CN103270011A - 脂肪醇的聚甘油醚的制备方法 - Google Patents
脂肪醇的聚甘油醚的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了制备脂肪醇的聚甘油醚的方法,具体而言,利用脂肪醇和甘油来合成脂肪醇的聚甘油醚的一步法将提供100%可再生的表面活性剂,其成本有效、经济且无CMR。现有技术中提到的合成方法利用有害的化学品如缩水甘油醚、表氯醇,它们属于CMR并且已知是接触性致癌物和有害物。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年12月16日提交的美国临时申请No.61/459,673的优先权,其通过引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及聚甘油醚,具体涉及与制备脂肪醇的聚甘油醚相关的方法。
背景技术
已经根据多种方法制备了聚甘油单醚(在下文中或称为“聚甘油醚”)(例如聚甘油单烷基醚),例如利用氯醇或氯醇类反应物来进行制备。在有些情况中,可以利用缩水甘油、表氯醇或缩水甘油醚处理剂与醇或苯酚并通过酸或碱进行催化来制备甘油醚。
作为一个例子,一种方法可以包括在碱性条件下将表氯醇添加到醇中。在这些碱性条件下进行脱氯化氢和闭环反应,以及利用稀硫酸进行开环反应。重复该工序直到获得目标聚合度。但是,如果聚甘油单醚要用于化妆品、食品、洗涤剂等,那么,这种制备聚甘油单醚的方法并不理想,因为最终产物中可能含有不希望的含氯化合物。此外还担心氯醇或氯醇类化合物的安全性,例如使用表氯醇是不安全的并且其属于CMR(致癌、致基因突变、或有生殖毒性的物质)。
此外,为了制备具有高聚合度的产物,使用上文提及的方法会涉及到复杂的反应步骤和高的相对成本。这是因为按照上述方法获得的仅是具有单一聚合度的产物。
作为另一个例子,一种方法可以包括将缩水甘油添加到具有酚羟基的化合物中,所述具有酚羟基的化合物例如为烷基酚,其具有与酚羟基相关的高反应性。与表氯醇相似的是,使用缩水甘油是不安全的,并且在处理和运输过程中需要采用特别的防护措施。此外,可以合理地预料到,缩水甘油是人类致癌物,因此,在家庭和个人护理应用中、化妆品、食品领域、洗涤剂、清洁剂等等中使用缩水甘油是不合适的和/或是不理想的。
另一种方法包括在碱金属催化剂的存在下使脂肪醇与缩水甘油酯(例如乙酸缩水甘油酯)反应。另一种方法包括在相转移催化剂的存在下使有机羟基化合物与苄基缩水甘油醚反应。虽然这些方法能够获得目标化合物,但是,这些方法需要进行缩水甘油的保护和脱保护反应,因此其工序复杂。此外,当使用例如成酸氢化物(acid hydride)作为保护试剂时,这些方法在化学和工业上是不安全的,因为在体系中形成的酸可能会导致异常的反应。
聚甘油单醚是已知的物质,但是还没有被普遍使用,这是因为它们含有大量的杂质,例如聚甘油、二烷基组分、残留量的含有环氧的化合物(例如缩水甘油、氯醇、二氯丙醇和相关化合物),它们可能是人类致癌物和/或属于CMR,并且制备聚甘油单醚的成本也高。
类似的化合物,例如聚甘油单(脂肪酸)酯和聚氧亚乙基单烷基醚,已经被用于化妆品、家庭和个人护理应用、洗涤剂等。但是,例如,聚甘油脂肪酸酯的使用是受限的,因为它们不能充分耐受被水解成盐和酸的水解作用。聚氧亚乙基单烷基醚可能会产生甲醛并且水溶性低。已经认识到,所述甲醛是一个棘手的问题。因此,市场需要这些化合物的替代品。
因此,需要一种不存在上述缺陷的、改进的制备聚甘油烷基醚的方法。
发明内容
本发明涉及制备烷基单甘油醚和烷基聚甘油醚(或聚甘油)的方法,在一个实施方案中,该方法包括:在可蒸馏的助溶剂和/或乳化剂以及催化剂的存在下,使甘油和/或聚甘油与一种或多种脂肪醇反应。在一些实施方案中,所述脂肪醇具有约8至约22个碳原子。本文所述的方法产生的烷基甘油醚可用于替代在多种工业、洗涤剂、油漆涂料、农业化学、药学药物、食品、化妆品和生物化学中使用的大多数直链乙氧基化物、支链乙氧基化物和烷基酚乙氧基化物以及它们的衍生物。
与使用表氯醇或缩水甘油以及脂肪醇制备的烷基甘油醚相比,通过本发明的方法制备的烷基甘油醚表现出改进的收率、组成、表面活性和/或不含盐和CMR副产物。
本文描述了由下式(I)表示的高品质聚甘油单醚:
R1O-(C3H6O2)n-H (I)
其中,R1表示具有约1至40个碳原子(典型为约1至30个碳原子,更典型为约1至25个碳原子)的醇残基;以及“n”是所添加的甘油单元的摩尔平均数并且表示2或更大的数,其中。本发明的另一个目的是提供一种在不使用有害的CMR的情况下制备具有式(I)的聚甘油单醚的方法。
本文还描述了通常由下式(II)表示的高品质聚甘油聚醚:
R1O-(C3H5O2R2)n-H (II)
其中,R1和R2各自独立地表示具有约1至40个碳原子(典型地为约1至30个碳原子,更典型地为约1至约25个碳原子)的醇残基;以及“n”是所添加的甘油单元的摩尔平均数并且表示2或更大的数,其中。本发明的另一个目的是提供一种在不使用有害的CMR的情况下制备具有式(II)的聚甘油聚醚的方法。
一方面,本发明是一种制备脂肪醇的聚甘油醚的方法,其包括以下步骤:(a)在以下物质的存在下——(i)酸/碱催化剂、(ii)溶剂、以及(iii)短链醇、乳化剂或它们的组合,使脂肪醇与甘油、聚甘油(polyglycerine)或聚合甘油(polyglycerol)接触。在一个实施方案中,监控所述短链醇、乳化剂或它们的组合的蒸馏物,并且在出现所述蒸馏物后停止工艺过程或反应。在另一个实施方案中,在反应混合物的样品混入水中而形成水性分散液后在所述水性分散液中出现起泡现象以后,停止工艺过程。
另一方面,本发明涉及一种制备具有式I的聚甘油聚醚的方法:
R1O-(C3H6O2)n-H (I)
其中R1独立地为C8-C22烷基或氢,n是大于1的整数,所述方法包括以下步骤:a)在以下物质的存在下——(i)酸/碱催化剂、(ii)溶剂、以及(iii)短链醇和/或乳化剂,使脂肪醇与甘油接触;b)监控所述短链醇和/或乳化剂的蒸馏物。在一个实施方案中,在减压下和任选在惰性气体下进行蒸馏。
另一方面,本发明涉及一种制备具有式II的聚甘油聚醚的方法:
R1O-(C3H5O2R2)n-H (II)
其中R1和R2独立地为C8-C22烷基或氢,n是大于1的整数,所述方法包括以下步骤:在以下物质的存在下——(i)酸/碱催化剂、(ii)溶剂、以及(iii)短链醇和/或乳化剂,使脂肪醇与甘油接触;b)监控所述短链醇和/或乳化剂的蒸馏物。在一个实施方案中,在减压下和任选在惰性气体下进行蒸馏。
具体实施方式
应当理解的是,上文的描述仅是为了示例说明本发明。可以对添加顺序、反应条件、温度、压力、蒸馏速率、催化剂的使用(例如,酸性、碱性、金属等)设计各种替代方式,而不会偏离本发明。因此,本发明旨在包括所有这些替代方式、变型和变体。
在一个实施方案中,本文描述了利用一步法来合成烷基聚甘油醚或烷基聚甘油的合成方法。所述方法可以提供低成本的制备具有可再生碳的绿色表面活性剂的路线。使用本文所述的方法制备的化合物可以被容易地转化为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂,其具有广泛的应用。本文所述的一些方法包括在制备醇的聚甘油醚中利用脂肪醇进行甘油的烷基化。
在一个实施方案中,制备烷基聚甘油醚的方法包括:在某温度和减压条件下,在酸/碱催化剂和互溶溶剂的存在下,与甘油和/或丙三醇发生反应,从而形成烷基甘油醚产物。该方法利用增容剂,例如短链醇、乳化剂、互溶溶剂(例如,如二元酯)或它们的任意组合,它们通常以较低的量与酸性或碱性催化剂(例如,无机酸/有机酸)一起用于反应混合物中。将醇和甘油或聚甘油添加至反应混合物中。在减压下加热所得混合物并监控蒸馏物。在一个实施方案中,当出现蒸馏物时,停止所述反应。可以对这些反应物和催化剂的添加顺序加以改变以优化结果。
一方面,本发明涉及一种制备脂肪醇的聚甘油醚的方法,其包括以下步骤:a)在以下物质的存在下——(i)酸/碱催化剂、(ii)溶剂、以及(iii)短链醇、乳化剂或它们的组合,使脂肪醇与甘油、聚甘油或聚合甘油接触。在一个实施方案中,监控所述短链醇、乳化剂或它们的组合的蒸馏物,并且在所述蒸馏物出现后停止工艺过程或反应。在另一个实施方案中,在反应混合物的样品混入水中而形成水性分散液后在所述水性分散液中出现起泡现象以后,停止工艺过程。
另一方面,本发明是一种制备具有式I的聚甘油聚醚的方法:
R1O-(C3H6O2)n-H (I)
其中R1独立地为C8-C22烷基或氢,n是大于1的整数,所述方法包括以下步骤:a)在以下物质的存在下——(i)酸/碱催化剂、(ii)溶剂、以及(iii)短链醇和/或乳化剂,使脂肪醇与甘油接触;b)监控短链醇和/或乳化剂的蒸馏物。在一个实施方案中,在减压下和任选在惰性气体下进行蒸馏。
另一方面,本发明是一种制备具有式II的聚甘油聚醚的方法:
R1O-(C3H5O2R2)n-H (II)
其中R1和R2独立地为C8-C22烷基或氢,n是大于1的整数,所述方法包括以下步骤:a)在以下物质的存在下——(i)酸/碱催化剂、(ii)溶剂、以及(iii)短链醇和/或乳化剂,使脂肪醇与甘油接触;b)监控短链醇和/或乳化剂的蒸馏物。在一个实施方案中,在减压下和任选在惰性气体下进行蒸馏。
在一个实施方案中,一种制备烷基甘油醚的方法包括:在升高的温度和减压条件下,在酸催化剂的存在下使脂肪醇与甘油反应,其中,使用至少0.5摩尔甘油、0.25摩尔短链醇(例如正丁醇)和0.6g酸催化剂(例如硫酸),将搅拌良好的混合物加热至介于75°C至250°C(更典型为90°C至200°C,更典型为100°C至150°C)之间的温度(例如,加热至恒定温度110°C),并将空气或N2或任何惰性气体鼓泡通过该混合物,鼓泡通气的时间大于约1小时,典型为大于约1 1/2小时,最典型为大于约2小时。在减压至小于约600mm Hg(在另一个实施方案中为小于约500mm Hg)下,将0.25摩尔正十二烷醇非常缓慢地添加到搅拌良好的反应混合物中。在另一个实施方案中所述减压为小于约300mm Hg。在另一个实施方案中所述减压为小于约100mm Hg。在另一个实施方案中所述减压为小于约50mm Hg。在另一个实施方案中所述减压为小于或等于约40mm Hg。
在一个实施方案中,在减压下加热所述混合物直到出现蒸馏物。一旦蒸馏物不再出现,则停止反应并冷却所得反应混合物。
在本发明中使用的脂肪醇可以包括这样的醇:其包含具有大于约8个碳原子的直链或支链烷基,所述烷基包括但不限于辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、肉豆蔻基、异肉豆蔻基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、异二十二烷基、辛基癸基、辛基十二烷基和二十二烷基。在一个实施方案中,所述烷基包含约8至约40个碳原子。在另一个实施方案中,所述烷基包含约8至约30个碳原子。在另一个实施方案中,所述烷基包含约8至约25个碳原子。在另一个实施方案中,所述烷基包含约10至约25个碳原子。在另一个实施方案中,所述烷基包含约8至约22个碳原子。
在本发明中使用的乳化剂包括但不限于聚氧乙烯化脂肪酸、短链脂肪醇、聚氧乙烯化失水山梨糖醇酯、胺或脂肪酸的多价金属盐。
所述短链醇通常包含小于7个碳原子,更典型小于5个碳原子,更典型小于4个碳原子。在一个实施方案中,所述短链醇是正丁醇。在另一个实施方案中,所述短链醇包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、戊醇、己醇。
所述催化剂可包括酸性催化剂或碱性催化剂。所述催化剂可以包括诸如氯化锡或三氟化硼之类的酸性催化剂,或者诸如碱金属、碱金属氢氧化物、碱金属醇化物和叔胺之类的碱性催化剂。在一个实施方案中,所述催化剂选自有机酸、有机酸盐、无机酸、无机盐或它们的组合。
可用的有机酸通常是磺酸或羧酸类的那些。有机酸盐的反荷阴离子通常是磺酸根或羧酸根。所述有机分子的典型例子包括芳族磺酸(盐)或羧酸(盐),例如对甲苯磺酸(盐)、萘磺酸(盐)、氯苯甲酸、水杨酸、邻苯二甲酸等,其中所述反荷离子是水溶性的。最优选的是水杨酸(盐)、邻苯二甲酸(盐)、对甲苯磺酸(盐)、羟基萘羧酸(盐),例如5-羟基-1-萘甲酸、6-羟基-1-萘甲酸、7-羟基-1-萘甲酸、1-羟基-2-萘甲酸,优选3-羟基-2-萘甲酸、5-羟基-2-萘甲酸、7-羟基-2-萘甲酸以及1,3-二羟基-2-萘甲酸和3,4-二氯苯甲酸(盐)。
可用的无机盐包括水溶性的钾盐、钠盐和铵盐,例如氯化钾和氯化铵。此外,还可以使用氯化钙、溴化钙和卤化锌盐。还可以使用有机盐,例如三甲铵盐酸盐和四甲基氯化铵。
实施例1:
将0.5摩尔(46.0g)甘油、0.25摩尔(18.5g)正丁醇和0.6g浓硫酸放到圆底三颈烧瓶中,该烧瓶配有温度计、高效搅拌器和气体引入管,使一个烧瓶颈处于开放状态。将搅拌良好的混合物加热至大于约90°C。使空气(或氮气)鼓泡通过所述混合物超过1小时。连接冷凝器及附属装置以将压力降低至约40mmHg。
在减压下向搅拌良好的反应混合物中非常缓慢地添加0.25摩尔(46.5g)正十二烷醇,并将其加热至约130°C。观察非常少量的正丁醇蒸馏物。在添加完所有正十二烷醇之后,检查所得反应混合物的样品在水中的分散性和所得水性分散液的起泡性。当样品分散开并且所得水性分散液中出现起泡现象时,停止反应。水性分散液的浓度为0.1%,该水性分散液中出现起泡现象。反应混合物的0.1%的水性分散液的表面张力应当为约29mN/m并且在振动时应当起泡。
利用脂肪醇和甘油以一步法来合成脂肪醇的聚甘油醚的方法将提供约100%可再生的表面活性剂,这是成本有效的、经济的、并且完全或基本上无CMR。现有技术中提到的合成方法使用有害的化学品如缩水甘油醚、表氯醇,它们属于CMR并且已知是接触性致癌物和有害物。
因此,本发明并不限于以上描述,而是与权利要求书的全部范围一致,因而包括任何和全部的等价组成和方法。
Claims (21)
1.一种制备脂肪醇的聚甘油醚的方法,包括以下步骤:
a)在以下物质的存在下使脂肪醇与甘油接触,所述物质为:
(i)酸/碱催化剂,
(ii)溶剂,以及
(iii)短链醇、乳化剂或它们的组合。
2.根据权利要求1所述的方法,还包括以下步骤:b)在减压下蒸馏出所述短链醇、乳化剂或它们的组合。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,步骤b)是在惰性气体下进行的。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述脂肪醇具有约8至约22个碳原子。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述脂肪醇具有约8至约40个碳原子。
6.根据权利要求1所述的方法,其中甘油为聚甘油。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述短链醇具有约1至约5个碳原子。
8.根据权利要求1所述的方法,其中,所述短链醇具有约1至约7个碳原子。
9.根据权利要求1所述的方法,其中,所述溶剂是二元酯、水或它们的组合。
10.一种制备具有下式的聚甘油单醚的方法:
R1O-(C3H6O2)n-H (1)
其中,R1是C8-C22烷基或氢,以及n是大于1的整数,所述方法包括以下步骤:
a)在以下物质的存在下使脂肪醇与甘油接触,所述物质为:
(i)酸/碱催化剂,
(ii)溶剂,以及
(iii)短链醇、乳化剂或它们的组合;
b)在减压下蒸馏出所述短链醇、乳化剂或它们的组合。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,步骤b)是在惰性气体下进行的。
12.根据权利要求10所述的方法,其中,所述脂肪醇具有约8至约22个碳原子。
13.根据权利要求10所述的方法,其中,甘油为聚甘油。
14.根据权利要求10所述的方法,其中,所述短链醇具有约1至约5个碳原子。
15.根据权利要求10所述的方法,其中所述溶剂是二元酯、水或它们的组合。
16.一种制备具有下式的聚甘油聚醚的方法:
R1O-(C3H5O2R2)n-H (2)
其中R1和R2独立地为C8-C22烷基或氢,以及n是大于1的整数,所述方法包括以下步骤:
a)在以下物质的存在下使脂肪醇与甘油接触,所述物质为:
(i)酸/碱催化剂,
(ii)溶剂,以及
(iii)短链醇、或乳化剂、或二者的组合;
b)在减压下蒸馏出所述短链醇、乳化剂或它们的组合。
17.根据权利要求16所述的方法,其中步骤b)是在惰性气体下进行的。
18.根据权利要求16所述的方法,其中所述脂肪醇具有约8至约22个碳原子。
19.根据权利要求16所述的方法,其中甘油为聚甘油。
20.根据权利要求16所述的方法,其中所述短链醇具有约1至约5个碳原子。
21.根据权利要求16所述的方法,其中所述溶剂是二元酯、水或它们的组合。
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