3.2　任務(wù)解析

花工檢查了小李等資料檢索情況。

小李：“氯甲基丁烯又叫1-氯代異戊烯（學(xué)名 1-氯-3-甲基-2-丁烯）。在常溫下為無色液體，不溶于水，溶于乙醇、二氯乙烷等有機(jī)溶劑。”

小周：“1-氯代異戊烯（學(xué)名 1-氯-3-甲基-2-丁烯）可用作農(nóng)藥、醫(yī)藥及香料中間體。可制備異戊烯醇，繼而合成戊烯酸甲酯、二氯菊酸酯等高效低毒農(nóng)藥的重要中間體和橡膠單體系列產(chǎn)品；合成類胡蘿卜素等用于香料和香精工業(yè)的中間體以及在相模法中可合成3，3-二甲基-4-戊烯酸甲酯等。”

小趙：“資料上說，氯甲基丁烯主要由戊二烯與無水HCl合成。”

花工：“下面我們可以從小試開始了解氯甲基丁烯的開發(fā)過程。”

3.2.1　產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書

氯甲基丁烯的合成任務(wù)及要求詳見表3-1產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)書。

花工：在企業(yè)里，有關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的項(xiàng)目必須經(jīng)過主管部門批準(zhǔn)后方可以進(jìn)行試驗(yàn)。一般都需要下發(fā)正式的文件或任務(wù)書。在任務(wù)書中必須明確項(xiàng)目的內(nèi)容、要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。可以轉(zhuǎn)接科研院所的項(xiàng)目也可以自行開發(fā)。產(chǎn)品的質(zhì)量如果沒有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)可依，完全可以自主開發(fā)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

注：一式三聯(lián)。一聯(lián)交技術(shù)總監(jiān)留存，一聯(lián)交技術(shù)部經(jīng)理，一聯(lián)交項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

3.2.2　氯甲基丁烯的合成路線設(shè)計(jì)

（1）氯甲基丁烯的分子結(jié)構(gòu)分析

首先根據(jù)有機(jī)化合物的CAS號(hào)查閱氯甲基丁烯的分子結(jié)構(gòu)式。

目標(biāo)化合物基本結(jié)構(gòu)是異戊烯的結(jié)構(gòu)，是其末端氯代產(chǎn)物，氯原子在雙鍵的α位碳上。

（2）氯代異戊烯合成路線分析

從目標(biāo)物結(jié)構(gòu)看，很容易聯(lián)想到烯烴α位的鹵代化合物的合成。

這是一種基于自由基取代的反應(yīng)。

目標(biāo)化合物的雙鍵位于分子結(jié)構(gòu)中間，故有3個(gè)α位的碳原子，都能發(fā)生α位的取代，故以此反應(yīng)進(jìn)行合成時(shí)將得到3個(gè)α位取代的產(chǎn)物。

這樣的合成產(chǎn)率不高，且產(chǎn)物雜，實(shí)際上沒有太大的意義。于是我們考慮另一種類型的共軛烯烴的加成。例如1，3-丁二烯與氯化氫的加成反應(yīng)。

發(fā)生1，4-加成時(shí)，氯化氫加成在共軛雙鍵的末端C原子上，而2，3位形成新的雙鍵，而這種位置正好符合目標(biāo)化合物的特征。于是可以設(shè)想目標(biāo)化合物可以由異戊二烯（2-甲基-1，3-丁二烯）和氯化氫加成得到。

這是共軛雙鍵的特殊性，即能發(fā)生所謂“雙鍵收縮”，利用這一性質(zhì)，逆向合成路線設(shè)計(jì)如下：

在此過程中，進(jìn)行逆向切斷時(shí)保留了雙鍵而切斷了Cl—C鍵，得到了相應(yīng)的d-合成子（Cl-）部分和a-合成子部分（烯基正碳離子）部分。對(duì)應(yīng)的合成子等效試劑為氯化氫和異戊二烯（雙鍵α-碳自由基取代的等效試劑不可取），因此很容易地找到合成路線。

小周：“異戊二烯也能發(fā)生1，2-加成，產(chǎn)物不純！”

花工：“非常好！由于異戊二烯分子結(jié)構(gòu)中甲基的影響，1，2-加成時(shí)主要生成3-氯-3-甲基-1-丁烯，反應(yīng)如下。

3-氯-3-甲基-1-丁烯和目標(biāo)產(chǎn)物是同分異構(gòu)體，在低溫有水的條件下發(fā)生異構(gòu)化變?yōu)楫a(chǎn)物。

因此，總體上看，異戊二烯加成時(shí)可得到收率較高的1，4-加成產(chǎn)物。”

小李：“有資料說，逆向合成時(shí)應(yīng)注意分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，那么是否可以考慮切斷分子中間的雙鍵？”

花工：“這個(gè)問題的實(shí)質(zhì)是烯烴（雙鍵）的合成（能合才能切）。有機(jī)化學(xué)上，烯烴的合成主要通過消除反應(yīng)和Witting反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。這些方法基本上都屬于由某一官能團(tuán)消除（或轉(zhuǎn)化）而來。但由于雙鍵α-C上氯原子是易離去基團(tuán)，本身具有消除的特性，故利用消除反應(yīng)并不可取。Witting反應(yīng)是合成雙鍵的最重要的方法，但成本相對(duì)較高。因此本項(xiàng)目合成時(shí)有意避開了雙鍵的直接合成，而是利用了共軛雙鍵加成時(shí)能發(fā)生“雙鍵收縮”的性質(zhì)進(jìn)行合成。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，我們討論的重點(diǎn)不是在于共軛雙鍵加成的特性，而是在于我們合成的目的，即向異戊烯分子中引入了氯原子，由于氯原子是比較好的易離去基團(tuán)，使得原本主要反應(yīng)活性體現(xiàn)在雙鍵上的化合物的末端碳原子具有了非常大的反應(yīng)活性（形成烯丙基）。生產(chǎn)上即以此為原料合成乙酸異戊烯酯。

這種引入氯原子活化的手段在合成上是非常普遍的。”

3.2.3　單元反應(yīng)過程分析

花工：在確定反應(yīng)路線，選擇相應(yīng)的原料和試劑后，要完成反應(yīng)還必須制訂詳細(xì)的反應(yīng)方案。這在工藝上就是明確相應(yīng)的工藝控制點(diǎn)，顯然這對(duì)于生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的。而反應(yīng)方案的制訂就必須從反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)影響因素等方面入手才能把握其要點(diǎn)。

（1）異戊二烯與氯化氫加成反應(yīng)機(jī)理　異戊二烯與無水HCl或濃鹽酸反應(yīng)生成1-氯-3-甲基-2-丁烯（簡稱1，3，2-CMB）和3-氯-3-甲基-1-丁烯（簡稱3，3，1-CMB）的混合物，反應(yīng)通常需要CuCl做催化劑。反應(yīng)式如下。

機(jī)理可能如下：

CuCl + HClH+[CuCl2]-

CuCl首先與氯化氫結(jié)合形成配合物，然后與異戊二烯結(jié)合成復(fù)合物，形成活性較高的中間體，質(zhì)子加成到共軛雙鍵體系上，共軛體系解體，形成烯丙基碳正離子中間體，再結(jié)合上配合物上氯原子后，最終形成產(chǎn)物，即發(fā)生1，4-加成和1，2-加成。

由于1，4-加成產(chǎn)物有8個(gè)σ（C—H）鍵與雙鍵發(fā)生σ-π超共軛效應(yīng)，而1，2-加成產(chǎn)物不存在這種共軛效應(yīng)，故1，4-加成的產(chǎn)物的能量比1，2-加成產(chǎn)物為低。在氯化亞銅催化下，1，2-加成產(chǎn)物將異構(gòu)化為1，4-加成產(chǎn)物。可能的歷程如下。

異構(gòu)化反應(yīng)是平衡反應(yīng)，反應(yīng)放熱。

如果體系中HCl量過量，在較高溫度下，氯代異戊烯易與氯化氫進(jìn)一步加成生成1，3-二氯-3-甲基丁烷（兩分子加成）。

（2）異戊二烯與氯化氫加成反應(yīng)影響因素

①異戊二烯的反應(yīng)性質(zhì)　異戊二烯為無色刺激性液體。熔點(diǎn)-120℃，沸點(diǎn)34℃。密度0.68g/cm3，不溶于水，溶于苯，易溶于乙醇和乙醚。

異戊二烯分子中含有共軛雙鍵，其穩(wěn)定性較碳原子相同的非共軛雙烯強(qiáng)，但由于其親電加成時(shí)能生成穩(wěn)定性更好的烯丙型碳正離子，故反應(yīng)要比非共軛雙烯要容易得多。另外，甲基是供電子基團(tuán)，使得雙鍵的電子云密度增大，對(duì)相連的雙鍵影響較大，對(duì)相隔的雙鍵影響較小，因而更容易發(fā)生親電加成，也容易發(fā)生聚合反應(yīng)，可在空氣或氧氣中燃燒，可與溴水、氯氣等發(fā)生1，2-加成或1，4-加成反應(yīng)。

②氯化氫的反應(yīng)性質(zhì)　氯化氫是無色而有刺激性氣味的氣體，吸濕。密度1.477g/L（25℃），熔點(diǎn)-114.2℃，沸點(diǎn)-85℃。氯化氫極易溶于水，在0℃時(shí)，1體積的水大約能溶解500體積的氯化氫。其水溶液俗稱鹽酸，學(xué)名氫氯酸。易溶于乙醇和醚，也能溶于其他多種有機(jī)物。干燥氯化氫的化學(xué)性質(zhì)很不活潑。

③反應(yīng)介質(zhì)的影響　由于異戊二烯不溶于水，生產(chǎn)上通常是在烯烴中通入干燥氯化氫，較少使用濃鹽酸。將干燥氯化氫直接通入到異戊二烯中進(jìn)行加成反應(yīng)，反應(yīng)迅速，但主要產(chǎn)物為3，3，1-CMB，1，3，2-CMB的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)37 %，并無二氯代烴生成。如果加入鹽酸后，3，3，1-CMB 生成量相應(yīng)降低，1，3，2-CMB生成量增加。故生產(chǎn)上常在氯化反應(yīng)完成后，向體系中加入少量的水，以促使異構(gòu)化的進(jìn)行。

在氯化氫加成過程中也可加入某些助溶劑，以改善1-氯代異戊烯的選擇性，且控制兩分子加成物在較低范圍內(nèi)。而從加入助溶劑的性質(zhì)來看，極性助溶劑的效果明顯優(yōu)于非極性溶劑，其中尤以乙酸的效果最佳。助溶劑加入量對(duì)反應(yīng)選擇性影響不是太大，但對(duì)反應(yīng)收率還是有一定影響，特別是隨著加入量的增加，反應(yīng)收率有明顯下降趨勢(shì)，且反應(yīng)成本也有所增加，一般控制1%加入量左右。乙酸提高反應(yīng)選擇性的原因可能有2個(gè)，一是在一定范圍內(nèi)提高了CuCl的溶解度，二是抑制了HCl的溶解，使反應(yīng)液中HCl保持較低濃度（即起到稀釋的作用），從而提高了1，3，2-CMB 的選擇性。

④催化劑的影響　一般來說，親電反應(yīng)都可以用路易斯酸做催化劑，如AlCl3、FeCl3等。以氯化亞銅做催化劑效果較好，生產(chǎn)上加入量一般為3%左右。

⑤溫度對(duì)反應(yīng)的影響

a.氯化氫加成溫度對(duì)反應(yīng)的影響　提高氯化氫加成溫度，反應(yīng)選擇性進(jìn)一步提高；但達(dá)到一定溫度后，隨著反應(yīng)溫度繼續(xù)提高，反應(yīng)選擇性基本不發(fā)生變化，同時(shí)反應(yīng)收率有下降趨勢(shì)，分析應(yīng)該是原料在高溫下?lián)]發(fā)所致，故適宜的加成溫度應(yīng)控制在0～10℃，得到比較高的選擇性和產(chǎn)率。

b.溫度對(duì)3-氯代異戊烯異構(gòu)為 1-氯代異戊烯的影響　由于異構(gòu)化反應(yīng)放熱，低溫對(duì)平衡的移動(dòng)有利。但溫度太低將影響達(dá)到平衡的時(shí)間，因此，生產(chǎn)上一般在10～25℃進(jìn)行異構(gòu)化。

⑥物料的比例對(duì)反應(yīng)的影響　理論上，異戊二烯與氯化氫按照1∶1進(jìn)行加成反應(yīng)。因過量的氯化氫會(huì)造成產(chǎn)物的二氯化，故異戊二烯的量應(yīng)略過量。有資料表明，在用鹽酸的氯化中，當(dāng)n（酸）∶n（異戊二烯）=1∶（1.05～1.15）時(shí)，1，3，2-CMB 生成量較大。

⑦傳質(zhì)的影響　氣液反應(yīng)，傳質(zhì)對(duì)反應(yīng)有較大的影響。一般來說，通入氯化氫時(shí)應(yīng)盡量增加氣液兩相的接觸面積。

氯化氫通入速度加大，盡管可以增加氣液兩相接觸面積，加快反應(yīng)速率，但如果反應(yīng)速率過大，反應(yīng)的熱效應(yīng)將增大，二氯產(chǎn)物也顯著增加，相應(yīng)消耗的冷卻水量也較大。故通入氯化氫速度應(yīng)適當(dāng)降低，以控制產(chǎn)物中二氯產(chǎn)物的含量平穩(wěn)。

⑧ 氯化反應(yīng)深度的影響　氯化時(shí)常用氯化深度來控制氯化反應(yīng)進(jìn)行的程度。工業(yè)上常以烷烴的氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示氯化深度。

有時(shí)為了方便起見，氯化深度也可以用氯化物實(shí)際增重來表示。氯代異戊烯進(jìn)一步氯化會(huì)生成二氯代異戊烷，因此，控制異戊二烯的反應(yīng)深度對(duì)降低二氯代異戊烷的生成量很重要。異戊二烯反應(yīng)得越完全，生成的二氯代異戊烷就越多。當(dāng)控制異戊二烯余量在3%以上時(shí)，可抑制二氯代異戊烷的生成量在 1%以下；當(dāng)異戊二烯剩余量大于 5%時(shí)，則幾乎不生成二氯代異戊烷。這可能是由于異戊二烯含量超過5%時(shí)，體系中的氯化氫只與異戊二烯反應(yīng)，而異戊二烯含量低于5%時(shí)，氯代異戊烯、異戊二烯與氯化氫的反應(yīng)呈競爭關(guān)系，氯化氫更易與高濃度的氯代異戊烯反應(yīng)生成二氯代異戊烷，尤其是異戊二烯含量低于3%時(shí)，與氯化氫發(fā)生副反應(yīng)的氯代異戊烯更多，因此，控制異戊二烯剩余量在 3%～5%對(duì)制備1-氯代異戊烯較有利。

必須注意的是，由于部分氯化氫氣體可溶解在反應(yīng)液中，停通氯化氫氣體后溶解在反應(yīng)液中的氯化氫會(huì)繼續(xù)與氯代異戊烯反應(yīng)，影響氯代異戊烯的收率。隨著停通氯化氫后開始N2吹掃時(shí)間間隔的延長，二氯代異戊烷的生成量顯著增多。在反應(yīng)停止后，若不及時(shí)將體系中殘留的氯化氫吹出，會(huì)使氯代異戊烯混合物發(fā)生深度氯化，生成飽和的二氯代異戊烷，降低目標(biāo)產(chǎn)物的含量。因此，在反應(yīng)結(jié)束后，應(yīng)立即通入一定流量的N2進(jìn)行吹掃，阻止氯代異戊烯深度氯化的發(fā)生。

⑨ 副反應(yīng)的影響　當(dāng)反應(yīng)溫度較高時(shí)或反應(yīng)速率過快時(shí)，會(huì)有少量異戊二烯發(fā)生聚合反應(yīng)，并有二氯化產(chǎn)物形成。

3.2.4　單元反應(yīng)后處理策略分析

氯化反應(yīng)完成后，要將反應(yīng)物中目標(biāo)產(chǎn)物分離出來，才能完成合成的任務(wù)。由于反應(yīng)物體系的構(gòu)成千差萬別，要進(jìn)行分離時(shí)采用的策略是不盡相同的。

（1）體系的組成及其狀態(tài)　氯化反應(yīng)結(jié)束后，體系的主要組成為：1-氯-3-甲基-2-丁烯、3-氯-3甲基-1-丁烯，未反應(yīng)的異戊二烯、氯化氫、少量的二氯產(chǎn)物（3-甲基-1，3-二氯丁烷）以及CuCl等，除催化劑外，其他組分為均相溶液狀態(tài)。

（2）產(chǎn)物的分離策略　反應(yīng)物分離時(shí)通常要考慮優(yōu)先分離出催化劑（包括介質(zhì)中的酸或堿），如果不能分離，則通常要考慮將其猝滅。這里因?yàn)镃uCl不溶于反應(yīng)物，故可以首先過濾除去。對(duì)于溶解在溶液中的HCl，因可以發(fā)生繼續(xù)加成反應(yīng)，故應(yīng)首先除去。一般用鼓泡的方式將它帶出體系。

其他各組分，除溶解在溶液中的HCl常溫下為氣體外，其他組分常溫下均為液體，故總體上可通過減壓蒸餾的方法分別分離出來。

（3）關(guān)于產(chǎn)物的精制　因反應(yīng)收率較高，經(jīng)減壓蒸餾后產(chǎn)物已達(dá)到較高的純度。

花工講解完，要小李等考慮如何制訂氯甲基丁烯的小試合成方案，在車間小試實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)時(shí)討論。