CN103539665B - 一种制备丁二酸二酯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备丁二酸二酯的新方法，该方法以乙酰丙酸或乙酰丙酸酯为原料，分子氧为氧源，通过催化选择氧化和酯化反应生成丁二酸二酯。该方法所用原料乙酰丙酸或乙酰丙酸酯可以从纤维素、淀粉、农林废弃物等生物质中获取，是一条不依赖化石资源制备丁二酸二酯的新路线，过程反应条件温和、丁二酸二酯的选择性高，具有重要的应用前景。

Description

一种制备丁二酸二酯的方法
技术领域
本发明涉及化工原料的制备方法，尤其涉及一种以乙酰丙酸或乙酰丙酸酯为原料制备丁二酸二酯的新方法，具体地讲，该方法以空气或氧气为氧源，锰化合物作为催化剂，通过氧化反应和酯化反应将乙酰丙酸或乙酰丙酸酯转化为丁二酸二酯。
背景技术
丁二酸二酯是一种重要的精细化工中间体，可以转化为许多精细化学品，如丁二酸、1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯及N-甲基吡咯烷酮等；因此，丁二酸二酯在食品、香料、医药、涂料、橡胶和塑料行业有广泛应用。另外，丁二酸二酯中的低级酯(如丁二酸二甲酯、丁二酸二乙酯等)与1,4-丁二醇通过酯交换可聚合成聚丁二酸丁二醇酯，这种材料具有良好的生物降解性，具有重要的应用价值和广阔的发展前景。
丁二酸二酯的制备方法主要有两种。(1)碳水化合物通过发酵得到丁二酸(US5723322,US5143834,US5143833,US5168055,US5573931)，在酸催化作用下酯化得到丁二酸二酯(CN101323566A,CN1196350A,CN101092358A)。但是该方法存在很多问题，如生产丁二酸的微生物适应pH值范围很窄(pH5.8～7.2,US5723322)；发酵法培养基成本较高；副产物较复杂，分离提纯成本高。(2)C4烃类或苯氧化得到马来酸酐(US4713464,US4795818,US5275996,US5296436,CN1735458A)，然后经酯化、加氢得到丁二酸二酯(EP844231,EP728731,CN102070448A,CN101824627A,CN101343210A)，这种方法的关键原料马来酸酐来自不可再生的化石资源(C4烃类或苯氧化而来)，受化石资源的价格影响较大。因此，发展制备丁二酸二酯的新方法具有重要的意义和应用背景。
乙酰丙酸是重要的有机酸，也是美国能源部公布的十二种重要平台化合物之一(T.Werpy,G.Petersen,“TopValueAddedChemicalsfromBiomass:Vol.1—ResultsofScreeningforPotentialCandidatesfromSugarsandSynthesisGas”,NationalRenewableEnergyLaboratory,2004)，该化合物可以从葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉和纤维素等生物质转化得到，植物秸秆等农业废弃物、木屑、落叶等林业废弃物、造纸业和生活产生的废弃物等在酸催化作用下也可得到乙酰丙酸(US5608105,US5859263,US6054611,US20100312006,CN101348430A,CN101648863A,RussianChemicalReviews1999,68,73-84)。乙酰丙酸酯是乙酰丙酸重要的衍生物之一，是由乙酰丙酸酯化得到的，也可由生物质直接转化得到，由生物质直接制备得到乙酰丙酸酯已有专利的公开报道(US7153996,US7378549,US20100312006,CN102060704A,CN1643116A和CN101781210A)。生物质及生物质基平台化合物都含有丰富的氧和特定的结构，充分利用其已有的氧原子和分子结构制备重要的精细化学品是利用生物质资源的重要途径，有利于建立不依赖化石资源的化学品生产新路线，符合人类社会可持续发展的要求。
到目前为止，以乙酰丙酸或乙酰丙酸酯为原料制备得到丁二酸或丁二酸二酯的研究较少，仅有少数文献报道了以乙酰丙酸为原料制备得到丁二酸，如US2676186报道了以V2O5为催化剂在气相催化乙酰丙酸转化为丁二酸，该方法在气相进行反应，反应温度较高；Ponsford报道了以铜盐为催化剂用H2O2氧化乙酰丙酸得到丁二酸(A.P.Ponsford,I.Smedley-Maclean,Biochem.J.,1934,28,892-897)，但是H2O2作为氧化剂价格昂贵、利用率低，稳定性差，运输、储存危险。文献中尚未见以乙酰丙酸或乙酰丙酸酯为原料，分子氧为氧源，锰化合物作为催化剂，在液相温和条件下制备丁二酸二酯的研究报道。本发明报道了以锰化合物为催化剂，通过催化选择氧化和酯化反应将乙酰丙酸和乙酰丙酸酯转化为丁二酸二酯(本专利提供的方法与传统方法的比较，如式1所示)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备丁二酸二酯的新方法，该方法以乙酰丙酸或乙酰丙酸酯为原料，分子氧为氧化剂，在锰化合物催化作用下，通过液相催化选择氧化和酯化反应，得到丁二酸二酯(本发明提供方法的主要产物分布如式2所示)。
本发明中所用原料为乙酰丙酸、乙酰丙酸甲酯、乙酰丙酸乙酯、乙酰丙酸正丙酯、乙酰丙酸异丙酯和乙酰丙酸正丁酯中的一种或多种。
该方法中所用催化剂为锰化合物，包括硫酸锰、硝酸锰、碳酸锰、乙酸锰(Ⅱ)、乙酸锰(Ⅲ)、氯化锰、硫化锰、一氧化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、草酸锰、乙酰丙酮锰(Ⅱ)、乙酰丙酮锰(Ⅲ)、柠檬酸锰中的一种或多种；催化剂的用量为乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的0.5-20.0mol％，较佳用量为乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的2.0-10.0mol％。
反应在压力反应器中进行，可以用氧气或空气为氧源，也可以用氧气与空气、氮气等的混合气体为氧源。其中氧气分压为0.1-2.0MPa，在一定范围内随着氧气压力增加，氧化反应速率提高，但是氧气压力过高会导致副反应增加，也会提高设备成本，因此，氧气最佳分压为0.5-1.5MPa。反应温度为20-200℃，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℃。反应时间为2-20h，在一定时间范围内，随反应时间增加转化率提高，但是反应时间延长到一定时间以后，转化率和产物选择性稳定，最佳反应时间为8-12h。
本发明反应体系所用溶剂为乙酸、乙腈、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸酐、二甲基亚砜、环丁砜、N,N-二甲基甲酰胺、1,4-二氧六环、苯、甲苯、正己烷和环己烷等的一种或多种；溶剂与原料乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的摩尔比为5-100。
氧化反应结束后向反应液中加入过量的醇和酯化催化剂，通过酯化得到丁二酸二酯，有利于产物的分析和分离。根据目标产物丁二酸二酯的种类确定加入醇的种类，醇为含有1-8个碳原子的醇中的一种或多种，这些醇类可以是一级醇、二级醇或三级醇，可以是直链醇、支链醇或含脂肪环的醇，醇与原料的摩尔比为50-500。酯化反应所用催化剂可以是盐酸、硫酸、磷酸、硼酸、三氟化硼乙醚，可以是强酸性阳离子交换树脂、酸性沸石，也可以是磷钼酸、磷钨酸、硅钨酸、硅钼酸等杂多酸和固体超强酸的一种或多种。酯化反应所用催化剂的加入量为底物的0.5-20.0mol％均可，较佳用量为2.0-10.0mol％，酯化反应时间为4-10h。由于酯化反应是一个可逆反应，酯化催化剂的种类和用量、酯化反应温度和酯化反应时间对丁二酸二酯的最终收率都会有影响，这一酯化反应的规律符合典型酯化反应的特点，本发明不再详细描述。
以丁二酸二甲酯的制备为例，典型的制备过程为：将一定量乙酰丙酸甲酯加入到反应釜中，加入溶剂，在催化剂作用下进行分子氧(空气或氧气)氧化反应。氧化反应结束后，加入甲醇和酯化催化剂进行酯化反应，取样分析，酯化反应接近完全后，通过减压蒸馏分离得到丁二酸二甲酯。
可能的反应历程为：乙酰丙酸或乙酰丙酸酯在锰化合物的催化作用下首先在羰基碳和相邻的端甲基之间发生C-C键断裂，生成相应的丁二酸或丁二酸单酯，然后再经酯化生成丁二酸二酯，其中催化剂锰化合物是实现C-C键氧化断裂的关键，氧气或空气作为最终氧源实现催化剂的氧化还原循环。
式1丁二酸二酯传统生产路线和本发明的新路线
式2本发明提供方法的主要产物分布
与传统路线相比，本发明提供的新路线具有以下特点：
1、本发明提出了由乙酰丙酸或乙酰丙酸酯制备丁二酸二酯的新方法，文献中未见以乙酰丙酸或乙酰丙酸酯为原料，分子氧为氧源，锰化合物为催化剂，在较温和条件下制备丁二酸二酯的报道。
2、本发明中原料乙酰丙酸和乙酰丙酸酯可以从纤维素、淀粉和农林废弃物等生物质得到。与制备丁二酸二酯的糖类生物发酵-酯化方法相比，本专利提供方法原料来源更广，同时反应条件不受pH等因素的影响，反应效率高，产物易于分离提纯。
3、本发明以氧气或空气为最终氧源，氧化和酯化反应都在较温和条件下进行。与C4烃类、苯为原料的制备路线相比，本发明中原料不依赖化石资源而且可再生，反应过程易操作、安全性高，具有明显优势。
附图说明
图1为实施例1和实施例2的反应液原始GC图；
图2(a)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(b)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(c)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(d)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(e)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(f)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(g)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(h)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(i)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(j)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图2(k)为实施例1反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(a)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(b)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(c)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(d)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(e)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(f)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(g)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(h)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(i)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(j)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图3(k)为实施例2反应液对产物定性的GC-MS图之一；
图4为实施例3-12原料的转化率随温度的变化曲线；
图5为丁二酸二乙酯的选择性图；
图6为实施例13-22原料的转化率和主要产物选择性与反应时间的关系曲线；
下面以实施例详述本发明。
具体实施方式
实施例1：将0.33g乙酰丙酸甲酯，5mol％(相对于乙酰丙酸甲酯)硝酸锰加入到35mL反应釜中，加入2mL乙酸，充入氧气至1.0MPa，不断搅拌下升温至100℃，并保持10h。然后冷却到室温。将全部产物转移到圆底烧瓶中，加入20mL无水甲醇和0.15g浓硫酸，加热回流6h，冷却到室温，将液体全部转移至25mL容量瓶，加入2mL内标均四甲苯后定容，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)，然后取样使用气相色谱分析(GC，图1中左图)，内标定量法得到原料的转化率和产物丁二酸二酯的选择性。按照下列公式计算乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的转化率和丁二酸二酯的选择性。
转化率[mol％]＝(A0-A)/A0×100％
选择性[mol％]＝B/(A0-A)×100％
公式中，A0为反应前加入乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的物质的量[mol]，A为反应后剩余乙酰丙酸酯的物质的量[mol]，B为反应过程中生成丁二酸二酯的物质的量[mol]。
计算乙酰丙酸甲酯的转化率为97.1％，丁二酸二甲酯的选择性为79.7％。
实施例2：将0.29g乙酰丙酸，5mol％(相对于乙酰丙酸)乙酸锰(Ⅲ)加入到35mL反应釜中，加入2mL甲醇，充入氧气至0.5MPa，不断搅拌下升温至90℃，并保持12h。然后冷却到室温。将全部反应液转移至圆底烧瓶，加入20mL无水甲醇和0.12g浓磷酸，回流6h，冷却到室温，将全部产物转移到25mL容量瓶，加入2mL内标均四甲苯后用甲醇定容，然后取样使用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3)。使用气相色谱分析(GC，图1中右图)定量，内标定量法得到原料乙酰丙酸的转化率和产物丁二酸二甲酯的选择性。按照实施例1中的方法分析产物，得到乙酰丙酸的转化率为93.3％，丁二酸二甲酯的选择性为76.9％。
实施例3-12：
不同反应温度下乙酰丙酸酯氧化酯化制备丁二酸二酯的结果，从图中可以看出温度对乙酰丙酸酯的转化率和目标产物丁二酸二酯选择性的影响，具体如下：
将0.36g乙酰丙酸乙酯，3mol％(相对于乙酰丙酸乙酯)乙酸锰(Ⅱ)加入到35mL反应釜中，加入2mL乙酸酐，充入氧气至0.8MPa，不断搅拌下维持温度分别为20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃，并保持10h。然后冷却到室温。将全部产物转移到圆底烧瓶中，加入20mL无水乙醇和0.15g三氟化硼乙醚，加热回流6h，冷却到室温。按照实施例1中的方法分析产物，得到乙酰丙酸乙酯的转化率和丁二酸二乙酯的选择性做成图表，如图4和图5所示。
结论：在上述反应条件下，反应温度在80℃-120℃，原料的转化率较高，产物的选择性较好；温度低于80℃，原料的转化率太低，温度高于120℃，副反应增加，导致目标产物丁二酸二酯的选择性下降。
实施例13-22：
不同反应时间由乙酰丙酸制备丁二酸二酯的反应结果，考察不同反应时间乙酰丙酸的转化率和产物选择性，具体如下：
将0.29g乙酰丙酸，10mol％(相对于乙酰丙酸)乙酰丙酮锰(Ⅲ)加入到35mL反应釜中，加入2mL环己烷，关釜，充入氧气1.2MPa，搅拌下升温至100℃，并分别保持2h、4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h。然后冷却到室温。将全部产物转移到圆底烧瓶中，加入20mL异丙醇和0.10g磷钼酸，加热回流4h，冷却到室温。按照实施例1中的方法分析产物，得到乙酰丙酸的转化率和产物选择性与反应时间的关系图参考图6。
结论：在上述反应条件下，反应时间为8h-12h均可，反应时间低于8h，原料的转化率较低，反应时间继续延长，原料的转化率无显著提高，产物的选择性也无较大变化，但延长反应时间增加了能量的消耗，降低了反应效率。
实施例23-27：
不同氧气压力下由乙酰丙酸正丁酯制备丁二酸二正丁酯的反应结果，考察反应压力对乙酰丙酸正丁酯的转化率和产物选择性，具体如下：
将0.43g乙酰丙酸正丁酯，2.5mol％(相对于乙酰丙酸正丁酯)三氧化二锰加入到35mL反应釜中，加入2mL二甲基亚砜，充入氧气分别为0.1MPa、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa，不断搅拌下升温至120℃，并保持6h。然后冷却到室温。将全部产物转移到圆底烧瓶中，加入20mL正丁醇和0.15g磷钨酸，加热回流8h，冷却到室温。按照实施例1中的方法分析产物，得到乙酰丙酸正丁酯的转化率和产物丁二酸二正丁酯选择性参见表一。
表一氧气压力对反应转化率和产物选择性的影响
结论：在上述反应条件下，氧气压力维持在0.5MPa-1.5MPa即可，氧气压力较低时，原料转化率较低，氧气压力过高产物选择性差，而且对设备的要求提高。
实施例28-42：分别考察硫酸锰、硝酸锰、碳酸锰、乙酸锰(Ⅱ)、乙酸锰(Ⅲ)、氯化锰、硫化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、草酸锰、乙酰丙酮锰(Ⅱ)、乙酰丙酮锰(Ⅲ)、柠檬酸锰等的催化活性。反应条件：0.39g乙酰丙酸正丙酯，5mol％催化剂(相对于乙酰丙酸正丙酯)，2mL乙酸，100℃，10h,0.6MPa氧气，反应结束后，酯化反应，加入20mL正丙醇和0.15g浓硫酸，回流6h，按照实施例1中的方法分析产物，得到乙酰丙酸正丙酯的转化率和丁二酸二正丙酯的选择性如表二所示。
表二不同催化剂在相同反应条件下对转化率和产物选择性的影响
结论：在上述反应条件下，筛选的锰化合物都有一定的催化活性，在催化过程中起到关键作用的是锰金属组分，有机配体或者无机阴离子起辅助作用。
实施例43-49：
催化剂用量对乙酰丙酸乙酯的转化率和产物选择性的影响，具体如下：
将0.36g乙酰丙酸乙酯加入到35mL反应釜中，然后分别加入0.5mol％、1.0mol％、2.0mol％、4.0mol％、10.0mol％、15.0mol％、和20.0mol％(相对于乙酰丙酸乙酯)乙酰丙酮锰(Ⅱ)和2mL乙酸，充入氧气0.8MPa，不断搅拌下升温至120℃，并保持6h。然后冷却到室温。将全部产物转移到圆底烧瓶中，加入适量无水乙醇和Nafion-NR50，加热回流6h，冷却到室温。按照实施例1中的方法分析产物，得到乙酰丙酸乙酯的转化率和产物选择性见表三。
表三催化剂用量对原料转化率和产物选择性的影响
结论：在上述反应条件下，随着催化剂用量的增加，原料转化率增加，但是当催化剂用量大于15.0mol％时，丁二酸二酯的选择性明显下降。
实施例50：将3.3g乙酰丙酸甲酯，5mol％(相对于乙酰丙酸甲酯)硫酸锰加入到150mL反应釜中，加入20mL乙酸酐，充入氧气1.5MPa，搅拌下升温至90℃，并保持10h。然后冷却到室温。将全部产物转移到圆底烧瓶中，加入200mL无水甲醇和0.15gNafion70，加热回流6h，冷却到室温。减压蒸馏得到丁二酸二甲酯2.67g。
实施例51：将29.0g乙酰丙酸，5mol％(相对于乙酰丙酸)柠檬酸锰加入到1000mL反应釜中，加入200mL乙酸，充入氧气1.0MPa，搅拌下升温至100℃，并保持6h。然后冷却到室温。将全部产物转移到圆底烧瓶中，加入500mL无水甲醇和0.50HY，加热回流6h，冷却到室温。减压蒸馏得到丁二酸二甲酯25.9g。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但是本发明的保护范围并不仅限于此，也不因各实施例的先后次序对本发明造成任何限制，任何熟悉本发明技术领域的技术人员在本发明报道的技术范围内，可轻易进行变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围不仅限于以上实施例，应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种制备丁二酸二酯的方法，其特征在于：以乙酰丙酸或乙酰丙酸酯为原料，分子氧为氧化剂，在催化剂作用下，通过液相催化选择氧化和后续酯化反应得到丁二酸二酯；
其中，
该方法中所用催化剂为锰化合物，包括硫酸锰、硝酸锰、碳酸锰、乙酸锰(Ⅱ)、乙酸锰(Ⅲ)、氯化锰、硫化锰、一氧化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、草酸锰、乙酰丙酮锰(Ⅱ)、乙酰丙酮锰(Ⅲ)、柠檬酸锰中的一种或二种以上；催化剂用量为原料乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的0.5-20.0mol％；
该方法中反应体系所用溶剂为乙酸、乙腈、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸酐、二甲基亚砜、环丁砜、N,N-二甲基甲酰胺、1,4-二氧六环、苯、甲苯、正己烷和环己烷中的一种或多种；溶剂与原料乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的摩尔比为5-100；
该方法中作为氧化剂的氧源为氧气或空气，其中氧化反应中氧气分压为0.1-2.0MPa；反应温度为20-200℃，反应时间为2-20h。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：原料中的乙酰丙酸酯为乙酰丙酸甲酯、乙酰丙酸乙酯、乙酰丙酸正丙酯、乙酰丙酸异丙酯、乙酰丙酸正丁酯中的一种或者二种以上。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：催化剂较佳用量为乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的2.0-10.0mol％。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：氧气最佳分压为0.5-1.5MPa；最佳反应温度为80-120℃。
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