CN103998410A - 从9-十八烯二酸制备壬二酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从单不饱和9-十八烯二酸或其对应的烷基酯开始制备壬二酸或壬二酸烷基酯的方法，其特征在于所述方法至少包括以下步骤：在不同于9-十八烯二酸的有机羧酸和适合的催化剂存在时，将单不饱和9-十八烯二酸或其对应的烷基酯与过氧化氢反应，以裂解单不饱和9-十八烯二酸或其对应的烷基酯中的双键。本发明进一步涉及能够根据本发明的方法得到的壬二酸或壬二酸烷基酯，以及所述壬二酸或壬二酸烷基酯或者来源于它们的单体在制备聚合物(尤其是聚酰胺)中的用途。

Description

从9-十八烯二酸制备壬二酸的方法
本发明涉及从单不饱和9-十八烯二酸或其对应的烷基酯开始制备壬二酸(亦称“杜鹃花酸”)或其烷基酯衍生物(壬二酸烷基酯)的方法。本发明还涉及能够通过所述方法得到的化合物及其用途，特别是它们在制备聚合物中的用途。
从9-十八烯酸(油酸)开始制备壬酸和壬二酸的方法从Antonelli等人在J.Org.Chem.1998,63,7190-7206的文章中是已知的。在这篇文章中，描述了在过氧化氢水溶液和作为催化剂的甲基三辛基-四过氧磷钨酸铵(methyltrioctyl-ammonium tetrakis(oxodiperoxotungsto)phosphate)存在时，烯烃被一步氧化裂解为羧酸。其中使用的烯烃之一就是油酸。根据上述方法，从油酸得到壬酸和壬二酸的产率分别为82％和79％。由于氧化裂解的化学计量需要4摩尔当量的过氧化氢，而油酸裂解只产生1摩尔当量的壬二酸，所以以氧化裂解为基础，通过过氧化氢从油酸生产壬二酸在工业上并非很有吸引力。因此在工业上，是通过用臭氧分解油酸、随后用氧气氧化的方法生产壬二酸，如Cornils和Lappe在“Dicarboxylic Acids,Aliphatic；Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry”，Wiley(2010)中所描述的。但是，这种途径仍然存在较高的氧化剂成本和仅仅50％的碳效率的问题。此处和下文中的“碳效率”的意思是在所需产物中发现的碳原子来自起始化合物的百分比。
从使用获得的产物作为起点以进一步合成多种化合物(例如聚合物)这一点看，能够高产率地生产壬二酸而不产生大量的单官能酸(壬酸)是非常有益的。因为对于生产聚合物而言，需要两个官能团来构建聚合物链，单官能化合物不能为此目的被使用。甚至更进一步，在聚合反应中使用的、出现在单体混合物中的单官能化合物应该被去除，因为即使存在少量的单官能化合物也会对聚合物的性能(如得到的聚合物的分子量)造成负面影响。因此需要一种能够以高产率生产壬二酸、同时使副产物(特别是单官能副产物)的量最小化的方法。这可以通过氧化裂解9-十八烯二酸或其对应的烷基酯实现，因为这些起始材料通过烯烃的双键被氧化裂解产生2mol当量的壬二酸或其烷基衍生物。从工业制造的角度来看，如果能够用过氧化氢水溶液作为氧化剂，一步完成9-十八烯二酸或其对应的烷基酯的氧化裂解将是非常有益的。Antonelli的文章没有描述使用9-十八烯二酸作为起始材料。
目前已发现一种能够从9-十八烯二酸或其对应的烷基酯开始，以非常高的产率制备壬二酸或壬二酸烷基酯的方法。烷基酯衍生物表示单烷基酯衍生物和二烷基酯衍生物两者，其是纯净物或者作为混合物。从9-十八烯二酸或其对应的烷基酯开始制备壬二酸或壬二酸烷基酯的方法至少包括以下步骤：
·在不同于9-十八烯二酸的有机羧酸和适合的催化剂存在时，将9-十八烯二酸或其对应的烷基酯与过氧化氢水溶液反应，以裂解9-十八烯二酸或其对应的烷基酯中的双键。
用这个方法能够高产率地获得所需的壬二酸或壬二酸烷基酯。已发现：将在Antonelli的出版物中所述的方法应用于9-十八烯二酸的二甲酯，使用来自甲基三辛基氯化铵、磷酸、钨酸和过氧化氢的原位产生的催化体系代替单独的甲基三辛基-四过氧磷钨酸铵作为催化剂时，并不产生壬二酸。相反，只获得了来源于9-十八烯二酸的二甲酯的环氧化物。
为了检验观察到的9-十八烯二酸的二甲酯意料之外的没有氧化裂解是否是由于使用原位产生的催化剂而不是单独的过氧钨酸盐催化剂引起的，在与尝试裂解9-十八烯二酸的二甲酯完全一样的条件下，使用同样的反应设备，尝试氧化裂解(E)-2-辛烯。观察到(E)-2-辛烯被充分转化，完全形成了乙酸和己酸的混合物，这表明9-十八烯二酸的二甲酯没有氧化裂解是由于底物的属性引起的，而不是由于将单独的过氧钨酸盐催化剂改变为原位产生的催化剂引起的。
仔细研究后发现，在反应混合物中除了底物之外的有机羧酸添加物的存在，对有效的氧化裂解以产生所需的壬二酸或壬二酸烷基酯是必需的。已发现在所述方法中尽可能早的加入有机羧酸是有益的，优选地有机羧酸在反应开始时就存在。有机羧酸可以被单独加入到反应器中，也可以和单不饱和9-十八烯二酸或其衍生的烷基酯组合在一起加入反应器中。
适合的有机羧酸的例子是含有1-12个碳原子的单羧酸或二羧酸。在反应中使用的单羧酸或二羧酸在氧化裂解温度下，应该能够充分溶解在反应介质中。优选地所述羧酸在反应介质中至少溶解80％，更优选地至少90％，最优选地至少95％。适合的例子有甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、苯甲酸、异丁酸、异戊酸。优选地使用乙酸或壬二酸。羧酸相对于底物的量典型地是10-300wt％，优选地是20-200wt％，最优选地是30-100wt％。
制备壬二酸或壬二酸烷基酯的起始材料是(E)-或(Z)-9-十八烯二酸或其对应的烷基酯。由于双键位于第九位碳原子，在转化中碳效率能够达到100％，因为在起始化合物9-十八烯二酸或其对应的烷基酯中出现的所有碳原子都被转变成了壬二酸或壬二酸烷基酯。
起始化合物(Z)-9-十八烯二酸能够通过酶的发酵从油酸得到，如例如Ness等人在WO2011008231中所描述的。当对油酸烷基酯进行上述发酵时，可得到(Z)-9-十八烯二酸单烷基酯，如Dubois在WO2008104722中所描述的。通过用适合的烷醇简单地酯化(Z)-9-十八烯二酸可以方便地得到(Z)-9-十八烯二酸二烷基酯。或者，可以通过置换技术从油酸得到(E)-或(Z)-9-十八烯二酸二烷基酯，如例如Ngo在J.Am.Oil.Chem.Soc.2006,83,629-634或Jiang在J.Am.Chem.Soc.2009,131,16630-16631中所描述的。
根据本发明的方法获得的作为反应产物的壬二酸或壬二酸烷基酯是非常有益的，因为它们各自都能够很容易被转化为一些其它类型的化合物，例如二腈和二胺。
起始化合物(E)-或(Z)-9-十八烯二酸或其对应的烷基酯能够用如下的结构式I来代表：
其中，R1和R2可以被独立地选择，其代表H或者含有1-6个碳原子的烷基。当R1和R2都被选择为H时，根据结构式I的化合物是(E)-或(Z)-9-十八烯二酸。当R1和R2被选择为含有1-6个碳原子的烷基时，所述化合物是9-十八烯二酸的二烷基酯。如前所述，R1和R2可以是相同的烷基或者彼此不相同。当R1被选择为H，但R2被选择为含有1-6个碳原子的烷基时，所述化合物是9-十八烯二酸的单烷基酯。更优选地，R1和R2被独立地选择来代表H或含有1-2个碳原子的烷基，例如甲基或乙基。
优选的起始化合物是9-十八烯二酸或其对应的烷基酯。当用优选的化合物9-十八烯二酸开始时，根据本发明的方法导致优选的壬二酸的制备。当用优选的9-十八烯二酸的二烷基酯开始时，根据本发明的方法导致壬二酸单烷基酯的制备，通常伴有壬二酸，其是通过在原位水解起始化合物或壬二酸单烷基酯产物的酯基形成的。当用9-十八烯二酸的单烷基酯开始时，根据本发明的方法导致壬二酸单烷基酯的制备，同时伴有壬二酸。在氧化裂解9-十八烯二酸的二烷基酯的过程中形成的壬二酸的量取决于水解烷基酯基团的容易程度。尤其当酯基是优选的甲基是，主要的产物可能是壬二酸，而不是壬二酸甲基酯。当烷基酯基团在原位完全水解时，壬二酸也可能是实质上唯一的反应产物。起始化合物或壬二酸单烷基酯产物中的酯基由于原位水解可能释放出来烷醇，由于这些烷醇对壬二酸单烷基酯的原位酯化而可能产生微量的壬二酸二烷基酯。壬二酸或壬二酸烷基酯是优选的，因为它们很容易被转化为一些其它类型的化合物，例如二腈和二胺。
将二羧酸转化为二腈是本领域的技术人员所公知的。通常，在较高温度和存在适合催化剂的条件下，通过用氨处理，壬二酸能够被转化为壬二腈，如例如Miwa等人在GB-797945中所描述的。
在催化剂存在的条件下，通过用氢气处理，在之前的反应中形成的壬二腈能够很容易被转化为1,9-壬二胺。二腈的氢化是本领域的技术人员所公知的。例如可以参考Inaba等人的JP-37000958。
因为可以从可再生资源中得到油酸，所以从油酸衍生物生产化工产品(例如单体)比从石油化工原料生产化工产品更加环保。这也适用于上述生产1,9-壬二胺的方法，1,9-壬二胺是重要的单体，其目前是从石油化工的丁二烯而不是可再生的油酸开始制造，如Matsumoto等人在EP-64285以及Parshall和Ittel在“Homogeneous Catalysis”，2nd Edition,Wiley(1992)中所描述的。
如上所述，根据本发明的方法获得的壬二酸或壬二酸烷基酯是非常通用的化合物，其能够很容易地被转化成另外一种所需的化合物。因此，本发明还涉及通过本发明的方法可得到的壬二酸或壬二酸烷基酯。
从9-十八烯二酸或其烷基酯衍生物开始制备壬二酸或壬二酸烷基酯的方法是在催化剂存在的条件下进行的。在过氧化氢水溶液存在时，能够氧化裂解烯烃的催化剂是本领域的技术人员所公知的。可以在前面提到的Antonelli的文章、Ruesch gen.Klaas等人在Fat Sci.Technol.1995,97,359-367的文章或者Kon等人在US-20100210873中找到例子。优选地，催化剂是以钨为基础，例如H2WO4、Na2WO4或多钨酸盐类。更优选地，所述催化剂由H2WO4或Na2WO4组成。在一个具体的优选的实施方案中，将H2WO4或Na2WO4与磷酸盐助催化剂(例如以磷酸的形式)联合使用。在最优选的实施方案中，将H2WO4或Na2WO4与磷酸盐助催化剂(例如以磷酸的形式)和鎓类相转移催化剂(例如甲基三辛基氯化铵或1-十六烷基氯化吡啶)联合使用。与Antonelli等人描述的方法(基于使用单独的、工业上不可行的四过氧磷钨酸鎓盐作为催化剂)相比，使用上述最优选的实施方案是特别有益的。金属催化剂的量取决于使用的催化剂的类型。本领域的技术人员能够很容易地、无需过度负担即可决定金属催化剂的量。基于“每个金属原子”，催化剂相对于底物的量典型地是0.1-20mol％，优选地是0.2-10mol％，最优选地是0.5-5mol％。
通过过氧化氢的作用，9-十八烯二酸或其对应的烷基酯被裂解为壬二酸或壬二酸烷基酯。过氧化氢以水溶液的形式被使用，典型地是3-90wt％，优选地是20-85wt％，最优选地是30-70wt％。过氧化氢相对于底物的量典型地是4-20摩尔当量，优选地是4.2-15摩尔当量，最优选地是4.4-12摩尔当量。当需要时，可以回收包含未转化的过氧化氢的水层以实现底物额外的氧化裂解。
所述反应是在高温下进行的，典型地是在50-125℃，优选地是在70-100℃，最优选地是在80-90℃。所述反应可以在少量有机溶剂(如芳香族溶剂或脂肪族溶剂)存在时进行，但优选地是不使用有机溶剂。在反应中，有效的混合是必要的。
根据本发明的方法可获得的壬二酸或壬二酸烷基酯或者来源于它们中的任何一个的单体能够被用来制备聚合物。来源于壬二酸或壬二酸烷基酯的单体的例子如上所述，例如对应的二腈或对应的二胺。
能够用这些化合物作为单体生产的聚合物的例子是聚酯、聚氨酯或聚酰胺酯。当根据本发明的方法获得的壬二酸或壬二酸烷基酯被转化为二腈或二胺时，以这些类型的单体为基础的聚合物的例子是聚氨酯或聚酰胺。因此，本发明还涉及根据本发明的方法可得到的壬二酸或壬二酸烷基酯或者来源于壬二酸或壬二酸烷基酯的单体在制备聚合物(优选的是聚酰胺)中的用途。
本发明将在下述实施例中被进一步说明，但不局限于此。
实施例
实施例1：
加入壬二酸时，(E)-9-十八烯二酸二甲基酯的氧化裂解
在60℃下，将钨酸(0.0188g)溶解在磷酸水溶液(1.50mL原液，每升原液含有1.4443g85％的H3PO4)和70％的过氧化氢水溶液(1.60mL)的混合物中。向试管中加入甲基三辛基氯化铵(0.0081g)、(E)-9-十八烯二酸二甲基酯(0.4261g)和壬二酸(0.4709g)。将配置有搅拌棒和刺破的隔膜的试管放在85℃油浴锅中并搅拌。这导致浑浊液体的形成。向该试管中加入1.10mL溶于过氧化氢溶液中的钨酸(冷却至室温)。在85℃下，以最大速度搅拌所述混合物过夜。向反应混合物中加入CDCl3(10mL)，然后用质子NMR分析CDCl3层。这表明基本上定量地形成了壬二酸甲基酯和壬二酸的混合物。通过Na2SO4干燥、蒸发对CDCl3溶液后处理得到白色粉末(0.98g)，其中根据在CD3OD中的质子NMR和碳NMR，所述白色粉末由壬二酸甲基酯和壬二酸的混合物以及极其微量的杂质组成。
对比实施例A：
不加入壬二酸时，(E)-9-十八烯二酸二甲基酯的氧化裂解
在60℃下，将钨酸(0.0063g)溶解在磷酸水溶液(0.50mL原液，每升原液含有1.4443g85％的H3PO4)和70％的过氧化氢水溶液(0.52mL)的混合物中。向试管中加入甲基三辛基氯化铵(0.0078g)和(E)-9-十八烯二酸二甲基酯(0.8616g)。将配置有搅拌棒和刺破的隔膜的试管放在85℃油浴锅中并搅拌。这导致透明液体的形成。向该试管中加入溶于过氧化氢溶液中的钨酸(冷却至室温)。在85℃下，以最大速度搅拌所述混合物过夜。向反应混合物中加入CDCl3(10mL)，然后用质子NMR分析CDCl3层。这表明基本上定量地形成了来自于(E)-9-十八烯二酸二甲基酯的环氧化物，即8,8'-(环氧乙烷-2,3-二基)二辛酸二甲基酯。
实施例2：
加入乙酸时，(E)-9-十八烯二酸二甲基酯的氧化裂解
在60℃下，将钨酸(0.0188g)溶解在磷酸水溶液(1.50mL原液，每升原液含有1.4443g85％的H3PO4)和70％的过氧化氢水溶液(1.60mL)的混合物中。向试管中加入甲基三辛基氯化铵(0.0081g)、(E)-9-十八烯二酸二甲基酯(0.4271g)和乙酸(0.3015g)。将配置有搅拌棒和刺破的隔膜的试管放在85℃油浴锅中并搅拌。这导致液体的形成。向该试管中加入1.10mL溶于过氧化氢溶液中的钨酸(冷却至室温)。在85℃下，以最大速度搅拌所述混合物过夜。向反应混合物中加入CD3OD(5mL)，然后用质子NMR分析溶液。这表明高产率地形成了壬二酸甲基酯和壬二酸的混合物。通过加入CH2Cl2(100mL)、用Na2SO4干燥、蒸发对CDCl3溶液后处理得到白色粉末(0.50g)，其中根据在DMSO-d6中的质子NMR和碳NMR，所述白色粉末由壬二酸甲基酯和壬二酸的混合物以及微量的杂质组成。
实施例:3：
加入壬二酸时，(E)-9-十八烯二酸的氧化裂解
在60℃下，将钨酸(0.0188g)溶解在磷酸水溶液(1.50mL原液，每升原液含有1.4443g85％的H3PO4)和70％的过氧化氢水溶液(1.60mL)的混合物中。向试管中加入甲基三辛基氯化铵(0.0078g)、(E)-9-十八烯二酸(0.3909g)和壬二酸(0.4736g)。将配置有搅拌棒和刺破的隔膜的试管放在85℃油浴锅中并搅拌。这导致浑浊液体的形成。向该试管中加入1.10mL溶于过氧化氢溶液中的钨酸(冷却至室温)。在85℃下，以最大速度搅拌所述混合物过夜。向反应混合物中加入CDCl3(10mL)，然后用质子NMR分析CDCl3层。这表明高产率地形成了壬二酸甲基酯和壬二酸的混合物。
对比实施例B：
不加入壬二酸时，(E)-9-十八烯二酸的氧化裂解
在60℃下，将钨酸(0.0063g)溶解在磷酸水溶液(0.50mL原液，每升原液含有1.4443g85％的H3PO4)和70％的过氧化氢水溶液(1.04mL)的混合物中。向试管中加入甲基三辛基氯化铵(0.0079g)和(E)-9-十八烯二酸(0.7817g)。将配置有搅拌棒和刺破的隔膜的试管放在85℃油浴锅中。向该试管中加入溶于过氧化氢溶液中的钨酸(冷却至室温)。这导致难以搅拌的浓浆的形成。加热所述混合物至95℃，在该温度下可以有效地搅拌。在95℃下，以最大速度搅拌所述混合物过夜。向反应混合物中加入CDCl3(15mL)，然后用质子NMR分析CDCl3层。这表明不完全的转化，部分形成了壬二酸甲基酯和壬二酸的混合物，并伴有大量的杂质。通过用Na2SO4干燥、蒸发对CDCl3溶液后处理得到黄色油状物，其中根据在CDCl3中的质子NMR，所述黄色油状物由壬二酸甲基酯和壬二酸的混合物以及大量的杂质组成。

Claims (8)

1.从单不饱和9-十八烯二酸或其对应的烷基酯开始制备壬二酸或壬二酸烷基酯的方法，其特征在于所述方法至少包括以下步骤：
·在不同于9-十八烯二酸的有机羧酸和适合的催化剂存在时，将9-十八烯二酸或其对应的烷基酯与过氧化氢水溶液反应，以裂解9-十八烯二酸或其对应的烷基酯中的双键。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于壬二酸烷基酯中的烷基是独立地被选择的，并且每一个烷基都能包含1-6个碳原子。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其特征在于所述催化剂是基于钨的催化剂。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于所述不同于9-十八烯二酸的有机羧酸是含有1-12个碳原子的单羧酸或二羧酸，优选地是乙酸或壬二酸。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于所述不同于9-十八烯二酸的有机羧酸能够充分溶解在反应介质中。
6.能够根据权利要求1-5中任意一项所述的方法得到的壬二酸或壬二酸烷基酯。
7.根据权利要求6的壬二酸或壬二酸烷基酯或者来自于它们之中任何一个的单体，在制备聚合物中的用途。
8.根据权利要求7的用途，用来制备聚酰胺。
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