CN103159624B - 一种以苹果酸为原料制备丙二酸二酯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种以苹果酸为原料制备丙二酸二酯的新方法，该方法以氧气或空气为氧源，以醇为溶剂，钒氧化合物为催化剂，通过酯化和氧化反应的耦合，一步将苹果酸转化为丙二酸二酯；该方法所用原料苹果酸可从生物质资源中获取，整个过程不使用卤素、氰化物等有毒物质，具有重要的应用前景。

Description

一种以苹果酸为原料制备丙二酸二酯的方法
技术领域
本发明报道了一种以苹果酸为原料制备丙二酸二酯的新方法，具体地说就是使用空气或氧气为氧源，醇为溶剂，钒氧化合物作为催化剂，通过氧化反应和酯化反应的耦合直接将苹果酸转化为丙二酸二酯。
背景技术
丙二酸二酯分子中活泼亚甲基上的氢原子易与其它基团发生反应，因此可以进行烷基化、羟烷基化、酰胺化等多种反应，是合成医药、农药、染料、香料等多种精细化学品的重要中间体。
丙二酸二酯传统制备路线中主要采取氰化钠法，该法是以氯乙酸、氰化钠和醇为原料，要历经中和、氰化、酸化、酯化等。比如在工业上，丙二酸二乙酯的生产过程是，首先氯乙酸经中和反应生成氯乙酸钠，然后经SN2反应转化为氰乙酸钠，氰乙酸钠经酸化生成氰乙酸，最后酯化生成丙二酸二酯(世界专利WO 99/08988，美国专利US 2,337,858，日本专利JP59-7135，中国专利CN1410409A、CN1200368A、CN101066921A、CN1410411A、CN1834081A均采用了氰化物法)。这种方法路线长，而且使用氯化物、氰化物等，毒性大、污染严重。随着对环境保护的关注和重视，发展无毒或低毒的新技术路线代替毒性大的传统路线，具有重要的应用价值和前景。
苹果酸是重要的有机酸，可以通过糖类化合物等生物发酵法获取。充分利用这些生物质衍生物已有的分子结构，进一步制备重要的精细化学品是利用生物质资源的重要途径，有利于摆脱对石油等化石资源的依赖，符合人类社会可持续发展的要求。到目前为止，文献中未见以苹果酸为原料合成丙二酸二酯的研究报道。本发明首次报道了在醇类溶剂中，通过催化氧化反应和酯化反应的耦合直接将苹果酸一步转化为丙二酸二酯，该路线关键原料苹果酸可从生物质中获取，整个反应过程不使用氯化物、氰化物等有毒有害物质，而且反应步骤明显减少，与传统路线比，以苹果酸为原料制备丙二酸二酯的新路线具有较大优势和发展潜力，具有重要应用前景(如式1所示)。
发明内容
本发明目的在于提供一种由苹果酸直接生产丙二酸二酯的新方法，其中原料苹果酸是一种重要的有机酸，可以通过糖类化合物等生物发酵法获取；通过催化氧化-酯化苹果酸制备丙二酸二酯是一条新的反应路线，这条反应路线避免了使用氯化物和剧毒的氰化物，并且缩短了反应步骤。
本发明提供的反应路线是，在氧气或空气存在下，以醇为溶剂，使用钒氧化合物为催化剂催化苹果酸一步氧化-酯化制得丙二酸二酯。所用催化剂包括无机钒氧化合物中的硫酸氧钒、磷酸氧钒、三氯氧钒、五氧化二钒、偏钒酸钠、磷钼钒杂多酸中的一种或多种，也包括有机钒氧化合物中乙酰丙酮氧钒、草酸氧钒、酒石酸氧钒、吡啶羧酸氧钒中的一种或多种。条件优化实验表明，无机钒氧化合物中硫酸氧钒、磷酸氧钒和磷钼钒杂多酸催化效果较佳，其中磷钼钒杂多酸催化效果最好；有机钒氧化合物中乙酰丙酮氧钒、草酸氧钒催化效果较佳，其中乙酰丙酮氧钒催化效果最好。可能反应历程为苹果酸首先发生酯化反应生成苹果酸二酯，然后在钒氧化合物催化作用下发生选择性断键并同时氧化、酯化生成丙二酸二酯，酯化需要催化剂的酸性、氧化需要催化剂的氧化性，如式2所示。
本发明中钒氧化合物催化剂的用量为苹果酸的0.2-20mol％；较佳用量为2-10mol％；。
本发明所用溶剂为具有1-12个碳原子的脂肪醇、羟基脂肪醇及多种这样的醇的混合物，这些醇类可以是一级醇、二级醇或三级醇；溶剂醇与底物的摩尔比为50-100。
反应在压力反应器中进行，可以用氧气为氧源，也可以直接用空气为氧源。氧气最佳分压为0.5-1.5MPa，氧气压力增加，可以提高氧化反应速率，但是同时会导致副反应增加。升高反应温度可以缩短反应时间，但也会导致副反应增加，因此，优化的最佳反应温度为80-120℃，最佳反应时间为2-10h。溶剂用量对反应影响不大，醇与原料苹果酸的摩尔比在50-100之间都可以，实施例中均使用醇与原料苹果酸的摩尔比约75。
与传统路线相比，本发明提供的路线具有以下优点：
1、本发明提出了苹果酸直接氧化酯化制备丙二酸二酯的新路线，反应路线短，而且关键原料苹果酸可由生物质发酵得到，是一条利用生物质制备重要化学品丙二酸二酯的新原料路线。
2、本发明绿色环保。与丙二酸二酯传统的生产方法相比，本发明避免了使用氰化物及氯化物等有毒有害物质，同时是以氧气或空气为最终氧源，绿色安全。使用的催化剂及其反应过程高效，清洁。
下面以实施例详述本发明。
附图说明
图1实施例1反应液原始GC图；
图2实施例1反应液对产物定性的GC-MS图。
具体实施方式
实施例1：将0.3350g苹果酸，1mol％(相对于原料苹果酸)磷钼钒杂多酸，加入到35mL反应釜中，加入3mL甲醇，关釜，充入氧气压力为1.0MPa，搅拌下升温至90℃，并保持6h。然后冷却到室温，小心减压到常压。将全部产物转移到容量瓶中，加入内标萘后用乙腈定容，然后取样使用气相色谱分析(GC，图1)，内标定量法得到产物中丙二酸二酯的选择性。按照公式丙二酸二酯选择性＝(丙二酸二酯的物质的量)/(反应后所有产物物质的量之和)计算，丙二酸二酯的选择性为59.6％。使用GC-MS和标准物质的气相色谱保留时间对主要产物定性(GC-MS，图2)。
实施例2：将0.3350g苹果酸，1mol％(相对于原料苹果酸)硫酸氧钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL甲醇，关釜，充入氧气压力为1.0MPa，搅拌下升温至100℃，并保持6h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为76.1％。
实施例3：将0.3350g苹果酸，1mol％(相对于原料苹果酸)乙酰丙酮氧钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL甲醇，关釜，充入氧气压力为1.0MPa，搅拌下升温至100℃，并保持4h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为70.5％。
实施例4：将0.3350g苹果酸，0.5mol％(相对于原料苹果酸)三甲氧基氧钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL甲醇，关釜，充入氧气压力为1.5MPa，搅拌下升温至80℃，并保持10h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为57.1％。
实施例5：将0.3350g苹果酸，0.2mol％(相对于原料苹果酸)磷钼钒杂多酸，加入到35mL反应釜中，加入3mL正丁醇，关釜，充入氧气压力为1.0MPa，搅拌下升温至100℃，并保持10h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为56.6％。
实施例6：将0.3350g苹果酸，2mol％(相对于原料苹果酸)吡啶羧酸氧钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL环己醇，关釜，充入氧气压力为0.5MPa，搅拌下升温至90℃，并保持8h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为53.7％。
实施例7：将0.3350g苹果酸，10mol％(相对于原料苹果酸)五氧化二钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL叔丁醇，关釜，充入氧气压力为0.8MPa，搅拌下升温至110℃，并保持4h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为45.3％。
实施例8：将0.3350g苹果酸，1mol％(相对于原料苹果酸)三乙氧基氧钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL乙醇，关釜，充入氧气压力为1.0MPa，搅拌下升温至120℃，并保持2h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二乙酯的选择性为40.8％。
实施例9：将0.3350g苹果酸，5mol％(相对于原料苹果酸)三氯氧钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL十一醇，关釜，充入氧气压力为1.5MPa，搅拌下升温至90℃，并保持6h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为45.7％。
实施例10：将0.3350g苹果酸，1mol％(相对于原料苹果酸)三异丙氧基氧钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL异丙醇，关釜，充入氧气压力为0.5MPa，搅拌下升温至100℃，并保持4h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为51.3％。
实施例11：将0.3350g苹果酸，20mol％(相对于原料苹果酸)酒石酸氧钒，加入到35mL反应釜中，加入3mL十二醇，关釜，充入氧气压力为0.6MPa，搅拌下升温至80℃，并保持8h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为43.5％。
实施例12：将3.35g苹果酸，2mol％(相对于原料苹果酸)磷酸氧钒，加入到100mL反应釜中，加入20mL甲醇，关釜，充入氧气压力为1.5MPa，搅拌下升温至100℃，并保持4h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二甲酯的选择性为65.6％。
实施例13：将3.350g苹果酸，5mol％(相对于原料苹果酸)草酸氧钒，加入到100mL反应釜中，加入20mL仲辛醇，关釜，充入氧气压力为0.5MPa，搅拌下升温至110℃，并保持4h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为52.5％。
实施例14：将3.350g苹果酸，15mol％(相对于原料苹果酸)偏钒酸钠，加入到100mL反应釜中，加入20mL正庚醇，关釜，充入氧气压力为1.2MPa，搅拌下升温至80℃，并保持10h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为38.6％。
实施例15：将3.350g苹果酸，1mol％(相对于原料苹果酸)乙酰丙酮氧钒，加入到100mL反应釜中，加入20mL甲醇，关釜，充入氧气压力为0.5MPa，搅拌下升温至80℃，并保持10h。然后冷却到室温，小心减压到常压。按照实施例1中的方法分析产物，得到丙二酸二酯的选择性为73.6％。
式1丙二酸二酯传统生产路线(下)和本专利提供的新路线(上)
式2可能反应历程
式3苹果酸氧化主要产物分布。

Claims (5)

1.一种以苹果酸为原料制备丙二酸二酯的方法，其特征在于：以苹果酸为原料，醇为溶剂，氧气或空气为氧化剂，控制反应温度为80-120℃，在钒氧化合物的催化作用下，经过酯化和氧化反应，制备得到丙二酸二酯。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：酯化和氧化反应所用催化剂为钒氧化合物，包括无机钒氧化合物、有机钒氧化合物中的一种或多种；催化剂钒氧化合物的用量为苹果酸的0.2-20mol％。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：无机钒氧化合物为硫酸氧钒、磷酸氧钒、三氯氧钒、五氧化二钒、偏钒酸钠、磷钼钒杂多酸中的一种或多种；有机钒氧化合物为乙酰丙酮氧钒、草酸氧钒、酒石酸氧钒、吡啶羧酸氧钒中的一种或多种；催化剂钒氧化合物的较佳用量为苹果酸的2-10mol％。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：酯化和氧化反应体系所用溶剂为具有1-12个碳原子的脂肪醇、羟基脂肪醇及其混合物中的一种或多种，这些醇类可以是一级醇、二级醇或三级醇；溶剂醇与原料的摩尔比为50-100。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：提供氧化剂的氧源为氧气或空气，其中氧气最佳分压为0.5-1.5MPa，最佳反应时间为2-10h。
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