一種催化氫氰酸與環(huán)氧乙烷合成3-羥基丙腈的方法，屬于有機(jī)合成領(lǐng)域和有機(jī)催化領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

環(huán)磷酰胺是一種烷化劑，主要用于腫瘤免疫，對(duì)多種腫瘤有明顯的抑制作用。對(duì)不同系統(tǒng)性壞死性血管炎病、皮肌炎及多發(fā)性肌炎、硬皮病，都有很強(qiáng)指征，即或臨床緩解后也宜長(zhǎng)時(shí)間維持用藥。臨床用于惡性淋巴瘤，多發(fā)性骨髓瘤，白血病、乳腺癌、卵巢癌、宮頸癌、前列腺癌、結(jié)腸癌、支氣管癌、肺癌等，有一定療效。也可用于類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、兒童腎病綜合征以及自身免疫疾病的治療。合成環(huán)磷酰胺的一條重要路線是三氯氧磷與二(2-氯乙基)胺反應(yīng)的混合物中在低溫下滴加3-氨基丙醇，而合成3-氨基丙醇的最綠色的途徑當(dāng)屬3-氨基丙腈還原。

合成3-羥基丙腈的方法主要有丙烯腈水合、氯乙醇或溴乙醇與氰化氫反應(yīng)、環(huán)氧乙烷與氰化氫反應(yīng)以及發(fā)酵法等。

WO200387041公開了丙烯腈與碳酸鈉和碳酸氫鈉混合水溶液在110攝氏度和0.4MPa下，21％丙烯腈轉(zhuǎn)化為3-羥基丙腈，65％丙烯腈轉(zhuǎn)化3，3’-腈基丙醚。Martinetz Dieter在硫化鈉和季銨鹽的水溶液中水合為3-羥基丙腈的收率高達(dá)98％。Konstantinov將丙烯腈與濃氫氧化鈉水溶液反應(yīng)，2-羥基丙腈收率達(dá)到92％。Sugiyama Kazuo利用含有金屬鎳銅和金屬鎳催化下與水反應(yīng)合成3-羥基丙腈。

McGinley用氯乙醇與氰化鉀在乙醇中反應(yīng)4小時(shí)，3-羥基丙腈的收率為83％；將乙醇換為甲醇后，3-羥基丙腈的收率提高到87％。Song Chunjun報(bào)道了碘化鈉催化氯乙醇與氰化鉀反應(yīng)，3-羥基丙腈的收率提高到90％。Samejiama用氯乙醇與氰化鉀在500℃下反應(yīng)10小時(shí)，3-羥基丙腈的收率為93％。Cao等報(bào)道了在PEG400共存下，氰化鈉與氯乙醇反應(yīng)合成3-羥基丙腈的收率也為93％。

環(huán)氧乙烷與氫氰酸在堿金屬或堿土金屬氫氧化物作用下，可以直接合成3-羥基丙腈。該方法的原料成本最低，合成路線最短，也最具有工業(yè)化價(jià)值。在室溫下，環(huán)氧乙烷與氫氰酸幾乎不發(fā)生反應(yīng)；即使將反應(yīng)溫度提高到50℃，3-羥基丙腈的收率甚微；繼續(xù)提高反應(yīng)溫度會(huì)增加操作危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的收率提高沒有顯著的效果。將氫氰酸與堿金屬氫氧化物反應(yīng)制得相對(duì)應(yīng)的堿金屬鹽，這些堿金屬鹽在過量堿金屬氫氧化物催化下與環(huán)氧乙烷發(fā)生反應(yīng)生成3-羥基丙腈；Terentjew等在Zhurnal Obshchei Khimii上發(fā)表的內(nèi)容和US1914326和DE577686中都提及到了該方法。為了進(jìn)一步提高收率，DE570031將氰化鈣替代氰化鈉用于上述的反應(yīng)中，生成的氫氧化鈣在反應(yīng)溶劑中的溶解性很低，推動(dòng) 了反應(yīng)向生成3-羥基丙腈方向進(jìn)行。但是，無(wú)論選用氰化鈉還是氰化鈣為反應(yīng)起始物，反應(yīng)結(jié)束后都要用酸去中和產(chǎn)生的堿金屬氫氧化物，并生成大量的無(wú)機(jī)鹽；因?yàn)樵摴に嚨脑现泻星韪x子，所產(chǎn)生的無(wú)機(jī)鹽還需要特別的處理才可以排放或再利用。US2453062公開了氰化氫與叔胺形成的鹽在堿催化劑下與環(huán)氧乙烷反應(yīng)合成3-羥基丙腈，反應(yīng)后將生成的叔胺經(jīng)蒸餾回來減少反應(yīng)過程中產(chǎn)生廢棄物的量。

US2390519公開了環(huán)氧乙烷和氰化氫反應(yīng)合成3-羥基丙腈的工藝。采用產(chǎn)物部分返混的方法，及時(shí)移除反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量；將產(chǎn)物中未參與反應(yīng)的原料蒸餾回用，提高原料的總利用率和產(chǎn)品的收率。

US2653162公開了一種含有堿金屬元素的羧酸型陰離子交換樹脂催化氫氰酸與環(huán)氧乙烷反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物。用該方法可以大大減少生成無(wú)機(jī)鹽的量。但是，利用離子交換樹脂的堿性活性位點(diǎn)與氫氰酸的結(jié)合，再與環(huán)氧乙烷反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物，該工藝的工作效率顯然較低；近年來，德國(guó)贏創(chuàng)公司申請(qǐng)的專利還披露了該工藝中離子交換樹脂的再生困難，因此該方法產(chǎn)生了新的問題，即催化劑回收困難。

US2459430公開了氫氧化鎂催化氫氰酸與環(huán)氧乙烷反應(yīng)合成3-羥基丙腈，該方法解決了上述工藝中產(chǎn)生大量無(wú)機(jī)鹽廢棄物的問題，但是產(chǎn)物的選擇性和收率還不夠高，對(duì)產(chǎn)物的提純提高了要求；同時(shí)，氫氰酸在高于室溫的條件下參與反應(yīng)還存在著操作環(huán)境氫氰酸含量超過安全的范圍。

綜上所述，丙烯腈的水合法的產(chǎn)物收率低；氯乙醇與氫氰酸反應(yīng)的方法原料原料價(jià)格昂貴、產(chǎn)物收率不高、產(chǎn)生大量的無(wú)機(jī)鹽廢棄物等問題；環(huán)氧乙烷與氫氰酸反應(yīng)雖然路線段、成本低，但是也難逃要處理大量的含有氫氰酸的無(wú)機(jī)鹽廢棄物等桎梏。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

[擬解決的問題]

本發(fā)明擬解決環(huán)氧乙烷與氫氰酸反應(yīng)合成3-羥基丙腈工藝中產(chǎn)生大量無(wú)機(jī)鹽廢棄物的問題；

本發(fā)明擬解決環(huán)氧乙烷與氫氰酸反應(yīng)合成3-羥基丙腈工藝中可能存在環(huán)境中氫氰酸含量超過安全范圍的問題；

本發(fā)明擬解決氫氰酸與環(huán)氧乙烷在室溫條件下反應(yīng)3-羥基丙腈的收率不高的問題。

[技術(shù)方案]

本發(fā)明所述的技術(shù)方案為分為如下幾個(gè)步驟：

(1)將環(huán)氧乙烷和氫氰酸加入到帶有冷凍裝置的反應(yīng)器中混合均勻，并控 制體系溫度在-20℃-5℃之間；

(2)將BF3/1，2戊二醇/活性氧化鋁催化劑加入到反應(yīng)混合物中；

(3)在-20℃～15℃攪拌反應(yīng)2～72小時(shí)；或在-20℃～0℃攪拌反應(yīng)8h，再在0℃-20℃攪拌反應(yīng)24h；

(4)應(yīng)結(jié)束后，過濾除去催化劑得到3-羥基丙腈產(chǎn)率；

(5)催化劑不經(jīng)過進(jìn)一步處理，直接用于催化環(huán)氧乙烷與氫氰酸的反應(yīng)中。

[本發(fā)明的有益效果]

與已見文獻(xiàn)報(bào)道的氫氰酸與環(huán)氧乙烷反應(yīng)合成3-羥基丙腈的方法相比，本發(fā)明具有以下明顯的有益效果。

(1)與用堿金屬或堿土金屬的氰化物為起始原料合成3-羥基丙腈的方法相比，本發(fā)明反應(yīng)后不需要用大量的無(wú)機(jī)酸去中和反應(yīng)生成的堿金屬或堿土金屬的氫氧化物，也不產(chǎn)生大量需要處理的無(wú)機(jī)鹽；

(2)與用氰化氫與叔胺形成的鹽為起始原料合成3-羥基丙腈的方法相比，本發(fā)明不需要通過蒸餾將反應(yīng)生成的有機(jī)叔胺回收再利用，大大減化了合成工藝。

(3)與氫氧化鎂催化氫氰酸與環(huán)氧乙烷合成3-羥基丙腈的方法相比，本發(fā)明在反應(yīng)溫度下的氫氰酸的蒸汽壓低，操作危險(xiǎn)性小。

(4)與已見文獻(xiàn)報(bào)道的這些方法相比，本發(fā)明中氫氰酸與環(huán)氧乙烷的反應(yīng)中未使用溶劑，大大減少了溶劑與產(chǎn)物分離的能力；

(5)與已見文獻(xiàn)報(bào)道的這些方法相比，本發(fā)明的產(chǎn)品后催化劑與產(chǎn)品的分離容易，只需要固液分離就可以將目標(biāo)產(chǎn)物與催化劑分離。

(6)與已見文獻(xiàn)報(bào)道的這些方法相比，本發(fā)明的催化劑可以直接回用，大大提高了反應(yīng)過程的原子經(jīng)濟(jì)性。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

將2.70g氰化氫與4.40g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻后在10℃下攪拌反應(yīng)24h。經(jīng)次氯酸鈉處理未參與反應(yīng)的氰化氫后檢測(cè)3-羥基丙腈的含量。結(jié)果表明在該條件下，氰化氫與環(huán)氧乙烷幾乎不發(fā)生反應(yīng)。

實(shí)施例2

將2.70g氰化氫與4.40g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻后再加入4.0g氫氧化鈉，在10℃下攪拌反應(yīng)24h。反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng) 次氯酸鈉處理未參與反應(yīng)的氰化氫后檢測(cè)3-羥基丙腈的含量。結(jié)果表明在該條件下，氰化氫與環(huán)氧乙烷也幾乎不發(fā)生反應(yīng)。

實(shí)施例3

將2.70g氰化氫與4.40g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻后再加入0.2g三氟化硼乙醚絡(luò)合物，在-20℃下攪拌反應(yīng)4h。反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)次氯酸鈉處理未參與反應(yīng)的氰化氫后檢測(cè)3-羥基丙腈的含量。結(jié)果表明在該條件下，3-羥基丙腈的收率為9.8％。

實(shí)施例4

將2.70g氰化氫與4.40g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻后再加入0.2g三氟化硼乙醚絡(luò)合物、0.16g1，2-戊二醇，在-20℃下攪拌反應(yīng)4h。反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)次氯酸鈉處理未參與反應(yīng)的氰化氫后檢測(cè)3-羥基丙腈的含量。結(jié)果表明在該條件下，3-羥基丙腈的收率為52％。

實(shí)施例5

將2.70g氰化氫與4.40g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻后再加入0.2g三氟化硼乙醚絡(luò)合物、0.16g1，2-戊二醇、1.0g活性氧化鋁，在-10℃下攪拌反應(yīng)4h。反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)次氯酸鈉處理未參與反應(yīng)的氰化氫后檢測(cè)3-羥基丙腈的含量。結(jié)果表明在該條件下，3-羥基丙腈的收率為70％。

實(shí)施例5

將0.2g三氟化硼乙醚絡(luò)合物、0.16g1，2-戊二醇、1.0g活性氧化鋁和20mL干乙醚加入到帶有攪拌裝置的密閉反應(yīng)器中，在室溫下攪拌24h后抽濾得白色固體。

將2.70g氰化氫與4.40g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻；然后加入1.0g上述白色固體，在-10℃下攪拌反應(yīng)4h。反應(yīng)結(jié)束后，用少量次氯酸鈉處理未參與反應(yīng)的氰化氫后檢測(cè)3-羥基丙腈的含量。結(jié)果表明在該條件下，3-羥基丙腈的收率高達(dá)86％。

實(shí)施例6

將2.70g氰化氫與4.40g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻；然后加入1.0g實(shí)施例5中的白色固體，在-10℃下攪拌反應(yīng)4h，再在10℃下攪拌反應(yīng)4h。反應(yīng)結(jié)束后，用少量次氯酸鈉處理未參與反應(yīng)的氰化氫后檢測(cè)3-羥基丙腈的含量。結(jié)果表明在該條件下，3-羥基丙腈的收率高達(dá)93％。

實(shí)施例7

將2.70g氰化氫與4.40g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻；然后加入1.0g實(shí)施例5中的白色固體，在-10℃下攪拌反應(yīng)4h，再在10℃下攪拌反應(yīng)24h。反應(yīng)結(jié)束后，用少量次氯酸鈉處理未參與反應(yīng)的氰化氫后檢測(cè)3-羥基丙腈的含量。結(jié)果表明在該條件下，3-羥基丙腈的收率高達(dá)97.3％。

實(shí)施例8

將2.70g氰化氫與5.00g環(huán)氧乙烷投入到帶有冷卻裝置的封閉反應(yīng)器中，攪拌均勻；然后加入1.0g實(shí)施例5中的白色固體，在-10℃下攪拌反應(yīng)4h，再在10℃下攪拌反應(yīng)24h。反應(yīng)結(jié)束后，加入適量的氫氧化鈉溶液后測(cè)定未參與反應(yīng)的氰化氫。結(jié)果表明在該條件下，結(jié)果表明氰化氫的轉(zhuǎn)化率高于99％。