CN104447210B - 一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，包括以下步骤：催化剂的制备、包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的制备。所述催化剂的制备步骤包括：金属盐的溶解、多孔载体材料的浸渍、烘干、与BH4 ‑离子的水溶液接触还原和调pH步骤；所述包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的制备步骤包括：催化剂的加入、氢气置换氮气、泵入原料和分离。采用该方法制备的混合物中，杂质烃含量0.2%～0.8%，L,D‑薄荷醇的含量为65.5%～68.5%。

Description

一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法
技术领域
本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法。
背景技术
D, L-薄荷醇（消旋薄荷醇）是一种重要的萜烯类手性香料，L-薄荷醇是薄荷油的主要成分，由于其具有冷却和清凉作用，被广泛用于香料、调味剂和制药工业中。D, L-薄荷醇及立体异构体：D, L-新薄荷醇，D, L-异薄荷醇及D, L-新异薄荷醇，气味稍逊于 L-薄荷醇，它们的合成一直以来受到广泛关注。将这4对薄荷醇立体异构体的混合物分离，可获得外消旋形式的D, L-薄荷醇，将其拆分后可获得光学纯的L-薄荷醇。
薄荷醇的8种异构体的结如下：
专利号为DE2314813A1的专利描述了使用Co/Mn催化剂固定床，在170～220℃温度和2.5MPa以上，优选超过20MPa的压力下对至少含有一个双键的薄荷烷碳骨架并且在3位上有氧取代的化合物进行氢化的方法。该专利的实施例在180～210℃和20MPa以上的压力下进行，并且生成了8种薄荷醇立体异构体的混合物，该混合物由56.5～59%的L,D-薄荷醇的外消旋体和10.6～10.8%的L,D-异薄荷醇的外消旋体组成。
专利号为US5756864的专利中描述了在200～350℃温度和10～30MPa氢气压力下进行薄荷醇立体异构体重排，用催化剂将薄荷醇连续的外消旋化和异构化，其中催化剂由不含载体的Ni、Mn和碱土金属氢氧化物或氧化物粉末组成，获得了含有最多59.6%的L,D-薄荷醇的薄荷醇混合物。
专利号为EP563611的专利描述了在固定床上将薄荷醇的异构体重排为D,L-薄荷醇，催化剂以钯、钌、铑等元素作为活性组分，负载于掺有稀土金属和锰的载体上，并以碱金属氢氧化物或硫酸盐作为助催化剂。
专利号为W02012/010695A1的专利描述了负载型Ru/γ-Al2O3催化剂及含碱金属的稀土催化转化薄荷醇重排异构化，在90～120℃，1～1.2MPa的低温低压条件下反应获得了68%L,D-薄荷醇。
专利号为CN103143363A的专利描述了一种薄荷醇异构化催化剂和连续获得L,D-薄荷醇的方法，该专利使用Ni-Cu/γ-Al2O3二元金属催化剂进行薄荷醇异构体及其混合物的异构化反应，在温度80～120℃，氢气压力2～3MPa的条件下获得了59.7～83.0%的L,D-薄荷醇。
专利号为US2843636的专利描述了一种在260～280℃，氢气压力3.4～9.0MPa下，铜、铬催化剂作用下将薄荷醇立体异构体异构化成L,D-薄荷醇的方法。该专利实例中获得60～64%的L,D-薄荷醇和10～12%的 L,D-异薄荷醇，同时大约产生了5%左右的脱氧产物烃。
综上可以看出，现有的制备消旋薄荷醇的技术方法存在如下缺陷：1、反应过程，伴随着产生较多的副产物；2、反应须在高温高压下进行，对设备要求高，操作条件苛刻；3、使用贵金属或稀有金属做催化剂，且催化剂制备程序复杂，使用寿命短，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，实现以下发明目的：
反应在固定床进行，连续反应，操作简便；反应选择性高，很少量的副产物发生；催化剂的活性组分为镍，价格低廉；催化剂使用寿命长，生产成本低；
反应温度低，压力低，对设备要求不高。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，包括以下步骤：催化剂的制备、包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的制备。
以下是对上述技术方案的进一步改进：
所述催化剂的制备步骤包括：金属盐的溶解、多孔载体材料的浸渍、烘干、与BH4 -离子的水溶液接触还原和调pH步骤。
所述包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的制备步骤包括：催化剂的加入、氢气置换氮气、泵入原料和分离。
所述金属盐的溶解步骤：将可溶性镍盐和金属M盐加入到容器中，加入蒸馏水溶解。
所述可溶性镍盐是醋酸镍、氯化镍、硝酸镍或硫酸镍的任一种；所述金属M盐是ZnCl2、Sc(NO3)3、LaCl3、YCl3、Ce(NO3)3的任一种。
所述多孔载体材料的浸渍步骤：所述多孔载体材料为多孔无机氧化物、活性炭、沸石、分子筛中的一种或几种。
所述多孔载体材料的浸渍步骤：是将可溶性镍盐和金属M盐溶解后浸渍多孔载体材料2h～10h。
所述与BH4 -离子的水溶液接触还原步骤，BH4 -离子是硼氢化钠或硼氢化钾。
所述烘干步骤中：烘干温度为120-150℃；所述调pH步骤，调节到pH=7。
采用该催化剂制备步骤，制备的催化剂由镍、硼、金属添加剂和载体材料组成，镍、硼、金属添加剂和载体材料的质量比为：0.01～0.3：0.01～0.3：0～0.1：1。
所述催化剂的加入步骤中，催化剂装填到不锈钢固定床反应器中，缓慢通入氮气，升温到150℃，氮气吹扫0.5h。
所述氢气置换氮气步骤：氢气流速20ml/min。
所述泵入原料步骤，维持系统压力2.0～3.0MPa，向反应系统加入原料，流量为0.5-25ml/min，反应器温度维持在100℃-200℃。
所述加入的原料为D-薄荷醇、L,D-薄荷醇、L-薄荷醇或薄荷醇的立体异构体混合物。
采用该方法制备的混合物中， L,D-薄荷醇的含量为65.5%～68.5%，杂质烃含量0.2%～0.8%。
有益效果：
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、反应在固定床进行，连续反应，操作简便。
2、反应选择性高，很少量的副产物发生，杂质烃含量＜1.0%。
3、催化剂的活性组分为镍，价格低廉，是贵金属价格的几千分之一。
4、催化剂使用寿命长，连续操作120h后，催化剂仍保持较高活性，生产成本低。
5、反应温度低，压力低，对设备要求不高。
具体实施方式
实施例1
一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，包括以下步骤：
催化剂的制备：
a、金属盐的溶解：
将1.2g NiCl2和1.0g ZnCl2加入到的1L四口烧瓶中，加入200g蒸馏水溶解。
b、多孔载体材料的浸渍：
加入50g比表面积为200m2/g的市售SiO2(粒径20～40目)，80℃下搅拌浸渍2h。
c、烘干：
转移到烘箱中150℃烘干。
d、与BH4 -离子的水溶液接触还原：
后在氮气保护和0℃冰水浴搅拌下缓慢滴加1.0mol/L的KBH4溶液50ml，反应立即进行并放出氢气。
e、调pH：
反应结束后催化剂用蒸馏水洗涤至pH=7，再用无水乙醇洗涤3次，得到Ni-Zn-B/SiO2非晶态合金催化剂。
经电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）检测催化剂中Ni、Zn和B的质量百分含量为Ni：1%；Zn：0.9%；B：0.8%。
包含消旋薄荷醇的立体异构体的混合物制备：
a、催化剂的加入
反应在北京昆仑科技有限公司生产的高压轻油加氢微型反应装置中进行，取Ni-Zn-B/SiO2非晶态合金催化剂50ml装填到不锈钢固定床反应器中，缓慢通入氮气，开启预热器及反应器加热，升温到150℃，氮气吹扫0.5h。
b、氢气置换氮气
关闭氮气阀，开氢气阀，缓慢通入氢气置换氮气，氢气流速20ml/min。
c、加入原料
调节背压阀，维持系统压力3.0MPa，开柱塞泵，向反应系统泵入99.2%的D-薄荷醇，流量为0.5ml/min，反应器温度维持在150℃。
d、分离
离开反应器的反应产物在冷井中冷却，并在气液分离器中与氢气分离，制得包含消旋薄荷醇的立体异构体的混合物。
连续操作120h后，催化剂仍保持较高活性。
气相色谱仪检测混合物中各种构体的质量百分比含量：
L,D-新薄荷醇28.5%～29.0%；
L,D-薄荷醇65.5%～67.5%；
L,D-异薄荷醇3.5～5.5%；
L,D-新异薄荷醇0.9～1.1%；
杂质烃0.2%～0.8%。
实施例2
将20g比表面积为500m2/g的市售活性炭(粒径20～40目)加入到1L四口烧瓶中，加入200g蒸馏水，加入19g Ni(NO3)2和3.0g LaCl3，90℃下搅拌溶解浸渍5h，转移到烘箱中120℃烘干，后在氮气保护和0℃冰水浴搅拌下缓慢滴加2.0mol/L的KBH4溶液100ml, 反应立即进行并放出氢气，反应结束后催化剂用蒸馏水洗涤至PH=7，再用无水乙醇洗涤3次。得到Ni-La-B/C非晶态合金催化剂，经电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）检测催化剂中Ni、La和B的质量百分含量Ni：19%；La：6.5%；B：8%。
反应在北京昆仑科技有限公司生产的高压轻油加氢微型反应装置中进行，取Ni-La-B/C非晶态合金催化剂50ml装填到不锈钢固定床反应器中，缓慢通入氮气，开启预热器及反应器加热，升温到150℃，氮气吹扫0.5h，关闭氮气阀，开氢气阀，缓慢通入氢气置换氮气，氢气流速20ml/min，调节背压阀，维持系统压力2.0MPa，开柱塞泵，向反应系统泵入99% L,D--薄荷醇，流量为25ml/min，反应器温度维持在200℃，离开反应器的反应产物在冷井中冷却，并在气液分离器中与氢气分离，制得包含消旋薄荷醇的立体异构体的混合物。
连续操作100h后，催化剂仍保持较高活性。
气相色谱仪检测混合物中各种构体的质量百分比含量：
L,D-新薄荷醇27.5%～29.0%；
L,D-薄荷醇65.5%～66.5%；
L,D-异薄荷醇5.2～5.5%；
L,D-新异薄荷醇0.9～1.1%；
杂质烃0.4%～0.8%。
实施例3
将20g比表面积为655m2/g的市售活性炭(粒径20～40目)加入到1L四口烧瓶中，加入300g蒸馏水，加入12g Ni(NO3)2和2.0g Sc(NO3)3，80℃下搅拌溶解浸渍5h，转移到烘箱中120℃烘干，后在氮气保护和20℃恒温浴搅拌下缓慢滴加4.0mol/L的NaBH4溶液50ml，反应立即进行并放出氢气，反应结束后催化剂用蒸馏水洗涤至PH=7，再用无水乙醇洗涤3次。得到Ni-Sc-B/C非晶态合金催化剂，经电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）检测催化剂中Ni、Sc和B的质量百分含量Ni：12%；Sc：1.9%；B：6%。
反应在北京昆仑科技有限公司生产的高压轻油加氢微型反应装置中进行，取Ni-Sc-B/C非晶态合金催化剂50ml装填到不锈钢固定床反应器中，缓慢通入氮气，开启预热器及反应器加热，升温到150℃，氮气吹扫0.5h，关闭氮气阀，开氢气阀，缓慢通入氢气置换氮气，氢气流速20ml/min，调节背压阀，维持系统压力3.0MPa，开柱塞泵，向反应系统泵入99% L-薄荷醇，流量为2.5ml/min，反应器温度维持在200℃，离开反应器的反应产物在冷井中冷却，并在气液分离器中与氢气分离，制得包含消旋薄荷醇的立体异构体的混合物。
连续操作120h后，催化剂仍保持较高活性。
气相色谱仪检测混合物中各种构体的质量百分比含量：
L,D-新薄荷醇27.1%～27.8%；
L,D-薄荷醇67.5%～68.5%；
L,D-异薄荷醇3.0～3.5%；
L,D-新异薄荷醇0.9～1.0%；
杂质烃0.4%～0.8%。
实施例4
将23g比表面积为255m2/g的市售γ-Al2O3(粒径20～40目)加入到1L四口烧瓶中，加入500g蒸馏水，加入30g Ni(AC)2和4.5g YCl3，80℃下搅拌溶解浸渍5h，转移到烘箱中120℃烘干，后在氮气保护和20℃恒温浴搅拌下缓慢滴加4.0mol/L的NaBH4溶液100ml，反应立即进行并放出氢气，反应结束后催化剂用蒸馏水洗涤至PH=7，再用无水乙醇洗涤3次。得到Ni-Y-B/γ-Al2O3非晶态合金催化剂，经电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）检测催化剂中Ni、Y和B的质量含量Ni:29%；Y:9%；B：15%。
反应在北京昆仑科技有限公司生产的高压轻油加氢微型反应装置中进行，取Ni-Y-B/γ-Al2O3非晶态合金催化剂50ml装填到不锈钢固定床反应器中，缓慢通入氮气，开启预热器及反应器加热，升温到150℃，氮气吹扫0.5h，关闭氮气阀，开氢气阀，缓慢通入氢气置换氮气，氢气流速20ml/min，调节背压阀，维持系统压力3.0MPa，开柱塞泵，向反应系统泵入薄荷醇混合物(组成为：85.2%L,D-新薄荷醇、7.5%L,D-薄荷醇、3.6%的L,D-异薄荷醇、3.5%的 L,D-新异薄荷醇)，进料流量为15ml/min，反应器温度维持在100℃，离开反应器的反应产物在冷井中冷却，并在气液分离器中与氢气分离，制得包含消旋薄荷醇的立体异构体的混合物。
连续操作120h后，催化剂仍保持较高活性。
气相色谱仪检测混合物中各种构体的质量百分比含量：
L,D-新薄荷醇27.7%～28.2%；
L,D-薄荷醇66.2%～67.3%；
L,D-异薄荷醇4.2～4.5%；
L,D-新异薄荷醇0.9～1.1%；
杂质烃0.8%～1.0%。
实施例5
将80g比表面积为255m2/g的市售γ-Al2O3(粒径20～40目)加入到带1L四口烧瓶中，加入200g蒸馏水，加入25g Ni(AC)2和5.0g Ce(NO3)3，80℃下搅拌溶解浸渍10h，转移到烘箱中120℃烘干，后在氮气保护和20℃恒温浴搅拌下缓慢滴加4.0mol/L的NaBH4溶液120ml， 反应立即进行并放出氢气，反应结束后催化剂用蒸馏水洗涤至PH=7，再用无水乙醇洗涤3次。得到Ni-Ce-B/γ-Al2O3非晶态合金催化剂，经电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）检测催化剂中Ni、Ce和B的质量含量Ni:6%；Ce:2%；B：18%。
反应在北京昆仑科技有限公司生产的高压轻油加氢微型反应装置中进行，取Ni-Ce-B/γ-Al2O3非晶态合金催化剂50ml装填到不锈钢固定床反应器中，缓慢通入氮气，开启预热器及反应器加热，升温到150℃，氮气吹扫0.5h，关闭氮气阀，开氢气阀，缓慢通入氢气置换氮气，氢气流速20ml/min，调节背压阀，维持系统压力1.5MPa，开柱塞泵，向反应系统泵入薄荷醇混合物(组成为：37.5%L,D-薄荷醇、62.1%的L,D-异薄荷醇)，进料流量为5ml/min，反应器温度维持在220℃，离开反应器的反应产物在冷井中冷却，并在气液分离器中与氢气分离，制得包含消旋薄荷醇的立体异构体的混合物。
连续操作120h后，催化剂仍保持较高活性。
气相色谱仪检测混合物中各种构体的质量百分比含量：
L,D-新薄荷醇27.0%～27.4%；
L,D-薄荷醇68.0%～68.5%；
L,D-异薄荷醇3.2～3.5%；
L,D-新异薄荷醇0.9～1.1%；
杂质烃0.2%～0.4%。
实施例6
将50g比表面积为500m2/g的市售无定形SiO2（粒径20～40目)加入到1L四口烧瓶中，加入200g蒸馏水，加入15g NiCl2，不添加其他金属盐，80℃下搅拌溶解浸渍5h，转移到烘箱中120℃烘干，后在氮气保护和20℃恒温浴搅拌下缓慢滴加4.0mol/L的NaBH4溶液60ml，反应立即进行并放出氢气，反应结束后催化剂用蒸馏水洗涤至PH=7，再用无水乙醇洗涤3次。得到Ni-B/SiO2非晶态合金催化剂，经电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）检测催化剂中Ni和B的质量百分含量Ni:13%； B:19%。
反应在北京昆仑科技有限公司生产的高压轻油加氢微型反应装置中进行，取Ni-B/SiO2非晶态合金催化剂50ml装填到不锈钢固定床反应器中，缓慢通入氮气，开启预热器及反应器加热，升温到150℃，氮气吹扫0.5h，关闭氮气阀，开氢气阀，缓慢通入氢气置换氮气，氢气流速20ml/min，调节背压阀，维持系统压力3.0MPa，开柱塞泵，向反应系统泵入99%D-薄荷醇，进料流量为1ml/min，反应器温度维持在120℃，离开反应器的反应产物在冷井中冷却，并在气液分离器中与氢气分离，制得包含消旋薄荷醇的立体异构体的混合物。
连续操作80h后，催化剂仍保持较高活性。
气相色谱仪检测混合物中各种构体的质量百分比含量：
L,D-新薄荷醇27.5%～27.8%；
L,D-薄荷醇65.5%～66.0%；
L,D-异薄荷醇5.0～5.3%；
L,D-新异薄荷醇0.9～1.1%；
杂质烃0.2%～0.5%。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：包括以下步骤：催化剂的制备、包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的制备；
所述催化剂的制备步骤包括：金属盐的溶解、多孔载体材料的浸渍、烘干、与含BH4 -离子的水溶液接触还原和调pH步骤；
所述金属盐包括可溶性镍盐、金属M盐；所述可溶性镍盐是醋酸镍、氯化镍、硝酸镍或硫酸镍的任一种；所述金属M盐是ZnCl2、Sc(NO3)3、LaCl3、YCl3、Ce(NO3)3的任一种；
所述催化剂的制备步骤，制备的催化剂由镍、硼、金属M和载体材料组成，镍、硼、金属M和载体材料的质量比为：0.01～0.3：0.01～0.3：0～0.1：1；
所述包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的制备步骤包括：催化剂的加入、氢气置换氮气、泵入原料和分离；
所述泵入原料步骤，维持系统压力2.0～3.0MPa，向反应系统加入原料，流量为0.5-25ml/min，反应器温度维持在100℃-200℃。
2.如权利要求1所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：所述金属盐的溶解步骤：将可溶性镍盐和金属M盐加入到容器中，加入蒸馏水溶解。
3.如权利要求1所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：所述多孔载体材料的浸渍步骤：所述多孔载体材料为多孔无机氧化物、活性炭、沸石、分子筛中的一种或几种。
4.如权利要求3所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：是将可溶性镍盐和金属M盐溶解后浸渍多孔载体材料2h～10h。
5.如权利要求1所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：所述与含BH4 -离子的水溶液接触还原步骤，含BH4 -离子的物质是硼氢化钠或硼氢化钾。
6.如权利要求1所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：所述烘干步骤中：烘干温度为120-150℃；所述调pH步骤，调节到pH=7。
7.如权利要求1所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：所述催化剂的加入步骤中，催化剂装填到不锈钢固定床反应器中，缓慢通入氮气，升温到150℃，氮气吹扫0.5h。
8.如权利要求1所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：所述氢气置换氮气步骤：氢气流速20ml/min。
9.如权利要求1所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：所述加入的原料为D-薄荷醇、L,D-薄荷醇、L-薄荷醇或薄荷醇的立体异构体混合物。
10.如权利要求1所述的一种连续制备包含消旋薄荷醇的立体异构体混合物的方法，其特征在于：采用该方法制备的混合物中，L,D-薄荷醇的含量为65.5%～68.5%，杂质烃含量0.2%～0.8%。
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