4-氟苯乙醛的合成工藝

李 超，欒小兵

(江蘇七洲綠色化工股份有限公司，江蘇張家港 215600)

2-氯苯基-2-(4-氟苯基)丙烯醛(A) (以下簡稱丙烯醛 A)是合成殺菌劑氟環唑(B)的重要中間體(圖1)。關于丙烯醛A合成工藝報道較多，其中Kartach S等[1-4]報道了以 4-氟苯乙醛和 2-氯苯甲醛一步合成方法則是最為簡便的合成工藝路線。2-氯苯甲醛是常用化工原料，但4-氟苯乙醛在國內未見合成路線報道。為了降低4-氟苯乙醛的合成成本，提高合成效率，本文對其合成工藝進行了研究改進。

圖1 氟環唑(B)及其合成中間體(A)

芳香醛、酮類化合物可在環氧化試劑硫葉立德的作用下發生羰基的環氧化反應，形成芳香基環氧乙烷[1]，而芳香基環氧乙烷在催化劑存在下可發生重排反應生成芳香基乙醛[2～3]。

朱紅軍等自制酸化后的活性炭催化劑，將環氧苯乙烷異構化合成苯乙醛，收率97%以上，缺點是催化劑連續使用2次后，收率明顯降低，催化劑壽命短，且制備過程產生的廢酸難以處理[4]。

如果從4-氟苯甲醛出發，按照文獻的思想，經過2步反應即可合成4-氟苯乙醛，進一步與2-氯苯甲醛反應，就可以得到殺菌劑氟環唑(B)的關鍵中間體(2-氯苯基)-2-(4-氟苯基)丙烯醛(A)。

本文首先用硫酸二甲酯與二甲基硫醚制備硫-葉利德試劑，在氫氧化鉀作催化劑的作用下，與4-氟苯甲醛反應得到 2-(4-氟苯基)環氧乙烷；4-氟苯基環氧乙烷在自制催化劑作用下發生重排得到4-氟苯乙醛；再與2-氯苯甲醛發生縮合反應生成丙烯醛(圖2)。該路線避免了氮氧化物、磷酸鹽廢水的產生。設計合成路線如下：

圖2 4-氟苯乙醛的合成路線(本文設計合成路線)

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

4-氟苯甲醛(工業級，蘇州甫路生物科技有限公司)；二甲基硫醚(工業級，張家港市邦之達貿易有限公司)；硫酸二甲酯(工業級，如東縣祥瑞化工有限公司)；氫氧化鉀(工業級，埃克美國際貿易有限公司)；氮氣(工業級，張家港市金山工業氣體供應站)；2-氯苯甲醛(工業級，上海麥克林生化科技有限公司)；甲醇(工業級，偉眾化工原料貿易有限公司)；氫氧化鈉(工業級，張家港市萬興五交化有限公司)；硼硅酸鹽催化劑，自制。

OS20-S型電動機械攪拌器(江蘇順和教學儀器有限公司)；安捷倫 7820A型氣相色譜(安捷倫科技有限公司)；HZX-JA100型電子天平(上海方瑞儀器有限公司)；有機合成標準磨口儀器(玻璃，天津市天波玻璃儀器有限公司)；不銹鋼固定床反應器(張家港利凱機械有限公司)；不銹鋼冷凝器(上海驚雷實業有限公司)；10 kw電加熱器(江蘇神駒容器制造有限公司)；100 L/304不銹鋼原料罐(張家港利凱機械有限公司)；100 L/304不銹鋼成品罐(張家港利凱機械有限公司)；安捷倫 7820A氣相色譜(安捷倫科技有限公司)；BrukerAV-400型核磁共振譜儀(德國布魯克公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 4-氟苯基環氧乙烷的合成

在250 mL的四口反應瓶中，加入二甲基硫醚(50 g，0.81 mol)、4-氟苯甲醛(18 g，0.145 mol)，調節溫度為30 ℃，滴加硫酸二甲酯(24 g，0.19 mol)，約1 h滴完，升溫至40 ℃回流4 h后降溫至15 ℃。隨后加入氫氧化鉀(19 g，0.34 mol)，調節溫度至40 ℃回流12 h。用氣相色譜分析，控制4-氟苯甲醛峰＜1.0 %。檢測合格后，加50 g水，常壓蒸餾二甲基硫醚，至終溫90 ℃后停止蒸餾，再加入30 g水調溫至60 ℃靜置15 min后分層。下層為有機相，負壓脫水至真空度為-0.09 MPa、終溫95 ℃。蒸餾結束后降溫至25 ℃，得到淡黃色液體產物4-氟苯基環氧乙烷19.5 g，經氣相色譜分析純度97%左右，收率以4-氟苯甲醛計約為95%。

1.2.2 4-氟苯乙醛的合成

在原料罐內加入3 kg上述方法自制的4-氟苯基環氧乙烷，催化劑填裝量為800 g，填裝體積850 mL，打開氮氣閥，調節流量至0.15 m3/h。氮氣通過加熱器進入反應器，設置電加熱器溫度為200 ℃。待反應器內溫度達到180 ℃，打開進料泵，以500 g/h的流量向反應器內噴入 2-(4-氟苯基)環氧乙烷。氮氣與物料混合后，經過催化劑床層，隨后進入冷凝器冷卻，得到產物4-氟苯乙醛2.75 kg，純度94%，收率約為86%，該反應過程不產生廢水。

催化劑制備方法：將一定配比的 SiO2、H3BO3和 1,6-己二胺溶液置于高壓釜中，在高壓釜內升溫至170 ℃時，保溫1 h，然后降溫至30 ℃后，過濾、洗滌，得結晶狀產品，通過2 mm的模具擠壓成粒，在100 ℃條件下干燥16 h，在500 ℃的條件下煅燒24 h，得到硼硅酸鹽沸石。

2 結果與討論

4-氟苯乙醛合成試驗在自行設計的固定床反應器中進行，反應器為管狀反應器，直徑為300 mm，長度為1 500 mm。流動速度可以通過N2流進行調整。4-氟苯乙醛合成的試驗流程示意圖如圖3。

圖3 4-氟苯乙醛合成流程圖

催化反應過程：進料罐V-101中的原料通過進料泵P-101輸送，通過原料加熱器E-101加熱后從反應器R-101的頂部噴入，隨E-102加熱后的氮氣通過反應器催化床層進行反應。反應后的產物隨氮氣吹出，在換熱器 E-103、E-104、E-105冷卻后，收集到成品罐V-102中。少量不凝氣去焚燒裝置焚燒處理。

催化劑再生過程：當沸石催化劑在反應過程中失去活性時，用空氣和氮氣的配制氧氣含量5%混合氣體，經E-102加熱器加熱到500 ℃到540 ℃進入反應器，對催化劑進行再生。

通過選擇試驗條件，找出影響重排反應的主要因素為反應溫度、氮氣流速、催化劑的使用周期。

2.1 不同反應溫度的影響

控制氮氣流量在0.15 m3/h，調節電加熱器溫度，得到了不同溫度對反應收率的影響。試驗結果如表1所示。

表1 溫度對收率的影響

由表 1可知，該條件下最佳重排反應溫度為180 ℃，4-氟苯基環氧乙烷的轉化率為99.5%，收率達到86%。但160 ℃時4-氟苯乙醛的選擇性最高，但轉化率較低，所以收率不高。當溫度在190 ℃時，選擇性呈線性下降，主要由于溫度升高4-氟苯基環氧乙烷發生聚合、裂解等副反應。

2.2 載氣流速的影響

4-氟苯基環氧乙烷的轉化是在氣相中進行的，因此原料在流化床反應器的停留時間對收率的影響至關重要，而控制停留時間的主要因素是氮氣流速，因此在控制反應器溫度在180 ℃條件下，摸索了氮氣流速對反應收率的影響，結果見表2。

表2 氮氣流速對收率的影響

由表2可知，隨著流速的增大，4-氟苯基環氧乙烷的轉化率呈線性下降，反應不完全；但流速過低時，4-氟苯乙醛選擇性下降，主要是停留時間過長，2-(4-氟苯基)環氧乙烷也會產生聚合、裂解。當流速調至0.15 m3/h的時候，轉化率最高，選擇性也最高，收率最佳。因此，反應器溫度控制在180 ℃條件下，流速為0.15m3/h收率最佳。

2.3 催化劑的使用壽命和再生的探索

控制反應溫度在180 ℃，氮氣流速在0.15 m3/h的條件下，對催化劑的使用周期進行考察，結果如表3所示，正常運行144 h后收率為80 %，下降比較明顯。主要由于聚合物附著在催化劑表面使催化劑逐步失活。因此在相同反應條件下，催化劑連續運行120 h收率最佳。

表3 催化劑使用時間對反應的影響

為了驗證催化劑再生效果，在催化劑連續運行120 h后進行了再生處理，再生處理后再次使用，依次類推再生 3次。試驗結果見表 4，催化劑通過再生處理后重復使用3次收率基本無明顯變化，充分說明再生處理過程是可行的。

表4 催化劑再生情況

3 結 論

通過上述試驗，推測可能的反應機理為：4-氟苯基環氧乙烷在催化劑的作用下重排得到4-氟苯乙醛；環合反應機理過程如圖4所示：環氧化合物1在經過沸石催化劑表面時，形成中間體2。環氧環上的碳氧鍵活化開環，形成中間態3，在堿催化作用下，形成烯醇式4。最后異構化得到最終產品5。

圖4 4-氟苯乙醛反應機理

通過試驗得到該合成方法優化之后的條件為：氮氣流速0.15 m3/h，180 ℃下，收率可達86%。催化劑的使用壽命為120 h，再生使用重復3次對收率無明顯影響。

通過自制催化劑，利用固定床模式進行催化反應合成4-氟苯乙醛，具有收率高，操作簡單，合成速度快，無三廢產生的明顯優勢。