羅 勇,杜曉寧,譚樹(shù)波,王 剛,張 亮,孫桂香

(上?；ぱ芯吭?上海穩(wěn)定同位素工程技術(shù)研究中心,上海 200062)

乙醇是一種重要的有機(jī)化工原料。廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、農(nóng)藥、醫(yī)藥及精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)中。穩(wěn)定同位素13C標(biāo)記乙醇是合成13C標(biāo)記產(chǎn)品的基礎(chǔ)有機(jī)試劑之一,以13C2-乙醇作為前體,可以在化合物中引入13C標(biāo)記的乙基和乙酰基,進(jìn)而得到一系列同位素13C標(biāo)記的有機(jī)化合物。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上同位素標(biāo)記乙醇一般采用乙酸或乙酸酯還原方法[1-2]制備,或從BaCO3出發(fā),經(jīng)乙炔制乙烯,乙烯水合制環(huán)氧乙烷,最后經(jīng)LiA lH 4還原[3-4]得到13C2-乙醇。以上方法或是實(shí)驗(yàn)路線太長(zhǎng),或是穩(wěn)定同位素收率偏低。因此尋找一種簡(jiǎn)便且收率高的合成13C2-乙醇的方法十分必要。

本工作擬采用Ba13CO3為原料,對(duì)生成的13CO2通過(guò)活性金屬碳化物水解方法制備乙炔,乙炔經(jīng)催化水合生成乙醛,乙醛再經(jīng)NaBH4還原得到13C2-乙醇。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與裝置

Agilent 7890A氣質(zhì)聯(lián)用儀、Agilent 1790F氣相色譜儀:美國(guó)安捷倫公司;Nocolet 6700傅里葉紅外儀:美國(guó)尼高力公司;KF-1卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀:上?；ぱ芯吭?MAT-271氣體同位素質(zhì)譜計(jì):美國(guó)Finnigan公司;DLSB循環(huán)冷卻泵:河南鞏義英峪予華儀器廠;BT100-2J蠕動(dòng)泵:河北保定蘭格恒流泵有限公司;真空手套操作箱:上海華巖儀器設(shè)備有限公司;鋰反應(yīng)器:采用耐高溫不銹鋼材質(zhì),直徑9 cm,高度35 cm,閥蓋為卡套式快開(kāi)設(shè)計(jì),配備真空表。

1.2 主要材料與試劑

Ba13CO3(13C同位素豐度 98.0%):美國(guó)CIL公司;金屬鋰、硫酸汞、硼氫化鈉、乙二醇二甲醚等皆為市售化學(xué)純或分析純?cè)噭?/p>

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

13C標(biāo)記乙醇的合成路線示于圖1。

圖1 13C標(biāo)記乙醇的合成路線

1.3.1 乙炔的制備

在真空手套箱中稱取22 g金屬鋰,經(jīng)轉(zhuǎn)移后快速放入鋰反應(yīng)器中,密閉后抽真空,再置于加熱爐中開(kāi)始升溫。升溫過(guò)程中保持真空條件以除去加熱過(guò)程中可能產(chǎn)生的氣體。待反應(yīng)器溫度升至680～720℃時(shí),關(guān)閉反應(yīng)器與真空泵的閥門,開(kāi)始緩慢通入由99 g BaCO3(0.50m ol)定量反應(yīng)得到的CO2(0.50 mol),通過(guò)控制CO2的通入速度,使整個(gè)過(guò)程中反應(yīng)器的絕對(duì)壓力始終低于0.01 MPa。通完氣體后,反應(yīng)器再升溫至900℃,保持1 h,然后降溫。至室溫后即可進(jìn)行水解制取乙炔。

水解所用的蒸餾水使用前需經(jīng)煮沸以除去CO2,將蒸餾水緩慢滴加至鋰反應(yīng)器中,生成的乙炔氣體經(jīng)液氮冷阱收集后,轉(zhuǎn)移至氣袋中待用。

1.3.2 催化水合法制備乙醛

催化劑母液組成為2 g HgSO4溶于100 m L 10%硫酸中。乙醛合成裝置示于圖2。圖2中反應(yīng)器依次連接回流冷凝管、冷阱、三通閥、恒流泵。反應(yīng)時(shí),確認(rèn)裝置的氣密性后,先將反應(yīng)體系抽真空,氬氣置換三次,再通入約5 L乙炔,反應(yīng)溫度為65～95℃,反應(yīng)5～10 h。乙炔氣在恒流泵的作用下以一定速率鼓泡進(jìn)入反應(yīng)器,產(chǎn)生的乙醛在-40℃的酒精-液氮冷阱中收集,未反應(yīng)的乙炔回到反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)至結(jié)束。

1.3.3 乙醛還原制備乙醇

在冰浴下,將7.5 g(0.159 mol)無(wú)水乙醛、2.1 g(0.056 mo l)NaBH4和30 m L聚乙二醇二甲醚加入到配有磁力攪拌和回流冷凝管的50m L圓底燒瓶中,緩慢升溫至20℃,保持6 h;然后緩慢滴加20m L 3 mol/L的HCl溶液,水解完畢后,在減壓蒸餾條件下,將乙醇蒸餾收集。

圖2 乙醇制備流程

2 結(jié)果與討論

2.1 合成工藝對(duì)乙炔合成的影響

以CO2為原料,與金屬鋰在高溫下生成碳化鋰,碳化鋰經(jīng)水解,可得到具有良好純度和收率的乙炔[5]。CO2在高溫下與金屬鋰生成碳化鋰的反應(yīng)過(guò)程如下:

10Li+2CO2——→Li2C2+4Li2O (1)

4Li+2CO2——→Li2O+Li2CO3+C (2)

Li2O+CO2——→Li2CO3(3)

Li2CO3——→Li2O+CO2(4)

Li2C2——→2Li+2C (5)

由此可見(jiàn),除主反應(yīng)(1)外,還同時(shí)存在副反應(yīng)(2)～(5),這些副反應(yīng)會(huì)降低原料CO2的利用率,因此需要通過(guò)控制反應(yīng)工藝加以抑制。

副產(chǎn)物L(fēng)i2 CO3主要在900℃以下形成,隨著溫度的升高,其含量減少,Li2C2的含量增加;但是反應(yīng)溫度過(guò)高,Li2 C2也會(huì)發(fā)生分解形成金屬鋰和碳黑。因此,本工作對(duì)Li2C2的制備、水解過(guò)程中的多種工藝參數(shù)進(jìn)行了考察和優(yōu)化,得到較優(yōu)的工藝條件:金屬鋰過(guò)量30%～50%,CO2進(jìn)氣溫度700℃,控制CO2進(jìn)氣速度,使體系絕對(duì)壓力始終低于0.01 MPa,CO2通入完畢后,再快速升溫至900℃保持1 h。

此外,在碳化鋰水解中,采用6 mol/L的鹽酸溶液代替蒸餾水,以促進(jìn)生成的LiOH轉(zhuǎn)化為易溶于水的LiCl,使水解時(shí)間和水用量都大幅減少。

在優(yōu)化的條件下,以消耗的BaCO3計(jì),乙炔的收率高于95%,化學(xué)純度高于99%,可直接用于乙醛的合成。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)乙醛合成的影響

采用庫(kù)切洛夫反應(yīng),通過(guò)乙炔催化水合方法是制備13C標(biāo)記乙醛的較好方法[6],其機(jī)理如下:在高汞離子及硫酸存在下,乙炔與水進(jìn)行加成反應(yīng)生成乙醛,其化學(xué)過(guò)程示于圖3。

圖3 乙醛的合成路線

在乙醛合成中,由于乙炔的單程轉(zhuǎn)化率很低,以及生成的乙醛長(zhǎng)期滯留在催化劑母液中可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步反應(yīng)生成巴豆醛等副產(chǎn)物。因此在反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)中加強(qiáng)了反應(yīng)氣的循環(huán)和傳質(zhì),生成的乙醛在冷阱中收集,未轉(zhuǎn)化的乙炔繼續(xù)回到反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng);并且通過(guò)設(shè)置合適的回流冷凝溫度,可以使冷阱中乙醛的含水量低于0.3%。

在工業(yè)上,為提高乙炔的轉(zhuǎn)化率,其水合反應(yīng)一般控制溫度為 90～95℃,壓力為 0.1～0.2 MPa。本實(shí)驗(yàn)中采用常壓操作,反應(yīng)溫度對(duì)乙醛收率影響列于表1。由表1可知,升高反應(yīng)溫度對(duì)乙炔的水合反應(yīng)有利,反應(yīng)溫度為85℃時(shí),可獲得最高的乙醛收率;進(jìn)一步升高反應(yīng)溫度,乙醛收率有所下降。

2.3 助催化劑對(duì)乙醛合成反應(yīng)的影響

在乙炔催化水合制備乙醛過(guò)程中還存在如下反應(yīng):生成的乙醛在催化劑體系中被氧化成乙酸,同時(shí)具有活性的高汞離子被還原成非活性的亞汞離子,最終被還原成為金屬汞而從反應(yīng)液中析出,從而降低了體系的催化活性。

表1 反應(yīng)溫度對(duì)乙醛收率的影響

CH3CHO+2H g2++H2O——→CH3COOH+2Hg++2H+

CH3CHO+Hg2++H2O ——→CH3COOH+Hg·+2H+

在實(shí)驗(yàn)中也觀察到反應(yīng)器底部有明顯的金屬汞生成,一方面降低了催化劑的活性,另一方面也增加了后處理難度。多種具有可變價(jià)態(tài)的金屬鹽均對(duì)汞催化劑的還原有一定的抑制作用,本研究中選用Fe2(SO4)3作為助催化劑,并考察了其用量對(duì)乙醛合成的影響,其他實(shí)驗(yàn)條件同1.3.2,結(jié)果列于表2。

由表2可以看出,隨著助催化劑用量的增加,乙醛收率先隨之升高,到1.0 g時(shí)達(dá)到最高,此后,助催化劑用量進(jìn)一步增加,乙醛收率顯著下降。在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)注意到,使用助催化劑后,反應(yīng)器內(nèi)基本未觀察到金屬汞的生成,表明助催化劑的使用對(duì)抑制催化劑的還原有較好作用。

表2 助催化劑對(duì)乙醛收率的影響

2.4 溶劑對(duì)乙醇合成的影響

NaBH 4是一種優(yōu)良的還原劑,性質(zhì)穩(wěn)定,能選擇性地將醛基還原為醇。采用 THF、乙醚等多種溶劑體系均可高收率地將乙醛還原為乙醇。但由于產(chǎn)物乙醇和溶劑沸點(diǎn)接近,在產(chǎn)物精制上有較大難度,不適合同位素標(biāo)記乙醇的合成。通過(guò)對(duì)多種溶劑的篩選,最終確定了采用平均相對(duì)分子質(zhì)量約為250的聚乙二醇二甲醚[7]作為溶劑,在優(yōu)化的條件下,當(dāng)以試劑無(wú)水乙醛為原料時(shí),獲得了超過(guò)90%的乙醇收率(以消耗的無(wú)水乙醛計(jì)算)。

2.5 連續(xù)法合成乙醇

采用自制的無(wú)水乙醛作為原料用于乙醇的合成時(shí),出現(xiàn)了乙醇收率普遍較低(40%～70%)且波動(dòng)較大的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)自制的無(wú)水乙醛做進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)自制的乙醛在冷阱中可自聚生成少量三聚乙醛(1%～3%),隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng),三聚乙醛含量可增加至10%以上。而在乙醇合成反應(yīng)中,即使低至1%的三聚乙醛含量也會(huì)對(duì)反應(yīng)收率有一定影響。對(duì)此采取了包括三聚乙醛解聚和添加阻聚劑[8-10]等在內(nèi)的方法純化自制的無(wú)水乙醛,雖然可以顯著提高乙醛的純度,但操作中乙醛的損失較大,同時(shí)可能引入其它有機(jī)物造成產(chǎn)物豐度稀釋現(xiàn)象。

經(jīng)對(duì)原有反應(yīng)裝置進(jìn)行改造,將原本分別進(jìn)行的乙炔催化水合制乙醛和乙醛NaBH4還原制乙醇兩個(gè)反應(yīng)串聯(lián)起來(lái),反應(yīng)氣先后經(jīng)過(guò)乙醛反應(yīng)器和乙醇反應(yīng)器,生成的乙醛直接在乙醇反應(yīng)器中被還原,以避免在低溫和無(wú)水條件下乙醛發(fā)生自聚,從而消除了三聚乙醛對(duì)后續(xù)NaBH 4還原反應(yīng)的影響;同時(shí)也避免了原先分步操作中乙醛因轉(zhuǎn)移造成的損失。這一改進(jìn)在實(shí)踐中取得了良好的效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3。以消耗的BaCO3計(jì)算,乙醇的收率達(dá)到了60%。

表3 操作方式對(duì)乙醇收率的影響

2.6 13C2-乙醇的合成與表征

在優(yōu)化各步收率,并多次模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以 Ba13CO3(13C豐度為98.0%)為原料,進(jìn)行13C2-乙醇合成的豐度實(shí)驗(yàn),以消耗的Ba13CO3計(jì),13C2-乙醇的收率為 51%。以分析純(99.7%)的無(wú)水乙醇試劑為外標(biāo),用氣相色譜檢測(cè),結(jié)果示于圖4。由圖4可計(jì)算得,13C2-乙醇的純度為99.3%。

圖4 13C2-乙醇的氣相色譜圖

用NMR檢測(cè)13C2-乙醇中13C同位素豐度,結(jié)果示于圖5和圖6,圖5為C1位的13C譜圖,圖6為 C2位的13C譜圖。由13C譜積分計(jì)算得,13C2-乙醇的C1位的13C同位素豐度為95.45%,C2位的13C同位素豐度為95.84%。

13C2-乙醇的紅外譜圖示于圖7。由圖7可見(jiàn),13C2-乙醇的紅外譜圖與乙醇的標(biāo)準(zhǔn)紅外圖基本一致。其中,在 3 300 cm-1處有一寬峰,推測(cè)為O-H的吸收峰,這是由于13C的取代使得該吸收峰移向低波數(shù);在1 000 cm-1左右出現(xiàn)一強(qiáng)峰,推測(cè)為C-H的吸收峰,同樣是由于13C的取代使得吸收峰向低波數(shù)發(fā)生位移。

圖5 13C2-乙醇C1位的13CNMR譜

圖6 13C2-乙醇C2位的13CNMR譜

圖7 13C2-乙醇的紅外譜圖

3 結(jié) 論

本工作設(shè)計(jì)并完成了適合13C2-乙醇合成的工藝。以Ba13CO3為原料,采用金屬鋰法制備乙炔,乙炔催化水合制得乙醛,乙醛在高沸點(diǎn)溶劑中經(jīng)NaBH4還原,制得13C2-乙醇;并對(duì)影響乙醇收率的多種因素進(jìn)行了考察,獲得了較佳的合成工藝。產(chǎn)物經(jīng)色譜和質(zhì)譜等證實(shí),化學(xué)純度＞99%,13C同位素豐度＞95%,同位素稀釋效應(yīng)的影響小于3%。

[1] Tolbert B,Christenson F,Chang F,et al.Synthesis of ethano l-1-14C,ethanol-2-14C,ethy l-bromide-1-14C,ethyl-brom ide-2-14C and14C-labeled methadone[J].JO rg Chem,1949,14:525-529.

[2] Adam s P,Selff R,Tolbert B.H ydrogenation of fatty acids to alcoho ls[J].JAm Chem Soc,1952,74:2 416-2 417.

[3] Cox J,Warne R.Syntheses with isotopic tracers elements:partⅢ.the preparation of ethylene oxide and ethanol labeled with carbon isotopes[J].J Chem Soc,1951:1 893-1 896.

[4] Authur M,L loyd W.O rganic syntheses w ith isotopes:part I[M].New York:Interscience Publishers,1958:904-916.

[5] 周明富,沈承德.14C年代測(cè)定的碳化鋰制樣法的研究[J].地球化學(xué),1983,4:411-416.

[6] 肖淑興,高文德,劉維銘,等.高氘代率乙醛的制備[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1998,35(4):645-647.

[7] Kiyoshi T,Tsuneo S,Yoko Nishida,etal.Chemical reduction of aldehy des in the presence of ketones with NaBH4in polyethy lene glycol dimethy l ethers[J].Synthetic Communication,2005,35:867-872.

[8] 劉瑞江,張業(yè)旺,聞崇煒,等.乙醛阻聚對(duì)策和罐裝安全預(yù)測(cè)研究[J].化工生成與技術(shù),2008,15(5):49-52.

[9] 劉瑞江,崇余.乙醛合成三聚乙醛反應(yīng)規(guī)律的研究[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(6):29-32.

[10]楊文玲,康文通,李景生.三聚乙醛解聚制備乙醛研究[C]//第九屆全國(guó)化學(xué)工藝年會(huì)論文集.北京:中國(guó)石化出版社,2005:926-930.