CN102046635B - 多元醇的5元和6元环酯的生产 - Google Patents

Abstract

本文描述了用于通过与有机酸RCOOH在固体酸性基质上的反应来制备糖醇和脱水糖醇的5元和6元环状单酯和二酯的改进方法。本方法适合于用于在温和条件下使用固体酸基质同时作为催化剂和用于分离的色谱床从糖醇和脱水糖醇同时制造和分离环酯的连续过程。反应在70℃至100℃的温和温度进行，并且环酯的形成是几乎定量的。还描述了用于在有机酸的存在下使用微波照射制造糖醇和脱水糖醇的5元和6元环状单酯和二酯的方法。

Description

多元醇的5元和6元环酯的生产

优先权声明 

本申请要求于2008年5月28日提交的美国临时专利申请第61/056,678号的优先权，该美国临时专利申请以其整体通过引用并入本文。 

发明领域

本申请涉及用于制备5碳多元醇和6碳多元醇的5元和6元环酯的方法。特别地，本申请涉及用于在温和条件下使用固体酸基质作为催化剂由糖醇和脱水糖醇制造和分离环酯的连续过程。 

背景 

诸如D-山梨糖醇和D-甘露糖醇的糖醇的环酯具有广泛的商业用途，可作为润滑剂或液压油以及非离子乳化剂、传动系和传热的介质、介电体、加工用油和溶剂。这些环酯是环境友好的可生物降解的油和润滑剂。用于从糖醇和它们的脱水产物生产五元和六元环酯的简单且成本有效的方法是期望的。 

概述 

本教导提供了用于通过与有机酸在固体酸催化剂床上的反应来制备和分离糖醇和它们的单脱水和二脱水衍生物的5元和6元环酯的简单且成本有效的方法，该方法可适合用于从起始的糖醇或它们的单脱水和二脱水衍生物同时合成并分离酯的连续流动过程中。 

附图简述 

图1示出了同时从山梨糖醇和乙酸合成环状的单酯和二酯，并在作为催化剂和色谱分离介质的酸性树脂上与山梨糖醇色谱分离的色谱图。 

图2示出了同时从异山梨醇和乙酸合成环状的单酯和二酯，并在作为催化剂和色谱分离介质的酸性树脂上与异山梨醇色谱分离的色谱图。 

图3示出了鉴别通过乙酸和异山梨醇的由微波促进的反应制备的单酯和二酯的HPLC分析。 

图4示意性地描绘了用于从糖醇或它们的单脱水或二脱水衍生物制备环酯的连续模拟移动床色谱方法。 

详细描述 

本公开内容涉及根据以下反应方案合成5碳糖醇和6碳糖醇及它们的单脱水和二脱水衍生物的环酯的色谱方法： 

其中R和R′独立地是氢、烷基、芳基、乙烯基、烯基烯丙基。异山梨醇是以上描绘的起始材料，是山梨糖醇根据以下的反应方案渐近被酸催化脱水首先成为单脱水糖醇、然后成为二脱水糖醇的最终产物： 

因为酸催化脱水和最终的与加入的有机酸的酯化，所以在本教导中有 用的起始材料可以是经历酸催化的脱水的任何多元醇。典型的多元醇起始材料包括糖醇、单脱水糖醇和二脱水糖醇、二脱水糖单酯或这样的醇的混合物。因此，术语“多元醇”在本文属类上用于包括上述子类的化合物。通常，优选的起始材料包括阿拉伯糖醇、核糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇、异山梨醇、脱水山梨糖醇、1，4:3，6-二脱水-L-艾杜糖醇(isoiodide)、异甘露醇(isomannide)、半乳糖醇、艾杜糖醇。也可以使用戊糖醇，例如木糖醇。异山梨醇是山梨糖醇的二脱水糖醇衍生物，在以上的反应中描绘，并且是特别优选的起始材料，因为其可容易地得到或由山梨糖醇的脱水容易地制备。脱水山梨糖醇是山梨糖醇的单脱水糖醇衍生物，也是期望的起始材料，而且反应也对山梨糖醇和其他多元醇起作用。起始材料可以是“粗制的”，即包括不纯的状态，作为彼此之间的混合物或与次要的非反应性的杂质的混合物。 

在典型的实施中，反应在固体酸催化剂上进行。这样的固体酸的实例包括酸性树脂，例如来自Rohm and Haas的Amberlyst 35、Amberlyst 15、Amberlyst 36、Amberlyst 70和Amberlyst 131；来自Bayer Company的Purolite CT-145、Lewatit S2328、Lewatit K2431、Lewatit S2568、LewatitK2629；和来自Mitsubishi Chemical America，Inc.的Dianion SK 104、PK228、RCP160和Relite RAD/F。在不同的实施方案中，固体酸催化剂可以是弱酸催化剂或强酸催化剂。在其他实施中，固体酸催化剂可以是与非树脂基质例如粘土、沸石、氧化铝等等缔合的酸基。这样的固体酸的实例包括沸石，例如CBV 3024、5534G、T-2665、T-4480和CS331-3。固体酸催化剂可以是煅烧过的沸石。 

一种方法涉及在有机酸RCOOH的存在下，在一温度和压力下，将单脱水糖醇或二脱水糖醇或糖醇暴露于酸催化剂足以提供单脱水糖酯和二脱水糖酯的一段时间(取决于反应条件)，所述单脱水糖酯和二脱水糖酯分别是单环的或双环的。另一种独立但相关的方法涉及在有机酸的存在下对多元醇微波照射以提供环酯，所述多元醇包括但不限于糖醇和脱水糖醇。 

反应条件优选是相对温和的。反应在约70℃至约100℃的温度在环境 压力进行。更通常地，反应温度是约80℃至100℃，并且在示例性的实施中，反应温度是约85℃。当酸催化剂是以柱床的形式时，柱可以用所需的有机酸(RCOOH)平衡，并且反应可以通过把床加热至期望的温度，并且把糖醇或脱水糖醇装填至柱的一端来开始。可以使用相同的有机酸作为洗脱液来洗脱柱。反应物在柱床上的通过影响了同时进行的多元醇酯的合成以及酯与未反应的糖醇或脱水糖醇的色谱分离。如图1所示，未反应的山梨糖醇趋于在异山梨醇酯的峰之后洗脱。如图2中最佳示出的，未反应的异山梨醇趋向于刚好在异山梨醇酯的峰之前洗脱。在产物从反应混合物分离之后，可以使用诸如重结晶或蒸馏或本领域熟知的其他化学纯化技术的过程来进行不同的酯的进一步纯化。 

在合成和提纯方法中的柱的使用能够使被加热的脱水糖醇或糖醇的溶液连续流动，从而减少副产物形成、聚合以及树脂失活的量。固相催化剂用于色谱合成和分离异山梨醇酯和多元醇的环酯的用途是新颖的。 

当起始源是糖醇材料时，可以获得单脱水糖醇和二脱水糖醇的中间化合物，并且将其再循环以提供期望的酯产物。本教导的另一个独特方面是，含有未反应的糖醇或脱水糖醇的任何级分可以通过再循环至柱上使之再次反应。混合的级分可以被再次用色谱处理。本方法不同于现有技术，因为含有山梨糖醇的级分可以再循环，直到获得纯的异山梨醇酯。与本教导的方法相反，迄今为止对起始材料的再循环并非是可选的，并且较长的反应时间已经导致聚合和焦油形成。在本教导中，含有糖醇和脱水糖醇的混合物(级分)的经过固相催化剂再循环以产生并且分离多元醇及其脱水衍生物的环酯，不引起如现有技术中的聚合和焦油形成。 

本方法的试验设计和设置不受限制。当对色谱的进料量特别高时，可以使用多色谱柱。本公开内容的这一方面对于工业规模的开发是有利的。材料可以流动经过所有的树脂柱，或可以插入洗脱流，使得仅仅该流的其余部分经过整个系统。例如，几个柱可以专门用于合成，并且几个柱用于分离和提纯。可选择地，系统可以是但不限于加套的玻璃柱、降膜蒸发器、模拟移动床、连续设置(continuous setup)(CSEP)或连续流动管道系统。 

图4中示意性地图示了使用模拟移动床色谱装置，例如CSEP系统100 的连续色谱分离方法。CSEP系统100包括在圆盘传送带132上的连续固定相柱床132，连续固定相柱床132被分为多个(1-10)分段的床32。液体流动相从第一床区段32(1)的一端装填，并且从第一床区段32(1)的相对端通过，以流体流动方向115到达在圆盘传送带13(2)中的下一个毗邻的床区段的顶部。同时，多个柱床区段32在圆盘传送带132中以与流体方向115逆流的床移动方向135旋转。反应物在用于有机酸110的第一区(在区段32(1)处描绘)和用于糖醇120的第二区(在区段32(6)处描绘)被加料到柱的区段中，每个都以流体流动方向115。在本描述中应理解，糖醇120可以包括其单和/或脱水衍生物，或被其单和/或脱水衍生物代替。糖醇120和有机酸110在催化床132上在圆盘传送带床的反应区中最大限度地彼此接触，所述反应区被描绘成柱区段32(6)至32(9)。酯产物140相对于糖醇120在柱床32的固定相内优先地分配，因此，随着床区段以床流动方向135旋转，酯产物140优先地随床区段移动并且在被描绘为区段32(4)的产物洗脱区中被洗脱。相反地，糖醇120相对于酯140与有机酸110的液相优先地分配，并且因此流向床132的相反部分，并且可以从富含未反应的糖醇150的洗脱区收回，该洗脱区描绘为柱床132的区段32(10)。在可选择的实施方案中，洗脱的糖醇150可以与输入的糖醇120结合，以使反应物利用最大化。可选择地，洗涤洗脱区可以被引入在柱区段32(1)处的洗脱区和在柱区段32(1)处的再装填区之间，以再生柱床，在这种情况下将配置额外的洗涤洗脱口以收集废产物。在任何情况下，当输入的有机酸110和糖醇之间的总流体流动合适地与产物酯140和未反应的糖醇150产物和洗脱液的移出平衡时，该效果建立产物的连续形成以及连续的色谱分离，所述产物的连续形成以及连续的色谱分离可以无限地进行，仅受柱床的寿命的影响。 

本文所描述的工艺还可以应用于含有未反应的山梨糖醇的粗异山梨醇反应混合物。此外，本教导不涉及有毒化学品的使用，并且不需要昂贵的酶。此外，通过修改对有机酸溶剂的选择，可以使用本工艺制备多种异山梨醇酯。例如，山梨糖醇、脱水山梨糖醇、异山梨醇或其混合物的乙酸溶液经过固相催化剂的连续流可以导致单乙酰化和/或二乙酰化的异山梨醇的形成。虽然本文用乙酸举例说明，但是用于形成环酯有用的有机酸可 以是任何支链的或直链的链烷酸、取代的和未取代的芳基羧酸、链烯酸、二羧酸、脂肪酸或其混合物。所关注的典型的有机酸包括甲酸、乙酸、丙酸和丁酸。还使用具有多个酸基的化合物，例如二元酸，例如琥珀酸、酒石酸或富马酸，以及三元酸，例如柠檬酸。 

除以上之外，还在一个完全不同的实施方案中发现，在液相中的有机酸和无机酸催化剂的存在下，将脱水糖醇暴露于微波辐射也提供用于由糖醇和其脱水衍生物形成环酯的方法。可选择地，可以包含对该反应条件惰性的有机溶剂。在一个示例性的实施方案中，使用二氧六环。额外的溶剂可以包括但不限于：甲基四氢呋喃、环戊基甲基醚、烷基化聚醚溶剂、酮溶剂(例如甲乙酮、甲基异丁基酮)和酰胺溶剂(例如二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)和N-甲基吡咯烷酮(NMP))。 

无机酸催化剂可以是例如盐酸、硫酸、磷酸或氢氟酸。当氧化酸例如硫酸、磷酸用于催化反应时，它们还可以形成作为不期望的副产物的糖醇或其脱水衍生物的环状的磺酸酯(sulfoester)或磷酸酯。异山梨醇酯的微波辅助合成使得反应速率的提高、操作简化以及对反应条件精确控制(见下文的实施例3)。环酯的微波辅助合成的反应温度通常在120℃至200℃之间，更通常在140℃至180℃之间，并且在一个示例性的实施方案中是约160℃。这些温度高于使用固相酸催化剂的合成所必需的温度，并且该方法不产生未反应的产物与二酯的分离。然而，被微波促进的反应成本更低、更快并且更容易执行。也可以使用糖醇、糖醇的粗混合物、脱水糖醇的粗混合物、包括单脱水糖醇和其二脱水衍生物或其混合物，作为起始源。该方法可以使用管、管路或相似构造的流经反应器系统分批地或连续地进行。 

以下实施例阐释了本教导的特定的实施方案，但是不被认为以任何方式限制本发明。 

实施例1：由山梨糖醇制备二乙酸异山梨醇酯。 

将浸泡在乙酸中的Amberlyst 35树脂(50g)加入被加热至85℃的柱中。把柱的温度保持在85℃，并且加入山梨糖醇(5.00g)在乙酸(10mL)中的溶液。溶液以1.2mL/min的流量洗脱经过柱。主要产物是二乙酸异山 梨醇酯，也存在单乙酸酯。从柱洗脱的产物在表1中概括并且在图1中描绘。 

表1使用Amberlyst 35树脂柱从山梨糖醇形成二乙酸异山梨醇酯。 

实施例2：由异山梨醇制备二乙酸异山梨醇酯。 

将浸泡在乙酸中的Amberlyst 35树脂(50g)加入被加热至85℃的柱中。将柱的温度保持在85℃，并且加入异山梨醇(5.01g)在乙酸(10mL)中的溶液。溶液以1.2mL/min的流量洗脱经过柱。主要产物是二乙酸异山梨醇酯，也存在单乙酸酯。以下的表2归纳了从柱洗脱的产物，产物也在 图2中描绘。 

表2.异山梨醇经过用乙酸装填的Amberlyst 35树脂的柱洗脱 

实施例3：由异山梨醇微波辅助合成二乙酸异山梨醇酯。 

将异山梨醇(3g)、乙酸(30mL)和在二氧六环(1mL)中的4M HCl的样品放置在内装高密度转子(rotor)的聚四氟乙烯树脂内衬的反应容器 中，以在MicroSYNTH微波实验室工作站(MicroSYNTH Microwave Labstation)中处理。使用1000瓦的辐照功率，将样品在2分钟内从室温加热至160℃，并且保持在160℃20分钟。冷却容器。最终产品包含18.9％异山梨醇、14.7％单酯1、18.8％单酯2和12.5％二酯，这在图3中描绘的HPLC色谱中图示。 

本文公开的产率仅仅是示例性的并且不一定反映了当反应条件被最优化时的可能的最优产率。 

虽然已经参照几个优选的实施方案描述了本发明，但是可设想的是，通过对上文的详细描述的阅读，优选的实施方案的各种变化和改良对于本领域的技术人员将变得明显。因此，期望以下所附的权利要求被解释为包括所有这样的变化和改良，它们落入本发明的真正精神和范围内。 

Claims (21)

1.一种由5碳化合物或6碳化合物制备环酯的方法，所述方法包括在有机酸的存在下在80℃至100℃的温度使容纳选自由离子交换树脂和沸石组成的组的固体酸催化剂的柱床与选自由阿拉伯糖醇、核糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇、异山梨醇、脱水山梨糖醇、1,4:3,6-二脱水-L-艾杜糖醇、异甘露醇、半乳糖醇、艾杜糖醇和木糖醇组成的组的至少一种起始的5碳化合物或6碳化合物接触足以形成所述5碳化合物或6碳化合物中至少一种的环状单酯和环状二酯衍生物中至少一种的时间，并且从所述柱床洗脱所述环状单酯和环状二酯衍生物中的至少一种，与起始的5碳化合物或6碳化合物分离，其中所述有机酸选自由甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、酒石酸、富马酸和柠檬酸组成的组。

2.如权利要求1所述的方法，其中洗脱所述柱床包括从所述环状单酯和环状二酯衍生物中的至少一种色谱分离所述起始的5碳化合物或6碳化合物。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述柱床被配置在模拟移动床装置中，并且所述接触和所述色谱分离连续地进行。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述有机酸是乙酸。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述起始的5碳化合物或6碳化合物选自由山梨糖醇、异山梨醇和脱水山梨糖醇组成的组。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述起始的5碳化合物或6碳化合物选自由阿拉伯糖醇、核糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇、异甘露醇、半乳糖醇、艾杜糖醇和木糖醇组成的组。

7.如权利要求3所述的方法，其中所述起始的5碳化合物或6碳化合物是山梨糖醇。

8.如权利要求3所述的方法，其中所述起始的5碳化合物或6碳化合物是异山梨醇。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述固体酸催化剂是离子交换树脂。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述固体酸催化剂选自由Amberlyst35、Amberlyst15、Amberlyst36、Amberlyst70和Amberlyst131；Purolite CT-145、Lewatit S2328、Lewatit K2431、Lewatit S2568、LewatitK2629、SK104、PK228、RCP160和Relite RAD/F组成的组。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述固体酸催化剂是沸石催化剂。

12.一种由5碳化合物或6碳化合物制备环酯的方法，所述方法包括用微波照射无机酸催化剂、有机酸和至少一种起始的5碳化合物或6碳化合物的液体混合物，所述起始的5碳化合物或6碳化合物选自由阿拉伯糖醇、核糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇、异山梨醇、脱水山梨糖醇、1,4:3,6-二脱水-L-艾杜糖醇、异甘露醇、半乳糖醇、艾杜糖醇和木糖醇组成的组，持续时间足以使所述混合物达到120℃至200℃的温度，足以形成所述5碳化合物或6碳化合物的环状单酯和环状二酯衍生物中的至少一种的时间，其中所述无机酸催化剂选自由盐酸、硫酸、磷酸和氢氟酸组成的组，且所述有机酸选自由甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、酒石酸、富马酸和柠檬酸组成的组。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述温度是140℃至180℃。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述温度是约160℃。

15.如权利要求12所述的方法，其中所述无机酸催化剂是盐酸。

16.如权利要求12所述的方法，其中所述混合物还包含惰性有机溶剂。

17.如权利要求12所述的方法，其中所述起始的5碳化合物或6碳化合物选自由山梨糖醇、异山梨醇和脱水山梨糖醇组成的组。

18.如权利要求12所述的方法，其中所述起始的5碳化合物或6碳化合物选自由阿拉伯糖醇、核糖醇、山梨糖醇、甘露糖醇、异甘露醇、半乳糖醇、艾杜糖醇和木糖醇组成的组。

19.如权利要求12所述的方法，其中所述起始的5碳化合物或6碳化合物是山梨糖醇。

20.如权利要求12所述的方法，其中所述起始的5碳化合物或6碳化合物是异山梨醇。

21.如权利要求10所述的方法，其中所述固体酸催化剂是Amberlyst35。