CN103787834A - 一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,包括以下步骤:在超声波存在下,丙酮和甲醛在碱水溶液中加成反应,得4-羟基-2-丁酮;在强酸性阳离子树脂催化剂存在下,4-羟基-2-丁酮与异丁烯反应得中间体1;中间体1与亚甲基化试剂反应,得中间体2;在脱保护催化剂存在下,中间体2脱保护反应,即得。该方法工艺简单、成本低廉,副产物少、选择性好、收率高。
Description
技术领域
本发明属于不饱和醇的合成领域,具体地说是一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法。
背景技术
3-甲基-3-丁烯-1-醇是一种重要的有机中间体,该醇在催化剂和一定温度压力条件下能够异构化合成3-甲基-2-丁烯-1-醇,作为拟除虫菊酯的原料;此外,该醇可以作为合成聚醚的起始剂,在碱性催化剂的作用下,形成引发聚合活性种,从而引发环氧烷烃开环聚合,合成不饱和聚醚,所合成的不饱和聚醚可作为合成醚型聚羧酸减水剂的原料。
3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,通常以Prins缩合反应法为主,分为无催化剂的Prins热缩合反应法和有催化剂的Prins缩合反应法。
专利CN102206136A公开了一种无催化剂的Prins热缩合反应方法,将溶剂、甲醛、异丁烯通入高压釜中,在100-300℃、5-50MPa、2-12h的工艺条件下,合成了3-甲基-3-丁烯-1-醇;专利CN102060667 B同样公开了一种无催化剂的Prins缩合反应方法,预先将多聚甲醛与异丁烯拌成浆料,先解聚然后通入反应器,在200-300℃、9-15MPa、50-150min的工艺条件下,合成了3-甲基-3-丁烯-1-醇;专利US4079088A公开了一种以3-甲基-2-戊烯-1,5-二醇和异丁烯为原料,在200-450℃条件下,合成3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法。
专利US3960972 A公开了一种以甲苯为溶剂,以芳香族酚类为催化剂,在175-250℃、釜内自身平衡压力、15min-8h的工艺条件下,催化甲醛或者多聚甲醛与异丁烯经Prins缩合反应,合成3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法。耿艳霞等(普林斯(Prins)缩合制备甲基丁烯醇的合成研究[D],上海:华东理工大学,2006)对有催化剂的Prins缩合反应制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法进行了归纳和研究,发现弱酸性或者弱碱性的磷酸金属盐的效果最好,以其为催化剂,甲醇或者叔丁醇为溶剂,在160-250℃、4-13MPa、3-6h的工艺条件下,催化异丁烯与甲醛经Prins缩合反应,合成了3-甲基-3-丁烯-1-醇。
Prins缩合反应法由于合成步骤少、后处理简单,因此为目前最常用的3-甲基-3-丁烯-1-醇制备方法。然而,该方法的反应条件较为苛刻,需要高温高压,因此导致其设备投入和安保防护方面的投入比较大。
发明内容
发明目的:本发明提供了一种副产物少、收率高的3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法。
技术方案:本发明提供的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,包括以下步骤:
(1)在超声波存在下,丙酮和甲醛在碱水溶液中加成反应,得4-羟基-2-丁酮;
(2)在强酸性阳离子树脂催化剂存在下,4-羟基-2-丁酮与异丁烯反应得中间体1;
(3)中间体1与亚甲基化试剂反应,得中间体2;
(4)在脱保护催化剂存在下,中间体2脱保护反应,即得。
反应式如下:
其中,步骤(1)中,所述碱选自NaOH、KOH、Na2CO3和K2CO3中的一种或几种;碱水溶液的浓度为0.1-1mol/L;甲醛、丙酮和碱的摩尔比为1:(1-5):(0.01-0.1)。
其中,步骤(1)中,反应温度为20-30℃,反应时间为15-120min;超声波频率为18-60KHz,功率为150-480W。
其中,步骤(2)中,所述强酸性阳离子树脂催化剂选自磺化苯乙烯树脂和全氟磺酸树脂中的一种或几种,优选001×7(732)氢型、NKC-9、Amberlyst系列和Nafion系列中的一种或几种。该强酸性阳离子树脂催化剂,在反应结束后过滤即可再次使用;当催化效率降低时,可以将催化剂浸泡于98%浓硫酸中,在100℃下回流8h左右,过滤、洗净、烘干即可再次使用。
其中,步骤(2)中,异丁烯的与甲醛的摩尔比为(1.1-3):1,催化剂与甲醛的用量比为10-100g:1mol;反应温度为20-80℃,反应时间为3-10h。
其中,步骤(2)中,反应溶剂为烷烃,优选正丁烷、正戊烷、正己烷、石油醚和环己烷中的一种或几种;反应溶剂与甲醛的用量比为(100-1000)mL:1mol。
其中,步骤(3)中,亚甲基化试剂与甲醛的摩尔比为(1-3):1;反应温度为0-80℃,反应时间为20-120min。
其中,步骤(3)中,反应溶剂选自乙醚、THF、二氧六环和甲基叔丁基醚中的一种或几种;反应溶剂与甲醛的用量比为(100-500)mL:1mol。
其中,步骤(4)中,所述脱保护催化剂选自IIIB副族和IVB副族的金属氯化物中的一种或几种,优选ScCl3、YCl3、LuCl3、CeCl3、LaCl3、NdCl3、PrCl3、SmCl3和TiCl4中的一种或几种。
其中,步骤(4)中,脱保护催化剂与甲醛的摩尔比为(1-3):1;反应温度为0-50℃,反应时间为1-60min。
其中,步骤(4)中,反应溶剂选自CH2Cl2、CHCl3、CCl4和CH3CN中的一种或几种;反应溶剂与甲醛的用量比为(100-1000)mL:1mol。
有益效果:本发明提供的3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法工艺简单、成本低廉,副产物少、选择性好、收率高。
具体而言,本发明相对于现有技术具有以下突出的优势:
(1)现有醛酮加成反应通常在反应后产物易进一步脱水生成不饱和酮,造成分离困难;而本发明步骤(1)中的醛酮加成反应在超声波结合碱性催化剂存在下完成,在水相中完成醛酮的加成反应,避免了现有醛酮加成过程中容易出现不饱和酮的问题。
(2)本发明采用将羟基转化为醚的方法对羟基进行保护,能够有效起到保护作用,且反应条件温和。
具体实施方式
下面通过实例详细地描述本发明,这些实例仅仅是说明性的,不代表限制本发明的适用范围,实施例中所用药品或者试剂均可以通过正常途径购买到。实施例中利用GC对目标醇的纯度进行表征,利用GB/T 606-2003中的卡尔费休法对样品的含水率进行测定,利用NMR对目标醇进行表征。
实施例1
将1mol甲醛、1mol丙酮、0.01mol的NaOH(配制成0.1mol/L的水溶液),加入到带有机械搅拌的单口烧瓶中,然后将烧瓶放置于恒温超声仪中,超声仪频率为18KHz、功率为150w,20℃反应120min。反应结束后,将体系中和至中性,转移到减压精馏装置中减压精馏,收集沸点在70-71℃(1.6KPa)的馏分,即为4-羟基-2-丁酮。
将4-羟基-2-丁酮、异丁烯2mol、NKC-9磺酸树脂20g、正己烷200mL加入到带有机械搅拌、回流冷凝装置、温度计的三口烧瓶中,控制体系温度为50℃、反应时间为4h。反应结束后,过滤回收催化剂,滤液使用碳酸钠中和滤液至中性,转入减压精馏,收集沸点在73-76℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体1。
将中间体1、1mol CH2(ZnI)2、200mL乙醚加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,0℃反应120min。反应结束后,用1mol/L的HCl中和体系至中性,转入减压蒸馏装置,收集沸点在45-48℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体2。
将中间体2、1mol YCl3、100mL CH2Cl2加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,20℃反应10min。反应结束后,先在室温下减压旋蒸,然后在氮气保护下过滤出脱保护催化剂,将滤液转入减压精馏装置,收集沸点在35-38℃(1.6KPa)的馏分,得到62.18g 3-甲基-3-丁烯-1-醇,产率72.3%,
经GC测试纯度在99%以上,利用卡尔费休法测试的含水率<0.5%,经核磁表征为3-甲基-3-丁烯-1-醇。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ1.75(s,3H,-CH3),2.15(s,1H,-OH),2.27-2.30(t,2H,J=5.0Hz,-CH2-),3.69-3.72(t,J=5.1Hz,2H,-CH2-),4.82(d,J=30.3Hz,2H,CH2=).
实施例2
将1mol甲醛、3mol丙酮、0.02mol的KOH(配制成0.5mol/L的水溶液),加入到带有机械搅拌的单口烧瓶中,然后将烧瓶放置于恒温超声仪中,超声仪频率为60KHz、功率为480w,30℃反应15min。反应结束后,将体系中和至中性,转移到减压精馏装置中减压精馏,收集沸点在70-71℃(1.6KPa)的馏分,即为4-羟基-2-丁酮。
将4-羟基-2-丁酮、异丁烯1.1mol、Amberlyst15磺酸树脂50g、正己烷500mL加入到带有机械搅拌、回流冷凝装置、温度计的三口烧瓶中,控制体系温度为60℃、反应时间为6h。反应结束后,过滤回收催化剂,滤液使用碳酸钠中和滤液至中性,转入减压精馏,收集沸点在73-76℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体1。
将中间体1、1.5mol CH2(ZnI)2、400mLTHF加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,50℃反应20min。反应结束后,用1mol/L的NH4Cl中和体系至中性,转入减压蒸馏装置,收集沸点在45-48℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体2。
将中间体2、1.5mol TiCl4、500mL CHCl3加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,30℃反应20min。反应结束后,先在室温下减压旋蒸,然后在氮气保护下过滤出脱保护催化剂,将滤液转入减压精馏装置,收集沸点在35-38℃(1.6KPa)的馏分,得到70.09g 3-甲基-3-丁烯-1-醇,产率81.5%,
经GC测试纯度在99%以上,利用卡尔费休法测试的含水率<0.5%,经核磁表征为3-甲基-3-丁烯-1-醇。
实施例3
将1mol甲醛、4mol丙酮、0.10mol的Na2CO3(配制成1mol/L的水溶液),加入到带有机械搅拌的单口烧瓶中,然后将烧瓶放置于恒温超声仪中,超声仪频率为45KHz、功率为360w,25℃反应60min。反应结束后,将体系中和至中性,转移到减压精馏装置中减压精馏,收集沸点在70-71℃(1.6KPa)的馏分,即为4-羟基-2-丁酮。
将4-羟基-2-丁酮、异丁烯3mol、001×7(732)氢型磺酸树脂70g、环己烷500mL加入到带有机械搅拌、回流冷凝装置、温度计的三口烧瓶中,控制体系温度为80℃、反应时间为8h。反应结束后,过滤回收催化剂,滤液使用碳酸钠中和滤液至中性,转入减压精馏,收集沸点在73-76℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体1。
将中间体1、2mol CH2(ZnI)2、300mL二氧六环加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,50℃反应60min。反应结束后,用1mol/L的NH4Cl中和体系至中性,转入减压蒸馏装置,收集沸点在45-48℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体2。
将中间体2、3mol CeCl3、700mL CH3CN加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,40℃反应40min。反应结束后,先在室温下减压旋蒸,然后在氮气保护下过滤出脱保护催化剂,将滤液转入减压精馏装置,收集沸点在35-38℃(1.6KPa)的馏分,得到70.78g 3-甲基-3-丁烯-1-醇,产率82.3%,
经GC测试纯度在99%以上,利用卡尔费休法测试的含水率<0.5%,经核磁表征为3-甲基-3-丁烯-1-醇。
实施例4
将1mol甲醛、4mol丙酮、0.05mol的K2CO3(配制成0.2mol/L的水溶液),加入到带有机械搅拌的单口烧瓶中,然后将烧瓶放置于恒温超声仪中,超声仪频率为25KHz、功率为260w,25℃反应100min。反应结束后,将体系中和至中性,转移到减压精馏装置中减压精馏,收集沸点在70-71℃(1.6KPa)的馏分,即为4-羟基-2-丁酮。
将4-羟基-2-丁酮、异丁烯1.5mol、Nafion NR50树脂90g、正庚烷800mL加入到带有机械搅拌、回流冷凝装置、温度计的三口烧瓶中,控制体系温度为70℃、反应时间为10h。反应结束后,过滤回收催化剂,滤液使用碳酸钠中和滤液至中性,转入减压精馏,收集沸点在73-76℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体1。
将中间体1、3mol CH2(ZnI)2、500mL甲基叔丁基醚加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,80℃反应100min。反应结束后,用1mol/L的NH4Cl中和体系至中性,转入减压蒸馏装置,收集沸点在45-48℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体2。
将中间体2、2mol ScCl3、800mL CCl4加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,45℃反应30min。反应结束后,先在室温下减压旋蒸,然后在氮气保护下过滤出脱保护催化剂,将滤液转入减压精馏装置,收集沸点在35-38℃(1.6KPa)的馏分,得到3-甲基-3-丁烯-1-醇,产率80.3%,
经GC测试纯度在99%以上,利用卡尔费休法测试的含水率<0.5%,经核磁表征为3-甲基-3-丁烯-1-醇。
实施例5
将1mol甲醛、4mol丙酮、0.08mol的Na2CO3(配制成0.4mol/L的水溶液),加入到带有机械搅拌的单口烧瓶中,然后将烧瓶放置于恒温超声仪中,超声仪频率为18KHz、功率为160w,25℃反应120min。反应结束后,将体系中和至中性,转移到减压精馏装置中减压精馏,收集沸点在70-71℃(1.6KPa)的馏分,即为4-羟基-2-丁酮。
将4-羟基-2-丁酮、异丁烯2.5mol、Nafion SAC-13树脂70g、正丁烷500mL加入到带有机械搅拌、回流冷凝装置、温度计的三口烧瓶中,控制体系温度为40℃、反应时间为8h。反应结束后,过滤回收催化剂,滤液使用碳酸钠中和滤液至中性,转入减压精馏,收集沸点在73-76℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体1。
将中间体1、2.5mol CH2(ZnI)2、100mL THF加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,70℃反应110min。反应结束后,用1mol/L的NH4Cl中和体系至中性,转入减压蒸馏装置,收集沸点在45-48℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体2。
将中间体2、1.5mol NdCl3、600mL CH2Cl2加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,10℃反应20min。反应结束后,先在室温下减压旋蒸,然后在氮气保护下过滤出脱保护催化剂,将滤液转入减压精馏装置,收集沸点在35-38℃(1.6KPa)的馏分,得到3-甲基-3-丁烯-1-醇,产率74.2%,
经GC测试纯度在99%以上,利用卡尔费休法测试的含水率<0.5%,经核磁表征为3-甲基-3-丁烯-1-醇。
实施例6
将1mol甲醛、4mol丙酮、0.01mol的K2CO3(配制成0.8mol/L的水溶液),加入到带有机械搅拌的单口烧瓶中,然后将烧瓶放置于恒温超声仪中,超声仪频率为30KHz、功率为280w,25℃反应30min。反应结束后,将体系中和至中性,转移到减压精馏装置中减压精馏,收集沸点在70-71℃(1.6KPa)的馏分,即为4-羟基-2-丁酮。
将4-羟基-2-丁酮、异丁烯1.3mol、001×7(732)氢型磺酸树脂90g、正戊烷400mL加入到带有机械搅拌、回流冷凝装置、温度计的三口烧瓶中,控制体系温度为60℃、反应时间为3h。反应结束后,过滤回收催化剂,滤液使用碳酸钠中和滤液至中性,转入减压精馏,收集沸点在73-76℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体1。
将中间体1、1.1mol CH2(ZnI)2、300mL二氧六环加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,50℃反应60min。反应结束后,用1mol/L的NH4Cl中和体系至中性,转入减压蒸馏装置,收集沸点在45-48℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体2。
将中间体2、1.1mol LuCl3、700mL CHCl3加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,0℃反应60min。反应结束后,先在室温下减压旋蒸,然后在氮气保护下过滤出脱保护催化剂,将滤液转入减压精馏装置,收集沸点在35-38℃(1.6KPa)的馏分,得到3-甲基-3-丁烯-1-醇,产率78.9%,
经GC测试纯度在99%以上,利用卡尔费休法测试的含水率<0.5%,经核磁表征为3-甲基-3-丁烯-1-醇。
实施例7
将1mol甲醛、4mol丙酮、0.02mol的KOH(配制成0.4mol/L的水溶液),加入到带有机械搅拌的单口烧瓶中,然后将烧瓶放置于恒温超声仪中,超声仪频率为20KHz、功率为220w,25℃反应30min。反应结束后,将体系中和至中性,转移到减压精馏装置中减压精馏,收集沸点在70-71℃(1.6KPa)的馏分,即为4-羟基-2-丁酮。
将4-羟基-2-丁酮、异丁烯1.8mol、NKC-9树脂10g、石油醚100mL加入到带有机械搅拌、回流冷凝装置、温度计的三口烧瓶中,控制体系温度为60℃、反应时间为5h。反应结束后,过滤回收催化剂,滤液使用碳酸钠中和滤液至中性,转入减压精馏,收集沸点在73-76℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体1。
将中间体1、2.8mol CH2(ZnI)2、400mL THF加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,70℃反应30min。反应结束后,用1mol/L的NH4Cl中和体系至中性,转入减压蒸馏装置,收集沸点在45-48℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体2。
将中间体2、1.3mol PrCl3、700mL CH3CN加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,40℃反应10min。反应结束后,先在室温下减压旋蒸,然后在氮气保护下过滤出脱保护催化剂,将滤液转入减压精馏装置,收集沸点在35-38℃(1.6KPa)的馏分,得到3-甲基-3-丁烯-1-醇,产率71.1%,
经GC测试纯度在99%以上,利用卡尔费休法测试的含水率<0.5%,经核磁表征为3-甲基-3-丁烯-1-醇。
实施例8
将1mol甲醛、5mol丙酮、0.007mol的NaOH(配制成0.6mol/L的水溶液),加入到带有机械搅拌的单口烧瓶中,然后将烧瓶放置于恒温超声仪中,超声仪频率为50KHz、功率为440w,25℃反应15min。反应结束后,将体系中和至中性,转移到减压精馏装置中减压精馏,收集沸点在70-71℃(1.6KPa)的馏分,即为4-羟基-2-丁酮。
将4-羟基-2-丁酮、异丁烯1.1mol、Amberlyst15树脂100g、环己烷1000mL加入到带有机械搅拌、回流冷凝装置、温度计的三口烧瓶中,控制体系温度为80℃、反应时间为4h。反应结束后,过滤回收催化剂,滤液使用碳酸钠中和滤液至中性,转入减压精馏,收集沸点在73-76℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体1。
将中间体1、1.5mol CH2(ZnI)2、500mL乙醚加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,40℃反应50min。反应结束后,用1mol/L的NH4Cl中和体系至中性,转入减压蒸馏装置,收集沸点在45-48℃(1.6KPa)的馏分,即为中间体2。
将中间体2、3mol SmCl3、1000mL CH2Cl2加入到带有N2保护、机械搅拌、冷凝回流、温度计的四口瓶中,50℃反应10min。反应结束后,先在室温下减压旋蒸,然后在氮气保护下过滤出脱保护催化剂,将滤液转入减压精馏装置,收集沸点在35-38℃(1.6KPa)的馏分,得到3-甲基-3-丁烯-1-醇,产率82.4%,
经GC测试纯度在99%以上,利用卡尔费休法测试的含水率<0.5%,经核磁表征为3-甲基-3-丁烯-1-醇。
实施例9
与实施例8基本相同,不同之处仅在于:采用LaCl3替代SmCl3。产率79.5%。
实施例10
与实施例8基本相同,不同之处仅在于:采用Ph3P=CH2替代CH2(ZnI)2。产率80.1%。
实施例11
实施例12
实施例13
与实施例8基本相同,不同之处仅在于:采用替代CH2(ZnI)2。产率76.1%。
Claims (9)
1.一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)在超声波存在下,丙酮和甲醛在碱水溶液中加成反应,得4-羟基-2-丁酮;
(2)在强酸性阳离子树脂催化剂存在下,4-羟基-2-丁酮与异丁烯反应得中间体1;
(3)中间体1与亚甲基化试剂反应,得中间体2;
(4)在脱保护催化剂存在下,中间体2脱保护反应,即得。
2.根据权利要求1所述的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述碱选自NaOH、KOH、Na2CO3和K2CO3中的一种或几种;碱水溶液的浓度为0.1-1mol/L;甲醛、丙酮和碱的摩尔比为1:(1-5):(0.01-0.1)。
3.根据权利要求1所述的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,反应温度为20-30℃,反应时间为15-120min;超声波频率为18-60KHz,功率为150-480W。
4.根据权利要求1所述的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述强酸性阳离子树脂催化剂选自磺化苯乙烯树脂和全氟磺酸树脂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,异丁烯的与甲醛的摩尔比为(1.1-3):1,催化剂与甲醛的用量比为10-100g:1mol;反应温度为20-80℃,反应时间为3-10h。
7.根据权利要求1所述的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,亚甲基化试剂与甲醛的摩尔比为(1-3):1;反应温度为0-80℃,反应时间为20-120min。
8.根据权利要求1所述的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,其特征在于:步骤(4)中,所述脱保护催化剂选自IIIB副族和IVB副族的金属氯化物中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的一种3-甲基-3-丁烯-1-醇的制备方法,其特征在于:步骤(4)中,脱保护催化剂与甲醛的摩尔比为(1-3):1;反应温度为0-50℃,反应时间为1-60min。
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