CN103402959B - 在含水介质中制成二缩醛化合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备缩醛衍生物的工艺，通过使用一种含水的离子流体作为酸催化剂，在醛与醛醇之间进行脱氢缩合反应，以制备DMDBS[1,3:2,4-二（3,4-二甲基亚苄基）山梨醇]和MDBS[1,3:2,4-二（4-甲基亚苄基）山梨醇]。

Description

在含水介质中制成二缩醛化合物的方法

发明领域

本发明涉及在一种含水的离子流体中生成醛醇缩醛的一种方法。

发明背景

缩醛化合物是醛醇与苯甲醛的反应产物。醛醇缩醛类化合物，如MDBS[1,3:2,4-二（4-甲基亚苄基）山梨醇]和DMDBS[1,3:2,4-二（3,4-二甲基亚苄基）山梨醇]衍生化合物，均是著名的化合物，已经发现它们作为添加剂应用在聚丙烯中。取代和非取代醛类的缩醛也是众所周知，它作为成核剂、胶凝剂、加工助剂和强度改性剂，应用于聚烯烃树脂、聚酯树脂、除臭剂、防汗剂组成物、烃类燃料和油漆中。

通常，由芳醛与含有6个碳原子的醛醇（如山梨醇），通过缩合反应来制备缩醛-醛醇型化合物。对于MDBS和DMDBS的结构，这类反应包括两摩尔醛和一摩尔醛醇。

在US4267110、US3721682、US4429140、US4562265、US4902807、US5023354、US5731474和US6500964中，已经报道了制备缩醛-醛醇的若干方法。

迄今为止所报道的方法存在诸多缺点。大多数先前已知的工艺都采用各种有机溶剂，需要在高温进行反应，从而增加了成本。而且，大多数溶剂非常昂贵，也使得工艺过程不经济。

过去做了一些尝试，通过采用酸性催化剂来改善工艺的产率和通用性（采用各种取代的醛类的能力），以便克服上述缺点。

在目前已知的缩醛制备工艺中，采用酸性催化剂制备缩醛仍然存在诸多限制。虽然矿物酸是缩醛化工艺的优良催化剂，但是它们具有很大的腐蚀性。而且，从这类工艺过程得到的最终产物，需要通过中和残留的游离酸加以净化。尽管所有专利说明中给出的产率在实际应用中可以接受，但是所有方法在通用性、环保、高效节能、可靠性、成本效益和安全生产方面，效率均不高。

作为粘性熔盐实例的离子系统具有许多有趣和有用的性能，并且具有实用性。例如，在合成化学中作为高极性溶剂、共溶剂和催化剂使用。它们业已应用在各种领域中，如电化学、化合物的合成、染料、电池、燃料电池、光伏器件、电沉积法工艺、半导体清洗、热解、气化、涉及纤维素溶解的应用、专利说明中的金属电镀工艺，如US6573405、US7183433、US7196221、美国专利申请2005/0147889、US6527977、美国专利申请2008/0307703、美国专利申请2006/0183654、美国专利申请2009/0247432。

在美国专利US5,892,124、US5104840、US6573405、US7183433和US7196221中，已经报道了将季铵盐作为一种离子，以制备离子化合物/液体。由氯化胆碱和金属盐制备离子化合物/液体，也尤其广为人知。

离子液体表现出非常低的或没有蒸气压，因此，与许多常规的分子型溶剂相比，几乎不产生任何蒸气。因此，从健康、安全和环境的观点来看，它们具有优越性。

已有报道，使用离子液体作为催化剂及/或反应介质来制备非MDBS和DMDBS结构的缩醛类和二缩醛类化合物的工艺。例如，CN101440025公开了一种制备方法，采用N-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体催化剂来制备亚乙基醚或缩酮。其它公开了使用离子液体作为催化剂，以制备非MDBS和DMDBS结构的缩醛类的专利包括CN101723852、CN101544628和CN1858048。

迄今为止所报道的MDBS和DMDBS制备工艺，都尚未采用离子液体作为催化剂及/或反应介质。因此，有必要开发一种制备MDBS和DMDBS的工艺，以使用离子液体作为催化剂及/或反应介质。还有必要开发一种制备缩醛类化合物，尤其是制备MDBS和DMDBS的工艺，其中不采用任何昂贵的溶剂或矿物酸。

定义

在本专利说明书中，下列词汇和短语的一般含义阐明如下，但在使用它们的上下文中另有说明时除外。

本文所使用的“含水的离子流体”（aqueousionicfluid）短语是指溶剂化物。其中，离子化合物通过溶解一种氢供体和一种“提供反离子的化合物”的混合物在原位形成。该氢供体选自由甲基磺酸（MSA）、对甲苯磺酸（PTSA）、草酸、柠檬酸、苯甲酸、马来酸和酒石酸组成的群组；该“提供反离子的化合物”选自由一种季铵盐（如氯化胆碱）和一种金属盐（如氯化钠和氯化锌）所组成的群组。

发明目的

本发明的一个目的是提供一种制备工艺，制备高产率和高纯度的醛醇缩醛衍生化合物。

本发明的另一个目的是提供一种制备工艺，制备对称和非对称的二亚苄基山梨醇化合物，而不受任何限制。

本发明还有一个目的，就是提供一种工艺，经济地制备缩醛衍生化合物。

本发明还有一个目的，就是提供一种工艺，以环保的方式制备缩醛衍生化合物。

本发明还有一个目的，就是提供一种工艺，制备缩醛衍生化合物，其中，最终产物不含有任何残留的游离酸。

本发明还有一个目的，就是提供一种工艺，安全地制备缩醛衍生化合物。

本发明再有一个目的，就是提供一种方法，生产单缩醛和二缩醛衍生化合物，而不形成三缩醛衍生化合物。

发明概述

根据本发明，提供了一种制备缩醛衍生物的工艺，该缩醛衍生物选自由MDBS[1,3:2,4-二（4-甲基亚苄基）山梨醇]和DMDBS[1,3:2,4-二（3,4-二甲基亚苄基）山梨醇]组成的群组。该工艺包括以下步骤：

-制备一种含水的离子流体

-在连续搅拌下，以2:1的摩尔比把一种醛和一种醛醇加入到离子流体中，以进行脱氢缩合反应，形成一种反应混合物；

-搅拌得到的反应混合物，使其保持悬浮形式；以及

-停止搅拌反应混合物，使反应混合物内形成的物质沉降，并且分离含有母液的上层离子流体；

-通过过滤、洗涤和干燥进行分离和提纯，以便得到一种缩醛衍生物，其中不含有任何游离酸残留物。

通常，该含水的离子流体作用为一种催化剂，用于脱氢缩合反应。

此外，该含水的离子流体作用为一种反应介质，用于脱氢缩合反应。

通常，该含水的离子流体含有一种由一种氢供体和一种反离子之间的氢键结合而形成的离子化合物。该氢供体选自由甲基磺酸（MSA）、对甲苯磺酸（PTSA）、草酸、柠檬酸、苯甲酸、马来酸和酒石酸组成的群组；该反离子来自由至少一种提供反离子的化合物，而该反离子化合物选自由氯化胆碱、氯化钠和氯化锌组成的群组。

通常，醛选自由非取代苯甲醛与取代醛类所组成群组之中的至少一种，包括苯甲醛、4-甲基苯甲醛、3-甲基苯甲醛、4-丙基苯甲醛、对-乙基苯甲醛、4-丁基苯甲醛、4-异丙基苯甲醛、4-异丁基苯甲醛、2,4-二甲基苯甲醛、3,4-二甲基苯甲醛、3,5-二甲基苯甲醛、3-甲基-4-甲氧基苯甲醛、2,4,5-三甲基苯甲醛、3-（1-己基）苯甲醛、胡椒醛、3-羟基-5,6,7,8-四氢-2-萘甲醛、3-甲氧基-5,6,7,8-四氢-2-萘甲醛、3-羟基-8-异丙基-5-甲基-2-萘甲醛、2-萘甲醛、3-甲氧基苯甲醛、4-甲氧基苯甲醛、3,4-二甲氧基苯甲醛、3-乙氧基苯甲醛、4-乙氧基苯甲醛、3,4-二乙氧基苯甲醛、4-烯丙氧基苯甲醛、4-丙氧基苯甲醛、4-羧基苯甲醛、3-溴代苯甲醛、4-溴代苯甲醛、2-氯代苯甲醛、3-氯代苯甲醛、4-氯代苯甲醛、3-氟代苯甲醛、4--氟代苯甲醛、3,4-二氯代苯甲醛、3,5-二氯代苯甲醛、3,5-二溴代苯甲醛、3,5-二氟代苯甲醛、4-氯-3-氟代苯甲醛、3-溴-4-氟代苯甲醛、4-氟-3-甲基5,6,7,8-四氢-2-萘甲醛、4-氟-3,5-二甲基苯甲醛、4-（三氟代甲基）苯甲醛、3-溴-4-乙氧基苯甲醛及其混合物。

通常，醛醇是选自由山梨醇（100%)和异丙基山梨醇组成的群组。另外,醛醇是山梨醇的一种水溶液，其浓度范围大约为40%至99%。

通常，搅拌的方法步骤在大约6至10小时的时间范围内进行。

根据一个实施例，本发明的工艺还包括一个在脱氢缩合反应过程中加入一种表面活化剂的方法步骤；所述的表面活化剂选自由阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子界面活性剂组成的群组。根据一个实施例，在脱氢缩合反应期间，采用了氯化胆碱，即一种阳离子表面活性剂。

通常，制备一种含水的离子流体的方法步骤包括，分别将等摩尔量的一种氢供体和一种“提供反离子的化合物”加入到水中，从而在水中原位形成一种离子化合物。

通常，该氢供体选自由至少一种酸组成的群组，该酸选自由甲基磺酸（MSA）、对甲苯磺酸（PTSA）、草酸、柠檬酸、苯甲酸、马来酸和酒石酸组成的群组。

通常，该提供反离子的化合物是至少一种选自由一种季铵盐和一种金属盐组成的群组。

专利说明

在迄今为止所报道的工艺中，采用昂贵的溶剂或矿物酸催化剂和中等温度来制备缩醛类化合物。为了克服其缺点，本发明的发明人选择特定的离子流体来制备缩醛类化合物（尤其是MDBS和DMDBS）。

由此，在本发明的第一个想法中，提供了一种制备缩醛衍生物，尤其是制备DMDBS和MDBS的工艺，通过使用具有反应催化剂和反应介质双功能的一种含水的离子流体，在醛与醛醇之间进行脱氢缩合反应。该工艺包括以下步骤：

-制备一种含水的离子流体

-在连续搅拌下，以2:1的摩尔比把一种醛和一种醛醇加入到离子流体中，以进行脱氢缩合反应，形成一种反应混合物；

-搅拌得到的反应混合物，使其保持悬浮形式；以及

-停止搅拌反应混合物，使反应混合物内形成的物质沉降，并且分离含有母液的上层离子流体；

-通过过滤、洗涤和干燥进行分离和提纯，以便得到一种缩醛衍生物，其中不含有任何游离酸残留物。

该含水的离子流体包括一种在一种氢供体与一种反离子之间的氢键结合而形成的离子化合物，可作为脱氢缩合反应的催化剂。此外，它还用作反应介质，以进行该反应。

通常，制备一种含水的离子流体的方法步骤包括，分别将等摩尔量的一种氢供体和一种“提供反离子的化合物”分别加入到水中，从而在水中原位形成一种离子化合物。

通常，氢供体选自由至少一种酸组成的群组，而该酸选自由甲基磺酸（MSA）、对甲苯磺酸（PTSA）、草酸、柠檬酸、苯甲酸、马来酸和酒石酸组成的群组。

通常，提供反离子的化合物是至少一种选自由一种季铵盐和一种金属盐组成的群组。

通常，季铵盐是氯化胆碱。

通常，金属盐是至少一种选自由氯化锌和氯化钠组成的群组。

这些提供反离子的化合物用于提供反离子，能够在含水介质或含水溶剂混合物中形成氢键。据报道，阳离子和阴离子通过氢键连接形成的离子化合物具有超分子结构组织（Olivier-Bourbigou,H.等人，AppliedCatalysisA:General,373期,1-56页,2010年；Deetlefs,M.等人，J.PhysicalChemistryB.110期，12055-12061页，2006年；CanongiaLopez,J.N.和Padua,A.A.H.,J.PhysicalChemistryB.110期,3330-3335页,2006年）。由氢键网络形成的连续微区结构似乎有利于催化反应，因为没有使用游离形式的酸，这样不会将任何残留酸度传给最终产物。

在本发明的工艺中，所用的醛是至少一种选自由非取代苯甲醛和取代醛类组成的群组，其中包括苯甲醛、4-甲基苯甲醛、3--甲基苯甲醛、4-丙基苯甲醛、对-乙基苯甲醛、4-丁基苯甲醛、4-异丙基苯甲醛、4-异丁基苯甲醛、2,4-二甲基苯甲醛、3,4-二甲基苯甲醛、3,5-二甲基苯甲醛、3-甲基-4-甲氧基苯甲醛、2,4,5-三甲基苯甲醛、3-（1-己基）苯甲醛、胡椒醛、3-羟基-5,6,7,8-四氢-2-萘甲醛、3-甲氧基-5,6,7,8-四氢-2-萘甲醛、3-羟基-8-异丙基-5-甲基-2-萘甲醛、2-萘甲醛、3-甲氧基苯甲醛、4-甲氧基苯甲醛、3,4-二甲氧基苯甲醛、3-乙氧基苯甲醛、4-乙氧基苯甲醛、3,4-二乙氧基苯甲醛、4-烯丙氧基苯甲醛、4-丙氧基苯甲醛、4-羧基苯甲醛、3-溴代苯甲醛、4-溴代苯甲醛、2-氯代苯甲醛、3-氯代苯甲醛、4-氯代苯甲醛、3-氟代苯甲醛、4--氟代苯甲醛、3,4-二氯代苯甲醛、3,5-二氯代苯甲醛、3,5-二溴代苯甲醛、3,5-二氟代苯甲醛、4-氯-3-氟代苯甲醛、3-溴-4-氟代苯甲醛、4-氟-3-甲基5,6,7,8-四氢-2-萘甲醛、4-氟-3,5-二甲基苯甲醛、4-（三氟代甲基）苯甲醛、3-溴-4-乙氧基苯甲醛及其混合物。

通常，根据本发明的工艺，所用的醛醇选自由山梨醇（100%）和异丙基山梨醇组成的群组。另外，浓度范围在大约40%至大约99%的山梨醇水溶液也可以用作醛醇。

在制备缩醛类化合物的过程中，经常遇到的一个显著问题是醛组分在水中的可溶性。根据本发明，一种能够形成一种离子化合物的季铵盐，也可作用为阳离子表面活性剂/乳化剂，以改善反应物（醛）的在含水介质中的可溶性。作为一种选择，在脱氢缩合反应期间，可以将一种表面活化剂加入到反应混合物中。通常，氯化胆碱用作一种表面活化剂。通常，脱氢缩合反应在大约25至大约50℃温度范围内进行。

通常，搅拌的方法步骤在大约6至10小时的时间范围内进行。

本发明的发明人已经惊讶地发现，根据本发明的工艺得到的产物，完全不含有任何残留的游离酸。非常不希望在产物中残留有游离酸，因其在高温下会促使最终产物水解，特别是在干燥工艺期间。

因此，本发明的工艺具有特别的优势，因其无需中和最终产物中残留的游离酸，从而减少工艺的成本和复杂性。这表明该离子流体作为一种催化剂和反应介质，进行酸基的脱氢缩合反应的实用性。

以下实施例用于进一步说明本发明，但不可解释为限制本发明，而应按权利要求书中的定义。

实施例1:

甲苯-4-磺酸一水合物（PTSA）（1.9gm）是一种氢供体，将它与氯化胆碱（1.4gm）以等摩尔比混合。向该盐的混合物中加入水并搅拌均匀，以制备离子流体。

将3,4-二甲基苯甲醛与山梨醇以2：1的摩尔比加入到该离子化合物中，并搅拌以启动反应。在反应开始的几分钟之内便形成了固体物质。加快搅拌速度，使固体保持悬浮状态，并继续反应8小时。过滤固体产物，并用100mL甲醇洗涤。将白色固体产物在95℃的烘箱中干燥2小时，然后在空气中风干4小时，以测量产率。获得的产率为60％。

实施例2-6:

针对表1中给出的氯化胆碱和不同的氢供体化合物，遵循实施例1中的步骤。

实施例7-18:

针对表2和表3分别给出的氯化锌和氯化钠以及不同的氢供体，遵循实施例1中的步骤。

实施例19-21:

按照实施例1中的步骤，但将0.01摩尔氯化胆碱添加到水中。获得的产率为69％。类似于PTSA-氯化钠和氯化锌体系，添加0.01摩尔氯化胆碱提高了产率。

表1：在实施例1-5中，按照所述的步骤进行反应的详情

表1：

表2：采用实施例1中所述的步骤，在实施例7-12中所进行反应的详情

表3：采用实施例1中所述的步骤，在实施例13-18中所进行反应的详情

表4：采用实施例1中所述的步骤，在实施例19-21中所进行反应的详情

虽然已经对某些实施例做了说明，但这些实施例仅作为举例呈现，其目的并非限制本发明的范围。在审查本文所公开的发明时，业内的技术人员可以在本发明的范围内，对本发明的构思和构造进行变更或修改。这类变更或修改完全符合本发明的精神。所附带的权利要求书及其等同文件，其目的是涵盖符合本发明范围和精神的此类程序或修改。

对于各种物理参数、尺寸和数量，给出的数值都仅仅是近似值，并且认为，高于这些物理参数、尺寸和数量的赋值应当符合本发明和权利要求书的范围，除非在专利说明书中有相反的陈述。

Claims (6)

1.一种制备缩醛衍生物的工艺，缩醛衍生物选自由1,3:2,4-二(3,4-二甲基亚苄基)山梨醇和1,3:2,4-二(4-甲基亚苄基)山梨醇组成的群组，该工艺包括以下步骤：

-通过将等摩尔量的一种氢供体和一种“提供反离子的化合物”分别加入到水中来制备一种含水的离子流体，其中该氢供体是选自由甲基磺酸、对甲苯磺酸、草酸、柠檬酸、苯甲酸、马来酸和酒石酸组成的群组的至少一种酸，并且该提供反离子的化合物选自由氯化胆碱、氯化钠和氯化锌组成的群组；

-在25至50℃的温度范围内，在连续搅拌下，以2:1的摩尔比把一种醛和一种醛醇加入到离子流体中，以进行脱氢缩合反应，形成一种反应混合物；

-搅拌得到的反应混合物6至10个小时，使其保持悬浮形式；

-停止搅拌反应混合物，使反应混合物内形成的物质沉降；以及

-通过过滤、洗涤和干燥对该物质进行分离和提纯，以便得到一种缩醛衍生物，其中不含有任何游离酸残留物。

2.如权利要求1所述的工艺，其中含水的离子流体含有一种离子化合物，该离子化合物由至少一种氢供体与至少一种反离子之间的氢键结合而形成，该反离子来自至少一种提供反离子的化合物。

3.如权利要求1所述的工艺，其中醛选自由4-甲基苯甲醛和3,4-二甲基苯甲醛组成的群组。

4.如权利要求1所述的工艺，其中醛醇是山梨醇。

5.如权利要求1所述的工艺，其中醛醇是浓度范围在40％至99％的山梨醇水溶液。

6.如权利要求1所述的工艺，其中在脱氢缩合反应过程中，还包括添加入氯化胆碱的方法步骤。