用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮的方法 【技术领域】
本发明属于合成1，4-二氧六环-2-酮的技术，特别是一种用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮的方法。
背景技术
1，4-二氧六环-2-酮作为一种新型的生物可降解材料的单体，在医学，材料学，日用品化学领域有着很重要的作用。现有合成该化合物的方法主要以一缩二乙二醇为原料，通过金属催化剂催化下的脱氢反应制备，金属催化剂的使用以及高温反应使得反应过程存在许多弊端，如选择性较差、副反应多、催化剂无法回收、产物分离困难、环境污染严重等。反应过程中的含氯有机酸的使用以及高温反应很容易导致反应产物的裂解，产物也易与原料一缩二乙二醇发生聚合反应，使得反应的收率降低，产物分离困难。而且金属催化剂亚铬酸铜的使用，使得反应成本增加，催化剂难以回收，工艺过程极不经济。为解决这一问题，国外已有文献报道，如文献(EP 1138664A2)。上述文献的公开制备过程为：1200g的二甲苯，409.7g的乙二醇，240g的氢氧化钠(三者摩尔比为1.9∶1.1∶1)，共沸蒸馏21h，制得乙二醇单钠。然后以乙二醇为溶剂，按摩尔比为1∶1加入氯乙酸钠，与乙二醇钠反应3h制得β-羟乙氧基乙酸钠盐。然后以甲醇作溶剂，搅拌下按(与β-羟乙氧基乙酸钠)摩尔比1∶1加入35％的HCl，反应0.5h制得1，4-二氧六环-2-酮，或以1，4-二氧六环作溶剂，搅拌下按(与β-羟乙氧基乙酸钠)摩尔比2∶1加入98％的H
2SO
4，反应0.5h制得产物。该制备工艺存在的缺陷是：步骤繁多，溶剂使用量大，且无溶剂回收，使用大量丙酮甲醇等溶剂，无回收工艺，进而对环境不友好，反应时间较长，工业可行性不高，以甲醇为反应介质时会有大量的酯类副产物生成。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种反应条件温和、工艺简单、可操作性强、溶剂回收简便，且工业可行性高和成本低的用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮的方法，包括以下步骤：
第一步，乙二醇单钠的合成，将脱水剂、乙二醇和氢氧化钠混合进行反应，乙二醇过量，乙二醇和氢氧化钠的摩尔比大于1.3，反应完毕后冷却至室温，静置分层，分出上层液体，上层液体为脱水剂和乙二醇的混合物，补充乙二醇后，直接用于下一次反应，下层乙二醇单钠中夹带的乙二醇无需分离；
第二步，β-羟乙氧基乙酸钠的合成，将乙二醇、氯乙酸钠和乙二醇单钠混合进行反应，氯乙酸钠的用量与氢氧化钠等摩尔，反应结束后加入环丁砜，减压蒸馏回收乙二醇，冷却后加入丙酮，搅拌均匀后，减压过滤，得粗产物β-羟乙氧基乙酸钠，常压蒸馏回收丙酮，残液为环丁砜，直接循环使用；
第三步，1，4-二氧六环-2-酮的合成，即在含氧杂环溶剂中加入β-羟乙氧基乙酸钠，边搅拌边缓慢滴加浓硫酸进行反应，反应结束后加入干燥剂，过滤，加入含氧杂环溶剂洗涤，减压蒸馏回收含氧杂环溶剂，残液减压蒸馏，收集馏份得到产物1，4-二氧六环-2-酮，或者将残液用脂肪族酯低温重结晶得到产物1，4-二氧六环-2-酮。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)以乙二醇为原料合成1，4-二氧六环-2-酮，产物易于分离，选择性高，且反应所用溶剂均可高效回收，重复使用，环境友好。(2)合成工艺简单化，可操作性强，可以省去了β-羟乙氧基乙酸钠的精制工艺，从而解决了甲醇丙酮等溶剂的大量使用所造成环境污染和生产成本的提高。(3)如果采取β-羟乙氧基乙酸钠的精制工艺，甲醇丙酮等溶剂的回收套用工艺，最大程度降低了生产成本和对环境的污染，工业可行性强。(4)制备乙二醇单钠的反应时间由原来的21h减少到12h。采用过量的乙二醇，一方面缩短了反应时间，同时过量的乙二醇直接作为下一步反应的介质，简化了实验操作，减少了副反应。(5)回收乙二醇时，先向体系中加入环丁砜，可以有效提高乙二醇的回收率，增加实验的可操作性。(6)加入丙酮稀释反应混合物，一方面可以洗去盐中的有机物，同时可以提高环丁砜的回收率，丙酮可以通过简单蒸馏与环丁砜分离。(7)得到的盐可以用水-甲醇-丙酮体系精制，也可以直接用于成环反应。(8)成环反应中不采用醇为反应介质，可以有效避免酯类副产物的生成。(9)反应选择性好，分离提纯简单。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
图1是合成乙二醇单钠的反应方程式。
图2是合成β-羟乙氧基乙酸钠的反应方程式。
图3是β-羟乙氧基乙酸钠精制过程示意图。
图4是合成1，4-二氧六环-2-酮的方程式。
图5是本发明用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮的方法的流程图。
【具体实施方式】
本发明用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮的方法，以乙二醇为原料合成1，4-二氧六环-2-酮，产物易于分离，选择性好，且反应中所用溶剂均可高效回收，重复使用，环境友好。反应过程为：第一步，乙二醇单钠的合成，将脱水剂、乙二醇和氢氧化钠混合进行反应，乙二醇过量，乙二醇和氢氧化钠的摩尔比大于1.3，反应完毕后冷却至室温，静置分层，分出上层液体，上层液体为脱水剂和乙二醇的混合物，补充乙二醇后，直接用于下一次反应，下层乙二醇单钠中夹带的乙二醇无需分离。上述脱水剂、乙二醇和氢氧化钠混合后在120℃～128℃共沸蒸馏8h～12h。其中，脱水剂为二甲苯、甲苯或苯。
第二步，β-羟乙氧基乙酸钠的合成，将乙二醇、氯乙酸钠和乙二醇单钠混合进行反应，氯乙酸钠的用量与氢氧化钠等摩尔，反应结束后加入环丁砜，减压蒸馏回收乙二醇，冷却后加入丙酮，搅拌均匀后，减压过滤，得粗产物β-羟乙氧基乙酸钠，常压蒸馏回收丙酮，残液为环丁砜，直接循环使用。其中，乙二醇、氯乙酸钠和乙二醇单钠混合后在60℃～68℃反应3h～4h；加入环丁砜，在145℃～155℃减压蒸馏。
这里可以对粗产物β-羟乙氧基乙酸钠进行精制，即对粗产物β-羟乙氧基乙酸钠进行重结晶，将粗产物β-羟乙氧基乙酸钠加入水和甲醇混合液中，72℃～90℃搅拌0.5～1h，冷却后，加入丙酮，减压过滤，得到精制产物β-羟乙氧基乙酸钠，常压蒸馏，回收甲醇和丙酮混合液循环使用，无需将甲醇和丙酮精馏分离。采取精制工艺时，对溶剂甲醇、丙酮回收套用，即回收的甲醇和丙酮混合液中加入丙酮，调至体积比例为5∶9；甲醇和丙酮混合液循环使用时，先将粗产物β-羟乙氧基乙酸钠溶于水中，然后再加入甲醇和丙酮混合液。对于甲醇丙酮混合溶液的回收套用还可以按以下方法进行：55℃减压蒸馏回收甲醇丙酮混合液，根据气相色谱的峰面积比及校正因子，通过加入丙酮调整混合液中体积比例为5∶9。
第三步，1，4-二氧六环-2-酮的合成，即在含氧杂环溶剂中加入β-羟乙氧基乙酸钠，边搅拌边缓慢滴加浓硫酸进行反应，反应结束后加入干燥剂，过滤，加入含氧杂环溶剂洗涤，减压蒸馏回收含氧杂环溶剂，残液减压蒸馏，收集馏份得到产物1，4-二氧六环-2-酮，或者将残液用脂肪族酯低温重结晶得到产物1，4-二氧六环-2-酮。其中，脂肪族酯为乙酸乙酯、乙酸丁酯或丙酸丁酯。缓慢滴加浓硫酸，控制滴加速度在3.5ml/h～4.8ml/h和反应温度为20℃～24℃；减压精馏时，5KPa下收集109℃～111℃下的馏份。β-羟乙氧基乙酸钠与98％的浓硫酸物质摩尔比为2.7∶1～3.1∶1。
下面以实施例来说明上述反应过程。
实施例1：结合图5，本发明用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮，省去了β-羟乙氧基乙酸钠的精制工艺，即省去图3所示的精制步骤。其过程如下。
第一步，在装有100ml二甲苯，50ml乙二醇的四口烧瓶中，加入10g的氢氧化钠，缓慢升温至70℃～80℃，搅拌溶解为淡黄色液体，继续升温至126℃～128℃，共沸蒸馏，反应12h，溶液颜色变化为：无色-淡黄色-黄色-黄褐色。反应结束后，静置分层，倒出上层清液，为乙二醇和二甲苯的混合物，在下一循环套用，如图1所示。
第二步，在第一步反应剩余的固体(乙二醇单钠和少量乙二醇混合物)中加入50ml乙二醇，缓慢升温至56℃～58℃，搅拌至均匀，边搅拌边缓慢加入28.5g氯乙酸钠，继续升温至66℃～68℃，反应3h，溶液颜色由黄褐色转变为橙黄色，反应结束后，静置冷却至室温，加入30ml环丁砜，转移至单口烧瓶，155℃下减压蒸馏，回收乙二醇约70ml，减压蒸馏结束后，冷却至50℃以下，加入180ml丙酮，搅拌，减压过滤，得淡黄色的β-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，干燥过夜，滤液收集后常压70℃下蒸馏回收丙酮175ml，残液为环丁砜，直接循环使用，如图2所示。
第三步，在装有40ml 1，4-二氧六环的三口烧瓶中加入20gβ-羟乙氧基乙酸钠，室温下搅拌均匀，缓慢滴加2.8ml98％浓硫酸(0.8h滴完)，控制反应温度为22℃～24℃，反应1h，反应结束后，加入5g无水硫酸钠干燥，过滤，用20ml1，4-二氧六环洗涤滤饼，收集橙黄色滤液，70℃减压蒸馏，回收1，4-二氧六环55ml，得黄色油状液体，如图4所示。
第四步：将外观为黄色油状液体的产物在5KPa下减压蒸馏，收集109℃～110℃馏分，为1，4-二氧六环-2-酮，气相色谱分析纯度超过99％。
实施例2：本发明用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮，省去了β-羟乙氧基乙酸钠的精制工艺，其过程如下。
第一步，在装有100ml甲苯，60ml乙二醇的四口烧瓶中，加入10g的氢氧化钠，缓慢升温至70℃～80℃，搅拌溶解为淡黄色液体，继续升温至124℃～126℃，共沸蒸馏，反应10h，溶液颜色变化为：无色-淡黄色-黄色-黄褐色。反应结束后，静置分层，倒出上层清液，为乙二醇和甲苯的混合物，在下一循环套用，如图1所示。
第二步，在第一步反应剩余的固体(乙二醇单钠和少量乙二醇混合物)中加入50ml乙二醇，缓慢升温至56℃～58℃，搅拌至均匀，边搅拌边缓慢加入28.5g氯乙酸钠，继续升温至60℃～62℃，反应4h，溶液颜色由黄褐色转变为橙黄色，反应结束后，静置冷却至室温，加入30ml环丁砜，转移至单口烧瓶，145℃下减压蒸馏，回收乙二醇约76ml，减压蒸馏结束后，冷却至50℃以下，加入180ml丙酮，搅拌，减压过滤，得淡黄色的β-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，干燥过夜，滤液收集后常压70℃下蒸馏回收丙酮175ml，残液为环丁砜，直接循环使用，如图2所示。
第三步，在装有40ml 1，4-二氧六环的三口烧瓶中加入20gβ-羟乙氧基乙酸钠，室温下搅拌均匀，缓慢滴加2.6ml98％浓硫酸(0.6h滴完)，控制反应温度为22℃～24℃，反应1h，反应结束后，加入5g无水硫酸钠干燥，过滤，用20ml1，4-二氧六环洗涤滤饼，收集橙黄色滤液，70℃减压蒸馏，回收1，4-二氧六环55ml，得黄色油状液体，如图4所示。
第四步：向外观为黄色油状液体的产物中加入等体积的丙酸丁酯，加热至沸腾，常温下冷却后析出少量粉末状晶体，继续低温冷却，大量粉末状晶体析出，为1，4-二氧六环-2-酮，气相色谱分析纯度超过99％。
实施例3：本发明用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮，省去了β-羟乙氧基乙酸钠的精制工艺，其过程如下。
第一步，在装有100ml苯，70ml乙二醇的四口烧瓶中，加入10g的氢氧化钠，缓慢升温至70℃～80℃，搅拌溶解为淡黄色液体，继续升温至120℃～122℃，共沸蒸馏，反应8h，溶液颜色变化为：无色-淡黄色-黄色-黄褐色。反应结束后，静置分层，倒出上层清液，为乙二醇和苯的混合物，在下一循环套用，如图1所示。
第二步，在第一步反应剩余的固体(乙二醇单钠和少量乙二醇混合物)中加入50ml乙二醇，缓慢升温至56℃～58℃，搅拌至均匀，边搅拌边缓慢加入28.5g氯乙酸钠，继续升温至64℃～66℃，反应3h，溶液颜色由黄褐色转变为橙黄色，反应结束后，静置冷却至室温，加入30ml环丁砜，转移至单口烧瓶，150℃下减压蒸馏，回收乙二醇约85ml，减压蒸馏结束后，冷却至50℃以下，加入180ml丙酮，搅拌，减压过滤，得淡黄色的β-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，干燥过夜，滤液收集后常压70℃下蒸馏回收丙酮175ml，残液为环丁砜，直接循环使用，如图2所示。
第三步，在装有40ml 1，4-二氧六环的三口烧瓶中加入20gβ-羟乙氧基乙酸钠，室温下搅拌均匀，缓慢滴加2.4ml98％浓硫酸(0.5h滴完)，控制反应温度为22℃～24℃，反应1h，反应结束后，加入5g无水硫酸钠干燥，过滤，用20ml1，4-二氧六环洗涤滤饼，收集橙黄色滤液，70℃减压蒸馏，回收1，4-二氧六环55ml，得黄色油状液体，如图4所示。
第四步，向外观为黄色油状液体的产物中加入等体积的乙酸乙酯，加热至沸腾，常温下冷却后析出少量粉末状晶体，继续低温冷却，大量粉末状晶体析出，为1，4-二氧六环-2-酮，气相色谱分析纯度超过99％。
实施例4：结合图5，本发明用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮，并增加了β-羟乙氧基乙酸钠的精制工艺，其过程如下。
第一步，在装有100ml二甲苯，50ml乙二醇的四口烧瓶中，加入10g的氢氧化钠，缓慢升温至70℃～80℃，搅拌溶解为淡黄色液体，继续升温至126℃～128℃，共沸蒸馏，反应12h，溶液颜色变化为：无色-淡黄色-黄色-黄褐色。反应结束后，静置分层，倒出上层清液，为乙二醇和二甲苯的混合物，在下一循环套用，如图1所示。
第二步，在第一步反应剩余的固体(乙二醇单钠和少量乙二醇混合物)中加入50ml乙二醇，缓慢升温至56℃～58℃，搅拌至均匀，边搅拌边缓慢加入28.5g氯乙酸钠，继续升温至66℃～68℃，反应3h，溶液颜色由黄褐色转变为橙黄色，反应结束后，静置冷却至室温，加入30ml环丁砜，转移至单口烧瓶，155℃下减压蒸馏，回收乙二醇约70ml，减压蒸馏结束后，冷却至50℃，加入180ml丙酮，搅拌，减压过滤，得淡黄色的β-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，干燥过夜，滤液于常压70℃下蒸馏，回收丙酮175ml。残液为环丁砜，直接循环使用，如图2所示。
第三步，在装有34ml水，113ml甲醇的四口烧瓶中，加入50gβ-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，搅拌均匀后，缓慢升温至70℃，加热回流0.5h，冷却至50℃，加入204ml丙酮，搅拌，减压过滤，得纯白色的β-羟乙氧基乙酸钠盐，干燥过夜。滤液70℃常压蒸馏，回收甲醇和丙酮混合液270ml，每10ml回收液加0.2ml丙酮，然后按甲醇丙酮体积比5∶9，加入甲醇丙酮，配置317ml甲醇丙酮混合液，用于下次重结晶(先用34ml水溶解粗盐，加热回流，冷却后加入317ml甲醇丙酮混合液，减压过滤，并回收甲醇丙酮混合液)，如图3所示。
第四步，在装有40ml 1，4-二氧六环的三口烧瓶中加入20gβ-羟乙氧基乙酸钠，室温下搅拌均匀，缓慢滴加2.8ml98％浓硫酸(0.8h滴完)，控制反应温度为20℃～24℃，反应1h，反应结束后，加入5g无水硫酸钠干燥，过滤，用20ml 1，4-二氧六环洗涤滤饼，收集橙黄色滤液，70℃减压蒸馏，得黄色油状液体，回收1，4二氧六环55ml，如图4所示。
第五步，向外观为黄色油状液体的产物中加入等体积的乙酸乙酯，加热至沸腾，常温下冷却后析出少量粉末状晶体，继续低温冷却，大量粉末状晶体析出，为1，4-二氧六环-2-酮，气相色谱分析纯度超过99％。
实施例5：本发明用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮，并增加了β-羟乙氧基乙酸钠的精制工艺，其过程如下。
第一步，在装有100ml甲苯，60ml乙二醇的四口烧瓶中，加入10g的氢氧化钠，缓慢升温至70℃～80℃，搅拌溶解为淡黄色液体，继续升温至120℃～122℃，共沸蒸馏，反应8h，溶液颜色变化为：无色-淡黄色-黄色-黄褐色。反应结束后，静置分层，倒出上层清液，为乙二醇和甲苯的混合物，在下一循环套用，如图1所示。
第二步，在第一步反应剩余的固体(乙二醇单钠和少量乙二醇混合物)中加入50ml乙二醇，缓慢升温至56℃～58℃，搅拌至均匀，边搅拌边缓慢加入28.5g氯乙酸钠，继续升温至62℃～64℃，反应3h，溶液颜色由黄褐色转变为橙黄色，反应结束后，静置冷却至室温，加入30ml环丁砜，转移至单口烧瓶，145℃下减压蒸馏，回收乙二醇约80ml，减压蒸馏结束后，冷却至50℃，加入180ml丙酮，搅拌，减压过滤，得淡黄色的β-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，干燥过夜，滤液于常压70℃下蒸馏，回收丙酮175ml。残液为环丁砜，直接循环使用，如图2所示。
第三步，在装有34ml水的四口烧瓶中，加入50gβ-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，搅拌均匀后，缓慢升温至100℃，加热回流0.5h，冷却至50℃，加入317ml甲醇丙酮混合液(上一循环的回收母液配制)，搅拌，减压过滤，得纯白色的β-羟乙氧基乙酸钠盐，干燥过夜。滤液70℃常压蒸馏，回收甲醇和丙酮混合液270ml，每10ml回收液加0.2ml丙酮，然后按甲醇丙酮体积比5∶9，加入甲醇丙酮，配置317ml甲醇丙酮混合液，用于下次重结晶(先用34ml水溶解粗盐，加热回流，冷却后加入317ml甲醇丙酮混合液，减压过滤，并回收甲醇丙酮混合液)，如图3所示。
第四步，在装有40ml 1，4-二氧六环的三口烧瓶中加入20gβ-羟乙氧基乙酸钠，室温下搅拌均匀，缓慢滴加2.4ml98％浓硫酸(0.5h滴完)，控制反应温度为20℃～24℃，反应1h，反应结束后，加入5g无水硫酸钠干燥，过滤，用20ml 1，4-二氧六环洗涤滤饼，收集橙黄色滤液，70℃减压蒸馏，得黄色油状液体，回收1，4二氧六环55ml，如图4所示。
第五步，将外观为黄色油状液体的产物在5KPa下减压蒸馏，收集109℃～110℃馏分，1，4-二氧六环-2-酮，气相色谱分析纯度超过99％。
实施例6：本发明用乙二醇合成1，4-二氧六环-2-酮，并增加了β-羟乙氧基乙酸钠的精制工艺，其过程如下。
第一步，在装有100ml甲苯，70ml乙二醇的四口烧瓶中，加入10g的氢氧化钠，缓慢升温至70℃～80℃，搅拌溶解为淡黄色液体，继续升温至124℃～126℃，共沸蒸馏，反应10h，溶液颜色变化为：无色-淡黄色-黄色-黄褐色。反应结束后，静置分层，倒出上层清液，为乙二醇和甲苯的混合物，在下一循环套用，如图1所示。
第二步，在第一步反应剩余的固体(乙二醇单钠和少量乙二醇混合物)中加入50ml乙二醇，缓慢升温至56℃～58℃，搅拌至均匀，边搅拌边缓慢加入28.5g氯乙酸钠，继续升温至64℃～66℃，反应3h，溶液颜色由黄褐色转变为橙黄色，反应结束后，静置冷却至室温，加入30ml环丁砜，转移至单口烧瓶，150℃下减压蒸馏，回收乙二醇约80ml，减压蒸馏结束后，冷却至50℃，加入180ml丙酮，搅拌，减压过滤，得淡黄色的β-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，干燥过夜，滤液于常压70℃下蒸馏，回收丙酮175ml。残液为环丁砜，直接循环使用，如图2所示。
第三步，在装有34ml水的四口烧瓶中，加入50gβ-羟乙氧基乙酸钠的粗盐，搅拌均匀后，缓慢升温至100℃，加热回流0.5h，冷却至50℃，加入317ml甲醇丙酮混合液(上一循环的回收母液配制)，搅拌，减压过滤，得纯白色的β-羟乙氧基乙酸钠盐，干燥过夜。滤液70℃常压蒸馏，回收甲醇和丙酮混合液270ml，每10ml回收液加0.2ml丙酮，然后按甲醇丙酮体积比5∶9，加入甲醇丙酮，配置317ml甲醇丙酮混合液，用于下次重结晶(先用34ml水溶解粗盐，加热回流，冷却后加入317ml甲醇丙酮混合液，减压过滤，并回收甲醇丙酮混合液)，如图3所示。
第四步，在装有40ml 1，4-二氧六环的三口烧瓶中加入20gβ-羟乙氧基乙酸钠，室温下搅拌均匀，缓慢滴加2.6ml98％浓硫酸(0.6h滴完)，控制反应温度为22℃～24℃，反应1h，反应结束后，加入5g无水硫酸钠干燥，过滤，用20ml 1，4-二氧六环洗涤滤饼，收集橙黄色滤液，70℃减压蒸馏，得黄色油状液体，回收1，4二氧六环55ml，如图4所示。
第五步，向外观为黄色油状液体的产物中加入等体积的乙酸丁酯，加热至沸腾，常温下冷却后析出少量粉末状晶体，继续低温冷却，大量粉末状晶体析出，为1，4-二氧六环-2-酮，气相色谱分析纯度超过99％。