3.2　任务解析

花工检查了小李等资料检索情况。

小李：“氯甲基丁烯又叫1-氯代异戊烯（学名 1-氯-3-甲基-2-丁烯）。在常温下为无色液体，不溶于水，溶于乙醇、二氯乙烷等有机溶剂。”

小周：“1-氯代异戊烯（学名 1-氯-3-甲基-2-丁烯）可用作农药、医药及香料中间体。可制备异戊烯醇，继而合成戊烯酸甲酯、二氯菊酸酯等高效低毒农药的重要中间体和橡胶单体系列产品；合成类胡萝卜素等用于香料和香精工业的中间体以及在相模法中可合成3，3-二甲基-4-戊烯酸甲酯等。”

小赵：“资料上说，氯甲基丁烯主要由戊二烯与无水HCl合成。”

花工：“下面我们可以从小试开始了解氯甲基丁烯的开发过程。”

3.2.1　产品开发任务书

氯甲基丁烯的合成任务及要求详见表3-1产品开发任务书。

花工：在企业里，有关产品研发的项目必须经过主管部门批准后方可以进行试验。一般都需要下发正式的文件或任务书。在任务书中必须明确项目的内容、要求及相关标准。可以转接科研院所的项目也可以自行开发。产品的质量如果没有现成的标准可依，完全可以自主开发企业标准。

注：一式三联。一联交技术总监留存，一联交技术部经理，一联交项目负责人。

3.2.2　氯甲基丁烯的合成路线设计

（1）氯甲基丁烯的分子结构分析

首先根据有机化合物的CAS号查阅氯甲基丁烯的分子结构式。

目标化合物基本结构是异戊烯的结构，是其末端氯代产物，氯原子在双键的α位碳上。

（2）氯代异戊烯合成路线分析

从目标物结构看，很容易联想到烯烃α位的卤代化合物的合成。

这是一种基于自由基取代的反应。

目标化合物的双键位于分子结构中间，故有3个α位的碳原子，都能发生α位的取代，故以此反应进行合成时将得到3个α位取代的产物。

这样的合成产率不高，且产物杂，实际上没有太大的意义。于是我们考虑另一种类型的共轭烯烃的加成。例如1，3-丁二烯与氯化氢的加成反应。

发生1，4-加成时，氯化氢加成在共轭双键的末端C原子上，而2，3位形成新的双键，而这种位置正好符合目标化合物的特征。于是可以设想目标化合物可以由异戊二烯（2-甲基-1，3-丁二烯）和氯化氢加成得到。

这是共轭双键的特殊性，即能发生所谓“双键收缩”，利用这一性质，逆向合成路线设计如下：

在此过程中，进行逆向切断时保留了双键而切断了Cl—C键，得到了相应的d-合成子（Cl-）部分和a-合成子部分（烯基正碳离子）部分。对应的合成子等效试剂为氯化氢和异戊二烯（双键α-碳自由基取代的等效试剂不可取），因此很容易地找到合成路线。

小周：“异戊二烯也能发生1，2-加成，产物不纯！”

花工：“非常好！由于异戊二烯分子结构中甲基的影响，1，2-加成时主要生成3-氯-3-甲基-1-丁烯，反应如下。

3-氯-3-甲基-1-丁烯和目标产物是同分异构体，在低温有水的条件下发生异构化变为产物。

因此，总体上看，异戊二烯加成时可得到收率较高的1，4-加成产物。”

小李：“有资料说，逆向合成时应注意分子结构的对称性，那么是否可以考虑切断分子中间的双键？”

花工：“这个问题的实质是烯烃（双键）的合成（能合才能切）。有机化学上，烯烃的合成主要通过消除反应和Witting反应来实现。这些方法基本上都属于由某一官能团消除（或转化）而来。但由于双键α-C上氯原子是易离去基团，本身具有消除的特性，故利用消除反应并不可取。Witting反应是合成双键的最重要的方法，但成本相对较高。因此本项目合成时有意避开了双键的直接合成，而是利用了共轭双键加成时能发生“双键收缩”的性质进行合成。

这里需要强调的是，我们讨论的重点不是在于共轭双键加成的特性，而是在于我们合成的目的，即向异戊烯分子中引入了氯原子，由于氯原子是比较好的易离去基团，使得原本主要反应活性体现在双键上的化合物的末端碳原子具有了非常大的反应活性（形成烯丙基）。生产上即以此为原料合成乙酸异戊烯酯。

这种引入氯原子活化的手段在合成上是非常普遍的。”

3.2.3　单元反应过程分析

花工：在确定反应路线，选择相应的原料和试剂后，要完成反应还必须制订详细的反应方案。这在工艺上就是明确相应的工艺控制点，显然这对于生产是非常关键的。而反应方案的制订就必须从反应机理和反应影响因素等方面入手才能把握其要点。

（1）异戊二烯与氯化氢加成反应机理　异戊二烯与无水HCl或浓盐酸反应生成1-氯-3-甲基-2-丁烯（简称1，3，2-CMB）和3-氯-3-甲基-1-丁烯（简称3，3，1-CMB）的混合物，反应通常需要CuCl做催化剂。反应式如下。

机理可能如下：

CuCl + HClH+[CuCl2]-

CuCl首先与氯化氢结合形成配合物，然后与异戊二烯结合成复合物，形成活性较高的中间体，质子加成到共轭双键体系上，共轭体系解体，形成烯丙基碳正离子中间体，再结合上配合物上氯原子后，最终形成产物，即发生1，4-加成和1，2-加成。

由于1，4-加成产物有8个σ（C—H）键与双键发生σ-π超共轭效应，而1，2-加成产物不存在这种共轭效应，故1，4-加成的产物的能量比1，2-加成产物为低。在氯化亚铜催化下，1，2-加成产物将异构化为1，4-加成产物。可能的历程如下。

异构化反应是平衡反应，反应放热。

如果体系中HCl量过量，在较高温度下，氯代异戊烯易与氯化氢进一步加成生成1，3-二氯-3-甲基丁烷（两分子加成）。

（2）异戊二烯与氯化氢加成反应影响因素

①异戊二烯的反应性质　异戊二烯为无色刺激性液体。熔点-120℃，沸点34℃。密度0.68g/cm3，不溶于水，溶于苯，易溶于乙醇和乙醚。

异戊二烯分子中含有共轭双键，其稳定性较碳原子相同的非共轭双烯强，但由于其亲电加成时能生成稳定性更好的烯丙型碳正离子，故反应要比非共轭双烯要容易得多。另外，甲基是供电子基团，使得双键的电子云密度增大，对相连的双键影响较大，对相隔的双键影响较小，因而更容易发生亲电加成，也容易发生聚合反应，可在空气或氧气中燃烧，可与溴水、氯气等发生1，2-加成或1，4-加成反应。

②氯化氢的反应性质　氯化氢是无色而有刺激性气味的气体，吸湿。密度1.477g/L（25℃），熔点-114.2℃，沸点-85℃。氯化氢极易溶于水，在0℃时，1体积的水大约能溶解500体积的氯化氢。其水溶液俗称盐酸，学名氢氯酸。易溶于乙醇和醚，也能溶于其他多种有机物。干燥氯化氢的化学性质很不活泼。

③反应介质的影响　由于异戊二烯不溶于水，生产上通常是在烯烃中通入干燥氯化氢，较少使用浓盐酸。将干燥氯化氢直接通入到异戊二烯中进行加成反应，反应迅速，但主要产物为3，3，1-CMB，1，3，2-CMB的质量分数最高达37 %，并无二氯代烃生成。如果加入盐酸后，3，3，1-CMB 生成量相应降低，1，3，2-CMB生成量增加。故生产上常在氯化反应完成后，向体系中加入少量的水，以促使异构化的进行。

在氯化氢加成过程中也可加入某些助溶剂，以改善1-氯代异戊烯的选择性，且控制两分子加成物在较低范围内。而从加入助溶剂的性质来看，极性助溶剂的效果明显优于非极性溶剂，其中尤以乙酸的效果最佳。助溶剂加入量对反应选择性影响不是太大，但对反应收率还是有一定影响，特别是随着加入量的增加，反应收率有明显下降趋势，且反应成本也有所增加，一般控制1%加入量左右。乙酸提高反应选择性的原因可能有2个，一是在一定范围内提高了CuCl的溶解度，二是抑制了HCl的溶解，使反应液中HCl保持较低浓度（即起到稀释的作用），从而提高了1，3，2-CMB 的选择性。

④催化剂的影响　一般来说，亲电反应都可以用路易斯酸做催化剂，如AlCl3、FeCl3等。以氯化亚铜做催化剂效果较好，生产上加入量一般为3%左右。

⑤温度对反应的影响

a.氯化氢加成温度对反应的影响　提高氯化氢加成温度，反应选择性进一步提高；但达到一定温度后，随着反应温度继续提高，反应选择性基本不发生变化，同时反应收率有下降趋势，分析应该是原料在高温下挥发所致，故适宜的加成温度应控制在0～10℃，得到比较高的选择性和产率。

b.温度对3-氯代异戊烯异构为 1-氯代异戊烯的影响　由于异构化反应放热，低温对平衡的移动有利。但温度太低将影响达到平衡的时间，因此，生产上一般在10～25℃进行异构化。

⑥物料的比例对反应的影响　理论上，异戊二烯与氯化氢按照1∶1进行加成反应。因过量的氯化氢会造成产物的二氯化，故异戊二烯的量应略过量。有资料表明，在用盐酸的氯化中，当n（酸）∶n（异戊二烯）=1∶（1.05～1.15）时，1，3，2-CMB 生成量较大。

⑦传质的影响　气液反应，传质对反应有较大的影响。一般来说，通入氯化氢时应尽量增加气液两相的接触面积。

氯化氢通入速度加大，尽管可以增加气液两相接触面积，加快反应速率，但如果反应速率过大，反应的热效应将增大，二氯产物也显著增加，相应消耗的冷却水量也较大。故通入氯化氢速度应适当降低，以控制产物中二氯产物的含量平稳。

⑧ 氯化反应深度的影响　氯化时常用氯化深度来控制氯化反应进行的程度。工业上常以烷烃的氯的质量分数表示氯化深度。

有时为了方便起见，氯化深度也可以用氯化物实际增重来表示。氯代异戊烯进一步氯化会生成二氯代异戊烷，因此，控制异戊二烯的反应深度对降低二氯代异戊烷的生成量很重要。异戊二烯反应得越完全，生成的二氯代异戊烷就越多。当控制异戊二烯余量在3%以上时，可抑制二氯代异戊烷的生成量在 1%以下；当异戊二烯剩余量大于 5%时，则几乎不生成二氯代异戊烷。这可能是由于异戊二烯含量超过5%时，体系中的氯化氢只与异戊二烯反应，而异戊二烯含量低于5%时，氯代异戊烯、异戊二烯与氯化氢的反应呈竞争关系，氯化氢更易与高浓度的氯代异戊烯反应生成二氯代异戊烷，尤其是异戊二烯含量低于3%时，与氯化氢发生副反应的氯代异戊烯更多，因此，控制异戊二烯剩余量在 3%～5%对制备1-氯代异戊烯较有利。

必须注意的是，由于部分氯化氢气体可溶解在反应液中，停通氯化氢气体后溶解在反应液中的氯化氢会继续与氯代异戊烯反应，影响氯代异戊烯的收率。随着停通氯化氢后开始N2吹扫时间间隔的延长，二氯代异戊烷的生成量显著增多。在反应停止后，若不及时将体系中残留的氯化氢吹出，会使氯代异戊烯混合物发生深度氯化，生成饱和的二氯代异戊烷，降低目标产物的含量。因此，在反应结束后，应立即通入一定流量的N2进行吹扫，阻止氯代异戊烯深度氯化的发生。

⑨ 副反应的影响　当反应温度较高时或反应速率过快时，会有少量异戊二烯发生聚合反应，并有二氯化产物形成。

3.2.4　单元反应后处理策略分析

氯化反应完成后，要将反应物中目标产物分离出来，才能完成合成的任务。由于反应物体系的构成千差万别，要进行分离时采用的策略是不尽相同的。

（1）体系的组成及其状态　氯化反应结束后，体系的主要组成为：1-氯-3-甲基-2-丁烯、3-氯-3甲基-1-丁烯，未反应的异戊二烯、氯化氢、少量的二氯产物（3-甲基-1，3-二氯丁烷）以及CuCl等，除催化剂外，其他组分为均相溶液状态。

（2）产物的分离策略　反应物分离时通常要考虑优先分离出催化剂（包括介质中的酸或碱），如果不能分离，则通常要考虑将其猝灭。这里因为CuCl不溶于反应物，故可以首先过滤除去。对于溶解在溶液中的HCl，因可以发生继续加成反应，故应首先除去。一般用鼓泡的方式将它带出体系。

其他各组分，除溶解在溶液中的HCl常温下为气体外，其他组分常温下均为液体，故总体上可通过减压蒸馏的方法分别分离出来。

（3）关于产物的精制　因反应收率较高，经减压蒸馏后产物已达到较高的纯度。

花工讲解完，要小李等考虑如何制订氯甲基丁烯的小试合成方案，在车间小试实验室实习时讨论。