丙酮乙二醇氯化法合成氯丙酮工藝研究

王玉霜 施建奎 王芳 徐林 夏瑩 錢赟

1江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司（江蘇揚(yáng)州 225009）

2江蘇瑞祥化工有限公司（江蘇揚(yáng)州 211400）

3揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（江蘇揚(yáng)州 225127）

4江蘇瑞盛新材料科技有限公司（江蘇揚(yáng)州 211400）

氯丙酮是有機(jī)合成中一種用途廣泛的合成原料。在醫(yī)藥行業(yè)中，氯丙酮主要用于生產(chǎn)止痛藥、抗菌素等。氧氟沙星于1986研制成功上市后，在80多個國家和地區(qū)得到推廣和應(yīng)用。隨著氧氟沙星市場的逐步擴(kuò)大，氯丙酮作為主要原料，需求量也逐步增加。在合成染料工業(yè)中，一氯丙酮用于合成54#黃、64#黃等分散染料。另外，氯丙酮可生產(chǎn)殺蟲劑、抗氧劑、酶活性劑、乙烯型感光樹脂和彩色膠卷偶聯(lián)劑等[1]。

氯丙酮為無色液體，熔點(diǎn)為-44.5℃，沸點(diǎn)為119.7℃，相對密度為1.123。一氯丙酮能與醇、醚和氯仿混合，微溶于水，有強(qiáng)烈的刺激性。

目前氯丙酮的合成路線主要有丙酮氯氣直接氯化法、丙酮乙二醇氯化法、丙酮非氯氣氯化法及電解氯化法。其中丙酮氯氣氯化法、丙酮非氯氣氯化法和電解氯化法的主要缺點(diǎn)是不可避免地產(chǎn)生深度氯化的副產(chǎn)物或者生產(chǎn)成本較高，而采用丙酮乙二醇氯化法可以有效地避免深度氯化，且后處理成本相對較低。

本研究選擇丙酮直接氯化制備一氯丙酮的合成路線。由于丙酮直接氯化會產(chǎn)生深度氯化副產(chǎn)物1，3-二氯丙酮，其沸點(diǎn)與一氯丙酮相近，難以分離，因此必須對其產(chǎn)生量進(jìn)行控制[2]。選擇二元醇類溶劑與丙酮反應(yīng)生成較為穩(wěn)定的過渡態(tài)，然后再水解生成產(chǎn)物的方法，對反應(yīng)機(jī)理的分析表明，該方法可以有效地提高反應(yīng)的選擇性[3]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

丙酮（w≥99.5%），分析純，南京化學(xué)試劑股份有限公司；乙二醇（w≥99.0%）、無水硫酸鈉（w≥99.0%），分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；燒堿（w≥32.0%）、液氯鋼瓶（w≥99.0%），江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司。

1.2 分析設(shè)備

Agilent7890 B型氣相色譜儀，火焰離子化檢測器 （FID），Agilent DB-WAX毛細(xì)管柱 （膜厚 0.25 μm，內(nèi)徑 0.32 mm，柱長 30 m)，安捷倫科技有限公司。使用體積分?jǐn)?shù)為99.99%的氮?dú)庾鳛檩d氣，體積分?jǐn)?shù)為99.96%的氫氣作為燃?xì)?，空氣作為助燃?xì)猓?種氣體的流速分別為30，30和350 mL/min。柱溫采用多段式程序升溫：初溫50℃保持4 min，以15℃/min的速率升溫至220℃，保持10 min；進(jìn)樣器溫度為250℃，檢測器溫度為250℃，柱溫為90℃，分流比為60∶1，柱壓為47 kPa；采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）色譜工作站處理數(shù)據(jù)[4]。

1.3 氯丙酮的合成

將定量的丙酮和溶劑裝入四口燒瓶中，在攪拌條件下緩慢通入氯氣，并用電筒光照，尾氣通入稀堿水吸收瓶；反應(yīng)過程中有熱量放出，通過水浴冷卻控制反應(yīng)溫度。反應(yīng)后產(chǎn)物分層，取下層物質(zhì)加入定量的水，加熱回流水解；水解后產(chǎn)物分層，取下層物質(zhì)，利用無水硫酸鈉脫水后抽濾，濾液通過精餾柱精餾分離[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑對反應(yīng)的影響

丙酮直接氯化的反應(yīng)方程式如式（1）所示。

副反應(yīng)：

根據(jù)其反應(yīng)方程式推斷反應(yīng)機(jī)理，丙酮分子中的α-H由于受到鄰位羰基的影響[6]，容易被鹵素取代，在其與氯氣接觸的過程中，會迅速發(fā)生取代反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)生成的產(chǎn)物一氯丙酮繼續(xù)與氯氣接觸時，會發(fā)生深度氯化，繼續(xù)生成深度氯化產(chǎn)物二氯丙酮、多氯丙酮。同時，在氯化氫存在的條件下，丙酮會生成副產(chǎn)物異丙叉丙酮。深度氯化的副產(chǎn)物與產(chǎn)品一氯丙酮的沸點(diǎn)相近，難以分離，因此，要通過合理的生產(chǎn)成本得到較高純度的一氯丙酮產(chǎn)品，必須控制深度氯化副產(chǎn)物。本研究采用二元醇類物質(zhì)作為催化劑，通過其與丙酮生成較穩(wěn)定的中間產(chǎn)物的方式來控制深度氯化副產(chǎn)物，其（以乙二醇為例）反應(yīng)機(jī)理如式（3）、（4）所示。

根據(jù)反應(yīng)機(jī)理可以看出，其生成的環(huán)狀縮酮中間產(chǎn)物由于空間位阻效應(yīng)，難以與氯氣進(jìn)一步發(fā)生取代反應(yīng)，因此可以有效地控制深度氯化的副產(chǎn)物。本次實(shí)驗(yàn)主要選取的溶劑為乙二醇，1,3-丙二醇，1，4-丁二醇，反應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 二元醇溶劑對氯丙酮產(chǎn)率的影響

由表1數(shù)據(jù)可以看出，在采用乙二醇作為溶劑時，其反應(yīng)的選擇性更好。原因可能是：生成的中間體為較穩(wěn)定的五元環(huán)結(jié)構(gòu)，增加了丙酮分子中α-H的活性，使其易于被Cl取代。以乙二醇為溶劑，對應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99.0%以上，產(chǎn)品收率在75.0%以上。因此，選取乙二醇作為溶劑更加合理。

2.2 反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響

針對溫度對反應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)，選擇控制反應(yīng)溫度為5～30℃，考察其對反應(yīng)選擇性、收率等相關(guān)數(shù)據(jù)的影響，結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對氯丙酮產(chǎn)率的影響

由表2數(shù)據(jù)可以看出，溫度為10℃時一氯丙酮的收率最高，為77.8%。這是因?yàn)椋寒?dāng)溫度過低時，反應(yīng)速率過慢，導(dǎo)致部分氯氣溢出至尾氣吸收堿瓶，影響總收率；當(dāng)溫度過高時，會導(dǎo)致其選擇性偏差[7]，過度氯化副產(chǎn)物等雜質(zhì)含量上升，影響產(chǎn)品質(zhì)量。綜合分析，將反應(yīng)溫度控制在10℃比較合理。

2.3 氯氣流量對反應(yīng)的影響

針對氯氣流量對反應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)，選擇在氯氣總量不變的條件下，控制氯氣通入時間為1～8 h，考察其對反應(yīng)選擇性、收率等相關(guān)數(shù)據(jù)的影響，結(jié)果見表3。

由表3可以看出：當(dāng)氯氣通入速率過快時，氯氣無法及時反應(yīng)導(dǎo)致部分氯氣溢出，其總收率偏低；當(dāng)氯氣通入速率過慢時，會導(dǎo)致其過度氯化副產(chǎn)物等雜質(zhì)含量上升，產(chǎn)品質(zhì)量以及總收率下降。綜合分析，將通氯氣時間控制在4 h比較合理。

2.4 溶劑量對反應(yīng)的影響

針對溶劑乙二醇與丙酮物質(zhì)的比對反應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)，選擇 n（乙二醇）∶n（丙酮）=（1～4）∶1 的條件，考察對反應(yīng)選擇性、收率等相關(guān)數(shù)據(jù)的影響，結(jié)果由表4所示。

表3 氯氣流量對氯丙酮產(chǎn)率的影響

表4 氯氣流量對氯丙酮產(chǎn)率的影響

由表4可以看出：當(dāng)乙二醇含量偏低時，反應(yīng)的選擇性下降，對產(chǎn)品的質(zhì)量有一定的影響；當(dāng)乙二醇含量偏高時，在分層過程中部分產(chǎn)品損失至水層[8]，影響總收率，后續(xù)需要對水層的套用可行性進(jìn)行探究。綜合分析，將乙二醇與丙酮的物質(zhì)的量比控制在2∶1 比較合理。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)對一系列二元醇溶劑進(jìn)行篩選，優(yōu)選出乙二醇作為溶劑，然后進(jìn)行了反應(yīng)條件優(yōu)化，最終確定了其最優(yōu)反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度為10℃，氯氣通入時間為4 h，乙二醇與丙酮的物質(zhì)的量比為2∶1。該反應(yīng)條件下，產(chǎn)品一氯丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99.0%以上，產(chǎn)品的總收率達(dá)到77.8%。