CN103143363B

CN103143363B - 一种薄荷醇异构化催化剂和连续获得l,d-薄荷醇的方法

Info

Publication number: CN103143363B
Application number: CN201310090248.7A
Authority: CN
Inventors: 念保义; 林明穗; 牛玉
Original assignee: Sanming University
Current assignee: Sanming University
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: CN103143363A

Abstract

本发明采用一种薄荷醇异构化催化剂和连续获得L,D-薄荷醇的方法，该催化剂为二元金属催化剂，以重量百分比计，包括8～10%镍和3～5%铜，其余为载体材料。本发明提供的异构化催化剂由镍和铜组成，并可在低温低压环境实现薄荷醇的异构化，L,D-薄荷醇的收率高，操作步骤简单。

Description

一种薄荷醇异构化催化剂和连续获得L,D-薄荷醇的方法

技术领域

本发明涉及一种化合物的制备方法，具体地涉及一种制备L,D-薄荷醇的方法。

背景技术

L,D-薄荷醇是重要的萜烯类手性香料，特别是L-薄荷醇因其独特的冰凉效果及清新的薄荷香味，在精细化工、饮料食品和医药领域具有广泛的应用。现今，L-薄荷醇主要来源于天然薄荷精油，约占总薄荷醇用量(12000t/a)的80%，其他20%来源于有机合成。然而，天然薄荷醇的产量易受自然气候的影响，相对于L,D-薄荷醇日益增长的需求，使得合成L,D-薄荷醇的比例越来越大。

L,D-薄荷醇的结构式如下：

通过将百里酚催化氢化来制备薄荷醇会生成4对薄荷醇立体异构体的混合物：L,D-薄荷醇、L,D-异薄荷醇、L,D-新薄荷醇和L,D-新异薄荷醇，这些薄荷醇立体异构体在感官特性方面有所不同，但只有L,D-薄荷醇具有薄荷气味和清爽效用，并以L-薄荷醇为最有价值的薄荷醇立体异构体。将这4对薄荷醇立体异构体的混合物分离可获得外消旋形式的L,D-薄荷醇，将其拆分后可获得光学纯L-薄荷醇。

L,D-异薄荷醇、L,D-新薄荷醇和L,D-新异薄荷醇这三对立体异构体的结构式如下：

上述异构体中，L,D-异薄荷醇（外消旋体）的沸点（常压）为218.6℃，与L,D-薄荷醇（外消旋体）的沸点（常压)为216.5℃，彼此非常接近。因此在各薄荷醇异构体的精馏分离期间，分离效率是特别由L,D-薄荷醇与L,D-异薄荷醇的比率决定的。为了在精馏分离中获得高的L,D-薄荷醇收率，不仅需要尽可能地提高目标产物L,D-薄荷醇含量，而且还需要尽可能地降低L,D-异薄荷醇含量。对于给定的精馏设备而言，L,D-薄荷醇的收率基本上由L,D-薄荷醇与L,D-异薄荷醇的初始比率决定。

DE2314813A1描述了使用Co/Mn催化剂固定床，在170～220℃温度和20MPa压力下，将百里酚氢化。该专利的实施例在180～210℃温度和20MPa以上压力下进行，并且生成了8种薄荷醇立体异构体的混合物，该混合物由56.5～59％L,D-薄荷醇外消旋体和10.6～10.8％L,D-异薄荷醇外消旋体组成。L,D-薄荷醇/L,D-异薄荷醇的比率至多为5.7。用铜将该催化剂修饰，结果生成了L,D-薄荷醇含量为57.6％、L,D-异薄荷醇含量为9.2％的薄荷醇混合物（L,D-薄荷醇/L,D-异薄荷醇比率为6.3），且，混合物中存在4～5％不可再用烃形式的不良副产物。

DE19853562A1和DE10023283A1中描述了使用固定床催化剂加氢百里酚合成薄荷醇，催化剂在掺有稀土金属和锰的载体上包含Pa、Ru或Rh或这些元素的混合物作为活性组分和碱金属氢氧化物和/或硫酸盐作为促进剂。其实施例中，该方法是在180～240℃温度和27～30MPa压力下进行的，生成了薄荷醇混合物，该混合物包含约52～57％L,D-薄荷醇和11.5～14.8％L,D-异薄荷醇（L,D-薄荷醇/L,D-异薄荷醇比率为3.6～7.4）。

EP743296A1专利描述了由无载体的Co、Mn和碱土金属氧化物或氢氧化物的压缩粉末组成的催化剂，并且操作是在150～230℃温度和35MPa压力下进行的。在其实施例中，反应温度控制在165℃以上，压力则大于20Mpa，且试验结果没有讨论所得薄荷醇混合物的组成及L,D-薄荷醇与L,D-异薄荷醇的比率。

US5756864中描述了在200～350℃温度和10～30MPa氢气压力下进行的薄荷醇立体异构体重排，用催化剂将薄荷醇连续的外消旋化和异构化，其中催化剂由不含载体的Ni、Mn和碱土金属氢氧化物或氧化物的压缩粉末组成。获得了含有最多59.6％的L,D-薄荷醇的薄荷醇混合物。

WO2012/010695A1专利中叙述了采用γ-Al₂O₃载体负载Ru催化剂以及含碱金属的稀土催化转化薄荷醇重排异构化，该方法在90～120℃、1～1.2Mpa反应可获得68%的L,D-薄荷醇，以及该L,D-薄荷醇/L,D-异薄荷醇比率为6～8.5。

综上，现有的薄荷醇制备方法所得到的产物中，都产生了数量不小的副产物L,D–新异薄荷醇，使得从立体异构体混合物分离得到L,D-薄荷醇的技术难度增加，操作费用升高。

再者，现有通过将薄荷醇立体异构体的异构化来制备薄荷醇的方法或是在高压及高温条件下进行的，或是采用贵金属或稀有金属催化剂，且催化剂的制备程序复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄荷醇异构化催化剂，本发明提供的异构化催化剂由镍和铜组成，并可在低温低压环境实现薄荷醇的异构化，L,D-薄荷醇的收率高，操作步骤简单。

本发明采用的技术方案如下：

一种薄荷醇异构化催化剂，其特征在于：其为二元金属催化剂，以重量百分比计，包括8～10%镍和3～5%铜，其余为载体材料。

催化剂使用过程可以使用载体，以增加反应效率，便于催化剂回收利用。

本发明使用的异构化原料是薄荷醇中除L,D-薄荷醇之外的其它异构体，如异薄荷醇、新薄荷醇、新异薄荷醇或这些异构体的混合物，原料中通常含有3～6%的L,D-薄荷醇。值得注意的是，在异构化中，少量的L,D-薄荷醇可以起到手性诱导的作用，促进其它薄荷醇异构体向L,D-薄荷醇构型转化。

异构化原料可以使用从异构体混合物精馏分离L,D-薄荷醇之后剩下的混合物，还可以使用香茅醛、柠檬醛、薄荷酮或异薄荷酮加氢合成的薄荷醇异构体混合物，还可以是将L-薄荷醇拆分后的D-薄荷醇。

在推荐的实施例中，所述的载体材料为γ-Al₂O₃，氧化铝粒径约50nm，并具有140～180m²/g的BET表面积，孔体积约300mm³/g，使用上述的载体材料，可显著增加催化剂与反应物的接触面积，提升反应效率。

在推荐的实施例中，所述薄荷醇异构化催化剂使用如下的方式制得：按照上述比例称取Ni(NO₃)₂·6H₂O和Cu(NO₃)₂·3H₂O倒入已盛有γ-Al₂O₃的容器中，用蒸馏水溶解，再用浓氨水调节pH＝9～10，随后，缓慢按照重量体积比加入10～30倍量的蒸馏水，静置，使金属氨盐液充分水解；过滤，烘干之后，用蒸馏水洗直至完全去除NO₃ ^－后，再烘干，真空干燥；而后将上述粉体置于高压釜中，在400～450℃、氢气压力2～3MPa的气氛中保持2h～10h。

本发明的另一目的在于提供一种连续获得薄荷醇的方法。

一种连续获得L,D-薄荷醇的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

1）采用雷尼镍催化剂于90～120℃温度、氢气压力5～8Mpa，在非极性溶剂中加氢百里酚合成薄荷醇对映体混合物；

2）产物通过精馏分离获得L,D-薄荷醇，同时收集含有3～6重量%L,D-薄荷醇的剩余馏分；

3）称取所述薄荷醇异构化催化剂；

4）向反应釜中按照重量比为1:20～30加入所述催化剂和所述剩余馏分，并加入足以溶解上述其余馏分的所述非极性溶剂，密封，用氢气置换釜中空气并调节压力为2～3MPa，在80～120℃异构化60～180min，获得异构化产物；

5）异构化产物通过精馏分离获得L,D-薄荷醇。

本发明提供的方法先使用雷尼镍催化剂，该雷尼镍催化剂由90～95%的镍和5～10%的铝组成（重量百分比），在pH8～10、90～120℃温度下将百里酚加氢合成薄荷醇对映体混合物，精馏获得L,D-薄荷醇后，对其余的薄荷醇立体异构体进行催化异构化，这一异构化过程很少导致无用的副产物例如不需要的烃，所得异构化反应混合物包含约60重量%的L,D-薄荷醇，约6～8重量％的L,D-异薄荷醇，这意味着可容易地通过精馏分离出L,D-薄荷醇产物。

在推荐的实施例中，百里酚加氢溶剂与异构化溶剂可以相同，优先选用环己烷等非极性且不含碳碳双键的溶剂作为溶剂。

L,D-薄荷醇通过脂肪酶进行拆分，可获得L-薄荷醇。

当然，在最终产物为L-薄荷醇时，还可以将拆分后的D-薄荷醇加入反应釜中，并使用上述二元金属催化剂（Ni-Cu/γ-Al₂O₃）加以催化异构化，以获得更多的L-薄荷醇。

与现有技术相比，本发明具有如下的特点：

1）本发明使用的异构化催化剂由镍和铜组成，易于制备且廉价，并可在低温低压环境实现薄荷醇的异构化，L,D-薄荷醇的收率高，操作步骤简单，可获得L,D-薄荷醇含量约60重量％、L,D异薄荷醇含量约为8重量％、并且L,D薄荷醇/L,D异薄荷醇比率比较高的异构产物。

2）异构化原料中通常含有3～6%的L,D-薄荷醇，在异构化中，少量的L,D-薄荷醇可以起到手性诱导的作用，促进其它薄荷醇异构体向L,D-薄荷醇构型转化。

具体实施方式

现结合具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1：制备雷尼镍催化剂

本发明中的雷尼镍催化剂由90％重量的镍和10%的铝（重量百分比）组成，其可以按QB/TH08-1997标准制备，也可以在市场上直接购买（如从石家庄恒润科技有限公司购买）。

实施例2：百里酚加氢制备薄荷醇异构体混合物

在5L反应釜中，将3L环己烷加入到高压釜，分别加入百里酚1Kg和雷尼镍催化剂120g（湿基，实施例1制得），调节pH值至8～10，密封，预先通氢气置换釜中空气后，调节温度90～130℃和氢气压力6～7MPa，强力搅拌反应40min，结果见表1。所有的含量都是以GC-MASS测定。

表1百里酚加氢结果

表1中的薄荷醇为L-薄荷醇和D-薄荷醇的对映体，新薄荷醇为L-新薄荷醇和D-新薄荷醇的对映体，异薄荷醇为L-异薄荷醇和D-异薄荷醇的对映体。

[％]为重量%。

加氢后的雷尼镍催化剂需要回收，重复使用3～5次。

精馏分离出L,D-薄荷醇，其余馏分备用。

实施例3：薄荷醇对映体异构化的催化剂制备

准确称取29g的Ni(NO₃)₂·6H₂O和7.3g的Cu(NO₃)₂·3H₂O倒入已盛有210gγ-Al₂O₃的容器中，用50mL的蒸馏水溶解，再用浓氨水调节pH＝9，随后，缓慢加入蒸馏水至3L，静置9h，使金属氨盐液充分水解；过滤，烘干之后，用蒸馏水洗5～7次直至完全去除NO₃ ^－后，再烘干，真空干燥18h；催化剂在使用前要进行还原，其方法是将催化剂置于高压釜中，随着温度逐渐升高到450℃，也逐步加大氢气到2MPa并保持2h。这样，就获得Ni-Cu/γ-Al₂O₃催化剂（二元金属催化剂），催化剂粒径为5～8nm。

上述制备方式是借鉴附着插入水解法。

实施例4：薄荷醇对映体异构化的催化剂制备

准确称取25.5g的Ni(NO₃)₂·6H₂O和12g的Cu(NO₃)₂·3H₂O倒入已盛有250gγ-Al₂O₃的容器中，用50mL的蒸馏水溶解，再用浓氨水调节pH＝10，随后，缓慢加入蒸馏水至4升，静置10h，使金属氨盐液充分水解；过滤，烘干之后，用蒸馏水洗5～7次直至完全去除NO₃ ^－后，再烘干，真空干燥24h；催化剂在使用前要进行还原，其方法是将催化剂置于高压釜中，随着温度逐渐升高到450℃，也逐步加大氢气到2MPa并保持2h。这样，就获得Ni-Cu/γ-Al₂O₃催化剂（二元金属催化剂），催化剂粒径为5～8nm。

上述制备方式是借鉴附着插入水解法。

实施例5：薄荷醇对映体异构化的催化剂制备

准确称取26g的Ni(NO₃)₂·6H₂O和9.6g的Cu(NO₃)₂·3H₂O倒入已盛有270gγ-Al₂O₃的容器中，用50mL的蒸馏水溶解，再用浓氨水调节pH＝10，随后，缓慢加入蒸馏水至5升，静置10h，使金属氨盐液充分水解；过滤，烘干之后，用蒸馏水洗5～7次直至完全去除NO₃ ^－后，再烘干，真空干燥24h；催化剂在使用前要进行还原，其方法是将催化剂置于高压釜中，随着温度逐渐升高到400℃，也逐步加大氢气到3MPa并保持2h。这样，就获得Ni-Cu/γ-Al₂O₃催化剂（二元金属催化剂），催化剂粒径为5～8nm。

上述制备方式是借鉴附着插入水解法。

实施例6：异构化催化转化合成L,D-薄荷醇

如图1中所示，薄荷醇异构体混合物（除L,D-薄荷醇的其它薄荷醇异构体）1000g与环己烷配制成混合液，通过喷射泵1（或密闭的柱塞泵）输送到过滤器2内，经过滤器2过滤的物料进入缓冲罐3中。开启缓冲罐3和调节罐4之间的阀门，使物料流入调节罐4中，开启调节罐4与换热器5之间的阀门，将上述混合物料送入换热器5中预热，而后送入容量为5L、并已盛有45g实施例5催化剂的高压釜6中；从氢气罐7向高压釜6内冲入氢气，用氢气置换釜中空气并调节压力为2～3MPa，密封，在80～120℃异构化90min，合成L,D-薄荷醇，最后，反应混合液经过精馏塔8回收溶剂并分离得到L,D-薄荷醇。精馏塔底的其他异构体薄荷醇再进行循环催化异构化利用。

异构化结果见表2。

表2异构化催化结果

注:^[1]异构化中，进料薄荷醇混合液含L,D-新薄荷醇76%，L,D-异薄荷醇18%，L,D-薄荷醇约5%（由百里酚加氢的薄荷醇混合物经精馏分离L,D-薄荷醇后的产物）；

^[2]99%的D-薄荷醇进料（由L,D-薄荷醇脂肪酶拆分获得）。

表2中的薄荷醇为L-薄荷醇和D-薄荷醇的混合物，新薄荷醇为L-新薄荷醇和D-新薄荷醇的混合物，异薄荷醇为L-异薄荷醇和D-异薄荷醇的混合物。[％]为重量%。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种连续获得L,D-薄荷醇的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

1)采用雷尼镍催化剂于90～120℃温度、氢气压力5～8Mpa，在非极性溶剂中加氢百里酚合成薄荷醇对映体混合物；

2)产物通过精馏分离获得L,D-薄荷醇，同时收集含有3～6重量％L,D-薄荷醇的剩余馏分；

3)称取薄荷醇异构化催化剂，所述薄荷醇异构化催化剂为二元金属催化剂，以重量百分比计，包括8～10％镍和3～5％铜，其余为载体材料；

4)向反应釜中按照重量比为1:20～30加入所述催化剂和所述剩余馏分，并加入足以溶解上述剩余馏分的所述非极性溶剂，密封，用氢气置换釜中空气并调节压力为2～3MPa，在80～120℃异构化60～180min，获得异构化产物；

5)异构化产物通过精馏分离获得L,D-薄荷醇。

2.根据权利要求1中所述的一种连续获得L,D-薄荷醇的方法，其特征在于：所述的载体材料为γ-Al₂O₃。

3.根据权利要求1或2中所述的一种连续获得L,D-薄荷醇的方法，其特征在于：所述薄荷醇异构化催化剂使用如下的方式制得：按照比例称取Ni(NO₃)₂·6H₂O和Cu(NO₃)₂·3H₂O倒入已盛有γ-Al₂O₃的容器中，用蒸馏水溶解，再用浓氨水调节pH＝9～10，随后，按照重量体积比缓慢加入至10～30倍量的蒸馏水，静置，使金属氨盐液充分水解；过滤，烘干之后，用蒸馏水洗直至完全去除NO₃ ^－后，再烘干，真空干燥；而后将粉体置于高压釜中，在400～450℃、氢气压力2～3MPa的气氛中保持2h～10h获得。

4.根据权利要求1中所述的一种连续获得L,D-薄荷醇的方法，其特征在于：所述的非极性溶剂为环己烷。