氯乙酸異丙酯復合催化合成研究

高曉涵，高 軍*，張紅鳳，林 立

(1.山東科技大學化學與環境工程學院，山東 青島266510;2.山東大學化學與化工學院，山東 濟南250100)

氯乙酸異丙酯是一種重要的有機合成化合物，醫藥工業上用作生產新型高效非甾體類消炎、鎮痛藥物萘普生、布洛芬及酮洛芬的原料。該化合物的生產工藝主要有2類:1)用氯乙酸與異丙醇(或異丙烯)為原料，用氟化硼作催化劑反應合成。此法收率低且對環境和人體的危害較大;2)采用氯乙酸與異丙醇在硫酸催化下經酯化制得，此法較常用，雖收率相對提高，但存在反應時間較長(約7 h)，對設備腐蝕嚴重，副反應多，產物分離復雜且產生廢水污染環境等問題。尋找催化活性高的環境友好酯化催化劑是該領域的研究熱點。

由宏君［1］報道以氯乙酸與異丙醇為原料合成氯乙酸異丙酯的催化劑，主要包括無機鹽、雜多酸、陽離子交換樹脂、固體超強酸、磺酸類等，都取得了顯著的催化效果。但雜多酸價昂，改性固體超強酸制備復雜，且兩者的后處理工藝繁瑣，廢液排放量大［2］。陽離子交換樹脂、磺酸類催化劑成本高［1－3］。

無機鹽類催化劑又包括硫酸高鈰、硫酸氫鉀、一水硫酸氫鈉、氯化鐵、三氯化磷、十二烷基硫酸鈉和十二水合硫酸鐵銨等。氯化鐵易于吸潮且溶于乙酸和異丙醇的反應體系中，在催化合成氯乙酸異丙酯時一般只能使用1次［1］。三氯化磷易于水解、使反應條件不易控制且有一定的腐蝕性［2］。十二水合硫酸鐵銨收率不太高，且不易回收利用［4］。硫酸高鈰、硫酸氫鉀、一水硫酸氫鈉催化劑催化活性高，不溶于反應體系，后處理簡單方便［4－9］。

結晶硫酸高鈰做為酯化反應的催化劑具有收率高，反應時間短，副反應少等優點，但其重復利用性不好［7］。如若能篩選一種合適的助催化劑與主催化劑硫酸高鈰相復配，可以提高主催化劑的穩定性，解決其易失活的弊端。

本研究以氯乙酸和異丙醇為原料，環己烷為帶水劑，采用結晶硫酸高鈰為主催化劑，硫酸氫鉀為助催化劑合成氯乙酸異丙酯，解決了單獨使用結晶硫酸高鈰做為酯化反應催化劑時出現的問題，在此基礎上對其合成工藝進行優化。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

KDW型調溫電熱套;BP210S型電子天平，德國賽多利斯公司;JJ－1型電動攪拌器，金城國勝實驗儀器廠;WQF－301型紅外光譜儀。

氯乙酸，山東萊陽經濟技術開發區精細化工廠;異丙醇，天津巴斯夫化工有限公司;結晶硫酸高鈰，天津博迪化工有限公司;硫酸氫鉀，上海風舜精細化工有限公司;硫酸氫鈉，天津福晨化學試劑廠;氨基磺酸，江蘇強盛化工有限公司;環己烷，天津廣成化學試劑有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 試驗方法

將一定比例的氯乙酸、異丙醇、帶水劑和催化劑加入帶有溫度計、分水器及回流冷凝管的三口燒瓶中，開啟電動攪拌器攪拌，加熱升溫至回流，帶水劑從反應體系中帶出反應生成的水。分水器中水量基本不變，反應溫度也不再上升時，停止反應。冷卻反應體系至室溫，濾出催化劑，取樣分析反應液中氯乙酸濃度，酯化率按式(1)計算。

濾液加熱蒸餾，收集前餾分和146～150℃的餾分為產品。

2 結果與討論

2.1 助催化劑的選擇

氯乙酸用量為0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.33，帶水劑環己烷20 mL，復合催化劑用量為6.4%(以氯乙酸質量計)，回流反應3 h，考察選用不同輔助催化劑與結晶硫酸高鈰復配對酯化率的影響，結果見表1。

表1 復合催化劑催化合成氯乙酸異丙酯Table 1 Synthesis of isopropyl chloroacetate with different composite catalyst

結晶硫酸高鈰作為酯化催化劑，其催化活性高，但容易失活［7－8］，選擇一種助催化劑與 Ce(SO4)2·4H2O進行復配試驗，目的在于解決結晶硫酸高鈰的失活問題及在一定程度上降低催化劑的應用成本，同時反應結束后催化劑體系可作為固體析出，使后處理過程催化劑的回收簡便。

由表1可知:通過對比3種助催化劑在反應中的分散情況，可知硫酸氫鉀做助催化劑時催化更易回收，利于催化劑的重復使用。通過酯化率對比可知，硫酸氫鉀作助催化劑時對硫酸高鈰的催化活性影響最小，酯化率最高。

2.2 催化劑配比對酯化率的影響

氯乙酸用量為0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.33，帶水劑環己烷20 mL，復合催化劑用量為6.4%(以氯乙酸質量計)，回流反應3 h，考察同樣催化劑用量下及2種催化劑不同質量配比對酯化率的影響，結果見表2。

表2 復合催化劑配比對酯化率的影響Table 2 Influence of m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)on the esterification rate

由表2可知:在其它反應條件相同的情況下，隨著Ce(SO4)2·4H2O用量的減少酯化率逐漸降低。單獨使用Ce(SO4)2·4H2O時有較高的催化活性，原因是含有空軌道的變價金屬離子Ce有較高的離子價態，Ce4+對暴露于表面的水分子產生強烈的誘導從而形成較強的B酸中心。硫酸氫鉀作為一種質子酸催化劑在水溶液中電離后只能形成少量的H+，呈現中等酸性，相對等量的 Ce(SO4)2·4H2O催化活性是較低的。當Ce(SO4)2·4H2O質量分數由100%下降到66.67%時酯化率變化不大，同時助催化劑的加入能降低總體成本，確定2種催化劑較適宜的質量比為m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為2。

2.3 n(醇)/n(酸)對酯化率的影響

氯乙酸用量為 0.3 mol，復合催化劑用量為6.4%(以氯乙酸質量計)，回流反應 3 h，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為 2，改變 n(異丙醇)/n(氯乙酸)，考察其對酯化反應的影響，試驗結果見圖1。

由圖1可知，在其它反應條件相同的情況下，在一定范圍內，酯化率隨著n(醇)/n(酸)的增加而提高，原因是增加異丙醇的用量，一方面增加了可逆反應中反應物的濃度;另一方面多余的異丙醇和環己烷會與生成的水形成三元共沸帶出反應體系，促使反應向正方向進行。當 n(醇)/n(酸)為1.35時，酯化率達到最高值 92.1%，繼續增加 n(醇)/n(酸)，酯化率降低。原因是過多的異丙醇一方面使氯乙酸與催化劑相對濃度降低;另一方面異丙醇過量太多，使得反應溫度難以上升，均不利于反應的進行。因此，確定適宜的n(醇)/n(酸)為1.35。

2.4 催化劑的用量對酯化反應的影響

氯乙酸用量為0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.35，回流反應 3 h，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為2。考察催化劑用量對酯化反應的影響，結果見圖2。

圖1 醇酸摩爾比對酯化率的影響Fig.1 Influence of molar ratio of isopropyl alcohol tochloroacetic acid on the esterification rate

圖2 催化劑用量對酯化率的影響Fig.2 Influence of catalyst amount on the esterification rate

由圖2可知，隨著催化劑用量的增加，酯化率增加，當n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為1.1%與 1.3%時，酯化率為89.3%與89.6%，基本接近。因此適宜的催化劑用量取為 n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為0.011。

2.5 不同帶水劑對反應的影響

帶水劑可以使反應體系中生成的水帶出反應體系，有利于反應平衡向正反應方向進行，提高酯化率，同時帶水劑的加入可以降低反應體系的溫度，減少副反應的發生。

氯乙酸用量為 0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.35，n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為 0.011，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為2，在回流溫度下反應3 h，選用3種不同帶水劑(各20 mL)對酯化率的影響結果見表3。

表3 不同帶水劑對酯化率的影響Table 3 Influence of different water-carrying agent on the esterification rate

由表3可知，3種帶水劑中以環己烷較好，不僅毒性低，而且產品收率較高。

2.6 反應時間對反應的影響

氯乙酸用量為 0.3 mol，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為 2，n(醇)/n(酸)為 1.35，n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為0.011。記錄不同反應時間分水量，結果見表4。

表4 反應時間對反應的影響Table 4 Influence of time on the reaction

由表4可知，隨著反應時間的增加，氯乙酸異丙酯收率隨之升高，到3 h左右，氯乙酸異丙酯收率不再升高，最適宜反應時間為3 h。

2.7 催化劑重復使用次數對酯化率的影響

氯乙酸用量為 0.3 mol，n(醇)/n(酸)為 1.35，n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為 0.011，m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為2，在體系回流條件下反應結束，濾出反應液，催化劑留在反應瓶中，再加入反應物與帶水劑重復試驗，結果見表5。與單一的Ce(SO4)2·4H2O催化重復性作比較，結果見圖3。

由圖3可知，此復合催化劑對酯化反應具有良好的催化效果，重復使用4次以后，復合催化劑酯化率仍高達82.9%，單一催化劑Ce(SO4)2·4H2O酯化率僅為70.5%。

圖3 催化劑使用重復性對比Fig.3 Comparison of repeatability of the catalysts

3 結論

以氯乙酸和異丙醇為原料，采用結晶硫酸高鈰為主的復合催化劑，環己烷為帶水劑，試驗合成了氯乙酸異丙酯，研究了不同助催化劑、催化劑配比和用量對其反應的影響。結果表明，以 Ce(SO4)2·4H2O與KHSO4復配作為催化劑催化合成氯乙酸異丙酯具有催化活性高穩定性好的優點，其最適宜工藝條件為:n(醇)/n(酸)為 1.35，催化劑配比為m［Ce(SO4)2·4H2O］/m(KHSO4)為 2，n(硫酸高鈰)/n(氯乙酸)為0.011，反應時間3 h，酯化率可達92.1%。

參考文獻:

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