CN101107223B - 3-（烷基硫代）丙醛的制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过使用催化剂由甘油制备3-(烷基硫代)丙醛的方法。

Description

3-(烷基硫代)丙醛的制备

技术领域

本发明涉及使用催化剂从甘油制备3-(烷基硫代)丙醛的方法。

背景技术

除了工业上重要的MMP外，还可以从甘油制备通式为

其中R＝H、烷基的MMP类似物。

3-(甲硫基)丙醛(MMP)是重要的中间体，因此对于制备D，L-甲硫氨酸和甲硫氨酸羟基类似物2-羟基-4-甲硫基丁酸(MHA)具有重要的经济重要性。甲硫氨酸是必需氨基酸，尤其是用作动物饲料中的添加物。提高营养的饲料添加剂现在是动物营养学中的基本组分。它们用来改善营养补充物的利用、促进生长并且促进蛋白质形成。这些添加剂最重要的一种是必需氨基酸甲硫氨酸，它作为饲料添加剂特别是在家禽饲养中占有重要的位置。但是，在该领域中，所谓的甲硫氨酸取代物，例如甲硫氨酸羟基类似物(略作MHA)也是十分重要的，因为它们表现出与用于此目的那些已知氨基酸相似的促进生长的性质。

根据现有技术，MMP通过甲硫醇至丙烯醛的催化加成来制备。液态丙烯醛一般在已经以溶解的形式存在液态MMP和催化剂的反应器中与甲硫醇反应(DT 2320544)。使用气态丙烯醛与甲硫醇也是已知的(FR 7520183，FR 7917827，WO 97/00858)。甲硫醇与丙烯醛之间的反应可以分批地或者连续地进行(US 4,225,515，US 5,352,837)。使用有机碱作为常规的催化剂，例如叔胺如六亚甲基四胺、三烷基胺例如三乙胺或者三乙醇胺、苄胺、吡啶类例如2-氟吡啶和4-二甲基氨基吡啶、甲基吡啶、吡嗪、咪唑和烟酰胺，以及醋酸铜(II)、甲基汞硫醇盐和有机过氧化物。

也已经提到了使用离子交换剂(ion exchanger)(FR 7520183)。实际的加成催化剂传统上与助催化剂、有机酸例如乙酸、柠檬酸或甲酸、或者无机酸例如硫酸或磷酸组合，一方面抑制丙烯醛的聚合，即抑制形成不想要的副产物，并且另一方面通过控制添加的碱来增加总产率。在工作期间催化剂不能回收并且损失。

典型的催化剂浓度基于甲硫醇为0.001-0.005摩尔％。典型地是乙酸的酸的所需量介于0.5-50摩尔％之间。为了简化MMP的制备方法，可以事先在预混器中组合催化剂和酸，并且作为溶液进行计量。催化剂预混物在液态MMP反应介质中的浓度通常为0.2-0.75重量％。在反应完成时，通过蒸馏从助剂和副产物中分离出MMP。在通过蒸馏如此制备的加成产物的纯化期间，催化剂预混物损失，并且取决于沸点，不得不借助塔底馏出物或者废气丢弃。原理上，部分催化剂或者添加的酸可以在蒸馏期间穿过塔顶馏出物并且污染所需的纯MMP。

除了消耗催化剂外，这种方法的缺点是MMP的多步合成。因此，必须在通过在气相中由丙烯的选择性氧化并且在多步工作期间分离的复杂方式中制备所需的中间体丙烯醛。

根据现有技术，通过在混合氧化物催化剂上丙烯的异相催化选择性氧化来合成丙烯醛。EP 417723描述了在300-380℃的温度和1.4-2.2巴的压力下在复杂的多金属混合氧化物上的合成。在Ullmann’sEncyclopedia of Industrial Chemistry(第6版，1999年)中，描述了整个过程，包括完成(work-up)，其中分离出几种副产物。在丙烯、空气和水的析出混合物已经至少部分在催化剂上反应后，首先，急冷以消除高沸点副产物例如聚合物、丙烯酸和乙酸。用随后的吸收剂洗出丙烯醛。在解吸以回收吸收剂时，在几个步骤中通过蒸馏纯化所得的粗丙烯醛。

直至现在，甘油还没有用于MMP的合成。此外，从甘油直接合成MMP也是未知的。但是，已知甘油在酸性物质存在下可以脱水形成各种产物。

根据Organic Synthesis I，15-18(1964)，通过在190-200℃处理粉末硫酸氢钾、硫酸钾和甘油，以介于33-48％之间的产率获得丙烯醛。但是，因为低的产率和高的含盐量，该方法不适于工业规模。

在对生物质高温分解油类的模型物质的研究背景中，已经研究了在350-500℃在H-ZSM5沸石上催化处理甘油-参见Dao，Le H.等，ACS Symp.Ser.：3765(Pyrolysis Oils Biomass)328-341(1988)。仅以小的产率形成烃。

另外，在DE 4238493中，描述了在气相及在液相中甘油到丙烯醛的酸催化转化。DE 4238492涉及通过甘油脱水高产率地合成1，2-丙二醇和1，3-丙二醇。

但是，对于从甘油直接合成MMP，除了涉及脱水步骤外，还需要同时选择性结合含硫化合物，例如甲硫醇。

发明内容

根据本发明，提供了一种特别是用于从甘油制备MMP而不用分离中间体的方法，其中使用适当的催化剂现在在一个步骤中就可以实施根据现有技术的MMP的多步合成。

本发明提供了一种制备如下通式的化合物的方法：

其中R表示H、C₁-C₃烷基，所述化合物通过在催化剂存在时，将甘油或者释放甘油的化合物与如下通式的化合物(II)或者制备该化合物(II)的化合物的反应来制备，

R-SH    (II)

其中R表示H、C₁-C₃烷基。

优选的产物是使用甲硫醇制备的MMP。

在该方法中，例如任选在溶剂存在时，或者在液相或者在气相中，甘油-甲硫醇混合物在优选的酸性固体催化剂上反应。

如果合成在液相中发生，在介于50-500℃，优选介于80-350℃，特别优选介于120-300℃间的反应温度下进行。调节压力，从而维持反应混合物的液态。压力一般介于1-300巴之间，优选介于5-200巴之间，特别优选介于20-150巴之间。在液相中，可以在均相或者优选地异相催化剂存在时进行合成反应。

在液相中，还优选使用溶剂或稀释剂。结果，甘油的浓度降低并且使生成低聚物、聚合物和其它高沸点物质的副产应最少。使用本领域技术人员公知的溶剂和稀释剂，例如水、醇如甲醇和乙醇、丙酮、甲苯或者甲基异丁基酮。也可以使用MMP自身作为溶剂，这具有不使用附加物质并因此简化工作的优点。

在反应混合物中，基于溶剂或稀释剂，甘油的浓度介于1-100重量％，优选介于1-70重量％，并且尤其是介于5-40重量％之间。将甘油和甲硫醇的摩尔比调节至0.2-50之间，优选0.4-30之间，尤其是0.8-10之间。

一般，均相溶液对于良好的传质是有利的，但是此处不是绝对必要的。这甚至可以通过两相催化原理以目标方式来探测，其中例如只有产物MMP在溶剂相中是可溶的。如果反应产物MMP在反应介质中是不溶的，可以通过相分离从反应介质中分离出产物而不用复杂的工作并因此可以简化整个过程。

如果合成在气相中发生，在介于200-550℃，优选介于220-450℃，特别优选介于250-350℃间的反应温度发生合成。压力一般介于1-100巴，优选介于1-70巴，特别优选介于1-30巴之间。在气相中，在存在固体催化剂的情况下进行合成。

在气相中，也优选使用稀释剂。这就将甘油的浓度降低至上面给出的值，并因此使形成低聚物、聚合物和其它高沸点物质的副反应最小化。使用本领域技术人员公知的稀释剂，例如氮气、空气和水。可以在缩合后通过相分离简单地与MMP分离的稀释介质是优选的。

与是在气相还是液相中发生所述过程无关，通过使用甘油作为原材料，通过进一步反应成MMP，将反应性中间体，例如可能的丙烯醛、烯丙醇、丙烯醛乙缩醛、3-羟基丙醛或者具有3个碳原子的自由基和离子性化合物的浓度调节至相对低的水平，因为这些中间体可以经历进一步反应形成MMP。高浓度的反应性中间体将导致形成高沸点残留物增加，因此是不可取的。但是，根据现有技术，例如丙烯醛在高浓度下仍逐渐形成并且用作分离的中间体。

另外，通过甘油至脱水的反应性化合物的转化，其在甲硫醇存在的情况下经历快速的进一步反应形成MMP，非常高的甘油转化是可能的而不会形成高沸点副产物。

然后，可以通过已知的方法，通过汽提、蒸馏或萃取，单独或者与部分溶剂或稀释介质一起从反应混合物中分离出已经形成的MMP。然后，将未反应的甘油再循环进入反应步骤中。

所述方法的另一个优点在于甚至可以使用含量为5-40重量％的甘油溶液。因此，所谓的粗甘油可以直接用于MMP的合成而不用事先浓缩或者纯化。

可以在本领域技术人员已知的反应容器，例如固定床反应器、搅拌的容器、流动的管路或者泡罩塔中实施反应。

此处可以以液态或者气态形式使用甲硫醇。另外，它可以作为纯的物质或者作为具有杂质例如甲醇、甲硫醚、二甲基多硫化物、硫化氢或者二甲醚的粗甲硫醇使用。使用粗甲硫醇具有可以使用较便宜的原材料而不需要进一步加工的优点。

除了甘油的脱水外，一般使用同时选择性地加速甲硫醇形成MMP不溶性物质作为酸性异相催化剂。这些物质优选具有小于+2，尤其是小于-3的H₀值。H₀值相应于哈米特酸度函数，并且可以通过所谓使用指示剂的胺滴定或者通过气相碱吸附来确定-参考Studiesin surface science and catalysis，第51卷，1989年：″New solid acids andbases，their catalytic properties″，K.Tanabe等，第2章，尤其是第5-9页，第1章(第1-3页)，上面的文献提供了许多固体酸，本领域技术人员在确定了H₀值后可以任选地选择适当的催化剂。适当的催化剂优选是(i)天然或合成的含硅物质，例如具体地说有丝光沸石、蒙脱石和酸性沸石例如HZSM-5、MCM-22、β-沸石；(ii)载体材料，例如涂有单-、二-或多元无机酸，尤其是磷酸、硫酸或无机酸的酸式盐的氧化物或硅酸盐(silicalitic)物质，例如氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氧化锆或者它们的混合物；(iii)氧化物和混合氧化物，例如氧化铝、氧化锌-氧化铝混合物或者杂多酸。

所述过程可以在液相或者气相中进行。大体上可以在两个实施方案中使用相同的酸催化剂。但是，已经表明一些催化剂优选适用于气相并且另一些优选适用于液相。

因此，在液相中，因其H₀值小于-3而优选使用酸性沸石。另一方面，在气相中，它们经受更快的失活，降低了时空产率。另一方面，氧化物和混合氧化物在气相中提供了更好的产率。

当在液相中进行甘油到MMP的转化时，还可以使用在反应混合物中可溶的相应的酸性均相催化剂。可以单独使用或者与本文所述的异相催化剂之一组合使用这些均相催化剂。

在本发明的另一个实施方案中，不在反应刚开始时向反应混合物中加入甲硫醇，而是仅在上述条件下，至少从部分量的甘油已经形成反应性中间体后加入。在已经加入甲硫醇后，反应性中间体通过进一步反应形成MMP。一方面，这种方法便于甘油转化成脱水的反应性中间体，并且降低了甘油和甲硫醇间的非选择性反应。结果，可以提高MMP的产率。另外，同时通过如此进行反应，可以避免根据现有技术丙烯醛的复杂分离，并且在一个反应器中进行至MMP的反应。

一方面可以以间歇式的方法中发生反应，在一定的反应时间后向反应混合物中加入甲硫醇。例如，搅拌的容器将适于这种实施。另一种可能是半连续式方法，其中甘油溶液和催化剂是初始加入物，并且连续计量加入甲硫醇。

另一方面，也可以仅在流动方向上从反应器入口除去的某个位置或者在反应器的另一段供给甲硫醇。在甘油溶液和催化剂到达该位置时，部分甘油已经转化成反应性中间体。这种方法可以在工业上实施，例如在供给中间体的分级反应器、搅拌的级联容器或者流动管路中实施。

延迟或者后添加至少大部分甲硫醇的另一个优点在于，因为可以调整温度分布或者温度程序，使其在反应物的反应行为基础上最优化所以可以增加MMP的产率。因此，甘油的活化及其首先的脱水步骤需要非常高的活化能，并因此为了在高的时空产率下快速制备需要高的反应温度。另一方面，在高于大约100-150℃的温度MMP趋向于非选择性的进一步反应。因此，通过降低反应温度进行甘油到MMP的转化代表了一个优选的实施方案。

实施例

实施例1

在高压釜中，将36g甘油和19.5g甲硫醇溶解在144g甲醇中。向该混合物中加入3.8g沸石HZSM-5，模量28(H₀＜-8.2)。在加入高压釜前，在空气中将该沸石在干燥箱中于150℃煅烧2h并且于500℃煅烧4h。然后，在搅拌情况下，将混合物在高压釜中加热至300℃。在此操作期间，确定61巴的压力。在一小时后，从混合物中取样并且由气相色谱分析。考虑溶剂的比例，MMP含量为6.0重量％。没有检测到副产物或者中间体丙烯醛和烯丙醇。

实施例2

在高压釜中，将36g甘油溶解在80g甲醇中。向该混合物中加入3.8g购自Zeolyst International的沸石铵βCP 814E(H₀＜-3.0)。在加入高压釜前，在空气中将该沸石在干燥箱中于150℃煅烧2h并且于500℃煅烧4h。然后，在300℃和40巴将混合物加热4小时并且搅拌。在冷却至室温后，加入19.5g甲硫醇和68g甲醇。然后，在搅拌的情况下，将新的混合物在高压釜中加热至100℃。在此操作期间，确立3巴的压力。在30min后，从混合物中取样并且由气相色谱分析。考虑溶剂的比例，MMP含量为0.8重量％。

Claims (24)

1.一种制备如下通式的化合物的方法：

其中R表示H、C₁-C₃烷基，

通过在哈米特酸度函数H₀值小于+2的酸性固体催化剂存在时将甘油或者释放甘油的化合物与如下通式的化合物(II)的反应进行制备，

R-SH                            (II)

其中R表示H、C₁-C₃烷基。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于通式II中的R相当于甲基，并且制备出3-(甲硫基)丙醛。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于甘油与甲硫醇的摩尔比介于0.2和50之间。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于使用溶剂或稀释剂。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述反应混合物中的甘油，基于所述溶剂或稀释剂，以含量为1-100重量％的稀释的形式使用。

6.根据权利要求5的方法，其中所述含量为1-70重量％。

7.根据权利要求6的方法，其中所述含量为5-40重量％。

8.根据权利要求5的方法，其特征在于使用3-(甲硫基)丙醛作为所述溶剂或所述稀释剂。

9.根据权利要求5的方法，其特征在于使用水作为所述溶剂或所述稀释剂。

10.根据权利要求5的方法，其特征在于使用甲醇作为所述溶剂或所述稀释剂。

11.根据权利要求1或2的方法，其特征在于在液相中进行所述方法。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于在1-300巴的压力并且20-500℃的温度进行所述方法。

13.根据权利要求11的方法，其特征在于使用酸性沸石作为所述催化剂。

14.根据权利要求1-2和8-10任一项的方法，其特征在于在-10℃-500℃的温度和1-300巴的压力，在均相催化剂存在时于液相中进行所述方法。

15.根据权利要求1或2的方法，其特征在于在气相中进行所述方法。

16.根据权利要求15的方法，其特征在于在1-100巴的压力并且200-550℃的温度进行所述方法。

17.根据权利要求1或2的方法，其特征在于使用H₀值小于-3的催化剂。

18.根据权利要求17的方法，其特征在于在部分量的所述甘油转化成中间体后，向所述反应混合物中加入用量＞0％的甲硫醇，或者将包含甘油和已经转化成中间体的甘油的反应混合物计量加入甲硫醇中。

19.根据权利要求1或2的方法，其特征在于在部分量的甘油转化成中间体之后将大于0％的量的甲硫醇加入反应混合物，或者将含有甘油及转化成中间体的甘油的反应混合物按计量加入甲硫醇。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于所述反应在至少两个空间上分离的区域中进行，在第一个反应区中甘油至少部分转化并且将甲硫醇加入随后的反应区中。

21.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述反应在至少两个空间上分离的区域内进行，甘油在第一反应区域内至少部分地被转化，并将甲硫醇送入随后的反应区域内。

22.根据权利要求20的方法，其特征在于在所述两个反应区中存在不同的温度，第一个反应区中温度在150-400℃，高于温度介于0-100℃之间的随后反应区中的温度。

23.根据权利要求22的方法，其特征在于，仅在将所述甘油、或者包含由其形成的中间体的所述反应混合物冷却至20-150℃后，加入甲硫醇。

24.根据权利要求22的方法，其特征在于，仅在将所述甘油、或者包含由其形成的中间体的所述反应混合物冷却至20-150℃后，加入＞50％的甲硫醇。