CN104262157B - 3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法,包括如下步骤:1)、将3-亚甲基-2-降莰烷酮溶于无水甲醇中,冰浴条件下依次滴加质量浓度为95%的浓硫酸和质量浓度为30%的双氧水;之后于特定温度下反应7~24h;2)、在步骤1)的所得物中加入亚硫酸氢钠,室温下真空旋蒸至恒重;然后依次用有机溶剂萃取、饱和碳酸氢钠溶液洗涤和无水硫酸镁干燥,最后于25℃下真空旋蒸至恒重,获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯;该3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯由顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯、反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法。
背景技术
3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯,其分子式为C9H14O3,分子量为170.21,沸点为234.6±33.0℃,CAS登录号为214531-77-8,其结构式如式1所示。它是合成二环[3.2.1]辛烷-2,4-二酮的重要中间体,而双环[3.2.1]辛烷-2,4-二酮是合成新型除草剂3-[2-氯-4-(甲基磺酰基)苯甲酰基]双环[3.2.1]辛烷-2,4-二酮的原料。3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯具有顺反异构,顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯CAS登录号为134923-68-5,其结构式如式2所示。反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯CAS登录号为134923-72-1,其结构式如式3所示。
3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯合成的相关研究较少,见Sato,Masayuki等人(Heterocycles.1990,30(1))和Komatsuhara,Kenichi(JP10265441A;JP2005154329A;JP10265415A)等人报道。
Sato,Masayuki等人给出的合成3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯的工艺路线有两种,见式4和式5所示。这两条合成路线,收率都很低,而且合成所用的原料7a-甲基四氢-4H-螺[4a,7-甲醇环戊二烯并[d][1,3]二氧杂环己烯-2,1'-环己烷]-4-酮和3-(丁-3-烯-1-基)-4-甲基-1,5-二氧杂螺[5.5]十一烷-3-烯-2-酮不易合成。
Komatsuhara,Kenichi等人给出的合成3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯的工艺路线见式6。此工艺路线用相对较廉价、容易合成的3-亚甲基-2-降莰烷酮、硫酸、30%的双氧水溶液和甲醇为原料,首先将双氧水滴加到硫酸中制备过氧硫酸,再将溶于甲醇中的3-亚甲基-2-降莰烷酮滴加到过氧硫酸中进行反应。反应完成后加入水,并用二氯甲烷萃取,收率为88%。该方法中,无水甲醇:浓硫酸:双氧水:3-亚甲基-2-降莰烷酮最佳物料比为10:1:1.2:1,反应温度为室温,反应时间为2h。所得产物中顺反异构体含量基本各为50%。该方法中的后处理方式为加入大量水后,然后用二氯甲烷萃取;这会导致大量废水的产生,不符合经济环保的工艺化要求。
目前为止,报道的合成3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯的工艺路线,都不能控制3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯的顺、反异构体,由于顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯比反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯更加容易进行缩合反应生成二环[3.2.1]辛烷-2,4-二酮,所以其顺、反异构体的控制具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法,采用本发明的方法能有效提高产物中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯的含量。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法,包括如下步骤:
1)、将式Ⅰ所述的3-亚甲基-2-降莰烷酮溶于无水甲醇中,冰浴条件下依次滴加质量浓度为95%的浓硫酸和质量浓度为30%的双氧水;之后于特定温度下反应7~24h;
所述无水甲醇:浓硫酸:双氧水:3-亚甲基-2-降莰烷酮的摩尔量之比(物料比)为10:0.5:1.1~1.5:1;
备注说明:浓硫酸的滴加时间约为15~25min;双氧水的滴加时间约为50~70min;
2)、在步骤1)的所得物中加入亚硫酸氢钠,室温下真空(真空度为0.1MPa)旋蒸至恒重;所述亚硫酸氢钠的摩尔用量为双氧水摩尔用量与3-亚甲基-2-降莰烷酮摩尔用量的差值(即为双氧水的摩尔用量减去3-亚甲基-2-降莰烷酮的摩尔用量);
然后依次用有机溶剂萃取、饱和碳酸氢钠溶液洗涤和无水硫酸镁干燥,最后于25℃下真空(真空度为0.1MPa)旋蒸至恒重,获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯;所述的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯由如式II所述的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺异构体以及由式Ⅲ所述的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯反异构体组成;
当步骤1)所述的特定温度为-10℃~30℃时,所述3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺异构体(顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯)的摩尔含量≥50%;
当步骤1)所述的特定温度为30℃~65℃时,所述3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯反异构体(反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯)的摩尔含量≥50%;
作为本发明的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法的改进:步骤2)中用于萃取的有机溶剂为二氯甲烷、二氯乙烷、乙酸乙酯或甲苯。
作为本发明的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法的进一步改进:所述无水甲醇:浓硫酸:双氧水:3-亚甲基-2-降莰烷酮的物料比(摩尔量之比)为10:0.5:1.2:1。
在本发明中:
较佳反应温度为0℃~25℃(所对应的反应时间为13h~8h),所得的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量≥69.6%;
更佳反应温度为0℃(对应的反应时间为13h),此温度下,所得的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为91%。
备注说明:
1、当双氧水的理论摩尔用量与3-亚甲基-2-降莰烷酮相同时,反应时间较长,而且最终会有少量原料不能完全转化。当按照本发明设定双氧水用量为1.1~1.5倍摩尔量时,反应结束后用淀粉碘化钾试纸检测,反应液还会有氧化性,加入亚硫酸氢钠是为了除去氧化性。亚硫酸氢钠的摩尔用量为双氧水的摩尔用量减去3-亚甲基-2-降莰烷酮的摩尔用量,一是为了彻底除掉反应液中的氧化性,避免后处理升温过程中有副反应发生,二是加入一定量的亚硫酸氢钠后可以降低甲醇在反应液中的溶解度,使后处理时甲醇更加容易旋蒸出去。
2、在最终所得的产物-----3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中,将顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯和反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯进行分离属于现有技术,例如可按照已经公开发表于《WO2012/154519A1》中的柱层析法进行操作。
本发明的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法,具有如下技术优势:
1、能有效控制3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺异构体(顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯)的含量。
2、本发明有效降低了硫酸的用量(仅为Komatsuhara,Kenichi所述方法的一半量),因此,具有降低成本的技术优势。
3、本发明通过先加入少量亚硫酸氢钠后,再真空旋蒸回收甲醇,最后直接用二氯甲烷等有机溶剂直接萃取;该后处理方式不仅回收了大量甲醇,而且也避免了现有文献中萃取过程需加入大量水而产生大量废水的不足之处,因此本发明更加经济环保。
4、操作简便,产物收率高。
具体实施方式
实施例1、3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法,依次进行以下步骤:
1)、称取15.9g纯度为99%的3-亚甲基-2-降莰烷酮(分子量123,约0.128mol)加入250mL的三口烧瓶中,加入41g无水甲醇(1.28mol);冰浴条件下,缓慢滴加6.6g质量浓度为95%的浓硫酸(0.064mol),20min后滴加完成。
继续于冰浴条件下缓慢滴加17.4g质量浓度为30%的双氧水溶液(0.154mol),60min后滴加完成。冰浴条件下反应(即,反应温度为0℃),气相色谱仪监测反应,13h后反应完成。
2)、加入2.7g亚硫酸氢钠(0.026mol)用于除掉过量的双氧水和降低甲醇在反应液中的溶解度,室温下真空旋蒸(真空度为0.1MPa)至恒重。
用二氯甲烷萃取50ml×4次,饱和碳酸氢钠溶液洗涤100ml×1次,无水硫酸镁约4g干燥20min,25℃下真空旋蒸(真空度为0.1MPa)至恒重,获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯20.6g,纯度为95.0%,收率为89.9%。
其中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为91%,反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯的摩尔含量为9%。
实施例2、3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法:
改变实施例1中步骤2)的反应温度,在15℃下反应,气相色谱仪监测反应,10h后反应完成。
其余等同于实施例1。
后处理后获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯20.8g,纯度为93.5%,收率为89.4%。其中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为80.5%,反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为19.5%。
实施例3、3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法:
改变实施例1中步骤2)的反应温度,在25℃下反应,气相色谱仪监测反应,8h后反应完成。
其余等同于实施例1。
后处理后获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯21.0g,纯度为92.1%,收率为88.9%。其中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为69.6%,反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为30.4%。
实施例4、3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法:
改变实施例1中步骤2)的反应温度,在30℃下反应,气相色谱仪监测反应,7h后反应完成。
其余等同于实施例1。
后处理后获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯21.0g,纯度为91.6%,收率为88.4%。其中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为50%,反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为50%。
实施例5、3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法:
改变实例1中步骤2)的反应温度,在35℃下反应,气相色谱仪监测反应,6h后反应完成。
其余等同于实施例1。
后处理后获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯21.2g,纯度为90.5%,收率为88.2%。其中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为45.3%,反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为54.7%。
实施例6、3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法:
改变实例1中步骤2)的反应温度,在45℃下反应,气相色谱仪监测反应,3h后反应完成。
其余等同于实施例1。
后处理后获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯21.5g,纯度为89.1%,收率为88.0%。其中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为32.9%,反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为67.1%。
对比例Ⅰ系列(对比例Ⅰ-1~对比例Ⅰ-6)、
实施例1~实施例6的步骤1)中的3-亚甲基-2-降莰烷酮的用量保持不变,将“加入41g无水甲醇,冰浴条件下,缓慢滴加6.6g质量浓度为95%的浓硫酸;20min后滴加完成。继续于冰浴条件下缓慢滴加17.4g质量浓度为30%的双氧水溶液,60min后滴加完成。然后于各个实施例所设定的温度下进行反应,直至气相色谱仪监测反应完成。”改成以下内容:
首先将17.4g质量浓度为30%的双氧水溶液滴加到6.6g质量浓度为95%的浓硫酸中(滴加为:控制温度为15℃以下,滴加时间为20min);得含有过氧硫酸的溶液;然后将溶于41g无水甲醇的3-亚甲基-2-降莰烷酮滴加到上述含有过氧硫酸的溶液中进行反应。
步骤2)同本发明的实施例1。最终所得的结果如下表1所示:
表1
对比例Ⅱ系列(对比例Ⅱ-1~对比例Ⅱ-6)
步骤1)同本发明的实施例1。将实施例1~实施例6的步骤2)改成:加入100g水,用二氯甲烷萃取50ml×4次,饱和碳酸氢钠溶液洗涤100ml×1次,无水硫酸镁约4g干燥20min,25℃下真空旋蒸(真空度为0.1MPa)至恒重。最终所得的结果如下表2所示:
表2
对比例Ⅲ系列:(对比例Ⅲ-1~对比例Ⅲ-6)
将实施例1~实施例6的步骤1)中的“缓慢滴加6.6g质量浓度为95%的浓硫酸(0.064mol),20min后滴加完成”改成:缓慢滴加13.2g质量浓度为95%的浓硫酸(0.128mol),40min后滴加完成。其余等同于本发明的实施例1。最终所得的结果如下表3所示:
表3
对比例Ⅳ、更改实施例1中的“浓硫酸”和“双氧水”的滴加顺序,即改成“冰浴条件下,缓慢滴加17.4g质量浓度为30%的双氧水溶液(0.154mol),60min后滴加完成。继续于冰浴条件下,缓慢滴加6.6g质量浓度为95%的浓硫酸(0.064mol),20min后滴加完成。”
其余同本发明的实施例1。最终所得的结果为:
所得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯纯度为86.7%,收率为78.5%。
其中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中顺-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯摩尔含量为81%,反-3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯的摩尔含量为19%。
最后,还需要注意的是,以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然,本发明不限于以上实施例,还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法,其特征是包括如下步骤:
1)、将式Ⅰ所述的3-亚甲基-2-降莰烷酮溶于无水甲醇中,冰浴条件下依次滴加质量浓度为95%的浓硫酸和质量浓度为30%的双氧水;之后于特定温度下反应7~24h;
所述无水甲醇:浓硫酸:双氧水:3-亚甲基-2-降莰烷酮的摩尔量之比为10:0.5:1.1~1.5:1;
2)、在步骤1)的所得物中加入亚硫酸氢钠,室温下真空旋蒸至恒重;所述亚硫酸氢钠的摩尔用量为双氧水摩尔用量与3-亚甲基-2-降莰烷酮摩尔用量的差值;
然后依次用有机溶剂萃取、饱和碳酸氢钠溶液洗涤和无水硫酸镁干燥,最后于25℃下真空旋蒸至恒重,获得3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯;所述的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯由如式II所述的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺异构体以及由式Ⅲ所述的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯反异构体组成;
所述的特定温度为-10℃~65℃;
当步骤1)所述的特定温度为-10℃~30℃时,所述3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺异构体的摩尔含量≥50%;
当步骤1)所述的特定温度为30℃~65℃时,所述3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯中的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯反异构体的摩尔含量≥50%;
2.根据权利要求1所述的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法,其特征是:所述步骤2)中用于萃取的有机溶剂为二氯甲烷、二氯乙烷、乙酸乙酯或甲苯。
3.根据权利要求1或2所述的3-乙酰基环戊烷羧酸甲酯顺、反异构体的控制方法,其特征是:
所述无水甲醇:浓硫酸:双氧水:3-亚甲基-2-降莰烷酮的物料比为10:0.5:1.2:1。
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