本发明涉及一种γ-氯丁酸甲酯的合成方法，特别是以γ-丁内酯为起始原料的合成方法。
背景技术：
γ-氯丁酸甲酯(s-1)是合成环丙胺的重要中间体，而环丙胺则是喹诺酮类抗菌剂、杀虫剂、农药的重要中间体。
目前，γ-氯丁酸甲酯(即，4-氯丁酸甲酯)的合成方法主要有以下几种：
(1)氯化亚砜开环酯化法。专利CN101693660A、顾晓波等人(环丙胺的合成工艺研究[D].南京理工大学,2005.)均利用氯化亚砜与醇为γ-丁内酯开环、酯化试剂来制备γ-丁酸酯。专利CN1125715报道了利用氯化锌-氯化铜催化氯化亚砜与γ-丁内酯的开环反应。该方法最大的缺点是氯化亚砜原子经济性与环境友好性极差，会释放等摩尔量的氯化氢与二氧化硫，且难以回收利用。
(2)高压氯化氢开环酯化法。专利US3711549报道，高压(2MPa)高温(120℃)以无水氯化锌为催化剂，氯化氢气体与γ-丁内酯进行开环反应生成γ-氯丁酸。γ-氯丁酸与甲醇进行酯化反应可生成γ-氯丁酸甲酯。该工艺最大的缺点是反应需分两步进行，第一步开环反应需要高压设备，反应温度高，设备投资费用大。
(3)文献(Noyce D S,Canfield J H.The Configuration of α-Methoxyadipic Acid[J].J.am.chem.soc,1954(14):3630-3632.)报道了常压氯化氢开环酯化法，具体反应条件如下：γ-丁内酯与乙醇摩尔比为1.0：10.6，氯化氢通入直至乙醇溶液饱和。室温下反应48小时后，反应液经冰水洗、分液、萃取、碱洗、干燥、精馏后可得γ-丁酸乙酯，收率91％。由于该方法的乙醇用量大大过量，导致反应物浓度较小，反应速率慢，反应时间长达48小时。此外，受化学平衡影响，温度越高原料γ-丁内酯的最大转化率越低。乙醇与氯化氢用量大大过量导致精馏回收乙醇、未反应氯化氢的回收负荷大。该方法中，如果减少乙醇的用量，产物γ-丁酸乙酯的收率会明显降低。该方法中，如果降低反应温度，产物γ-丁酸乙酯的最终收率虽然会有所提高，但反应时间会大大延长。
(4)专利CN102898307A报道了利用三氯化磷作γ丁内酯开环试剂的工艺，但该工艺仍存在原子经济性低、环境友好性差的缺点。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种高原子经济性合成γ-氯丁酸甲酯的方法，其具有原子经济性高、环境友好性、反应效率高、工艺简单的优点。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种γ-氯丁酸甲酯的合成方法，包括以下步骤：
1)、合成：
将γ-丁内酯和甲醇混合后降温至-5℃～0℃，先通入首次的氯化氢气体至饱和，然后进行-5℃～0℃的保温反应，反应时间为24～32小时；反应期间，补充通入氯化氢气体(例如为3次)；所述γ-丁内酯、甲醇、氯化氢总量的摩尔比为1.0：1.5～2.0：1.8～2.5；
所述氯化氢总量是指首次的氯化氢与补充通入氯化氢的用量之和；
备注说明：首次通入氯化氢气体至饱和，随着反应不断消耗氯化氢，反应体系变为不饱和状态，这时需要补充通入氯化氢；
2)、将步骤1)所得反应液进行真空旋蒸，从而蒸出反应中过量的氯化氢以及蒸出甲醇，得旋蒸釜底液；上述蒸出的氯化氢被-5℃～0℃的冷甲醇吸收后形成氯化氢甲醇溶液；
该旋蒸釜底液为γ-氯丁酸甲酯粗品；
3)、将步骤2)所得旋蒸釜底液进行减压精馏，得γ-氯丁酸甲酯。
作为本发明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的改进，该方法还包括步骤4)：
4)、循环反应：
于-5℃～0℃，在步骤2)所得的氯化氢甲醇溶液中加入补充的甲醇、加入γ-丁内酯、通入首次的氯化氢气体至饱和，然后进行-5℃～0℃的保温反应，反应时间为24～32小时；反应期间，补充通入氯化氢气体(例如为3次)；所述γ-丁内酯、甲醇总量(循环反应甲醇总量)、氯化氢总量(循环反应氯化氢总量)的摩尔比为1:1.5～2.5:1.8～2.5；
所述甲醇总量(循环反应甲醇总量)是指氯化氢甲醇溶液中的甲醇与补充的甲醇的用量之和；
所述氯化氢总量(循环反应氯化氢总量)是指氯化氢甲醇溶液中的氯化氢、首次的氯化氢与补充通入氯化氢的用量之和；
将所得的反应液重复进行上述步骤2)和步骤3)。
作为本发明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的进一步改进：
所述步骤1)中，补充通入氯化氢气体时采用分批通入的方式。
一般，每隔一段相同的时间补充通入氯化氢气体。
作为本发明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的进一步改进：
所述步骤1)中，补充通入氯化氢气体时分3次通入。
作为本发明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的进一步改进：
所述步骤2)中，利用上一次循环反应中真空旋蒸所得、且被降温至-5℃～0℃的冷甲醇，对本次循环反应中真空旋蒸所得的氯化氢气体(未冷凝的氯化氢气体)进行吸收；然后经无水硫酸钠干燥，所得的氯化氢甲醇溶液得以循环利用。
备注说明：真空旋蒸所得的氯化氢气体中含有水，因此需要后续的无水硫酸钠干燥。
作为本发明的合成γ-氯丁酸甲酯的方法的进一步改进：
所述步骤3)为：在25mmHg下，收集80.0℃～85.0℃馏分，得γ-氯丁酸甲酯。
在本发明的步骤4)的循环反应中，是以步骤2)所得的氯化氢甲醇溶液同时替代步骤1)中的部分的甲醇以及部分的首次通入的氯化氢气体，再重复上述步骤1)～步骤3)的反应及精馏，即，循环反应中所对应的合成步骤，其反应温度、时间均等同于原始的步骤1)的合成。
在本发明的步骤2)中，由于氯化氢气体在冷甲醇的溶解度中较大(一般甲醇：氯化氢＝1：0.9～1.1的摩尔比)，因此利用-5℃～0℃的冷甲醇对未冷凝的氯化氢气体进行吸收，所得氯化氢甲醇溶液经无水硫酸钠干燥后可循环利用；回收的甲醇可用于吸收氯化氢气体。
在本发明中，将反应温度降低至-5℃～0℃，能够促进反应平衡正向进行，提高开环酯化反应限度，从而提高γ-丁内酯的最高转化率。
在本发明中，补充的氯化氢气体采用分批通入的方式，保证反应体系中的氯化氢维持较高的浓度，从而缩短反应时间。
本发明合成γ-氯丁酸甲酯的反应方程式如下:
采用本发明的方法合成γ-氯丁酸甲酯具有以下技术优势：
(1)该方法原子经济性高，具有环境友好性的优点；
(2)该方法实现了温和条件下一锅法合成γ-氯丁酸甲酯，设备投资小，后处理简单；
(3)该方法甲醇用量及氯化氢用量少，且实现了未反应的甲醇与氯化氢的回收利用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、一种γ-丁酸甲酯的合成方法，依次进行以下步骤：
1)、向装有温度计、磁力搅拌的250mL三口烧瓶中加入γ-丁内酯86.0g(1.0mol)，无水CH3OH 48.0g(1.5mol)，降温至0℃。缓慢搅拌(转速约为60r/min)下，向上述溶液中通入干燥HCl气体，直至溶液饱和(此时，HCl的用量为1.8mol)。保温反应24小时，反应期间补充通入3次(间隔时间相等)氯化氢气体至反应液饱和(补充通入的3次，HCl的用量和为0.7mol)，氯化氢总的通入量共2.5mol。
2)、步骤1)所得的反应液进行真空旋蒸(真空度0.08MPa，温度30.0℃)，蒸出过量的甲醇14.4g(0.4mol)与氯化氢。
利用-5℃～0℃的冷CH3OH 35.2g(1.1mol)对上述未冷凝的HCl气体进行吸收，共回收HCl气体45g(1.2mol)，所得HCl-CH3OH溶液经无水硫酸钠干燥后可用于下一批次反应。
3)、对步骤2)真空旋蒸所得的旋蒸釜底液进行减压蒸馏，在25mmHg下，收集80.0℃～85.0℃馏分，可得γ-氯丁酸甲酯产品133g，收率98.1％，纯度99.1％。
4)、循环反应：
于-5℃～0℃，在步骤2)所得氯化氢甲醇溶液(由1.1mol的甲醇+1.2mol的氯化氢组成)中，加入作为补充的甲醇0.4mol，加入γ-丁内酯1.0mol、通入氯化氢气体至饱和(HCl的用量为0.6mol)，保温反应24小时，反应期间补充通入3次(间隔时间相等)氯化氢气体至反应液饱和(补充通入的3次，HCl的用量和为0.7mol)，氯化氢总的通入量共2.5mol。
将所得的反应液重复进行上述步骤2)和步骤3)。
得γ-丁酸甲酯产品，收率98.0％，纯度99.2％。
说明：上述步骤4)所述的“循环反应”重复进行4次后，所得γ-丁酸甲酯的收率为97.9％，纯度99.2％。
根据上述数据，我们得知：甲醇与氯化氢循环利用并未影响最终产品收率及产品纯度。
改变实施例1中的甲醇用量、氯化氢用量、反应温度，其余步骤等同于实施例1的步骤1)～步骤3)，分别得到实施例2～实施例7。所得γ-丁酸甲酯的收率如表1所示。
表1、不同条件下的γ-丁酸甲酯收率
注：1)实施例1～实施例7所得的产品中环γ-氯丁酸甲酯含量≥99.0％。
2)实施例1～实施例7中，时停止反应，反应时间24h～32h。
对比例1-1、将实施例1步骤1)中的温度由“0℃”改成“室温(20℃)”，其余等同于实施例1的步骤1)～步骤3)。所得γ-氯丁酸甲酯的收率为87.8％，纯度99.0％。
对比例1-2、将实施例1步骤1)中的温度由“0℃”改成“-15℃”，其余等同于实施例1的步骤1)～步骤3)。该温度下，需要反应52小时，才能达到γ丁内酯含量小于1％，收率为98.5％。
对比例2、将实施例1中的无水CH3OH由“1.5mol”改成“10.6mol”，缓慢搅拌下，向溶液中通入干燥HCl气体，直至溶液饱和(此时，HCl的用量为12.7mol)。保温反应24小时，期间补充通入3次氯化氢气体至饱和；其余等同于实施例1的步骤1)～步骤3)。所得γ-氯丁酸甲酯的收率为97.4％，纯度99.0％。
但是，该案例中甲醇用量过多，导致步骤2)中回收甲醇负荷增加。
对比例3、将实施例1中的“先通入首次的氯化氢气体至饱和，期间补充通入3次氯化氢气体至反应液饱和，氯化氢通入量共2.5mol”改成“首次时直接通入2.5mol氯化氢气体，反应过程中不再补充氯化氢气体”；其余等同于实施例1的步骤1)～步骤3)。所得γ-氯丁酸甲酯的收率为80％，纯度98.0％。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。