CN103788104A - 具有异山梨醇或异山梨醇异构体核心的新官能化合物、这些化合物的生产方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及式(I)化合物：R-(CH₂)₂-O-A-O-(CH₂)₂-R(I)，其中A代表选自(A)、(B)、(C)的二价基团，和R代表-CN或-CH₂NH₂。为了制备上述化合物，通过迈克尔加成反应使丙烯腈与式(II)化合物进行反应：HO-A-OH，其中A如上所定义，以获得式(I)化合物，其中R代表-CN，而且进行后者的氢化反应以获得相应的式(I)化合物，其中R代表CH₂NH₂。式(I)化合物，其中R代表-CH₂NH₂，被用作表面活化剂中的极性头或用作缩聚反应的单体，特别地在聚酰胺的制备中，或用作交联剂。

Description

具有异山梨醇或异山梨醇异构体核心的新官能化合物、这些化合物的生产方法和用途

本申请是以下申请的分案申请：申请日2008年4月21日，申请号200880013625.4，发明名称“具有异山梨醇或异山梨醇异构体核心的新官能化合物、这些化合物的生产方法和用途”。

本发明涉及新型官能化合物，其包含异山梨醇单元或异山梨醇的两种光学异构体(即，异二缩甘露醇(isomannide)或异二缩艾杜糖醇(isoidide))中的一种的单元作为核心单元。本发明还涉及用于制备这些新型官能化合物的方法，以及涉及其应用。

异山梨醇：

异二缩甘露醇

异二缩艾杜糖醇：

是主要地来自由玉米淀粉产生的糖的天然物质。后者，通过酶促反应，得到葡萄糖，其被还原成山梨糖醇，后者在双脱水之后得到异山梨醇：

光学异构体异二缩甘露醇和异二缩艾杜糖醇同样地分别地从甘露醇和艾杜糖醇获得。为了获得更多的这种化学的详细资料，尤其可以参考KIRK OTHMER百科全书，第4版，第23卷，第93-119页。

目前，为了避免在"绿色化学"背景下的石油衍生物，成品化学产品工业(industrie des produits chemiques de performance)寻找新型天然来源(如植物)的化合物或单体，其因此是可再生的、生物可降解的、低毒的和对环境无害的。而且，这些从上述原材料获得的新型化合物应该优选地能够使用清洁能源和节能的方法而获得。

考虑到这些要求，本申请人公司已经设想特别地从工业可获得的天然合成单体(synthons)合成带有胺基的双官能化合物，所述合成单体为异山梨醇、异二缩甘露醇和异二缩艾杜糖醇，并因此在今后几年随着生物精炼的发展可利用性将提高。

那么本申请人公司的工作已经找到可以通过简单的并且容易放大到工业规模的方法转化上述具有醇官能合成单体以获得具有腈和胺官能的新型化合物的方法。

这种方法基于以下转化原理：在第一步中通过与丙烯腈的迈克尔加成反应将醇官能转化为丙腈醚，然后在第二步骤中，通过氢化将腈官能转化为伯胺官能。

因此，由植物来源的(因此是可再生的)而且以低成本工业可得到的杂脂环族双环糖，本发明提供简化获得初始分子(molécules originales)路线-在仅仅两步中的容易合成，其与传统的工业设备相容，特别地由它们的双环核心和它们的热稳定性的初始分子获得：

- 它们的双环核心在一方面可以起足够大的和亲水的极性头(tête polaire)，另一方面如果它可以用作为单体，它可以在材料中提供一定刚度。

- 令人惊讶地，已经观察到本发明的新型化合物的热稳定性是优异的(大于296℃)，这与基于植物的产物的情况相差很远。

根据本申请人公司的认识，本发明的化合物是新型化合物，不曾在文献中被提到，除了2,5-双-O-(3-氨基丙基)-1,4:3,6-二脱水-D-葡萄糖醇，其的确由CAS No. 6338-35-8提到，但是没有在任何文件中描述过(除了它的获得方法)。

存在其胺官能直接地由异山梨醇单元携带的二胺，即2,5-二氨基-1,4:3,6-二脱水-2,5-二脱氧山梨醇或2,5-二氨基-1,4:3,6-二脱水-2,5-二脱氧-D-葡萄糖醇(CAS 143396-56-9)。然而，如在此涉及的文件中所看到的，该合成是较不直接的，即在三步中，并且更加复杂的，这是由于产率为28-56重量%：

- Synthesis (1994)，317-321；

- 国际PCT申请WO 9212978；

- JACS (1956)，78，3177-3182；

- JCS (1950)，371-374；

- Nature(1949)，164，573-574。

还可以提到在Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters (2006)，16(3)，714-717中的文章，其涉及具有脂多糖的脂类A位置(site lipid A)的新型双阳离子配位体的分子模拟。它们是其目的为获得根据受体位置(site récepteur)具有14埃长度的分子的理论研究。在该文章中没有描述该分子或它的合成方法。

本发明的新型二胺可用作表面活化剂。

这是因为，在表面活化剂领域中，这种应用探寻生物可降解的并低毒的产物，该产物具有植物来源的化合物作为原材料，并因此其是可再生的。解决这个问题的方法中的一种是使用一方面其中通过可裂化学官能(如酰胺官能)连接在一起的符合上述标准的亲脂性脂肪链(来源于脂肪酸)和亲水性氨基合成单体之间的缩合化学。通常使用的聚胺：二亚乙基三胺(DETA)、三亚乙基四胺(TETA)等等，是石油来源的并且对环境有影响。本发明因此可以容易地获得基于符合生物降解性和低毒性标准的植物原料的二胺。

本发明的新型二胺还可以在材料领域中用作在缩聚反应中的单体，例如用于制备聚酰胺，以及作为交联剂。它们的非常好的热稳定性和它们的植物来源构成在这种应用中的选择标准。

本发明的一个目的因此首先是式(I)化合物：

R-(CH₂)₂-O-A-O-(CH₂)₂-R  (I)

其中

A代表二价基团，其选自：

在上面3个式的每个中的两个自由键(liaisons libres)构成基团A与式(I)中的氧原子的连结点，

和

- R代表-CN或-CH₂NH₂。

特别地提到由下式表示的本发明的化合物：

本发明的另一个目的是制备如上面所定义的式(I)化合物的方法，特征在于丙烯腈与式(II)化合物通过迈克尔加成反应进行反应：

HO-A-OH            (II)

其中A如在权利要求1中所定义，以获得式(I)化合物，其中R代表-CN，而且进行后者的氢化反应以获得相应的式(I)化合物，其中R代表-CH₂NH₂。

第一步：迈克尔加成反应

使丙烯腈与式(II)化合物反应，特别地丙烯腈/(化合物(II)×2)摩尔比为1-2，优选地1-1.5。

该步骤通常在20℃-100℃，优选地40℃-80℃的温度下进行。

同样地，有利地在至少一种碱性或非碱性催化剂存在时进行该步骤，所述催化剂尤其以相对于式(II)化合物的0.05重量%-5重量%，优选地0.1-3重量%的量进行使用。

所述一种或多种碱性催化剂可以选自：

- 碱金属的氢氧化物，如Li、Na、K、Rb或Cs的氢氧化物；

- 碱土金属的氢氧化物，如Mg、Ca、Sr或Ba的氢氧化物；

- Li、Na、K、Rb或Cs的碳酸盐；

- 碱金属或碱土金属的醇化物，如甲醇钠、乙醇钠和叔丁醇钾；和

- 碱性多相催化剂，如碱性树脂、沸石、水滑石和氧化镁。

在其它非碱性催化剂(包括具有较不明显的碱性特征的那些)中，可以提到纯的或例如被负载在氧化铝上的氟化钾和氟化铯。

根据第一个实施方案，使用单独的熔融状态的式(II)化合物。

根据第二个实施方案，使用在溶剂中的溶液形式的式(II)化合物，所述溶剂如叔丁醇(在低温迈克尔加成反应情况下)，芳香族烃(如甲苯)和极性非质子溶剂(如乙腈)。

最后，这种迈克尔加成反应通常在大气压下进行，但是对于在轻微加压(légére pression)下工作是没有缺点的，这是由于丙烯腈的沸点，其为77℃。

该第一步可以更详细地进行如下描述：

异山梨醇或它的异构体异二缩甘露醇或异二缩艾杜糖醇可以以熔融状态单独使用(熔点：60-63℃)(在异山梨醇情况下)或在溶剂中的溶液形式使用，所述溶剂如叔丁醇用于低温(即，在低于原料熔点的温度)，芳香族烃(例如甲苯)，极性非质子溶剂(例如乙腈)。引入碱性催化剂，其通常是碱金属或碱土金属氢氧化物，如上所述的那些，但是还可使用碱金属或碱土金属醇化物以及碱性多相催化剂，碱金属碳酸盐或氟化钾和氟化铯，其实例为上面提到的。在40℃-80℃之间加热该混合物，然后引入丙烯腈。继续该反应直到将醇官能转化为醚。反应产物可以使用粗产物，但是还可以通过高真空蒸馏进行纯化它们。还可以使用酸中和该催化剂。

第二步骤：氢化反应

有利地，在氨存在下，使用0.2-2.5，优选地0.5-1.5的NH₃/CN摩尔比进行氢化反应。

这种氢化反应在以下有利条件下进行：

- 在通常在40℃-180℃，优选地50℃-130℃的温度下；

- 在5×10⁵Pa-1.50×10⁷Pa(5巴-150巴)，优选地2×10⁶Pa-8×10⁶Pa(20巴-80巴)总压力下的加压反应器中；

- 在至少一种氢化催化剂存在下(相对于式(I)化合物(其中R代表CN)，特别地以0.1-20重量%，优选地0.5重量%-10重量%的量)所述一种或多种氢化催化剂有利地选自阮内镍、阮内钴、钯和铑，后两种催化剂可以被负载在炭或氧化铝上。

根据第一个实施方案，在没有溶剂时进行氢化反应。

根据第二个实施方案，氢化反应在溶剂介质中进行，其中所述一种或多种溶剂适合氢化反应并且特别地选自水和直链或支链的C₁-C₅轻质醇。

第二步可以更特别地并且更详细地进行如下描述：

使用压力反应器。可以在没有溶剂或在溶剂介质中进行操作，举例来说，可以使用的溶剂为在上面提到的。将醚二腈和催化剂进料到反应器中。催化剂选自传统的腈氢化催化剂，如上面提到的那些。由于成本的原因，阮内镍和阮内钴是优选的。密封该反应器，然后引入氨。搅拌该反应介质并且使温度在50℃-150℃。然后引入氢。起动并且继续该反应直到将腈官能完全转化为胺官能。审慎选择氨的量以便使仲胺形成减到最少。在反应结束时，过滤该催化剂，其可以再循环使用。在必要时，蒸发出溶剂。二胺通过高真空蒸馏或重结晶它的盐酸盐形式进行纯化或不进行纯化。

还可以根据这种方法的变体进行操作，其在于将溶剂、催化剂、氨、氢装料该反应器中并且连续地引入醚二腈和氢以保持该反应的压力。在这里目的也是消耗仲胺而促进伯胺形成。

本发明还涉及式(I)化合物的用途，其中R代表-CH₂NH₂，该化合物用作表面活化剂中的极性头，或作为用于缩聚合反应的单体(共聚单体)，特别地在聚酰胺的制备中，或作为交联剂，以及涉及式(I)化合物(其中R代表CN)作为在制备式(I)化合物(其中R代表-CH₂NH₂)的合成中间体的用途。

以下实施例举例说明本发明而不限制本发明的范围。在这些实施例中，百分比是按重量计的，除非另有说明。

实施例1:

合成2,5-双-O-(丙腈)-1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇:

在配备有搅拌器、滴液漏斗和冷凝器的500 cm³夹套玻璃反应器中进料100 g(0.68M)异山梨醇和0.5 g(即，5000 ppm)氢氧化钠珠。使反应介质升温到70-75℃直到氢氧化钠已经完全溶解和异山梨醇熔融。然后慢慢加入90.1 g (1.7M)(即，相对于醇官能25%过量)的丙烯腈。在反应结束时，蒸发过量的丙烯腈并且回收粗反应产物。该期望产物的产率为90%。

该产物的分析表征：

2,5-双-O-(丙腈)-1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇:

¹³C NMR在CDCl₃中

δa=18.31ppm

δb=63.45ppm；64.51ppm；70.02ppm和72.48ppm

δc=79.65ppm；79.97ppm；83.69ppm和85.35ppm

δd=117.48ppm和117.55ppm。

实施例2:

合成2,5-双-O-(3-氨基丙基)-1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇:

将200 g先前获得的粗反应产物与10 g湿阮内镍引入到500 cm³高压釜中。密封该高压釜。然后在环境温度下引入15 g氨(即0.55的NH₃/CN摩尔比)。在搅拌下使反应介质升温到130℃。通过引入氢使总压力升到2.5×10⁶ Pa(25 bar)。使压力和温度在整个反应期间维持在上述值。当反应被终止时，通过过滤回收粗反应产物以回收催化剂，该催化剂可以再循环使用。产率为85%。可以通过高真空蒸馏(Eb:165-175℃在133.322 Pa(1 mmHg)下)获得纯二胺。

该产物的分析表征：

2,5-双-O-(3-氨基丙基)-1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇:

通过CPV/SM联用证实质量。

¹³C NMR在CD₃OD中

δa=40.42ppm和40.38ppm

δb=34.29ppm和34.11ppm

δc=69.16ppm；69.97ppm；71.69ppm和74.69ppm

δd=81.94ppm；82.09ppm；86.08ppm和87.85ppm。

实施例3:

合成2,5-双-O-(丙腈)-1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇:

向配备有有效机械搅拌、加热、冷凝器、滴液漏斗和氮气惰性气体系统的预先干燥的500 cm³玻璃反应器中进料46.2 g (316 mmol)异山梨醇与98.2 g叔丁醇和1 g氢氧化锂。使反应介质升温到60℃，然后在1小时30分钟持续时间内倒入50.3 g (949 mmol)丙烯腈。继续该反应8 h的总时间。

催化剂用酸性溶液中和，然后在减压下蒸发残余的叔丁醇和丙烯腈。因此获得80.8 g包含90%二腈(HPLC测量)的粗产物。异山梨醇的转化率为95%和产率为91%。

该产物的分析表征：参看实施例 1。

实施例4:

合成2,5-双-O-(3-氨基丙基)-1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇:

在300cm³高压釜中进料100 g水、12 g湿阮内镍(50%)和2.6 g氨。对于60℃的温度，反应器用氢加压直到6×10⁶ Pa(60 bar)的总压力。连续引入34.5 g前面的粗反应产物在30 g水中的溶液。在3 小时15 分钟期间进行该引入，并将压力和温度维持在上述值。在反应结束时，冷却该介质，过滤催化剂，并蒸发溶剂。这样获得28.5 g包含79%二胺的粗产物。产率为70%的二胺。

该产物的分析表征：参考实施例2。

Claims (5)

1.式(I)化合物：

R-(CH₂)₂-O-A-O-(CH₂)₂-R   (I)

其中

- A代表二价基团，其选自：

和

R代表-CN或-CH₂NH₂，并且

- 当 A代表以下二价基团时：

R不代表-CH₂NH₂。

2.根据权利要求1的化合物，其由下式表示：

。

3.根据权利要求1的化合物，其由下式表示：

。

4.根据权利要求1-3任一项的式(I)化合物的用途，其中R代表-CH₂NH₂，该化合物用作表面活化剂中的极性头，或用作缩聚反应的单体，或用作交联剂。

5.根据权利要求1-3任一项的式(I)化合物的用途，其中R代表-CN，该化合物用作制备式(I)化合物的合成中间体，其中R代表-CH₂NH₂。