Synthesis of 3,3-Dimethyl-2-oxo-butyric Acid by Catalytic Oxidation Sun Xiaohong, Liu Yuanfa#, Zhang Xiaoyan## (Institute of Chemistry, Northwest University #Department of Chemistry, Northwest University ##Department of Chemical Engineering, Northwest University, 710069, Xi’an) Abstract Using dichloropinacolone as starting material, ruthenium dioxide/celite as catalyst and sodium hypochlorite as oxidant, 3,3-dimethyl-2-oxo-butyric acid is prepared through hydrolization and oxidation two reaction steps. This new method has many advantages, such as easy operation, low reaction temperature, high yield and purity. Catalyst RuO2/Celite can be recuperated and re-used. Key words 3,3-Dimethyl-2-oxo-butyric acid synthesis, Catalytic, Oxidation 摘要 以二氯频哪酮为起始原料，RuO2/Celite 为催化剂，NaOCl 作氧化剂，经水解、氧化两步反应制得 3,3-二甲基-2-氧代丁酸。合成方法具有操作方便、反应温度低、收率和纯度高等优点。催化剂可回收再用。 关键词 3,3-二甲基-2-氧代丁酸 合成 催化氧化 催化氧化法合成 3,3-二甲基-2-氧代丁酸 孙晓红 刘源发 # 张小燕## (西北大学化学研究所 #西北大学化学系 ##西北大学化工系 西安 710069) 3,3-二甲基-2-氧代丁酸(简称 a-丁酮酸)是一种重要的化工原料和农药中间体，由它可以制备选择性旱田除草剂赛克津，乙嗪草酮，异麦塞津等多种农药品种。它的合成方法文献已有报道[1-7]，其中以二氯频哪酮为起始原料，在 NaOH 存在下水解生成 3,3-二甲基-2-羟基丁酸(简称 a-羟基丁酸)[5]及用 RuO2 作催化剂，NaOCl 作氧化剂的催化氧化[6] 制得题目化合物的方法，具有反应路线短，反应条件温和，收率高的优点。 作者在文献[5,6]的基础上加以改进，改变水解反应时保温滴加二氯频哪酮的加料方式，避免因二氯频哪酮易升华引起管道堵塞的问题；及在氧化反应步骤中选用 Celite 作载体，将 RuO2 制成催化剂 RuO2/Celite, 不仅提高了 RuO2 的催化效果，避免了 RuO2 的机械损失，同时从水解反应开始即严格控制碱的用量及氧化步骤 NaOCl 溶液的游离碱量和用量，以保证氧化反应时反应介质 pH，使得氧化反应顺利进行，又可在反应后容易分离回收 RuO2/Celite, 并可使水解-氧化两个步骤不经过中间分离处理连续进行，以反应式表示如下： 经过20余次回收套用试验证明，改进后的方法具有收率高(两步反应总收率~90%)，质量好，操作条件简便，副产物少等优点，易于实现工业化生产。 1 试验部分 1.1 仪器及试剂 XRC-1 型熔点测定仪(温度计未校正)；PE-2400元素分析仪。
| 二氯频哪酮 | 自制 | 含量≥
95%
| NaOH | C.P | 含量 90%
| RuO2 .H2O | C.P | 含量 99.5%
| NaOCl | 工业品 | 有效氯含量11.22%
| RuO2/Celite | 自制 | 含量 1%

1.2 操作步骤
1.2.1 水解反应 二氯频哪酮178g(1mol), 水 350mL，加入一装有搅拌器，温度计，滴液漏斗，冷凝器的反应瓶中，水浴加热至 50±5°C，搅拌下滴加 50%NaOH 溶液(含 NaOH128g, 3.2mol)，约 1～2h 加完。50±5°C 继续反应 2h 左右使反应液呈清亮透明，即为 a-羟基丁酸钠溶液。此溶液可直接用于下一步氧化反应。分析含量，收率>95%。也可用中和法将其分离出来，a-羟基丁酸为白色固体结晶，M.P.86～87°C(文献报道值[8]84～86°C)。
元素分析结果：

|  | C% | H%
| 计算值 | 53.62 | 9.54
| 分析值 | 53.64 | 9.55

1.2.2 氧化反应 将上步水解反应所得的 a-羟基丁酸钠水溶液(1mol)加入装有搅拌器，温度计，滴液漏斗的反应瓶中，加入 1%RuO2/Celite 催化剂 20g，水浴加热至 40±5°C，搅拌下滴加 NaOCl 溶液(11.2%NaOCl 350mL), 30min 加完，再反应 2h。反应温度不超过 50°C。反应过程中保持 pH = 10-11(必要时加 NaOH 调节)，过滤，回收催化剂。滤液微黄色透明，即为 a-丁酮酸钠溶液，收率>94%。不必处理即可用于制备赛克津中间体 4-氨基-6-特丁基-3-巯基-1,2,4-三嗪-5(4H)-酮；也可经中和萃取得到 a-丁酮酸, m.P.90～91°C(文献值[9]m.P.90～91°C)。
元素分析结果：

|  | C% | H%
| 计算值 | 55.38 | 7.69
| 分析值 | 55.40 | 7.65

2 结果与讨论
2.1 水解反机理探讨
水解反应可能是按下式进行的：
形成 a-醛酮，不含 a-氢原子，在碱催化下发生分子内 Cannizzaro，S 反应[10,11], 生成 a-羟基酸，以反应式表示如下：
从反应式可知，由二氯频哪酮与 2 倍物质量的 NaOH 作用水解形成(Ⅰ)式, (Ⅰ)式脱水后，碱催化发生分子内自氧化还原反应得(Ⅱ)式, (Ⅰ)式和(Ⅱ)式互为异构体。虽然分子内自氧化还原反应只需催化量的碱即可完成，不过最终产物形成了酸，所以还需 1mol 的碱以成盐。试验结果投料比：二氯频哪酮:NaOH=1:3.2 为佳。
2.2 加料方式的选择
试验证明二氯频哪酮在 NaOH 溶液中的水解反应，未见明显的放热现象，反应始终需在水浴保温下进行，这为改变文献报道的滴加保温在二氯频哪酮熔点以上的加料方式提供了可能。采用将二氯频哪酮及所需水在室温下一次加入反应瓶中，滴加液碱的方法，边反应边升温，然后在所需反应温度保温反应使反应顺利进行。完全避免了长时间加热熔融二氯频哪酮时的升华造成管道的堵塞问题。
2.3 催化剂种类及用量选择
由于RuO2价格昂贵，其为粉末状固体，在反应后从溶液回收的过程中机械损失大，这将会影响在生产中的应用。我们选用 Celite,Al2O3，活性炭等几种载体，制成 1%的相应催化剂。不同催化剂催化试验结果见表 1

表 1 不同载体的催化效果
催化剂种类 | RuO2/Celite | RuO2/ Al2O2 | RuO2/C
催化剂用量 | 20 | 30 | 20 | 30 | 20 | 30
收率/% | 95.7 | 96.2 | 88.0 | 88.5 | 90.1 | 92.4

由上表可以看出, 其中以 1% RuO2/Celite 催化剂的反应效果最好。在每摩尔 a-羟基丁酸催化剂用量 20g 的情况下，收率即可>95%。
2.4 pH 对反应的影响
反应介质的 pH 不仅会影响收率，还会影响 RuO2 的回收。试验结果表明溶液的 pH 必须保持碱性，以 pH10～11 最佳，而且在反应过程中，需视情况适量补充碱，以保持溶液所需 pH。如果溶液 pH<7 或更低, 不溶于水的 RuO2 与 NaOCl 在反应液中会生成水溶性的钌酸盐，使催化剂很难从溶液中回收；此外，就文献[6]报道，酸性介质中只能使 a-羟基丁酸分子中—CHOH—CO—基团中的 C—C 键发生断裂，而不是由—CHOH—CO——CO—CO—，使收率大幅度降低。
2.5 氧化剂次氯酸钠对反应的影响
次氯酸钠的用量对产品收率和催化剂的回收均有较大的影响。NaOCl 用量一般以过量 10%为好，过量的 NaOCl 会使 RuO2 催化剂转化为水溶性，而影响回收，NaOCl 用量少，会降低收率。
2.6 反应的优惠条件
试验结果所选择的优惠条件为：
水解反应：
投料比： 二氯频哪酮：NaOH = 1：3.2 (mol)
反应温度：50±5°C
反应时间：2～3h
氧化反应：
投料比： a-羟基丁酸：NaOCl = 1：1.1～1.15
催化剂用量：1% RuO2/Celite 10～20g/mol(a-羟基丁酸)
反应温度：40±5°C
反应时间：1～2h
以上优惠条件，两步反应连续进行，并进行了回收套用试验，共套用 20 次，催化效果仍很好。表 2 为 10 次套用的试验结果：
投料 1mol，催化剂用量 1%10g/mol

表 2 催化剂回收套用试验结果
套用次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10
丁酮酸量/g | 117.50 | 118.10 | 117.16 | 117.95 | 117.00 | 118.48 | 117.13 | 116.80 | 117.38 | 117.18
收率/% | 90.40 | 90.85 | 90.12 | 90.72 | 90.00 | 91.14 | 90.10 | 89.84 | 90.29 | 90.14

备注：以上结果为 a-丁酮酸钠盐经分析含量后计算的结果。
由上表可知，所选用的最佳条件收率稳定。催化剂仍可进一步套用。
3 参考文献
[1] Toshifumi M, Katsumi T et al. Bull. Chem. Soc. Japan. 1979, 52(5):1539-1540.
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[9] Robertc.Weast,Ph.D. Melvin J. Astle,Ph.D. CRC Handbook of chemistry and physics. 63rd , Florida : CRC Press,1982:C-205.
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[11] 南京大学化学系有机化学教研组，有机化学，北京：人民教育出版社，1961：下册 255.

孙晓红 女，40 岁，副研究员，主要从事有机合成及精细化工产品的开发研究工作。
陕西省教委重点科研资助项目。