e s t i c i d ec h a n g ev e r yq u i c k l yu n d e r i n c r e a s i n g c o n c e r na b o u te n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r e t h em o d e r np e s t i c i d eh a sh i 曲h e r b i c i d a la c t i v i t y , s a f e t ya n dl o w e rr e s i d u e t h es t u d yo nf l u o r o c o n t a i n i n gh e r b i c i d eb e c o m e s a ni m p o r t a n ta s p e c to fr e s e a r c ho nm o d e r np e s t i c i d e ，b e c a u s et h eh e r b i c i d e c o n t a i n i n gf l u o r i n ea t o m so rf l u o r i n a t e dg r o u p s ( f o re x a m p l et r i f l u o r o m e t h y l ， t r i f l u o r o m e t h o x y , d i f l u o r o m e t h y l ，d i f l u o r o m e t h y l a n ds oo n ) h a sh i g h e r h e r b i c i d a la c t i v i t yt h a no n e sc o n t a i n i n go t h e rg r o u p s b a s e do nt h ee v a l u a t i o no ft h eb i b l i o g r a p h e ra n dt h ea n a l y s i so ft h e p r i n c i p l eo fr e a c t i o n s ，m e t h y l2 - f l u o r o i s o b u t y r a t e ，t h ek e yi n t e r m e d i a t e si n t h e s y n t h e s i s o ft r i a z i n eh e r b i c i d e s ，w a s s y n t h e s i z e d f r o m m e t h y l 2 - h y d r o x y i s o b u t y r a t e ，t h i o n y lc h l o r i d ea n df l u o r i n eh y d r i d eb ye s t e r i f i c a t i o n a n df l u o r i n es u b s t i t u t i o n t h ei n f l u e n c e so fe s t e r i f i c a t i o na n df l u o r i n a t i o n r e a c t i o nw e r ei n v e s t i g a t e di nm o l a rr a t i o ，t e m p e r a t u r e ，t i m ea n dc h a r g i n g u p m o d ea n ds oo n o p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n so fe s t e r i f i c a t i o nw e r es e l e c t r e d a sf o l l o w s ：n ( t h i o n y lc h l o r i d e ) ：n ( m e t h y l2 - h y d r o x y i s o b u t y r a t e ) 2 1 ：1 7 ， 一10 - 一，0 c ，3 - 。5 h o p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n so ff l u o r i n a t i o nw e r es e l e c t e d i i i 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 a sf o l l o w s ：p y r i d i n ea sc a t a l y s t ，i t sd o s a g ei s2 3 b a s e do nt h ea m o u n to f m e t h y l2 - h y d r o x y i s o b u t y r a t e ，n ( 心) ：n ( m e t h y l2 - h y d r o x y i s o b u t y r a t e ) 2 1 ： 10 ，4 0 。c ，3 5 h t h ey i e l do fm e t h y l2 - f l u o r o i s o b u t y r a t ew a sm o r et h a n 7 5 b a s e do nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，t h er a t i o n a ls c h e m ef o rt h e r e n o v a t i n go ft h ep r o c e s sw a sd i s c u s s e d t h en o v e lp r o c e s sa n dr e a c t o r s ， s t i r r i n gd e v i c e ，s e p a r a t es y s t e me t c w e r ed e s i g n e d t h et o t a ly i e l do ft h e p r o d u c ti nt h ep i l o te x p e r i m e n tr e a c h e da b o u t 7 4 2 t h er e s u l t so ft h e p r o c e s sd a t ai nt e s tw e r ea c c o r d e dw i t ht h o s eo ft h ee x p e r i m e n t s t h e r ew e r e s e v e r a lt y p i c a la d v a n t a g e so ft h en o v e lp r o c e s ss u c ha st h eb e t t e rs a f e t y , s t a b i l i t yo ft h ep r o c e s sa n dt h el o w - c o s to ft h ep r o d u c t i tp r o v i d e dt h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fm e t h y l2 - f l u o r o i s o b u t y r a t e a n dt h ef l u o r o - c o n t a i n i n gh e r b i c i d e k e y w o r d s ：f l u o r o c o n t a i n i n gh e r b i c i d e ；m e t h y l2 - f l u o r o i s o b u t y r a t e ；m e t h y l 2 - h y d r o x y i s o b u t y r a t e ；o p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r s ；p i l o t e x p e r i m e n t i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 卖悻彬 日期：汐产厂月尸e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密哦 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：纠蜜) 3 i 分 导师签名： 日期：秒7 年 日期：年 f 月日 月 日 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1 引言 在大力提倡“绿色化学”，日益强调环境保护和农业可持续发展的今天，农药市 场的品种结构正在发生剧烈的变化。就除草剂市场来说，新的品种正不断涌现，高 效安全的品种渐唱主角。对除草剂的研究除了要考虑如何更有效地杀灭杂草外，已 开始以适应环境、安全无公害为出发点【2 】o 由于氟原子半径小，又具有较大的电负性，它所形成的c f 键能要比c h 键能要大的多，用氟原子和含氟基团( 如三氟甲基、三氟甲氧基、二氟甲基、二氟 甲氧基) 代替农药分子芳环上的其他基团，能够显著提高农药活性【h 1 。因此，近十 年来国内外含氟农药得到迅速发展，目前世界上1 3 0 0 余个农药品种中，含氟农药 约占1 2 ，而在含氟农药中含氟除草剂约占4 5 ，因此可以看出含氟除草剂已经成 为世界农药工业发展的重点【5 - 9 。 1 2 含氟农药的分类和概述 1 2 1 含氟农药的分类 目前世界上1 3 0 0 余个农药品种中，含氟农药约占1 2 ，含氟农药已经成为世 界农药工业发展的重点【3 巧】，其中开发与应用较多的有以下几种。 含氟杀虫剂主要有含氟拟除虫菊酯类、含氟苯甲酰脲类。国内外正在开发或 已经投入工业化生产的含氟拟除虫菊酯类杀虫剂有氟氯菊酯、溴氟菊酯、七氟菊酯、 五氯菊酯、氟氯苯菊酯、氟胺氰菊酯、百树菊酯、三氟氯氰菊酯、五氟苯菊酯等。 含氟杀菌剂含氟杀菌剂开发较为缓慢，主要品种有氟硅唑、氟菌唑、苯氟磺 胺、氟苯嘧啶醇、氟氯菌核利、氟唑醇、氟啶胺等。 含氟除草剂国外已商品化的含氟除草剂品种较多，主要品种有氟化除草醚、 麦草胺伏、氟草烟、氟乐灵、乙氧氟草醚、氟磺胺草醚、四氟丙酸钠、三氟羧草醚、 吡氟禾草灵、呋草酮、氟咯草酮、丙炔氟草胺、胺草唑、唑苯酯等【6 。8 】。 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 含氟杀螨剂多数含氟的杀螨剂均兼具杀虫作用，主要品种有芳氟胺、氟螨塞、 虫螨腈等，目前这些产品国内尚未生产。 含氟植物生长调节剂该类产品并不多，主要有调嘧醇、氟节胺，以及日本近 年开发的含三氟基的吲哚羧酸类化合物三氟吲哚丁酸。 1 2 2 含氟除草剂概述 含氟除草剂是含氟农药中所占比例最大的品种，约占含氟农药总量的4 5 左 右。在近十年开发新型农药中，含氟化合物占5 0 ，仅1 9 9 8 1 9 9 9 年报道新开发 出的含氟除草剂就有1 4 个，含氟除草剂的快速发展也正符合了世界农药的发展趋 向。 ( 1 ) 芳( 杂) 环上含氟原子的除草剂 芳( 杂) 环上含氟原子的农药，该结构的农药最早是日本三菱化成公司开发的氟 化除草醚，比较典型的产品是酰胺类除草剂麦草伏和激素型除草剂氟草烟。近年来 又开发出许多新品种，如氰氟草酯、丙炔氟草胺等。 ( 2 ) 芳( 杂) 环上含三氟甲基的除草剂 含三氟甲基芳( 杂) 环的农药中，以除草剂开发最早、最多。最早开发出的是二 硝基苯胺类除草剂氟乐灵，后来尤其是二苯醚类和苯氧丙酸类除草剂结构中通过三 氟甲基的引入，明显提高其活性，二苯醚类品种有三氟羧草醚、乙氧氟草醚、乙羧 氟草醚、氟磺胺草醚、氟氯草醚等；苯氧丙酸类主要品种有毗氟禾草灵、吡氟甲禾 灵、吡氟氯禾灵、乳氟禾灵、氟萘草酯等。除这两大类外，含三氟甲基芳( 杂) 环的 农药还有呋草酮、氟草咯酮、吡氯草胺、氟啶磺隆、氟醚草酯等。 ( 3 ) 芳( 杂) 环上含有o c f 3 、一c h f 2 、o c h f 2 等基团的除草剂 芳( 杂) 环含有一o c f 3 、- c h f 2 、o c h f 2 、o c h 2 等基团的除草剂主要品种为 氟嘧磺隆、酮草酯、氟硫草啶等【1 9 1 。 ( 4 ) 烷碳链上和非直链连于芳( 杂) 环上具有氟原子的除草剂 2 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 在烷碳链上含有氟原子的除草剂以磺酰脲类为主，也有一些其他品种，具有该 结构除草剂品种不多，主要有三唑类胺草硅，通用名称为f l u p o x a m ，是由日本吴羽 化学公司和美国孟山都公司共同开发的一种有丝分裂抑制剂，主要用于防除越冬谷 物田中的一年生阔叶杂草，其所需中间体为五氟丙酸钠等【7 - 8 1 。另外还有磺酰脲类的 三氟丙磺隆、三嗦类的三嗪氟草胺、酰胺类的m e f l u i d i d e 、由i d m i t s uk o s a n 公司最 近开发的三嗪胺类用于稻田防除禾本科杂草的除草剂t r i a z i f l a m 等。这些品种国内 均未见研究、生产与使用的报道【1 0 j 。 1 2 3 含氟三嗪类除草剂 三嗪类除草剂是以三嗪为骨架的化合物，它的除草活性于1 9 5 2 被年发现，这 些化合物的除草剂活性及选择性于1 9 5 5 年首次被发裂1 0 1 。由于其高效低毒的特性， 至今仍为有价值的旱田除草剂，它主要用于控制宽叶及绿色杂草。该类化合物的结 构通式如图1 1 ： 4 1 1 。一n h 图1 1 三嗪类化合物的结构通式 含氟三嗪类除草剂典型的结构【l l 】如图1 2 。含氟三嗪类除草剂是以2 氟异丁酸 酯为中间体，与双胍衍生物反应而得到，如以2 苯氧基1 甲乙双胍为原料与2 氟异 丁酸甲酯在碱性条件下进行反应可生成有较好活性的含氟三嗪类除草剂【1 2 1 ，其化学 反应方程式如图1 3 。由于引入了含氟基团，提高了三嗪类除草剂的生理活性。该 类除草剂具有显著的优点，它不仅有很好的除草性能，同时不会对植物如水稻等产 生毒性。 渐, i t 业大学2 0 0 8 硕士学位论文 h h 3 c m e o n a m e o h 9 测熙火厶 r 图1 2 含氟三嗪类除草剂典型的结构 r o o mt e m p e r a t u r e ，l o h o u r s 午h 3 c n - - 太c - - n fn 太n 怎n 八及m h 3 c 图1 32 氟异丁酸甲酯合成含氟三嗪类除草剂 1 2 42 氟异丁酸甲酯简介 2 氟异丁酸甲酯，英文名为m e t h y l2 - f l u o r o i s o b u t y r a t e ，分子量为1 2 0 1 2 ，其结 构式如图1 - 4 ： c h 3 i f c 一c o o c h 3 i 3 c h 3 图1 42 氟异丁酸甲酯结构式 2 氟异丁酸甲酯常温下为无色透明液体，沸点1 0 6 - - 一1 0 7 。c ，难溶于水，溶于丙 酮和d m s o 等有机溶剂。2 氟异丁酸甲酯主要质量指标为： 4 f 4 叱一 沁 cici土、 严忑 c 叱 hcooc h 一 心 c i c i c f + ch厶hnhnchnhnchn 对 hchchco 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 表1 - 12 一氟异丁酸甲酯主要质量指标 项目 技术指标 2 氟异丁酸甲酯 甲基丙烯酸甲酯 2 氯异丁酸甲酯 2 羟基异丁酸甲酯 三9 8 6 9 8 郢1 9 3 1 3 课题研究意义 2 氟异丁酸甲酯作为农药中间体，可以合成含氟三嗪基团类除草剂，它是由苯 氧基烷基胺被三嗪基团取代制得。这类除草剂不仅在除草活性上有显著优点，而且 对稻谷无毒害作用。随着含氟除草剂的广泛应用，对其中间体的需求量将迅速增长。 巨化集团公司是全国重要的氟化工基地，同时也是浙江省氟化工先进制造业基 地，氟化工产业是巨化集团公司的核心产业。依靠已有的氟化工发展基础和浙江省 的氟化工资源，巨化集团公司发展氟化工具有独特的优势。巨化集团公司“十一五” 发展规划，明确提出围绕“一个核心、三大支柱”即以氟化工为核心，以基础化工、 精细化工和生物化工为支柱，打造中国氟化工先进制造业基地，含氟精细化学品作 为精细化工的一个分支，是我公司氟化工产业重点发展领域之一。 因此，根据含氟精细化学品的发展趋势和市场需求以及我公司发展规划，对2 一 氟异丁酸甲酯工业化生产方法进行研究，具有重要的现实意义和战略意义。 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 第二章文献综述 2 12 氟异丁酸甲酯研究进展 2 氟异丁酸甲酯合成方法的文献报道较多，但具有工业化生产价值的工艺路线 却屈指可数。在工业化生产中，减少杂质的产生，提高产品纯度；提高产品收率及 合成经济性，增强产品竞争力是研究的重点。 2 1 1 2 溴异丁酸甲酯和氟化银为原料法 由2 溴异丁酸甲酯和氟化银进行卤代反应得到2 氟异丁酸甲酯。其化学反应方 程式如下： c h sa 鼍 b 扣 c o o c h 3 + a e y _ f b _ - - c c ) 0 c h 3 6 h 3hc h 3钒 虽然原料2 溴异丁酸甲酯有工业化生产，容易得到，价格也不高，但该方法存 在两个主要问题：一是原料a g f 较贵，原料成本明显增加；二是氟化过程中原料 2 一溴异丁酸甲酯在反应过程中会发生消去反应，产生甲基丙烯酸甲酯副产品，使得 产品收率不高，并且甲基丙烯酸甲酯的大量产生，影响了产品质量【l l - 1 4 1 。 2 1 2 2 溴异丁酸甲酯和氟化钾为原料法 同样以2 溴异丁酸甲酯为原料，在质子溶剂如乙腈、二甲基甲酰胺、二甲基亚 砜中与氟化剂反应，氟化剂采用碱金属氟化盐如氟化钾等【1 2 】。反应温度8 0 1 4 0 ， 反应时间5 - - 4 0h ，一般1 6h 以上，其化学反应方程式式如下： 。，呈h 3 d m s o ch3cooch b 卜- 车一3 + k f _ f - - & - c o o c h 3 c h 3 6 h ， 相比2 一溴异丁酸甲酯和氟化银为原料法，用氟化钾替代氟化银作氟化剂，成本 可大幅降低。虽然该反应具有高选择性，但反应时间长，反应温度高，收率还不够 理想，仅为4 5 左右。 6 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 2 1 3 异丁酸甲酯与三甲基氯硅烷为原料法 岷lh 3 c o s i ( c h 3 ) 3 f 2宁叱 h 3 了c ) c o o c 吒警h 3 ，= c 屹3 一p c 吨 h 3 c- o c h 3 。3 e h 3 2 1 4 2 一羟基异丁酸甲酯和氟磺酸为原料法 以2 一羟基异丁酸甲酯为原料，氟化剂为氢氟酸或氢氟酸的胺盐，如嘧啶、三甲 基毗啶、三聚氰胺、三甲胺、三乙胺，催化剂为氟磺酸或氯磺酸【1 每1 7 1 。在常压下， 反应温度1 0 , - , 5 0 。c 。本方法文献收率最高为5 2 ，设备简单，具有工业化价值。其 化学反应方程式如下： c h l c h 3 l f s 0 3 h i h 0 。彳0 0 叫3 h f r 彳乇0 0 叫3 l 。 i 。 c h 3 c h 3 c h 3 c h 3 i 。c i s 0 3 hi h 0 。彳七0 0 叫3 h f r 午0 0 叫3 i 。 1 一。 c h 3 c h 3 原料2 羟基异丁酸甲酯原料可由异丁酸甲酯与5 的h 3 8 0 3 获得【1 7 j ，国内已实 现工业化生产。如以丙酮氰醇为原料与氯化氢和甲醇反应，得到的中间产物经碳酸 氢钠中和精制后即得产品2 羟基异丁酸甲酯，收率达8 2 以上【1 6 1 。中间产物的结构 式为： 7 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 与前三种方法相比，以2 羟基异丁酸甲酯和氟磺酸为原料法收率有了较大幅度 提高，但由于甲基丙烯酸甲酯大量产生，且与产品沸点接近，使得工业化过程中除 去甲基丙烯酸甲酯的后处理较为复杂，导致产品纯度不高。同时为了提高原料2 羟基异丁酸甲酯的转化率，需要加大氟磺酸的投料量( 摩尔比6 ：1 以上) ，所以反 应后处理时需要大量的碱化物如氢氧化钙等来中和未反应的氟磺酸，这样又会产生 大量的副产物，增加了环境治理成本。 2 1 5 甲基丙烯酸甲酯与氢氟酸为原料法 甲基丙烯酸甲酯与无水氢氟酸( 含水小于1 质量分数) 或氢氟酸胺盐如吡啶、 三甲基吡啶、三聚氰胺、三甲胺、三乙胺等加成反应制得。其化学反应方程式如下： f p 州d i n ei c h 2 2 c 一c o o c h 3 + h f 二一c h 3 一e - c o o c h 3 i i c h 3 c h l 该方法反应温度为5 0 1 2 0 ，压力为常压，即使在无催化剂存在条件下反应选 择性也很高。用路易斯酸催化剂如硫酸、甲基磺酸、氟磺酸、三氟甲基磺酸、三氯 化铝、三氯化铁、二氯化锌、四氯化锡、五氟化锑等会增加收斟2 0 乏4 1 。氟化剂是氢 氟酸胺盐如吡啶氢氟酸络合物，氟磺酸为催化剂。 该方法存在的问题：一是虽然选择性很高，几乎达1 0 0 ，但是产品收率不高， 只有2 5 ；二是原料甲基丙烯酸甲酯，与产品沸点接近，给产品的提纯带来困难， 影响产品质量的同时又会增加工业化成本。 2 1 62 羟基异丁酸甲酯、氯化亚砜、氟化氢为原料法 以2 羟基异丁酸甲酯为原料分两步反应，第一步是酰酯化反应，2 羟基异丁酸 甲酯与氯化亚砜反应先生成氯代亚酰酯中间产物2 1 1 ；第二步是氟化反应，氯代亚酰 酯在催化剂存在下与氟化氢反应生成2 氟异丁酸甲酯【1 8 1 。其化学反应方程式如下： c 3 h hno 忆 忆 一 oh 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 o h o s o c l l i 阴3 f 0 0 叫3 + s o c l 2 明3 。彳0 0 明3 + h a c h 3c h 3 c 衅c 。c ”m c h 3 - - c 。c 吲+ s 。2 c h 3 c h 3 该方法反应条件相对温和，设备简单，操作方便，产品收率可达6 0 左右，较 其他方法高。副产物少，杂质容易分离，通过精馏可得到纯度较高的产品。 2 2 合成路线的选择 对比上述2 氟异丁酸甲酯的合成方法，从原料成本、收率和减少杂质甲基丙烯 酸甲酸的产生等因素考虑，以2 羟基异丁酸甲酯、氯化亚砜、氟化氢为原料的生产 方法，产品经济性好，市场竞争力强，最适合于工业化生产。因此，论文选择该合 成路线进行研究。该方法分酰酯化和氟化两步反应，我们将在参考文献的基础上， 着重对酰酯化反应和氟化反应进行研究，同时通过中试试验，对小试研究结论作进 一步的验证。 2 2 1 酰酯化试剂的选择 氯化亚砜具有强的氯化能力和脱水能力【2 1 1 ，广泛用作有机合成及工业生产中的 氯化剂、催化剂以及脱水剂：常用于羟基和巯基的酰酯化、酸酐、羧酸与磺酸的酰 氯化、有机磺酸或硝基化合物的氯代，与格利雅试剂反应生成相应的亚砜化合物等。 近年来采用氯化亚砜作酰氯化试剂，与其他试剂相比，氯化亚砜与有机物反应后 副产物为h c l 和s 0 2 ，易于吸收治理，并可通过回收后再利用，变废为宝，节约成本， 减少环境污染，利用前景广阔。 氯化亚砜取代醇羟基或巯基生成氯代烃醇( 包括饱和醇及不饱和醇) 被氯化亚砜 取代羟基生成氯代烃。不饱和醇被氯化亚砜取代羟基后生成氯代不饱和烃，同时伴随 有h c l 脱去生成不饱和度更高的烯烃或双键转移等副反应发生。 9 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 氯化亚砜与一元醇反应一般先生成亚硫酸酯酰氯，然后脱去二氧化硫生成氯代 烃。当在溶剂中反应时，由于溶剂参与反应往往保持原有构型；当没有这类溶剂时， 可能通过c 1 背面进攻亚硫酸酯酰氯而导致构型发生转变。 氯化亚砜与醇反应可直接得到氯代烷，同时生成二氧化硫和氯化氢气体，这些 气体的放出有利于反应向生成产物的方向移动。反应过程一般先生成氯代亚硫酸 酯，然后分解为紧密离子对，c l 作为离去基团o s o c i 中的一部分，向碳正离子正 面进攻，得到构型稳定的产物氯代烷。低温时可以分离出中间产物氯代亚硫酸酯， 经加热分解为氯代烷和二氧化硫。它是分子内取代反应，经过反应原羟基所有碳原 子仍然保持原来的构型，只是氯原子占据了羟基所在的位置。 氯代亚硫酸酯在低温下稳定，高温下会分解生成氯代烷、氯化氢和二氧化硫。 反应过程中产生的氯化氢和二氧化硫，经过吸收处理。 2 2 2 氟化试剂的选择 制取有机氟化合物始终是一个困难的领域。这是因为分子氟本身非常活泼，难 以做到将氟原子引入到有机分子所需的位置上。通过不懈努力和研究，目前已提出 许多形成c - f 键的有效途径。 ( 1 ) 亲核氟化剂 采用f 。离子进行亲核取代的研究开始于1 9 6 3 年，提出了多种氟化剂。要解决 的问题有：低溶解度、亲核取代反应中的取代与消除、降低毒性和成本、增加氟化 剂的稳定性等。亲核氟化剂种类较多，其中最重要的是碱金属氟化物，如氟化钠、 氟化钾，氟化反应通常在高沸点溶剂中进行。除了碱金属氟化物外，比较重要的氟 化剂还有四烷基氟化铵、聚吡啶氟化氢、烷胺氟化氢等【2 2 1 。如聚吡啶氟化氢其分子 组成是i m o l 吡啶：9 m o l h f ( 摩尔比) ，可用来替代无水氟化氢，主要用于氟化仲 醇、烷烃及炔烃，以及卤素交换反应。 ( 2 ) 亲电氟化剂 这类氟化剂被用来向富电荷中心引入氟电子。由于氟是电负性最强的元素，要 克服这一困难，需通过诱导效应从氟中夺取电荷，或是在邻近氟原子处连接优良的 离去基团，或者将二者结合起来。如c f 3 0 f 、c f 3 c f 2 0 f 以及f 2 等。可被用来氟化 芳环、格氏试剂等。 1 0 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 ( 3 ) 电解氟化 电解氟化常用于合成多氟有机化合物。 氟化氢能和许多有机物形成稳定的络和物，如吡啶、三乙胺等，形成的络和物 是氟化氢吡啶盐或三乙胺盐，这些络合物能促进氟化氢的氟化反应。我们选择了三 乙胺、吡啶、不加催化剂三种试验方案。 为了制取所需的氟化物，一般采用置换氟化的方法，用各种氟化剂来有机化合 物中的其它基团，以获取所需的氟化产品。在工业生产中使用最多的是h f 、s b f 5 、 n a f ，尽管他们的反应活性比a g f 、k f 要低些，但它们不仅容易得到而且价格便宜， 所以被广泛使用。 2 3 论文选题与研究工作 在查阅文献资料的基础上，对2 氟异丁酸甲酯的六种合成方法进行了对比和选 择，论文选择了以2 羟基异丁酸甲酯、氯化亚砜、氟化氢为原料的生产方法，该工 艺产品经济性好，市场竞争力强，最适合于工业化生产。因此，论文着重对以2 羟基异丁酸甲酯、氯化亚砜、氟化氢为原料生产2 氟异丁酸甲酯的工业化合成新方 法进行研究。 以2 羟基异丁酸甲酯、氯化亚砜、氟化氢为原料生产2 氟异丁酸甲酯的新方法 分为酰酯化反应和氟化反应两步，反应原理如下： o h o s o c l fl c h 3 - c 一c o o c h 3 + s o c l 2 _ c h 3 一c 。一c o o c h 3 + h c l li c h 3 c h 3 o s o c l i c h 3 。彳o o c h 3 c h 3 + 耶一c h 3 _ - c o 。c ”硼一2 c h 3 虽然文献报道了可以采用以2 羟基异丁酸甲酯、氯化亚砜、氟化氢为原料合成 2 氟异丁酸甲酯，但由于该方法用氟化氢等腐蚀性较强危险物品做原料，实验条件 苛刻，因此并未给出确定的工艺操作条件。巨化集团公司是全国的氟化工基地，能 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 熟练掌握和使用氟化氢且原料易得，具有原料优势。论文在查阅相关文献资料的基 础上，对该工艺进行完善和优化，使该方法能用于工业化生产，主要工作有： ( 1 ) 着重对酰酯化反应和氟化反应的工艺条件进行研究，确定最佳工艺条件， 在保证产品质量的情况下，力争获得较高的产品收率。 ( 2 ) 对影响产品质量的杂质甲基丙烯酸甲酯的产生条件进行研究，以尽量减 少杂质的产生，以提高产品纯度和产品收率。 ( 3 ) 通过小试实验，设计中试试验的条件和工艺，为下步工业化生产奠定基 础，同时也可通过中试试验进一步验证小试结论。 1 2 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 i i i i ii 1i i 3 1 主要原料及试剂 第三章小试实验部分 3 1 1 原料及试剂的规格、厂家 实验用的原料及试剂的规格、生产厂家见表3 - l ： 表3 1 实验用原料及试剂一览表 名称 规格含量( ) 生产厂家 2 羟基异丁酸甲酯 工业品 9 9 o 苏州贝利医药原料有限公司 氯化亚砜 分析纯 9 9 o 中医集团上海化学试剂公司 氟化氢 工业品 二氯甲烷 分析纯 碳酸氢钠 化学纯 吡啶分析纯 三乙胺 化学纯 氢氧化钠 工业品 氯气 工业品 9 9 。9 浙江衢化氟化学有限公司 9 9 5 9 9 8 9 9 0 9 9 。0 9 9 0 巨化集团公司试剂厂 上海虹光化工厂 上海远东化工试剂厂 巨化集团公司试剂厂 巨化股份有限公司电化厂 9 9 5 巨化股份有限公司电化厂 4 a 分子筛3 1 q l , 品 0 3 o - 3 3 m m上海嘉定正达分子筛厂 3 1 2 原料及试剂的性质木 氯化亚砜 别名：二氯亚砜，二氯氧硫，氯化亚硫酰，亚硫酰氯 英文名称：m o n y lc h l o r i d e ；s u l f o r o u so x y c h l o r i d e ，s u l f u ro x y c h l o r i d e 分子式：s o c l 2 相对密度：1 6 4 0 ( 1 5 5 1 5 5 ) 熔点：1 0 5 蒸气压：1 3 3 3 千帕( 2 1 4 c ) 分子量：1 1 8 9 8 沸点：7 8 8 0 。c ( 9 9 4 6 k r i a ) 性状：无色或淡黄色发烟液体，有特殊气味。暴露在空气中挥发出浓烟， 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 遇水或潮气则分解为二氧化硫、一氯化硫、盐酸、氯气等。在碱溶液中更易水解。 触及皮肤能引起灼伤。 氢氟酸 别名：氟化氢酸英文名称：h y d r o f l u o r i ca c i d 分子式：h f 分子量：2 0 0 1 相对密度：1 2 7 ( 3 4 ) 熔点：8 3 5 5 * c 沸点：1 9 1 5 。c 蒸气压：5 3 2 k p a ( 2 5 c ) 性状：易溶于水、乙醇，溶于许多有机溶剂，微溶于乙醚。氢氟酸腐蚀性 极强，能腐蚀玻璃和指甲，蒸气极毒。操作人员必须穿戴好防护用具，严防触及皮 肤。 2 羟基异丁酸甲酯 别名：2 羟基2 甲基丙酸甲酯 英文名称：m e t h y l2 - h y d r o x y - 2 - m e t h y l p r o p i o n a t e 分子式：c 5 h l 0 0 3 分子量：1 1 8 1 3 相对密度：1 0 2 3 熔点：常温下为液体 沸点：1 3 7 。c 性状：无色或浅黄色液体，能溶于醇、醚，不溶于水。 二氯甲烷 别名：甲又二氯 分子式：c h e c l 2 相对密度：1 3 3 ( 水= 1 ) 熔 点：9 6 7 c 蒸气压：3 0 5 5 k p a 英文名称：d i c h l o r o m e t h a n e 分子量：8 4 8 9 沸点：3 9 8 性状：无色透明挥发液体，有刺激性芳香味，微溶于水，溶于乙醇、乙醚 等，不易燃烧，在热和潮湿和条件下，可分解为盐酸、二氧化碳、一氧化碳和可能 1 4 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 释出光气。 毗啶 别 名：氮( 杂) 苯英文名称：p y r i d i n e 分子量：7 9 相对密度：0 9 8 3 0 熔点：4 2 沸 点：1 1 5 5 c 蒸气压：1 6 m m h g ( 2 0 c ) 性状：无色或淡黄色液体。溶于水、乙醇、丙酮、乙醚和苯。 三乙胺 英文名称：t d e t h y l a m i n e 分子量：1 0 1 2 熔点：1 1 4 7 c 蒸气压：5 4l l l l nh g ( 2 0 ) 性状：无色或淡黄色透明液体， 水，溶液呈碱性。 相对密度：0 7 2 7 5 沸点：8 8 8 c 有强烈氨臭。能溶于乙醇和乙醚。微溶于 碳酸氢钠 别名：重碳酸钠、小苏打 英文名称：s o d i u ma c i dc a r b o n a t e 分子式：n a h c 0 3分子量：8 4 熔点：2 7 0 。c沸 点：8 5 1 相对密度：2 1 5 9蒸气压：无数据 性状：白色粉末或不透明单斜晶系细微结晶。无臭，味咸。可溶于水，微 溶于乙醇。 氯气 别名：无 分子式：c 1 2 相对密度：2 4 7 英文名称：c h l o r i n e 分子量：7 0 9 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 熔点：1 0 0 9 6沸点：3 4 0 6 蒸气压：无数据 性状：绿黄色气体，具有刺激性漂白性能。 氢氧化钠 别名：氢氧化钠；苛性钠；火碱 英文名称：c a u s t i cs o d a ；s o d i u mh y d r a t e ；s o d i u mh y d r o x i d e 分子式：n a o h 分子量：4 0 相对密度：2 1 3 0 ( 水= 1 ) 熔点：3 1 8 4 c沸点：1 3 9 0 。c 性状：白色可潮解的固体，是强碱之一，能在水中溶解，能与许多有机、 无机化合物起反应，腐蚀性强。 4 a 分子筛 典型化学组成n a 2 0 ，a 1 2 0 3 ，2 s i 0 2 ，4 ( 1 2 ) h 2 0 。属于钠型结构的碱金属硅铝酸 盐，能吸附临界直径为4 a 的分子。采用提高再生气体温度吹扫或加热抽真空等方 法，可重新使用。 以上物性数据参考章思规编实用精细化学品手册。 3 2 主要实验仪器及设备 表3 2 主要实验仪器及设备一览表 1 6 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 3 3 实验操作 3 3 1 酰酯化反应 在5 0 0 m l 的四口烧瓶中加入2 3 6 9 ( 0 2 m 0 1 ) 2 羟基异丁酸甲酯，搅拌，冷却至 一5 左右，缓慢滴加4 0 5 9 ( 0 3 4 m 0 1 ) 氯化亚砜，反应3 - - - 4 h 后停止搅拌，得无色 透明液体待用。 3 3 2 氟化反应 开启带有搅拌的1 l 不锈钢釜的夹套冷却，向釜中缓慢加入4 0 9 ( 2 m 0 1 ) 氟化 氢和o 8 9 催化剂。将上步得到无色透明液体缓慢加入不锈钢釜中，停止冷却，缓慢 升温，在4 0 * ( 2 下搅拌反应3 - , 5 h 。反应结束后，加入二氯甲烷萃取出有机相，然后 静置分层得到含粗品的c h z c h 溶液。 3 3 3 去除杂质及精馏提纯 将含粗品的c h 2 c 1 2 溶液进行水洗、碱洗( n a h c 0 3 溶液) 和二次水洗，然后放 入干燥器进行干燥除去水分。再向有机相中通入一定量的氯气，经分析甲基丙烯酸 甲酯含量合格时停止通氯气。用玻璃填料柱进行减压分馏，在1 5 0 r n m h g 下取6 8 c 的馏份得2 氟异丁酸甲酯1 8 2 9 ，经气相色谱测得含量为9 9 ，收率为7 5 。 经分析，产品2 氟异丁酸甲酯的特征数据为：i r ( k b r ，c m 以) ：1 7 3 6 ( c = o ) ， 1 4 6 8( 甲氧基c h ) ，1 4 3 8 ( 甲基c h ) ，1 3 7 6 9 ，1 3 6 4 9 ( c c ) ，1 2 6 8( c f ) ， 1 2 7 6 ( o = c c ) ，1 1 9 2 ( 甲酯特征峰) 。 1 7 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 第四章实验结果与讨论 4 1 酰酯化反应 酰酯化反应是由原料2 羟基异丁酸甲酯与氯化亚砜进行亚硫酰氯反应得到氯 化中间体2 亚硫酰氯异丁酸甲酯，反应过程中副产氯化氢。其反应原理如下： o h o s o c l li 吣f 0 0 叫3 + s o c l 2 明3 c - c 0 0 叫3 + h a c h 3 c h 3 4 1 1 反应机理 氯化亚砜与2 羟基异丁酸甲酯发生酰酯化反应的机理如下： c i h 3 c ii h 3 c o o c c - - o h + s = o c l h 3 c f ，、， c h a ie h 3 c o o c 一罕一oh c i c h a o h 3 l o o = h 3 c o o c - - c i o hci+ci-s=o c h a f h 3 - 即0 0 d c - o 1 8 。o 斗 4 1 2 反应影响因素 c h 3 c h 3 o s o c l i h 3 c o o c - c - c h 3 l c h 3 影响酰酯化反应的因素很多。其中有氯化亚砜和2 羟基异丁酸甲酯的摩尔比、 反应温度、反应时间、加料方式等，其中物料比和温度的控制是关键。 1 8 浙江工业大学2 0 0 8 硕士学位论文 ( 1 ) 氯化亚砜和2 羟基异丁酸甲酯摩尔比对产品收率的影响 氯化亚砜与2 羟基异丁酸甲酯在理论上是等摩尔反应的，但氯化亚砜易挥发及 分解，同时为了有利于2 一羟基异丁酸甲酯的完全反应，适当增加氯化亚砜的量，让 较贵原料2 羟基异丁酸甲酯能更充分反应，从而降低生产成本，因此选择了1 1 2 0 之间不同的摩尔比进行实验。实验结果见表4 1 ： 表4 1s o c l 2 2 羟基异丁酸甲酯m o l 比与收率关系 、 冰 褂 擎 咯 碰 静一f on ；4 。“一? ；th 乒，一7 | ，“t1 j ，一正。 ? 。一7 。一叫 锈 学一j 窀j | | 鼍 j 1 l ，、，i ：。，。10 1 11 31 51 72 t o o l 比 图4 - is o c l 2 2 羟基异丁酸甲酯t