CN104119212A - 一种催化氧化3,3-二甲基-1-丁醇制备3,3-二甲基-1-丁醛的方法 - Google Patents

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Abstract

一种催化氧化3,3-二甲基-1-丁醇制备3,3-二甲基-1-丁醛的方法,该方法以分子氧为氧化剂,以氮杂金刚烷型氮氧自由基(或其衍生物),硝酸(或亚硝酸酯)为催化剂,在30-120°C条件下将3,3-二甲基-1-丁醇高选择性氧化成3,3-二甲基-1-丁醛。该方法具有氧化效率高,反应条件温和,产品不含金属,环境污染小等特点,具有重要的应用价值。

Description

一种催化氧化3,3-二甲基-1-丁醇制备3,3-二甲基-1-丁醛的方法
技术领域
本发明涉及到一种通过催化氧化3,3-二甲基-1-丁醇制备3,3-二甲基-1-丁醛的方法。具体的说是一种使用氮杂金刚烷型氮氧自由基或其衍生物,硝酸或亚硝酸酯组成的催化剂体系,以分子氧为氧源,在温和条件下氧化3,3-二甲基-1-丁醇得到3,3-二甲基-1-丁醛。
背景技术
纽甜(Neotame)是一种新型强力甜味剂,具有甜度高、热量低、稳定性高等优点,其发展前景十分广阔。其中3,3-二甲基-1-丁醛是合成纽甜的重要中间体,其生产工艺和成本对纽甜的生产和应用影响重大。
3,3-二甲基-1-丁醇相对廉价易得,通过选择氧化可以制备3,3-二甲基-1-丁醛,但是3,3-二甲基-1-丁醛是一种活泼脂肪醛,极易发生氧化,其制备难度很大,同时作为用于医药食品生产的原料,应尽量避免有毒重金属离子的使用和有毒副产物的生成。专利CN1238320C报道了在300°C氮气中用氧化铜来使3,3-二甲基丁醇脱氢得到3,3-二甲基-1-丁醛。这种方法产物分离非常简单,但是高温条件下也易造成酸的生成。在液相温和条件下氧化3,3-二甲基-1-丁醇,3,3-二甲基-1-丁醛选择性通常较高,发展潜力较大,这种制备方法已有大量研究报道。例如CN1238320C使用2,2,6,6-四甲基哌啶-氧自由基和氧化剂(如次氯酸钠等)在溶剂中将3,3-二甲基-1-丁醇氧化成3,3-二甲基-1-丁醛,这种方法虽然反应条件温和、产物选择性高,但是无机氧化剂次氯酸钠的大量使用会产生大量废渣,且容易产生含氯副产物。
因此发展以氧气为最终氧源,不使用重金属、同时能够在温和条件下实现氧化3,3-二甲基-1-丁醇的催化体系,具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温、高效氧化3,3-二甲基-1-丁醇制备3,3-二甲基-1-丁醛的方法,这种方法以分子氧为最终氧源、3,3-二甲基-1-丁醛选择性高、产物中不含有重金属,反应条件温和,整个过程中产生的废渣少。
为实现上述目的,本发明使用氮杂金刚烷型氮氧自由基或其衍生物,硝酸或亚硝酸酯两种组分组成的催化剂体系,具体组成如下:
催化剂体系中的氮杂金刚烷型氮氧自由基(或其衍生物)。为下列结构中的一种或者多种;用量为3,3-二甲基-1-丁醇的0.05-10mol%。氮杂金刚烷型氮氧自由基用量增大时,完全转化时间缩短,但是成本相对增高。
催化剂体系中硝酸质量浓度为20-65wt%,硝酸用量为3,3-二甲基-1-丁醇量的0.1-20wt%;催化剂体系中的亚硝酸酯为亚硝酸甲酯、亚硝酸乙酯、亚硝酸戊酯、亚硝酸异戊酯、亚硝酸异丁酯、亚硝酸叔丁酯、亚硝酸异丙酯中的一种或者多种,用量为3,3-二甲基-1-丁醇量的0.1-20mol%。同样硝酸(或亚硝酸酯)用量增大时,完全转化时间缩短,但是成本相对增高。
溶剂选用低沸点、且不与醛发生反应的溶剂,优选二氯甲烷、乙酸乙酯、1,4-二氧六环、1,2-二氯乙烷、乙腈、环己烷、乙酸中的一种或多种,其用量为3,3-二甲基-1-丁醇10-200wt%。
氧化反应所用氧源为氧气或者含氧气的气体(如空气),氧气分压为0.05-1.0MPa,较佳氧气分压为0.1-1.0MPa。压力增大有利于反应速率的提高,但是易造成过度氧化,对设备和生产安全的要求也大幅提高。
反应温度为30-120°C,反应时间为1-20小时。反应温度低时,氧化效率会相对降低,但是3,3-二甲基-1-丁醛选择性高;反应温度较高时,虽然氧化速度加快,但是也易造成过度氧化。
该方法具有氧化效率高,反应条件温和,产品不含金属,环境污染小等特点,具有重要的应用价值。
本发明具有如下特点:
所用催化体系能够高效催化氧化3,3-二甲基-1-丁醇制备3,3-二甲基-1-丁醛,3,3-二甲基-1-丁醛选择性高(85%以上);氧气或空气为氧化剂,绿色经济;反应条件温和,氧化过程对设备要求低;整个氧化过程不使用重金属,避免了金属离子对产品的污染。
附图说明
图1:原料色谱图;
图2:氧化反应液色谱图。
具体实施方式
实施例1
将0.50g3,3-二甲基-1-丁醇,2mol%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)氮杂金刚烷型氮氧自由基(I),2mol%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)亚硝酸叔丁酯,5mL1,2-二氯乙烷加入到反应釜中,充入氧气压力为0.3MPa,在80°C运行5h后冷却到室温。取样使用气相色谱分析,转化率大于99%,3,3-二甲基-1-丁醛选择性为86%,主要副产物是3,3-二甲基丁酸。原料和氧化反应液色谱图见附图1和附图2。
实施例2
将10g3,3-二甲基-1-丁醇,2mol%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)氮杂金刚烷型氮氧自由基(I),2mol%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)亚硝酸异戊酯,100mL乙酸加入到反应釜中,充入氧气压力为0.3MPa,在80°C运行7h后冷却到室温。取样使用气相色谱分析,转化率大于99%,3,3-二甲基-1-丁醛选择性为85%。
实施例3
将10g3,3-二甲基-1-丁醇,5mol%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)氮杂金刚烷型氮氧自由基(II),10mol%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)亚硝酸异丙酯,100mL二氯甲烷加入到反应釜中,充入氧气压力为0.5MPa,在60°C运行2h后冷却到室温。取样使用气相色谱分析,3,3-二甲基-1-丁醇转化率大于99%,3,3-二甲基-1-丁醛选择性为95%。
实施例4
将5g3,3-二甲基-1-丁醇,0.1mol%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)氮杂金刚烷型氮氧自由基(I),5wt%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)硝酸,50mL乙腈加入到反应釜中,充入氧气压力为0.1MPa,在室温运行15h后冷却到室温。取样使用气相色谱分析,3,3-二甲基-1-丁醇转化率91%,3,3-二甲基-1-丁醛选择性为89%。
实施例5
将5g3,3-二甲基-1-丁醇,0.05mol%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)氮杂金刚烷型氮氧自由基(III),1wt%(相对于底物3,3-二甲基-1-丁醇)硝酸,10mL乙酸乙酯加入到反应釜中,充入空气压力为0.2MPa,在室温运行20h后冷却到室温。取样使用气相色谱分析,3,3-二甲基-1-丁醇转化率85%,3,3-二甲基-1-丁醛选择性为94%。
对于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,可轻易想到变化或替换,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 (6)

1.一种催化氧化3,3-二甲基-1-丁醇制备3,3-二甲基-1-丁醛的方法,其特征在于:以分子氧为氧化剂,使用双组份催化剂体系,第一催化组份为氮杂金刚烷型氮氧自由基或其衍生物中的一种或二种以上,第二催化组份为硝酸或亚硝酸酯中的一种或二种以上,将3,3-二甲基-1-丁醇氧化为3,3-二甲基-1-丁醛。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述催化剂体系中的氮杂金刚烷型氮氧自由基及其衍生物为下列结构中的一种或者二种以上;用量为3,3-二甲基-1-丁醇的0.05-10mol%;
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述催化剂体系中的硝酸质量浓度为20-65wt%,硝酸用量为3,3-二甲基-1-丁醇量的0.1-20wt%;
所述催化剂体系中的亚硝酸酯为亚硝酸甲酯、亚硝酸乙酯、亚硝酸戊酯、亚硝酸异戊酯、亚硝酸异丁酯、亚硝酸叔丁酯、亚硝酸异丙酯中的一种或者二种以上,用量为3,3-二甲基-1-丁醇量的0.1-20mol%。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所用分子氧氧化剂为空气或者氧气,其中氧气分压0.1-1.0MPa;反应温度为30-120°C,反应时间为1-20小时。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:反应体系所用溶剂为二氯甲烷、乙酸乙酯、1,4-二氧六环、1,2-二氯乙烷、乙腈、环己烷、乙酸中的一种或二种以上。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:反应体系中溶剂的用量为3,3-二甲基-1-丁醇量的10-200wt%。
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