CN104529950A - β-内酯的制造方法 - Google Patents

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奥兰·斯坦利·弗鲁彻
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Abstract

本发明涉及β-内酯的制造方法。本申请案提供一种用于制备β-内酯产物的方法。所述方法包括以下步骤：使环氧化物、溶剂与羰基化催化剂和一氧化碳反应以产生包含β-内酯的反应流，随后使所述反应流中所述β-内酯的一部分与所述溶剂和羰基化催化剂分离，以产生：i)含有所述β-内酯的β-内酯流，和ii)包括所述羰基化催化剂和所述高沸点溶剂的催化剂再循环流；以及将所述催化剂再循环流添加到进料流中。

Description

β-内酯的制造方法
本申请是申请日为2010年4月7日，申请号为201080020317.1，发明名称为“β-内酯的制造方法”的申请的分案申请。
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2009年4月8日申请的美国临时专利申请案第61/167,711号、2009年12月15日申请的美国临时专利申请案第61/286,382号和2010年3月3日申请的美国临时专利申请案第61/310,257号的优先权，各案的内容都以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及β-内酯的制造方法。
背景技术
β-内酯为可用于合成包括丙烯酸和丙烯酸酯在内的其它化合物的中间物。丙烯酸在很多化学工业中被用作前体。丙烯酸通常是由丙烯作为原料制造，而丙烯本身是乙烯和汽油生产的副产物。经济和环境情况使得人们关注由多种原料生产丙烯酸和其它丙烯酸酯的其它方法。其它原料可包括环氧化物。
发明内容
在各种方面中，本发明提供一种方法，其包括以下步骤：使包括环氧化物、溶剂以及羰基化催化剂和一氧化碳的进料流内含物反应，以产生包括β-内酯的反应产物流，使反应产物流中β-内酯的一部分与溶剂和羰基化催化剂分离，以产生：i)含有β-内酯的β-内酯流，和ii)包括羰基化催化剂的催化剂再循环流；以及将催化剂再循环流添加到进料流中。
在一些实施例中，所述方法进一步包括在一定条件下处理β-内酯流，以将β-内酯转化成选自由以下组成的群组的化合物：丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸2-乙基己酯。
在一些实施例中，在相同压力下，溶剂的沸点高于β-内酯的沸点。在一些实施例中，在相同压力下，溶剂的沸点低于β-内酯的沸点。
在一些实施例中，β-内酯流包括溶剂和/或羰基化催化剂的一部分。在一些实施例中，β-内酯流包括环氧化物的一部分。在一些实施例中，再循环流包含β-内酯。在一些实施例中，反应产物流包含环氧化物的一部分。
在一些实施例中，反应产物流包含足够环氧化物以防止形成酸酐。在一些实施例中，反应产物流包含至少约10％环氧化物、至少约5％环氧化物、至少约3％环氧化物或至少约0.1％环氧化物。
在一些实施例中，反应产物流包含小于约5％酸酐或小于约1％酸酐。在一些实施例中，反应产物流基本上不含酸酐。
在一些实施例中，所述方法进一步包括在添加步骤前，通过进行至少一个选自由以下组成的群组的步骤处理催化剂再循环流：添加新鲜羰基化催化剂；除去用过的羰基化催化剂；添加溶剂；添加环氧化物；添加一部分β-内酯流；以及这些步骤中两个或两个以上的任何组合。
在一些实施例中，分离步骤包含从反应产物流中挥发一部分β-内酯。在一些实施例中，分离步骤包括将反应产物流暴露于较低压力。在一些实施例中，所述较低压力是介于约5托(Torr)与约500托之间。在一些实施例中，所述较低压力是介于约10托与约100托之间。在一些实施例中，所述较低压力足以将β-内酯的沸点降低到其在大气压力下的沸点以下约20℃到约100℃。
在一些实施例中，分离步骤包含将反应产物流暴露于较高温度。在一些实施例中，所述较高温度高于β-内酯的沸点，但低于溶剂的沸点。
在一些实施例中，分离步骤包含将反应产物流暴露于较低压力和较高温度。
在一些实施例中，所述方法进一步包括浓缩来自分离步骤的挥发的β-内酯的步骤。
在一些实施例中，所述方法进一步包括将β-内酯流的一部分添加到进料流中。在一些实施例中，将β-内酯添加到进料中，直到反应产物流中β-内酯的重量百分比在约10％到约90％的范围内，接着将一部分β-内酯流作为产物取出，以将反应产物流中β-内酯的重量百分比保持在约10％到约90％的范围内。在一些实施例中，将β-内酯流添加到进料中，直到反应产物流中β-内酯的重量百分比在约30％到约65％的范围内，接着将一部分β-内酯流作为产物取出，以将反应产物流中β-内酯的重量百分比保持在约30％到约65％的范围内。在一些实施例中，将β-内酯流添加到进料中，直到反应产物流中β-内酯的重量百分比在约43％到约53％的范围内，接着将一部分β-内酯流作为产物取出，以将反应产物流中β-内酯的重量百分比保持在约43％到约53％的范围内。
在一些实施例中，所述方法进一步包括在一定条件下进一步处理β-内酯流以转化β-内酯的步骤之前，将第二溶剂添加到β-内酯中。
在一些实施例中，在一定条件下进一步处理β-内酯流以转化β-内酯的步骤是在气相中进行。
在一些实施例中，溶剂的沸点比β-内酯的沸点高至少20℃。在一些实施例中，溶剂的沸点比β-内酯的沸点高介于约20℃与约80℃之间的温度。在一些实施例中，溶剂的沸点比β-内酯的沸点高约30℃到约60℃。
在一些实施例中，环氧化物具有下式：
其中R1和R2各独立地选自由以下组成的群组：-H；任选取代的C1-6脂肪族基；苯基；任选取代的C1-6杂脂肪族基；任选取代的3元到6元碳环；和任选取代的3元到6元杂环，且其中R1和R2可任选与插入原子连在一起形成任选含有一个或一个以上杂原子的任选取代的环。
在一些实施例中，环氧化物选自由以下组成的群组：环氧乙烷；环氧丙烷；1，2-环氧丁烷；2，3-环氧丁烷；表氯醇；环氧环己烷；环氧环戊烷；3，3，3-三氟-1，2-环氧丙烷、环氧苯乙烷；缩水甘油醚；和缩水甘油酯。在一些实施例中，环氧化物是环氧乙烷。在一些实施例中，环氧化物是环氧丙烷。
在一些实施例中，在一定条件下进一步处理β-内酯流以转化β-内酯的步骤是在选自由醇、胺和硫醇组成的群组的化合物存在下，在分别产生相应丙烯酸酯、丙烯酰胺或硫代丙烯酸酯的条件下进行。
在一些实施例中，在一定条件下进一步处理β-内酯流以转化β-内酯的步骤是在式H-Y化合物存在下进行，由此得到具有下式的丙烯酸酯：
其中R1和R2各独立地选自由以下组成的群组：-H、任选取代的C1-6脂肪族基、任选取代的C1-6杂脂肪族基、任选取代的3元到12元碳环和任选取代的3元到12元杂环，或者R1和R2可任选与插入原子连在一起形成任选含有一个或一个以上杂原子的任选取代的环。在一些实施例中，Y选自由OR13、NR11R12和SR13组成的群组。在一些实施例中，R11、R12和R13独立地选自由以下组成的群组：-H、任选取代的C1-32脂肪族基、任选取代的C1-32杂脂肪族基、任选取代的3元到14元碳环和任选取代的3元到14元杂环，或者R11和R12可任选与插入原子连在一起形成任选含有一个或一个以上杂原子的任选取代的环。
在一些实施例中，进料流包含环氧乙烷和在大气压力下沸点为至少172℃的高沸点溶剂；且反应产物流含有丙内酯。
在一些实施例中，进料流包含环氧丙烷和在大气压力下沸点为至少180℃的高沸点溶剂；且反应产物流含有丙内酯。
在一些实施例中，其中溶剂选自由以下组成的群组：环丁砜；N-甲基吡咯烷酮；1，3-二甲基-2-咪唑烷酮二甘醇二甲醚；三甘醇二甲醚；四甘醇二甲醚；碳酸乙二酯；碳酸丙二酯；二元酯；THF、经C1-32脂肪族基改性的THF；以及这些溶剂中任何两种或两种以上的混合物。在一些实施例中，溶剂是THF。在一些实施例中，溶剂是环丁砜。在一些实施例中，溶剂是二元酯。在一些实施例中，溶剂是环丁砜与THF的混合物。在一些实施例中，溶剂是环丁砜与经C1-32脂肪族基改性的THF的混合物。在一些实施例中，溶剂进一步包含异山梨醇二甲醚。
在一些实施例中，改性THF具有以下形式：
其中R是脂肪族基、芳香族基、醚基或酯基，其中任一者都含有超过4个碳原子。
在一些实施例中，羰基化催化剂包含金属羰基化合物。
在一些实施例中，金属羰基化合物具有通式[QMy(CO)w]x，其中：Q是任何配体且未必存在；M是金属原子；y是包括1到包括6的整数；w是例如将提供稳定金属羰基的数字；且x是包括-3到包括+3的整数。
在一些实施例中，M选自由Ti、Cr、Mn、Fe、Ru、Co、Rh、Ni、Pd、Cu、Zn、Al、Ga和In组成的群组。在一些实施例中，其中M是Co。在一些实施例中，M是Co，y是1，且w是4。
在一些实施例中，羰基化催化剂进一步包含路易斯酸(Lewis acidic)助催化剂。
在一些实施例中，金属羰基化合物是阴离子性的，而路易斯酸助催化剂是阳离子性的。在一些实施例中，金属羰基络合物包含羰基钴酸盐，且路易斯酸助催化剂包含以金属为中心的阳离子性路易斯酸。
在一些实施例中，以金属为中心的阳离子性路易斯酸是式[M′(L)b]c+的金属络合物，其中M′是金属；各L是配体；b是包括1到包括6的整数；c是1、2或3；且其中如果存在一个以上L，各L可相同或不同。
在一些实施例中，选自由以下组成的群组：过渡金属、第13或14族金属和镧系元素。在一些实施例中，M′是过渡金属或第13族金属。在一些实施例中，M′选自由铝、铬、铟和镓组成的群组。在一些实施例中，M′是铝。在一些实施例中，M′是铬。
在一些实施例中，路易斯酸包括双阴离子四齿配体。在一些实施例中，双阴离子四齿配体选自由以下组成的群组：卟啉衍生物；萨仑(salen)衍生物；二苯并四甲基四氮杂[14]轮烯(“TMTAA”)衍生物；酞菁衍生物；和特罗斯特(Trost)配体衍生物。
在一些实施例中，处理步骤是由催化剂介导。在一些实施例中，处理步骤中的催化剂是酸催化剂。在一些实施例中，处理步骤中的催化剂是碱性催化剂。
在一些实施例中，反应步骤是在绝热反应器中进行。在一些实施例中，所述绝热反应器是管式反应器。在一些实施例中，所述绝热反应器是管壳式反应器(shell and tubereactor)。
在一些实施例中，反应步骤是在约50psi到约5000psi的压力下进行。在一些实施例中，反应步骤是在约50psi到约1500psi的压力下进行。在一些实施例中，反应步骤是在约200psi到约800psi的压力下进行。在一些实施例中，反应步骤是在约400psi压力下进行。
在一些实施例中，反应步骤是在约0℃到约125℃温度下进行。
在一些实施例中，反应步骤是在约30℃到约100℃温度下进行。在一些实施例中，反应步骤是在约40℃到约80℃温度下进行。
在一些实施例中，反应步骤中供应的一氧化碳是包含一氧化碳和一种或一种以上其它气体的工业气流。在一些实施例中，工业气流包含合成气。在一些实施例中，反应步骤中的一氧化碳是以实质上纯的形式供应。
在一些实施例中，β-内酯流包含残余未反应的环氧化物、一氧化碳或溶剂。在一些实施例中，所述环氧化物、一氧化碳或溶剂返回到进料流中。在一些实施例中，β-内酯流的一部分返回到进料中。
在各种方面中，本发明提供一种方法，其包括以下步骤：使包含环氧化物、溶剂、羰基化催化剂和一氧化碳的进料流内含物反应，以产生包含β-内酯的反应产物流；使反应产物流中β-内酯的至少一部分与溶剂和羰基化催化剂分离，以产生：i)包含β-内酯的β-内酯流，和ii)包含羰基化催化剂的催化剂再循环流；以及将催化剂再循环流添加到进料流中。
在一些实施例中，分离步骤包括以下步骤：第一分离步骤，用以将反应产物流分成i)包含一氧化碳和环氧化物的气流，和ii)包含β-内酯和羰基化催化剂的液流；以及第二分离步骤，用以将液流中的至少一部分β-内酯与溶剂和羰基化催化剂分离以产生：i)包含β-内酯的β-内酯流，和ii)包含羰基化催化剂的催化剂再循环流。
在一些实施例中，第一分离步骤包括以下步骤：将反应产物流分成i)包含一氧化碳和一部分环氧化物的气流，和ii)包含剩余环氧化物、β-内酯和羰基化催化剂的液流；以及将液流分成i)包含剩余环氧化物的环氧化物流，和ii)包含β-内酯和羰基化催化剂的非挥发性物流。
在一些实施例中，催化剂再循环流进一步包括至少一部分溶剂，其中溶剂的沸点高于β-内酯的沸点。在一些实施例中，所述方法包括使气流返回到进料流的步骤。在一些实施例中，所述方法包括使β-内酯流返回到进料流的步骤。在一些实施例中，所述方法包括使催化剂再循环流返回到进料流的步骤。
在一些实施例中，气流进一步包括溶剂的一部分，其中溶剂的沸点低于β-内酯的沸点。在一些实施例中，气流返回到进料流中。在一些实施例中，所述方法包括使气流和环氧化物流中至少一者返回到进料流的步骤。在一些实施例中，所述方法包括使液流返回到进料流的步骤。在一些实施例中，所述方法包括使非挥发性物流返回到进料流的步骤。在一些实施例中，环氧化物流进一步包含溶剂的一部分，其中溶剂的沸点低于β-内酯的沸点。在一些实施例中，气流返回到进料流中。
在一些实施例中，进料流进一步包含路易斯碱(Lewis base)添加剂。在一些实施例中，路易斯碱添加剂选自改性THF；2，6-二甲基吡啶；咪唑；1-甲基咪唑4-二甲基氨基吡啶；三己基胺和三苯基膦。
在各种方面中，本发明包括一种方法，其包括以下步骤：使包含环氧化物、溶剂以及羰基化催化剂和一氧化碳的进料流内含物反应以产生包含β-内酯的反应产物流；使整个反应产物流返回到进料流中，直到反应产物流中β-内酯的重量百分比在预定范围内；随后使反应产物流中至少一部分β-内酯与溶剂和羰基化催化剂分离，以产生：i)包含β-内酯的β-内酯流，和ii)包含羰基化催化剂和溶剂的催化剂再循环流；以及将催化剂再循环流添加到进料流中。
在一些实施例中，使反应产物流返回到进料中，直到反应产物流中β-内酯的重量百分比在约10％到约90％范围内，随后将β-内酯流的一部分作为产物取出，以将反应产物流中β-内酯的重量百分比保持在约10％到约90％的范围内、约30％到约65％的范围内或约43％到约53％的范围内。
附图说明
图1绘示示范性反应系统的工艺流程图。
图2绘示示范性反应和工艺步骤的流程图。
图3是在环丁砜中进行羰基化反应期间所监测到的丙内酯(1823cm-1)、环氧乙烷(867cm-1)和乙醛(1724cm-1)的吸光度的图，其中环氧乙烷的起始浓度为1.0M。
图4是在环丁砜中进行羰基化反应期间所监测到的丙内酯(1823cm-1)、环氧乙烷(867cm-1)和乙醛(1724cm-1)的吸光度的图，其中环氧乙烷的起始浓度为1.8M。
图5是在二元酯中进行羰基化反应期间所监测到的丙内酯(1823cm-1)、环氧乙烷(867cm-1)和乙醛(1724cm-1)的吸光度的图。
图6是在环丁砜中进行羰基化反应期间所监测到的丙内酯(1823cm-1)、环氧乙烷(867cm-1)和SA(1791cm-1)的吸光度的图，其中在反应期间另外添加丙内酯和环氧乙烷。
图7是绘示对于各种浓度的丙内酯再循环在环氧乙烷羰基化的前5分钟期间形成丙内酯的图。
图8是在13.8％丙内酯下通过注入第二催化剂执行的反应中丙内酯浓度的图。
图9是在200psi和90℃下在1，4二噁烷中进行的一系列羰基化反应中环氧丙烷、丙内酯和丙酮的浓度的图。
图10是在200psi和30℃下在1，4二噁烷中进行的一系列羰基化反应中环氧丙烷、丙内酯和丙酮的浓度的图。
图11是环氧丙烷(“PO”)在DBE-3中进行羰基化期间PO、b-丁内酯和甲基琥珀酸酐的浓度的图。反应条件：帕尔反应器(Parr reactor)，[PO]＝1.8M，[PO]∶[催化剂]＝500，60℃(最高77℃)，400psi CO。
图12是环氧丙烷(“PO”)在DBE-3中进行羰基化期间PO、β-丁内酯和甲基琥珀酸酐的浓度的图。反应条件：帕尔反应器，[PO]＝1.8M，[PO]∶[催化剂]＝500，60℃，400psi CO。在100分钟时注入第二批PO。
图13是PO在THF中进行一系列羰基化反应时β-丁内酯的浓度的图。反应条件：帕尔反应器，[PO]＝1.8M，55℃，以及不同的催化剂与氧化物比率。
图14是环氧丙烷(“PO”)在THF中进行羰基化期间PO和β-丁内酯(“BBL”)的浓度的图。反应条件：帕尔反应器，[PO]＝1.8M，[PO]∶[催化剂]＝1500，55℃，200psiCO。在3小时和20小时时再注入PO。
图15是在利用不同β-内酯再循环量进行一系列羰基化反应期间环氧丙烷(“PO”)、β-丁内酯的浓度的图。反应条件：帕尔反应器，[PO]＝1.8M，[PO]∶[催化剂]＝250，60℃，400psi，环丁砜。在第一次循环后，在全真空下，于90℃下蒸馏出反应混合物中的产物。
图16绘示[(Cl-TPP)Al][Co(CO)4]的1H NMR谱图(400MHz，DMSO-d6)。
图17绘示(Cl-TPP)AlCl、NaCo(CO)4和[(Cl-TPP)Al][Co(CO)4]的红外光谱。
图18是环氧丙烷在DBE-3中进行羰基化时反应溶液的红外光谱的图([Co]＝15mM，[PO]＝2.86M，[PO]∶[Co]＝200，30℃，400psi CO)。
图19是在各种反应时间内环氧乙烷在环丁砜中进行羰基化时反应溶液的红外光谱的图([Co]＝3.6mM，[EO]＝1.8M，[EO]∶[Co]＝500，80℃，400psi CO)。
图20绘示环氧乙烷在环丁砜中进行的反应中通过原位IR监测的反应进展期间的红外吸光度([Co]＝3.6mM，[EO]＝1.8M，[EO]∶[Co]＝500，65℃)。
图21绘示环氧乙烷在THF和环丁砜中进行的反应中通过原位IR监测的初始速率([Co]＝3.6mM，[EO]＝1.8M，600psi CO)。
具体实施方式
本发明涵盖由环氧化物原料连续生产β-内酯的方法。在各种方面中，本发明涵盖使环氧化物化合物(例如环氧乙烷)羰基化1以在反应产物流200中得到β-内酯(例如β-丙内酯)的方法。再使β-内酯与反应产物流中的其它组分分离2或分开。再将β-内酯转换成丙烯酸酯(例如丙烯酸)3。在一些实施例中，羰基化反应1是在催化剂存在下进行。在一些实施例中，环氧化物与一氧化碳反应。在一些实施例中，催化剂存在于溶剂中。下文的方案1将说明在本发明一个实施例中的反应次序。
定义
下文将更详细地描述特定官能团和化学术语的定义。出于本发明的目的，化学元素是根据物理化学手册元素周期表CAS版本(Periodic Table of the Elements，CAS version，Handbook of Chemistry and Physics)，第75版的内封面来鉴别，且特定官能团一般如本文所述定义。此外，有机化学的一般原理以及特定官能部分和反应性描述于有机化学(Organic Chemistry)，托马斯索瑞尔(Thomas Sorrell)，大学学报(University ScienceBooks)，索萨利托(Sausalito)，1999；史密斯(Smith)和马奇(March)，马奇氏高等有机化学(March′s Advanced Organic Chemistry)，第5版，约翰威立出版公司(John Wiley&Sons，Inc.)，纽约(New York)，2001；拉洛克(Larock)，有机化学官能团转换大全(Comprehensive Organic Transformations)，VCH出版公司(VCH Publishers，Inc.)，纽约，1989；卡卢瑟斯(Carruthers)，现代有机合成方法(Some Modern Methods of OrganicSynthesis)，第3版，剑桥大学出版社(Cambridge University Press)，剑桥(Cambridge)，1987，各文献的完整内容都以引用的方式并入本文中。
除非另作指示，否则本文所述的某些化合物可以具有一个或一个以上可以Z或E异构体形式存在的双键。本发明另外涵盖实质上不含其它异构体的个别异构体形式以及可替代地呈各种异构体的混合物形式(例如，对映异构体的外消旋混合物)的化合物。除上述化合物本身外，本发明还涵盖包含一种或一种以上化合物的组合物。
本文中使用的术语“异构体”包括任何和所有几何异构体和立体异构体。举例来说，“异构体”包括顺-和反-异构体、E-和Z-异构体、R-和S-对映异构体、非对映异构体、(D)-异构体、(L)-异构体、其外消旋混合物及其在本发明范围内的其它混合物。举例来说，在一些实施例中，可提供实质上不含一种或一种以上对应的立体异构体的化合物，且这种化合物也可称为“立体化学富集的”。
本文使用的术语“卤基”和“卤素”是指选自氟(氟基，-F)、氯(氯基，-Cl)、溴(溴基，-Br)和碘(碘基，-I)的原子。本文使用的术语“卤代的”是指经一个或一个以上卤素原子取代的化合物。
本文使用的术语“脂肪族的”或“脂肪族基团”表示一种烃部分，其可以是直链(即，未分支)、分支链或环状(包括稠合、桥接和螺稠合多环)，并且可以完全饱和，或者可含有一个或一个以上不饱和单元，但这些不饱和单元不是芳香族的。除非另作说明，否则脂肪族基团含有1到30个碳原子。在某些实施例中，脂肪族基团含有1到12个碳原子。在某些实施例中，脂肪族基团含有1到8个碳原子。在某些实施例中，脂肪族基团含有1到6个碳原子。在一些实施例中，脂肪族基团含有1到5个碳原子；在一些实施例中，脂肪族基团含有1到4个碳原子；在其它实施例中，脂肪族基团含有1到3个碳原子，且在其它实施例中，脂肪族基团含有1到2个碳原子。适合的脂肪族基团包括(但不限于)直链或分支链烷基、烯基和炔基，以及其杂化物，例如(环烷基)烷基、(环烯基)烷基或(环烷基)烯基。
本文使用的术语“杂脂肪族的”是指一个或一个以上碳原子独立地经一个或一个以上选自由氧、硫、氮、磷或硼组成的群组的原子置换的脂肪族基团。在某些实施例中，1个或2个碳原子独立地经氧、硫、氮或磷中的一者或一者以上置换。杂脂肪族基团可以是经取代或未取代、分支或未分支、环状或无环的，且包括“杂环”、“杂环基”、“杂环脂肪族基”或“杂环”基团。
本文使用的术语“环氧化物”是指经取代或未取代的环氧乙烷。经取代环氧乙烷包括单取代的环氧乙烷、双取代的环氧乙烷、三取代的环氧乙烷和四取代的环氧乙烷。所述环氧化物可如本文中所定义任选进一步经取代。在某些实施例中，环氧化物包含单一环氧乙烷部分。在某些实施例中，环氧化物包含两个或两个以上环氧乙烷部分。
本文使用的术语“丙烯酸酯”是指乙烯基与酰基羰基相邻的任何酰基。这些术语涵盖单取代、双取代和三取代的乙烯基。丙烯酸酯的实例包括(但不限于)：丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯、肉桂酸酯(3-苯基丙烯酸酯)、巴豆酸酯、惕各酸酯(tiglate)和千里酸酯(senecioate)。由于已知环丙烷基团在某些情况下可能表现得极像双键，故本文中丙烯酸酯的定义内特别包括环丙烷酯。
本文使用的术语“聚合物”是指相对分子质量较高的分子，其结构包含多个实际上或概念上衍生自相对分子质量较低的分子的重复单元。在某些实施例中，聚合物仅由一种单体物质构成(例如聚氧化乙烯)。在某些实施例中，本发明聚合物是一种或一种以上环氧化物的共聚物、三元共聚物、杂聚物、嵌段共聚物或梯度杂聚物。
本文使用的术语“不饱和”是指某一部分具有一个或一个以上双键或三键。
本文使用的术语“烷基”是指由含有介于1个与6个之间碳原子的脂肪族部分通过除去单个氢原子得到的饱和直链或分支链烃基。除非另作说明，否则烷基含有1到12个碳原子。在某些实施例中，烷基含有1到8个碳原子。在某些实施例中，烷基含有1到6个碳原子。在一些实施例中，烷基含有1到5个碳原子；在一些实施例中，烷基含有1到4个碳原子；在其它实施例中，烷基含有1到3个碳原子，且在其它实施例中，烷基含有1到2个碳原子。烷基的实例包括(但不限于)甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、仲戊基、异戊基、叔丁基、正戊基、新戊基、正己基、仲己基、正庚基、正辛基、正癸基、正十一烷基、十二烷基等。
本文使用的术语“碳环”是指环中只含有碳原子的单环和多环部分。除非另作说明，否则碳环可以是饱和、部分不饱和或芳香族环，且含有3到20个碳原子。术语“碳环”或“碳环的”还包括与一个或一个以上芳香族或非芳香族环稠合的脂肪族环，例如十氢萘基或四氢萘基，其中连接基团或连接点在脂肪族环上。在一些实施例中，碳环基团是双环的。在一些实施例中，碳环基团是三环的。在一些实施例中，碳环基团是多环的。在某些实施例中，术语“3元到14元碳环”和“C3-14碳环”是指3元到8元饱和或部分不饱和单环碳环，或7元到14元饱和或部分不饱和多环碳环。
代表性碳环包括环丙烷、环丁烷、环戊烷、环己烷、双环[2，2，1]庚烷、降冰片烯、苯基、环己烯、萘、螺[4.5]癸烷。
术语“芳基”单独使用，或如在“芳烷基”、“芳烷氧基”或“芳氧基烷基”中作为较大部分的一部分使用时，是指总共具有5到20个环成员的单环和多环系统，其中所述系统中的至少一个环是芳香族环，且其中所述系统中的各环含有3到12个环成员。术语“芳基”可与术语“芳基环”互换使用。在本发明的某些实施例中，“芳基”是指芳香族环系统，其包括(但不限于)苯基、联苯基、萘基、蒽基等，其可带有一个或一个以上取代基。在本文中所使用的术语“芳基”的范围内还包括芳香族环与一个或一个以上其它环稠合的基团，例如苯并呋喃基、茚满基、邻苯二甲酰亚胺基、萘甲酰亚胺基、菲啶基或四氢萘基等。在某些实施例中，术语“6元到10元芳基”和“C6-10芳基”是指苯基或8元到10元多环芳基环。
术语“杂芳基”和“杂芳-”单独使用，或作为例如“杂芳烷基”或“杂芳烷氧基”等较大部分的一部分使用时，是指具有5到14个环原子，优选5、6或9个环原子；环阵列中共用6、10或14个电子；且除碳原子外还具有1到5个杂原子的基团。术语“杂原子”是指氮、氧或硫，并且包括氮或硫的任何氧化形式以及碱性氮的任何季铵化形式。杂芳基包括(不限于)噻吩基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、吡唑基、三唑基、四唑基、噁唑基、异噁唑基、噁二唑基、噻唑基、异噻唑基、噻二唑基、吡啶基、哒嗪基、嘧啶基、吡嗪基、吲哚嗪基、嘌呤基、萘啶基、苯并呋喃基和蝶啶基。本文中使用的术语“杂芳基”和“杂芳-”还包括杂芳香族环与一个或一个以上芳基环、环脂肪族环或杂环基环稠合的基团，其中连接基团或连接点在杂芳香族环上。非限制性实例包括吲哚基、异吲哚基、苯并噻吩基、苯并呋喃基、二苯并呋喃基、吲唑基、苯并咪唑基、苯并噻唑基、喹啉基、异喹啉基、噌啉基、酞嗪基、喹唑啉基、喹喔啉基、4H-喹嗪基、咔唑基、吖啶基、吩嗪基、吩噻嗪基、吩噁嗪基、四氢喹啉基、四氢异喹啉基和吡啶并[2，3-b]-1，4-噁嗪-3(4H)-酮。杂芳基可以是单环或双环的。术语“杂芳基”可与术语“杂芳基环”或“杂芳香族基”互换使用，这些术语中任一者都包括任选取代的环。术语“杂芳烷基”是指经杂芳基取代的烷基，其中烷基和杂芳基部分独立地任选经取代。在某些实施例中，术语“5元到14元杂芳基”是指具有1到3个独立地选自氮、氧或硫的杂原子的5元到6元杂芳基环，或具有1到4个独立地选自氮、氧或硫的杂原子的8元到14元多环杂芳基环。
本文使用的术语“杂环(heterocycle)”、“杂环基”和“杂环基团”可互换使用，并且指饱和、部分不饱和或芳香族的且除碳原子外还具有一个或一个以上、优选1到4个如上文所定义的杂原子的稳定5元到7元单环或7元到14元双环杂环部分。当在提到杂环的环原子时使用时，术语“氮”包括经取代的氮。例如，在具有0到3个选自氧、硫或氮的杂原子的饱和或部分不饱和环中，所述氮可为N(如在3，4-二氢-2H-吡咯基中)、NH(如在吡咯烷基中)或+NR(如在N-经取代的吡咯烷基中)。在一些实施例中，术语“3元到14元杂环”是指具有1到2个独立地选自氮、氧或硫的杂原子的3元到8元饱和或部分不饱和单环杂环，或具有1到3个独立地选自氮、氧或硫的杂原子的7元到14元饱和或部分不饱和多环杂环。
杂环可在任何杂原子或碳原子处连接到其侧基，从而产生稳定结构，并且任何环原子可任选经取代。所述饱和或部分不饱和杂环基团的实例包括(但不限于)四氢呋喃基、四氢噻吩基、吡咯烷基、吡咯烷酮基、哌啶基、吡咯啉基、四氢喹啉基、四氢异喹啉基、十氢喹啉基、噁唑烷基、哌嗪基、二噁烷基、二氧戊环基、二氮杂卓基、氧氮杂卓基、硫氮杂卓基、吗啉基和奎宁环基。术语“杂环”、“杂环基”、“杂环基环”、“杂环基团”和“杂环部分”在本文中可互换使用，并且也包括杂环基环与一个或一个以上芳基环、杂芳基环或环脂肪族环稠合的基团，例如吲哚啉基、3H-吲哚基、色满基、菲啶基或四氢喹啉基，其中连接基团或连接点在杂环基环上。杂环基可以是单环或双环的。术语“杂环基烷基”是指经杂环基取代的烷基，其中烷基和杂环基部分独立地任选经取代。
本文使用的术语“部分不饱和”是指环部分包括至少一个双键或三键。术语“部分不饱和”打算涵盖具有多个不饱和位点的环，但不打算包括如本文所定义的芳基或杂芳基部分。
如本文所述，本发明化合物可含有“任选取代的”部分。一般来说，无论在术语“经取代”之前是否存在术语“任选”，术语“经取代”都是指所指定部分的一个或一个以上氢经适当取代基置换。除非另作指示，否则“任选取代的”基团可在所述基团的各可取代位置处具有适当取代基，并且当任何既定结构中的多于一个位置可经多于一个选自指定群组的取代基取代时，每一位置的取代基可相同或不同。本发明所设想的取代基组合优选为导致形成稳定或化学上可行的化合物的取代基组合。本文使用的术语“稳定”是指当出于本文所揭示的一个或一个以上目的而使化合物经历允许其制备、检测以及(在某些实施例中)其回收、纯化和使用的条件时所述化合物实质上不改变。
“任选取代的”基团的可取代碳原子上的适当单价取代基独立地为卤素；-(CH2)0-4R○；-(CH2)0-4OR○；-O-(CH2)0-4C(O)OR○；-(CH2)0-4CH(ORO)2；-(CH2)0-4SR○；-(CH2)0-4Ph，其可经R○取代；-(CH2)0-4O(CH2)0-1Ph，其可经R○取代；-CH＝CHPh，其可经R○取代；-NO2；-CN；-N3；-(CH2)0-4N(R○)2；-(CH2)0-4N(R○)C(O)R○；-N(R○)C(S)R○；-(CH2)0-4N(R○)C(O)NR○ 2；-N(R○)C(S)NR○ 2；-(CH2)0-4N(R○)C(O)OR○；-N(R○)N(R○)C(O)R○；-N(R○)N(R○)C(O)NR○ 2；-N(R○)N(R○)C(O)OR○；-(CH2)0-4C(O)R○；-C(S)R○；-(CH2)0-4C(O)OR○；-(CH2)0-4C(O)N(R○)2；-(CH2)0-4C(O)SR○；-(CH2)0-4C(O)OSiR○ 3；-(CH2)0-4OC(O)R○；-OC(O)(CH2)0-4SR-、SC(S)SR○；-(CH2)0-4SC(O)R○；-(CH2)0-4C(O)NR○ 2；-C(S)NR○ 2；-C(S)SR○；-SC(S)SR○、-(CH2)0-4OC(O)NR○ 2；-C(O)N(OR○)R○；-C(O)C(O)R○；-C(O)CH2C(O)R○；-C(NOR○)R○；-(CH2)0-4SSR○；-(CH2)0-4S(O)2R○；-(CH2)0-4S(O)2OR○；-(CH2)0-4OS(O)2R○；-S(O)2NR○ 2；-(CH2)0-4S(O)R○；-N(R○)S(O)2NR○ 2；-N(R○)S(O)2R○；-N(OR○)R○；-C(NH)NR○ 2；-P(O)2R○；-P(O)R○ 2；-OP(O)R○ 2；-OP(O)(OR○)2；SiR○ 3；-(C1-4直链或分支链亚烷基)O-N(R○)2；或-(C1-4直链或分支链亚烷基)C(O)O-N(R○)2，其中各R○可如下文所定义经取代且独立地为氢、C1-8脂肪族基、-CH2Ph、-O(CH2)0-1Ph，或具有0到4个独立选自氮、氧或硫的杂原子的5元到6元饱和、部分不饱和或芳基环，或者，尽管上文给出定义，但两个独立出现的R○与其插入原子连在一起形成具有0到4个独立选自氮、氧或硫的杂原子的3元到12元饱和、部分不饱和或芳基单环或多环，其可如下文所定义经取代。
R○(或通过将两个独立出现的R○与其插入原子连在一起所形成的环)上的适当单价取代基独立地为卤素、-(CH2)0-2R●、-(卤基R●)、-(CH2)0-2OH、-(CH2)0-2OR●、-(CH2)0-2CH(OR●)2；-O(卤基R●)、-CN、-N3、-(CH2)0-2C(O)R●、-(CH2)0-2C(O)OH、-(CH2)0-2C(O)OR●、-(CH2)0-4C(O)N(R○)2；-(CH2)0-2SR●、-(CH2)0-2SH、-(CH2)0-2NH2、-(CH2)0-2NHR●、-(CH2)0-2NR● 2、-NO2、-SiR● 3、-OSiR● 3、-C(O)SR●、-(C1-4直链或分支链亚烷基)C(O)OR●或-SSR●，其中各R●未经取代，或在之前具有“卤基”的情况下仅经一个或一个以上卤素取代，且其独立选自C1-4脂肪族基、-CH2Ph、-O(CH2)0-1Ph，或具有0到4个独立选自氮、氧或硫的杂原子的5元到6元饱和、部分不饱和或芳基环。R○的饱和碳原子上的适当二价取代基包括＝O和＝S。
“任选取代的”基团的饱和碳原子上的适当二价取代基包括以下：＝O、＝S、＝NNR* 2、＝NNHC(O)R*、＝NNHC(O)OR*、＝NNHS(O)2R*、＝NR*、＝NOR*、-O(C(R* 2))2-3O-或-S(C(R* 2))2-3S-，其中R*在每次独立出现时是选自氢、可如下文所定义经取代的C1-6脂肪族基，或具有0到4个独立选自氮、氧或硫的杂原子的未经取代的5元到6元饱和、部分不饱和或芳基环。与“任选取代的”基团的邻近可取代碳结合的适当二价取代基包括：-O(CR* 2)2-3O-，其中R*在每次独立出现时是选自氢、可如下文所定义经取代的C1-6脂肪族基，或具有0到4个独立地选自氮、氧或硫的杂原子的未经取代的5元到6元饱和、部分不饱和或芳基环。
R*的脂肪族基团上的适当取代基包括卤素、-R●、-(卤基R●)、-OH、-OR●、-O(卤基R●)、-CN、-C(O)OH、-C(O)OR●、-NH2、-NHR●、-NR● 2或-NO2，其中各R●未经取代，或在之前具有“卤基”的情况下仅经一个或一个以上卤素取代，且其独立地为C1-4脂肪族基、-CH2Ph、-O(CH2)0-1Ph，或具有0到4个独立选自氮、氧或硫的杂原子的5元到6元饱和、部分不饱和或芳基环。
“任选取代的”基团的可取代氮上的适当取代基包括 或其中各独立地为氢、可如下文所定义经取代的C1-6脂肪族基、未经取代的-OPh，或具有0到4个独立地选自氮、氧或硫的杂原子的未经取代的5元到6元饱和、部分不饱和或芳基环，或者，尽管上文给出定义，但两个独立出现的与其插入原子连在一起形成具有0到4个独立地选自氮、氧或硫的杂原子的未经取代的3元到12元饱和、部分不饱和或芳基单环或双环。
的脂肪族基团上的适当取代基独立地为卤素、-R●、-(卤基R●)、-OH、-OR●、-O(卤基R●)、-CN、-C(O)OH、-C(O)OR●、-NH2、-NHR●、-NR● 2或-NO2，其中各R●未经取代，或在之前具有“卤基”的情况下仅经一个或一个以上卤素取代，且其独立地为C1-4脂肪族基、-CH2Ph、-O(CH2)0-1Ph，或具有0到4个独立选自氮、氧或硫的杂原子的5元到6元饱和、部分不饱和或芳基环。
本文使用的术语“催化剂”是指这样一种物质，其存在会增加化学反应的速率，而其本身不会被消耗或发生永久的化学变化。
羰基化
羰基化步骤是通过使包含环氧化物的进料流100和羰基化催化剂与一氧化碳接触以提供含有由环氧化物形成的羰基化产物的反应产物流200来进行。
反应物
首先转向羰基化反应，反应物可包括各种环氧化物，包括环氧乙烷、环氧丙烷。
在某些实施例中，环氧化物起始物质具有式I
其中R1和R2各独立地选自由以下组成的群组：-H；任选取代的C1-6脂肪族基；任选取代的苯基；任选取代的C1-6杂脂肪族基；任选取代的3元到6元碳环；和任选取代的3元到6元杂环，其中R1和R2可任选与插入原子连在一起形成任选含有一个或一个以上杂原子的3元到10元取代或未取代的环。
在一些实施例中，R1是氢。在一些实施例中，R1是苯基。在一些实施例中，R1是任选取代的C1-6脂肪族基。在一些实施例中，R1是正丁基。在一些实施例中，R1是正丙基。在一些实施例中，R1是乙基。在一些实施例中，R1是-CF3。在一些实施例中，R1为-CH2Cl。在其它实施例中，R1是甲基。
在一些实施例中，R2为氢。在一些实施例中，R2是任选取代的C1-6脂肪族基。在一些实施例中，R2是甲基。
在某些实施例中，R1和R2与插入原子连在一起形成任选含有一个或一个以上杂原子的3元到10元取代或未取代的环。在一些实施例中，R1和R2与插入原子连在一起形成环戊基或环己基环。
在某些实施例中，环氧化物选自由以下组成的群组：环氧乙烷、环氧丙烷、1，2-环氧丁烷、2，3-环氧丁烷、表氯醇、环氧环己烷、环氧环戊烷、3，3，3-三氟-1，2-环氧丙烷、环氧苯乙烷、缩水甘油醚和缩水甘油酯。
在某些实施例中，环氧化物是环氧乙烷。
在某些实施例中，环氧化物是环氧丙烷。
在某些实施例中，羰基化步骤包含方案2中所示的反应：
方案2
其中R1和R2各自如上文所定义且如本文中的类别和子类中所述。
在某些实施例中，羰基化步骤包含方案3中所示的反应：
方案3
其中R1选自由-H和C1-6脂肪族基组成的群组。
在某些实施例中，羰基化步骤包含方案4中所示的反应：
方案4
在某些实施例中，羰基化步骤包含方案5中所示的反应：
方案5
其它反应物可包括一氧化碳，或一氧化碳与另一气体的混合物。在一些实施例中，提供一氧化碳与氢气的混合物(例如合成气)。一氧化碳与氢气的比率可为任何比率，包括(但不限于)1∶1、1∶2、1∶4、1∶10、10∶1、4∶1或2∶1。在一些实施例中，提供一氧化碳与气体的混合物作为工业工艺气体。一氧化碳源包括(但不限于)：木气、发生炉气体、煤气、城市煤气、人造气、加氢气体(hygas)、道森煤气(Dowson gas)或水煤气等。在一些实施例中，一氧化碳是在超大气压力下提供。供应的一氧化碳的量应使环氧化物起始物质有效转化成β-内酯。
催化剂
在某些实施例中，羰基化催化剂包含金属羰基络合物。在一些实施例中，金属羰基络合物具有通式[QMy(CO)w]x，其中：
Q是任何配体且未必存在；
M是金属原子；
y是包括1到包括6的整数；
w是例如提供稳定金属羰基的数字；且
x是包括-3到包括+3的整数。
在金属羰基络合物具有式[QMy(CO)w]x的某些实施例中，M选自由以下组成的群组：Ti、Cr、Mn、Fe、Ru、Co、Rh、Ni、Pd、Cu、Zn、Al、Ga和In。在某些实施例中，M是Co。在某些实施例中，金属羰基络合物是Co(CO)4 -。
在某些实施例中，羰基化催化剂进一步包含路易斯酸组分。在某些实施例中，路易斯酸组分是阳离子性的。在一些实施例中，羰基化催化剂包含阴离子型金属羰基络合物(例如x是负整数)和阳离子型路易斯酸组分。在某些实施例中，金属羰基络合物包含羰基钴酸盐，且路易斯酸组分包含以金属为中心的阳离子性路易斯酸。
在某些实施例中，以金属为中心的阳离子性路易斯酸是具有式[M′(L)b]c+的金属络合物，其中：
M′是金属；
各L是配体；
b是包括1到包括6的整数；
c是1、2或3；且
其中，如果存在一个以上L，那么各L可相同或不同。
在以金属为中心的路易斯酸是具有式[M′(L)b]c+的金属络合物的一些实施例中，M′选自由以下组成的群组：过渡金属、第13或14族金属和镧系元素。在某些实施例中，M′是过渡金属或第13族金属。在某些实施例中，选自由铝、铬、铟和镓组成的群组。在某些实施例中，M′是铝。在某些实施例中，M′是铬。
在某些实施例中，羰基化催化剂中以金属为中心的路易斯酸组分包括双阴离子四齿配体。在某些实施例中，双阴离子四齿配体选自由以下组成的群组：卟啉衍生物、萨仑衍生物、二苯并四甲基四氮杂[14]轮烯(“TMTAA”)衍生物、酞菁衍生物和特罗斯特配体衍生物。
在一些实施例中，双阴离子四齿配体是ClTPP(间-四(4-氯苯基)卟啉)。在一些实施例中，双阴离子四齿配体是TPP(四苯基卟啉)。在一些实施例中，双阴离子四齿配体是萨仑(N，N′-亚乙基双(水杨酰亚胺))配体。在一些实施例中，双阴离子四齿配体是萨夫(salph)(N，N′-双(亚水杨基)-邻亚苯基二胺)配体。在一些实施例中，双阴离子四齿配体是萨西(salcy)(N，N′-双(3，5-二叔丁基亚水杨基)-1，2-二氨基环己烷)配体。
在某些实施例中，羰基化催化剂包含羰基钴酸盐与作为路易斯酸组分的卟啉铝化合物的组合。在一些实施例中，羰基化催化剂包含[(TPP)Al][Co(CO)4]。在一些实施例中，羰基化催化剂包含[(ClTPP)Al][Co(CO)4]。
在某些实施例中，羰基化催化剂包含羰基钴酸盐与作为路易斯酸组分的卟啉铬化合物的组合。在一些实施例中，羰基化催化剂包含[(TPP)Cr][Co(CO)4]。在一些实施例中，羰基化催化剂包含[(ClTPP)Cr][Co(CO)4]。
在某些实施例中，羰基化催化剂包含羰基钴酸盐与作为路易斯酸组分的萨仑铬化合物的组合。在一些实施例中，羰基化催化剂包含[(萨西)Cr][Co(CO)4]。
在某些实施例中，羰基化催化剂包含羰基钴酸盐与作为路易斯酸组分的萨罗酚(salophen)铬化合物的组合。在一些实施例中，羰基化催化剂包含[(萨夫)Cr][Co(CO)4]。
在某些实施例中，羰基化催化剂包含羰基钴酸盐与作为路易斯酸组分的萨仑铝化合物的组合。在某些实施例中，羰基化催化剂包含羰基钴酸盐与作为路易斯酸组分的萨罗酚铝化合物的组合。在一些实施例中，羰基化催化剂包含[(萨夫)Al][Co(CO)4]。
在某些实施例中，羰基化催化剂进一步包含一个或一个以上供电子基团。在某些实施例中，所述供电子基团是溶剂分子。在一些实施例中，供电子基团是用于合成催化剂或其一部分的溶剂分子。在某些实施例中，供电子基团是THF。
溶剂
在一些实施例中，羰基化催化剂存在于溶剂中。溶剂可选自任何溶剂以及溶剂混合物。此外，β-内酯可用作共溶剂。催化剂的溶剂包括(但不限于)四氢呋喃(“THF”)、环丁砜、N-甲基吡咯烷酮、1，3二甲基-2-咪唑烷酮、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、二乙二醇二丁基醚、碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、碳酸丁二酯、二元酯、乙醚、乙腈、乙酸乙酯、二甲氧基乙烷、丙酮、二噁烷、经C1-32脂肪族链改性的THF。一般说来，质子惰性溶剂将适于羰基化反应步骤。在一些实施例中，改性THF具有以下形式：
其中R是脂肪族基、芳香族基、醚基或酯基，其中任一者都含有超过4个碳原子。在一些实施例中，改性THF具有下式：
在一些实施例中，溶剂包括催化剂稳定剂。各种催化剂稳定剂包括(但不限于)异山梨醇醚，例如异山梨醇二甲醚。
在一些实施例中，进料流100包括路易斯碱添加剂。在一些实施例中，所述路易斯碱添加剂可使催化剂稳定或减少催化剂的钝化作用。在一些实施例中，路易斯碱添加剂是改性THF；2，6-二甲基吡啶；咪唑；1-甲基咪唑4-二甲基氨基吡啶；三己基胺和三苯基膦。
在一些实施例中，适于所述工艺的溶剂的沸点高于由羰基化反应产生的β-内酯的沸点。举例来说，在环氧乙烷的羰基化反应中，由于产生的β-内酯(β-丙内酯)在50托下沸点为108℃，故高沸点溶剂在所述压力下的沸点高于约108℃。对于环氧丙烷，相应的β-内酯(β-丁内酯)在50托下沸点为86℃到87℃，且高沸点溶剂的沸点应高于这一值。
在一些实施例中，所选溶剂或溶剂混合物应促进反应产物流中β-内酯的分离2。一般说来，分离是基于溶剂与β-内酯之间的沸点差异实现。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点高于β-内酯的沸点。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点高至少约20℃。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点高至少约30℃。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点高至少约40℃。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点高至少约50℃。
在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点低于β-内酯的沸点。在某些实施例中，所选溶剂的沸点在大气压力下介于约30℃与约130℃之间。在某些实施例中，所选溶剂的沸点在大气压力下介于约30℃与约100℃之间。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点低至少10℃。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点低至少20℃。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点低至少30℃。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点低至少40℃。在一些实施例中，当在相同压力下比较时，溶剂的沸点比β-内酯的沸点低至少50℃。在一些实施例中，溶剂包含溶剂混合物，其中一者的沸点可高于β-内酯的沸点，且另一溶剂的沸点可低于β-内酯的沸点。
在一些实施例中，反应物在反应条件下可完全溶于溶剂中。此外，催化剂在反应条件下可溶于溶剂中。在一些实施例中，反应物或催化剂在反应条件下仅部分不溶或不溶于溶剂中。在一些实施例中，仅催化剂可溶于溶剂中。
在一些实施例中，提供的溶剂是“新鲜的”。在一些实施例中，溶剂在分离步骤后再循环。溶剂再循环可包括将新鲜溶剂添加到再循环流中。
在一些实施例中，溶剂包括β-内酯。一般说来，使用β-内酯作为共溶剂有助于最终分离β-内酯产物与非β-内酯溶剂(如果存在的话)。如果增加反应产物流中β-内酯的浓度，那么β-内酯与反应产物流200中其余部分的分离将变得更容易。
羰基化反应条件
羰基化反应条件是根据实现环氧化物向β-内酯的转化的多种因素选择。温度、压力和反应时间将影响反应速度和效率。此外，反应物相互之间的比率以及反应物与催化剂的比率也会影响反应速度和效率。
在一些实施例中，反应温度可在约-20℃到约600℃之间的范围内。在一些实施例中，反应温度为约-20℃、约0℃、约20℃、约40℃、约60℃、约80℃、约100℃、约200℃、约300℃、约400℃、约500℃或约600℃。在一些实施例中，温度在约40℃与约120℃之间的范围内。在一些实施例中，温度在约40℃与约80℃之间的范围内。在一些实施例中，温度在约50℃与约70℃之间的范围内。在一些实施例中，反应物、催化剂和溶剂是在标准温度下供应到反应器中，随后在反应器中加热。在一些实施例中，反应物在进入反应器之前预加热。
在一些实施例中，反应压力可在约50psig到约5000psig的范围内。在一些实施例中，反应压力为约100psig、约200psig、约300psig、约400psig、约500psig、约600psig、约700psig、约800psig、约900psig或约1000psig。在一些实施例中，压力在约50psig到约2000psig的范围内。在一些实施例中，压力在约100psig到1000psig的范围内。在一些实施例中，压力在约200psig到约800psig的范围内。在一些实施例中，反应压力完全由一氧化碳供应。举例来说，在大气压力下或在真空下将反应物、催化剂和溶剂装入反应器中，并将一氧化碳添加到反应器中以为反应压力增加压力。在一些实施例中，所有反应物、溶剂和催化剂都是在反应压力下供应到反应器中。
在一些实施例中，催化剂与环氧化物的比率是根据其它反应条件选择，以致反应按经济且时间合理的方式进行。在一些实施例中，催化剂与环氧化物的比率以摩尔数计为约1∶10000。在一些实施例中，催化剂与环氧化物的摩尔比为约1∶5000，为约1∶2500，为约1∶2000，为约1∶1500，为约1∶1000，为约1∶750，为约1∶500，为约1∶250，为约1∶200，为约1∶150或为约1∶100。在一些实施例中，环氧化物的浓度在约0.1M与约5.0M之间的范围内。在一些实施例中，环氧化物的浓度在约0.5M与约3.0M之间的范围内。
在一些实施例中，反应保持一段足以使环氧化物转化成β-内酯的反应完全、接近完全或根据反应动力学和或反应条件尽可能完全的时间。在一些实施例中，反应时间保持约12小时、约8小时、约6小时、约3小时、约2小时或约1小时。在一些实施例中，反应时间确立为在反应器110内的停留时间。通过降低反应器温度或压力、取出特定反应物或引入淬灭化合物可停止反应。反应可在环氧化物向β-内酯转化的任何时间点或任何百分比时停止。例如，当50％环氧化物转化成β-内酯时，可停止反应。
羰基化反应产物
如上文所述，羰基化反应的主要反应产物是β-内酯。此外，反应产物流200还可含有其它反应副产物、未反应的反应物以及催化剂和溶剂。在一些实施例中，未反应的反应物包括环氧化物或一氧化碳。因此，反应可能未进行完全，并且可视为部分反应。
在一些实施例中，未反应的环氧化物的量足以防止形成羰基化反应副产物琥珀酸酐。不希望受特定理论的束缚，可推测出β-内酯转化成琥珀酸酐的第二反应未能进行，除非实质上所有环氧化物都被消耗。因此，将剩余环氧化物部分馈入存在未反应物的反应器中似乎能防止形成琥珀酸酐。在一些实施例中，反应产物流200含有未转化的环氧化物，其量为至少约5重量％环氧化物、至少约3重量％环氧化物、至少约1重量％环氧化物或至少约0.1重量％环氧化物。在一些实施例中，反应是按连续流动形式进行，且环氧化物的添加速率足以将浓度维持在上述水平中。在反应是在反应条件随反应器体积而变的反应器中进行的某些实施例中，所选环氧化物进料应在反应器中保持高于上述浓度的最低环氧化物浓度。
在一些实施例中，副产物形成包括形成具有下式的酸酐：
其中R1和R2对应于环氧化物原料中的相同基团。在一些实施例中，副产物形成包括形成以下一种或一种以上化合物：巴豆醛、丙烯酸、1，4二噁烷、丙烯酸二聚物和三聚物、丙烯酸2-羟基乙酯、2，5己二烯醛、3-氧杂己内酯、二乙二醇单丙烯酸酯、3-羟基丙酸、二乙二醇二丙烯酸酯、5-戊内酯和/或2，6-二甲基-1，3-二噁烷-4-醇。
反应模式
在一些实施例中，羰基化反应1是以连续操作方式进行。反应物被连续馈入反应器110中。在一些实施例中，搅拌反应器110。在一些实施例中，在反应器110中无搅拌，在一些实施例中，反应器110并有一个或一个以上静止混合器。在一些实施例中，反应器110包括气体夹带推进器。反应物可在标准温度和压力下馈入反应器110中，且一旦进入反应器110中，就加热或加压达到反应条件。反应器110本身可以是有助于连续操作的任何反应器，包括(但不限于)连续搅拌式罐式反应器或管式反应器。在一些实施例中，反应器110是绝热反应器和/或等温反应器。在一些实施例中，反应器压力是恒定的。在一些实施例中，反应器压力随反应进展而变化。在一些实施例中，反应器温度随反应进展而变化。在一些实施例中，反应是以分批操作方式进行。所属领域技术人员将认识到，温度，压力，催化剂比率，反应物、催化剂和溶剂的浓度，流速都可经优化或变化以获得指定的反应结果。
在一些实施例中，如上文所述，各种个别反应产物，或甚至是整个反应产物流200都可再循环到羰基化反应器110或进料流100中作为再循环。在一些实施例中，如下文所述，反应产物分成至少两种物流。一般说来，至少一种物流将至少含有溶剂和催化剂，且另一物流将至少含有β-内酯产物。这些物流中任一者或两者可再循环到羰基化反应的开始。在一些实施例中，一种物流将含有溶剂，且另一种将含有反应产物流200中其余部分。
在一些实施例中，催化剂和/或溶剂流再循环到进料流或羰基化反应器。在一些实施例中，反应产物流200中再循环到羰基化反应器110或进料流100的溶剂和/或催化剂部分在约0％到约100％范围内。在一些实施例中，反应产物流200中再循环到羰基化反应器110或进料流100的溶剂和/或催化剂部分为约100％、约90％、约80％、约70％、约60％、约50％、约40％、约30％、约20％、约10％或约0％。在一些实施例中，再循环的催化剂的百分含量不同于溶剂，即，催化剂或溶剂组分的比例无需相同。
在一些实施例中，从再循环流500中取出一部分催化剂和/或溶剂作为废料510。与反应产物流200中总催化剂和/或溶剂相比较，取出作为废料510的催化剂和/或溶剂的部分可在约0％到约100％的范围内。与反应产物流200中总催化剂和/或溶剂相比较，取出作为废料510的催化剂和/或溶剂的部分可为约100％、约90％、约80％、约70％、约60、约50％、约40％、约30％、约20％或约10％。
在一些实施例中，新鲜催化剂和或溶剂600被馈入再循环流500或进料流100中，以确保羰基化反应持续进行。所添加的溶剂和或催化剂可补充反应中失去(取出作为废料510，或耗尽且不再有用)的溶剂和/或催化剂。与反应产物流中总催化剂和/或溶剂相比较，所添加的催化剂和/或溶剂的部分可在物流流量约0％到约100％的范围内。与反应产物流200中总催化剂和/或溶剂相比较，所添加的催化剂和/或溶剂部分可为约100％、约90％、约80％、约70％、约60、约50％、约40％、约30％、约20％或约10％。
在一些实施例中，β-内酯再循环到羰基化反应器110或反应物进料流100中。如下文所论述，一般从反应产物流200中分离出β-内酯400。在一些实施例中，反应产物流200中再循环到羰基化反应器或进料流的β-内酯部分420在约0％到约100％范围内。在一些实施例中，反应产物流200中再循环到羰基化反应器或进料流的β-内酯部分为约100％、约90％、约80％、约70％、约60％、约50％、约40％、约30％、约20％、约10％、约0％。在一些实施例中，100％的β-内酯流400再循环到反应器110或进料流100中，直到反应产物流200中β-内酯的百分含量达到指定水平。在一些实施例中，指定水平在约5％到约75％范围内。在一些实施例中，所述水平为约5％、约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％或约75％。
羰基化步骤可在反应产物流200中不存在任何β-内酯的情况下开始。羰基化反应开始后，由羰基化步骤产生的β-内酯可积累于反应产物流200中，且在一些实施例中，在反应产物流200中β-内酯的含量达到临界值之前，未从反应产物流200中分离出β-内酯。在某些实施例中，临界值为约5重量％到约10重量％。在某些实施例中，临界值为约10重量％到约20重量％。在某些实施例中，临界值为约20重量％到约30重量％。在某些实施例中，临界值为约30重量％到约40重量％。在某些实施例中，临界值为约40重量％到约50重量％。在某些实施例中，临界值为约50重量％到约60重量％。
分离
所述工艺中的另一步骤涉及将反应产物流200分成至少两个独立的物流。反应产物流将最少分成两个独立的物流：β-内酯流400和催化剂/溶剂流500。β-内酯流400将含有β-内酯，但也可以含有由反应产物流200带入的其它化合物，包括环氧化物、一氧化碳、溶剂、催化剂和反应副产物。类似地，催化剂/溶剂流500可主要含有催化剂和溶剂，但也可以包括由反应产物流200带入的其它化合物，包括环氧化物、一氧化碳、β-内酯和反应副产物。
在一些实施例中，通过利用β-内酯与反应产物流200其它组分(主要是催化剂和溶剂)之间的沸点差异来进行分离。在一些实施例中，溶剂的沸点高于β-内酯的沸点。在一些实施例中，β-内酯从反应产物流中挥发(例如蒸发)，在反应产物流200中留下催化剂、溶剂与其它化合物的混合物。在一些实施例中，此步骤包括将反应产物流200暴露于较低压力。在一些实施例中，此步骤包括将反应产物流200暴露于较高温度。在一些实施例中，此步骤包括将反应产物流200暴露于较低压力和较高温度。
在一些实施例中，所选压力应使β-内酯的沸点相比在大气压力下的沸点降低约5℃。在一些实施例中，所选压力应使β-内酯的沸点相比在大气压力下的沸点降低约10℃。在一些实施例中，所选压力应使β-内酯的沸点相比在大气压力下的沸点降低约20℃。在一些实施例中，所选压力应使β-内酯的沸点相比在大气压力下的沸点降低约50℃。
在一些实施例中，所述较高温度高于β-内酯的沸点，但低于在所选压力下溶剂的沸点。在一些实施例中，所述温度比溶剂的沸点低至少约20℃。在一些实施例中，所述温度比溶剂的沸点低至少约30℃。在一些实施例中，所述温度比溶剂的沸点低至少约50℃。
在一些实施例中，所述较低压力在约1托到约760托的范围内。在一些实施例中，压力在约1托到约400托的范围内。在一些实施例中，压力在约5托到约200托的范围内。在一些实施例中，压力在约10托到约100托的范围内。在一些实施例中，压力在约20托到约50托的范围内。在一些实施例中，压力为约50托、约100托、约150托、约200托、约250托、约300托、约400托、约500托、约600托或约700托。
在一些实施例中，分离步骤是在低于约100托的压力且在高于约120℃的温度下进行。在一些实施例中，分离步骤是在低于约50托的压力且在高于约100℃的温度下进行。在一些实施例中，分离步骤是在低于约50托的压力且在高于约50℃的温度下进行。在一些实施例中，分离步骤是在低于约50托的压力且在高于约110℃的温度下进行。在一些实施例中，分离步骤是在低于约50托的压力且在高于约90℃的温度下进行。在一些实施例中，分离步骤是在低于约20托的压力且在高于约60℃的温度下进行。在一些实施例中，分离步骤是在低于约10托的压力且在高于约50℃的温度下进行。
在一些实施例中，分离可以一系列步骤实现，每一步骤都在独立温度和压力下操作。例如，可以使用两个步骤更有效地分离β-内酯，或可以使用单独分离步骤分开某些反应副产物。在一些实施例中，当使用溶剂混合物时，可能需要多个分离步骤来除去单独或一组特定溶剂，并有效分开β-内酯。
在某些实施例中，反应产物流200中β-内酯的分离是按两个阶段进行。在一些实施例中，所述工艺包括用于除去产物流中沸点低于β-内酯产物沸点的一种或一种以上组分的初步分离步骤。
在一些实施例中，初步分离步骤包括将反应产物流200分成包含一氧化碳和未转化的环氧化物的气流；和包含β-内酯和羰基化催化剂的液流。在第二分离步骤中，液流进一步分为包含一部分β-内酯的β-内酯流400；和包含剩余β-内酯和羰基化催化剂的催化剂再循环流500。
在存在一种或一种以上沸点低于β-内酯沸点的溶剂的一些实施例中，较低沸点的溶剂可在初步分离步骤中从反应产物流中挥发(例如蒸发)，在反应产物流200中留下包含催化剂、β-内酯、其它溶剂(如果存在的话)和其它化合物的混合物，随后进一步处理所述混合物以分离β-内酯流。
在按两个阶段进行分离的某些实施例中，第一分离步骤包含将反应流暴露于略微较低的压力，以产生气流和液流。在按两个阶段进行分离的某些实施例中，气流返回到羰基化步骤。
在某些实施例中，反应产物流200中β-内酯的分离是按三个阶段进行。在第一分离步骤中，将反应产物流200分为包含一氧化碳和一部分环氧化物的气流；和包含剩余环氧化物、β-内酯和羰基化催化剂的液流。在第二分离步骤中，将液流分为包含剩余环氧化物以及(如果存在的话)沸点低于β-内酯沸点的任何溶剂的环氧化物流；以及包含β-内酯和羰基化催化剂的第二液流。在第三分离步骤中，第二液流进一步分为包含一部分β-内酯的β-内酯流400；和包含剩余β-内酯和羰基化催化剂的催化剂再循环流500。
在按三个阶段进行分离的某些实施例中，第一分离步骤包含对反应流进行大气通风。在按三个阶段进行分离的某些实施例中，第二分离步骤包含将液流暴露于略微较低的压力。在按三个阶段进行分离的某些实施例中，气流和环氧化物流中至少一者返回到羰基化步骤。在某些实施例中，所述略微较低的压力介于约100托与500托之间。在某些实施例中，所述略微较低的压力介于约200托与400托之间。
路易斯碱添加剂
进料流可进一步包含路易斯碱添加剂。羰基化催化剂中的路易斯酸组分可与一种或一种以上路易斯碱添加剂配位。一种或一种以上路易斯碱添加剂与路易斯酸组分配位可使羰基化催化剂在羰基化步骤和/或分离步骤期间稳定。
在一些实施例中，进料流进一步包含一种或一种以上路易斯碱添加剂。在某些实施例中，路易斯碱添加剂选自氮、磷或氧路易斯碱。在某些实施例中，路易斯碱添加剂选自胺、膦和醚。在某些实施例中，路易斯碱添加剂选自由以下组成的群组：改性THF；2，6-二甲基吡啶；咪唑；1-甲基咪唑和三苯基膦；4-二甲基氨基吡啶；三己基胺。
β-内酯作为溶剂
在一些实施例中，β-内酯，即与由环氧化物得到的羰基化产物相同的化合物，可用作羰基化反应1中的唯一溶剂。在某些实施例中，β-内酯用作共溶剂，且反应1中存在一种或一种以上其它溶剂。在某些实施例中，存在的其它溶剂的沸点高于或低于β-内酯的沸点。在一些实施例中，β-内酯用作共溶剂，且工艺流中存在一种或一种以上低沸点溶剂。
在由环氧化物制备β-内酯的方法包含羰基化步骤1和β-内酯分离步骤2的一些实施例中，β-内酯是共溶剂，且在工艺流中存在一种或一种以上高沸点溶剂。通过使包含环氧化物、β-内酯、高沸点溶剂和羰基化催化剂的工艺流与一氧化碳接触，以提供由环氧化物得到的含有羰基化产物的反应产物流200，来进行羰基化步骤，其中羰基化产物是与用作共溶剂的β-内酯相同的化合物。β-内酯分离步骤2是通过在引起β-内酯挥发的条件下处理反应流，以产生包含一部分β-内酯的β-内酯流400；和包含羰基化催化剂、高沸点溶剂和剩余β-内酯的催化剂再循环流500来进行。
在β-内酯是共溶剂且在进料流100中存在一种或一种以上较高沸点溶剂的某些实施例中，反应产物流200中β-内酯的分离是按两个阶段进行。在第一分离步骤中，反应产物流200被分成包含一氧化碳和环氧化物的气流；以及包含β-内酯、溶剂和羰基化催化剂的液流。在第二分离步骤中，液流进一步分为包含一部分β-内酯的β-内酯流400；和包含剩余β-内酯、溶剂和羰基化催化剂的催化剂再循环流500。β-内酯流400和催化剂再循环流500中至少一者返回到第一工艺步骤，其中其再装入额外环氧化物，并再次通过羰基化反应1。
在β-内酯是共溶剂且在进料流100中存在一种或一种以上较低沸点溶剂的某些实施例中，反应产物流200中β-内酯的分离是按两个阶段进行。在第一分离步骤中，反应产物流200被分成包含一氧化碳、环氧化物和低沸点溶剂的气流；以及包含β-内酯以及羰基化催化剂和较高沸点溶剂(如果存在的话)的液流。在第二分离步骤中，液流进一步分为包含一部分β-内酯的β-内酯流400；和包含剩余β-内酯、较高沸点溶剂(如果存在的话)和羰基化催化剂的催化剂再循环流500。β-内酯流400和催化剂再循环流500中至少一者返回到第一工艺步骤，其中其再装入额外环氧化物，并再次通过羰基化反应1。
在β-内酯是共溶剂且工艺流中存在一种或一种以上额外溶剂的某些实施例中，反应混合物中β-内酯的分离是按三个阶段进行。在第一分离步骤中，将反应产物流200分为包含一氧化碳和一部分环氧化物的气流；和包含剩余环氧化物、β-内酯、溶剂和羰基化催化剂的液流。在第二分离步骤中，液流分为包含额外环氧化物和较低沸点溶剂(如果存在的话)的环氧化物流；和包含β-内酯、较高沸点溶剂(如果存在的话)和羰基化催化剂的第二液流。在第三分离步骤中，第二液流进一步分为包含一部分β-内酯的β-内酯流400；和包含剩余β-内酯、较高沸点溶剂(如果存在的话)和羰基化催化剂的催化剂再循环流500。
在一些实施例中，在实现分离2之前，可处理反应产物流。额外处理21的非限制性实例包括加热、冷却、减压、加压、稀释、浓缩、脱气、过滤、纯化和这些处理的任何组合。此外，由反应产物流200放出反应产物流的气态组分(例如一氧化碳、环氧化物)可结合一种或一种以上处理21进行。
在一些实施例中，在其它操作前，进一步处理分离流(例如β-内酯流400和催化剂溶剂流500)。其他处理41、51的非限制性实例包括加热、冷却、减压、加压、稀释、浓缩、脱气、过滤、纯化、除去用过的催化剂、除去反应副产物、添加新鲜催化剂、添加一种或一种以上催化剂组分、添加溶剂和这些处理的任何组合。此外，由β-内酯流400和催化剂溶剂流500放出β-内酯流400和催化剂溶剂流500的气态组分(例如一氧化碳、环氧化物)可结合一种或一种以上处理41、51进行。
如上文所述，β-内酯可再循环回到羰基化反应器110或进料流100中。在一些实施例中，并非所有的β-内酯流420都再循环。取出一部分β-内酯流430，并带入丙烯酰化步骤3。
丙烯酰化
在一些实施例中，由分离步骤2得到的β-内酯流430任选被带到丙烯酸酯制造步骤。下文将较为详细地论述丙烯酸酯制造步骤。在丙烯酸酯制造步骤前，可任选以多种方式加工β-内酯流430。这一加工可包括(但不限于)：加热、冷却或压缩物流；将物流浓缩成液态并转入液体中；向物流中添加聚合反应抑制剂；将所选组分浓缩成液态并转入剩余气态组分中；将所选组分浓缩成液态并转入液化组分中；洗涤物流以除去杂质；和上述加工中两者或两者以上的任何组合。
接下来转向丙烯酸酯制造步骤，上文论述的分开的β-内酯流430被带到下一步，以将其中所含β-内酯转化成丙烯酸或丙烯酸衍生物。如上文所论述，在一些实施例中，分开的β-内酯流430可在分离步骤2与以气体或液体形式进入工艺中的丙烯酸酯制造阶段之间经历额外加工步骤。丙烯酸酯制造步骤本身可以气相或液相进行，并且可以纯净形式或在载气、溶剂或其它稀释剂存在下进行。
在某些实施例中，丙烯酸酯制造步骤是按连续流动形式进行。在某些实施例中，丙烯酸酯制造步骤是按连续流动形式以气相进行。在某些实施例中，丙烯酸酯制造步骤是按连续流动形式以液相进行。在某些实施例中，丙烯酸酯制造步骤是按分批或半分批形式以液相进行。
丙烯酸酯制造步骤可在多种条件下进行。在某些实施例中，反应可在一种或一种以上催化剂存在下进行，所述催化剂将促进β-内酯中间物转变成丙烯酸酯产物过程中的一个或一个以上步骤。此项技术中已知的许多催化剂可用于或适用于此步骤。在一些实施例中，条件包括与例如硫酸、磷酸或其酯等脱水剂反应，如美国专利第2,352,641号、第2,376,704号、第2,449,995号、第2,510,423号、第2,623,067号、第3,176,042号以及英国专利第GB 994,091号中所述，各案完整内容以引用的方式并入本文中。
在其它实施例中，内酯可与卤代化合物反应，以得到β卤基酸、β卤基酯或β卤基酸卤化物，其可接着经历脱氢卤化和/或溶剂分解作用，以得到相应的丙烯酸或丙烯酸酯。在某些实施例中，在本工艺中使用美国专利第2,422,728号(以引用的方式并入本文中)中揭示的条件。
在其它实施例中，可用碱催化丙烯酸酯制造工艺，例如参看有机化学杂志(Journalof Organic Chemistry)，57(1)，389-91(1992)以及其中的参考文献，所述文献的完整内容以引用的方式并入本文中。
在某些实施例中，所述工艺的丙烯酸酯制造阶段可通过将来自前述步骤的分开的β-内酯流430与醇蒸气组合，并使气相混合物通过固体柱或会影响向丙烯酸酯的转化的固体支撑的促进剂来进行。在某些实施例中，根据美国专利第2,466,501号(其完整内容以引用的方式并入本文中)的方法，所述工艺是在包括活性碳的促进剂上进行。
在一些实施例中，使分开的β-内酯流430中的β-内酯聚合，并通过聚合物分解获得丙烯酸或其盐生物。在某些实施例中，β-内酯是丙内酯，且聚合物是聚(3-羟基丙酸)(3-HPA)。在某些实施例中，使用美国专利第2,361,036号、第2,499,988号、第2,499,990号、第2,526,554号、第2,568,635号、第2,568,636号、第2,623,070号和第3,002,017号(各案完整内容以引用的方式并入本文中)中所述的方法形成和分解3-HPA。
在某些实施例中，β-内酯产物流与具有式Y-H的亲核试剂反应。在某些实施例中，Y选自由卤素、-OR13、-NR11R12和-SR13组成的群组，其中R11、R12和R13独立地选自由以下组成的群组：-H、任选取代的C1-32脂肪族基、任选取代的C1-32杂脂肪族基、任选取代的3元到14元碳环和任选取代的3元到14元杂环，且其中R11和R12可任选与插入原子连在一起形成任选含有一个或一个以上杂原子的任选取代的环。
在某些实施例中，β-内酯产物流与具有式Y-H的亲核试剂反应，得到具有式II的丙烯酸酯：
在某些实施例中，Y-H是具有式R11R12N-H的胺，且产物是丙烯酰胺。在某些实施例中，条件如美国专利第2,548,155号、第2,649,438号、第2,749,355号和第3,671,305号中所揭示，各案完整内容以引用的方式并入本文中。
在某些实施例中，β-内酯产物流与具有式Y-H的亲核试剂反应，得到具有式III的酸：
在某些实施例中，式III化合物是使用美国专利第2,449,992号、第2,449,989号、第2,449,991号、第2,449,992号和第2,449,993号中所揭示的条件获得，各案完整内容以引用的方式并入本文中。
在β-内酯产物流与具有式Y-H的亲核试剂反应以得到具有式III的酸且Y是-OR13、-NR11R12或-SR13的某些实施例中，酸经过脱水，得到具有式II的丙烯酸酯。
在某些实施例中，根据美国专利第2,376,704号(完整内容以引用的方式并入本文中)的方法和条件进行III向II的转化。
在某些实施例中，由前述步骤得到的丙烯酸酯产物流可经历额外纯化步骤。在某些实施例中，根据美国专利第3,124,609号、第3,157,693号、第3,932,500号、第4,82,652号、第6,048,122号、第6,048,128号、第6,084,128号和第6,207,022号(各案完整内容以引用的方式并入本文中)中揭示的方法纯化物流。
实例
本部分中使用了数个首字母缩略词和缩写。为清楚起见，此处提供最常见的首字母缩略词和缩写。环氧乙烷(“EO”)；一氧化碳(“CO”)；环氧丙烷(“PO”)；转化频率(“TOF”)；丙内酯或β-丙内酯(“PL”)；丁内酯或β-丁内酯(“BBL”)；浓度用括号指示，例如丙内酯的浓度[PL]；冷冻-抽气-解冻(“FPT”)。
实例1：温度和压力效应。
通过改变温度和压力来研究温度和压力对EO羰基化的影响。
表1.温度和压力对THF中催化剂活性的影响
*条件：EO(1.8M；奥麒公司(Arc))，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4](60μmol)，EO∶催化剂＝1500∶1，总体积：50mL(于THF中)，搅动速度：730rpm，反应时间：3小时，且内标物：六甲基苯。
a催化剂：六甲基苯(0.5mmol；阿法埃沙公司(Alfa Aesar)(马萨诸塞州沃德希尔(Ward Hill，MA)))，和THF(从柱得到；FPT*2)
b催化剂：六甲基苯(1.0mmol；TCI公司)和THF(经筛干燥并储存于手套箱中；FPT*2)
cEO(环氧乙烷)、Ald.(乙醛)、PL(丙内酯)和SA(琥珀酸酐)
在30℃下压力由200psi CO增加到600psi，将使丙内酯的产率加倍(参看表1中29-39和29-59)。当在200psi CO下，反应温度由30℃增加到60℃(参看29-39和29-54)时，反应完成且丙内酯产率超过三倍。
反应程序A；环氧乙烷在THF中发生羰基化的反应程序
真空干燥300mL帕尔反应器(Parr reactor)过夜。在氮气手套箱中，向反应器中装入[(ClTPP)Al][Co(CO)4](66mg，60mmol)、六甲基苯(162mg，1.0mmol)和THF(经分子筛干燥，并冷冻、抽气和解冻3次)，随后封闭，并从手套箱中取出。在真空中将环氧乙烷从EO气阀瓶转移到转移容器中。将帕尔反应器冷却到-78℃，并对反应器施加高真空。将真空与反应器断开，并将转移容器连接到帕尔反应器以便在真空中将EO从转移容器转移到-78℃的反应器。使反应混合物升温到环境温度，并通过用CO将反应器加压到所需CO压力的3/4(例如150psi)来实现CO饱和，随后加热到所需温度。反应混合物温度达到所需温度后，将反应器加压到所需压力(例如200psi)。搅动反应混合物3小时。将反应器冷却到＜0℃，并通风。对一部分反应混合物取样，并通过在CDCl3中进行1H NMR加以分析。
实例2：催化剂装载量
使催化剂浓度加倍，以观察活性是否随催化剂浓度增加而成比例增加(表2中Nov29-39和29-43)。
表2.反应时间和催化剂装载量(30℃；200psi CO)
*条件：EO(1.8M)，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4](60μmol)，EO∶催化剂＝1500∶1，总体积：50mL(于THF中)，搅动速度：730rpm，反应时间：3小时，内标物：六甲基苯(0.5mmol；阿法埃沙公司(Alfa Aesar))，和THF(从柱得到；FPT*2)
除催化剂装载量外，所用反应程序与程序A相同。
实例3：评价作为CO源的合成气
合成气是一种具有成本效益的CO源，并且使用合成气可降低工业规模环氧乙烷羰基化的成本。使用CO与H2的1∶1混合物来测试环氧乙烷羰基化(表3中的Nov29-72和Nov29-73)。在反应混合物的1H NMR谱图中未发现氢甲酰化产物3-羟基丙醛或1，3-丙二醇。
表3.合成气
*条件：EO(1.8M；奥麒公司(Arc))，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4](60μmol)，EO∶催化剂＝1500∶1，总体积：50mL(于THF中)，搅动速度：730rpm，反应时间：3小时，且内标物：六甲基苯。
a催化剂：六甲基苯(0.5mmol；阿法埃沙公司(Alfa Aesar))，和THF(从柱得到；FPT*2)
b催化剂：六甲基苯(1.0mmol；TCI公司)和THF(经筛干燥并储存于手套箱中；FPT*2)
除CO源外，所用反应程序与程序A相同。CO与H2的50∶50混合物是购自埃尔盖斯公司(Airgas)(宾夕法尼亚州拉德诺(Radnor，PA))(合格级；50％研究+级(ResearchPlus Grade)CO和50％研究级H2)。
实例4：环氧乙烷在高沸点溶剂中进行羰基化
研究在高沸点溶剂中环氧乙烷进行的羰基化。在以连续流动方式制造丙内酯的工艺中，将通过由反应混合物蒸馏来分离丙内酯，而且这一工艺需要高沸点溶剂。根据由环氧丙烷羰基化得到的结果，选出高沸点溶剂的三种最佳候选物。在三种高沸点溶剂中进行的反应的催化剂活性是在THF中催化剂活性的约1/5(表4)。
表4.高沸点溶剂
*条件：EO(1.8M；奥麒公司(Arc))，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4](60μmol)，EO∶催化剂＝1500∶1，反应时间：3小时；THF、DBE、环丁砜和碳酸丙二酯(propiocarbonate)(经筛干燥；FPT*2)；且内标物：六甲基苯(1.0mmol；TCI公司)。
反应程序B；环氧乙烷在高沸点溶剂中进行羰基化的反应程序
真空干燥300mL帕尔反应器过夜。在氮气手套箱中，向反应器中装入[(ClTPP)Al][Co(CO)4](66mg，60mmol)和六甲基苯(162mg，1.0mmol)，随后封闭，并从手套箱中取出。在N2下，经由注射器添加溶剂(DBE、环丁砜或碳酸丙二酯；各溶剂经分子筛干燥并脱气)。在真空中将环氧乙烷从EO气阀瓶转移到转移容器中。将帕尔反应器冷却到-78℃，并对反应器施加高真空。将真空与反应器断开，并将转移容器连接到帕尔反应器以便在真空中将EO从转移容器转移到-78℃的反应器。使反应混合物升温到环境温度，并通过用CO将反应器加压到所需CO压力的3/4(例如150psi)来实现CO饱和，随后加热到所需温度。反应混合物温度达到所需温度后，将反应器加压到所需压力(例如200psi)。搅动反应混合物3小时。将反应器冷却到＜0℃，并通风。对一部分反应混合物取样，并通过在CDCl3中进行1H NMR加以分析。
实例5：在DBE中进行的EO羰基化(实验设计)
DOE的目标是发现影响催化剂([(ClTPP)Al(THF)2][Co(CO)4])活性的主要因素以及发现用于在DBE中执行EO羰基化的最佳反应条件。由于在DBE(琥珀酸二甲酯、戊二酸二甲酯和己二酸二甲酯的混合物)中进行的反应所显示的β-丙内酯(PL)产率是初步高沸点溶剂筛选反应中最高的，故选择DBE作为所选溶剂。使用统计学软件8.0(SAS软件公司，北卡罗莱纳州卡雷(Cary，NC))来设计和分析DOE执行情况。使用筛选设计来建立实验设计。选择6个连续因子([EO]、温度、CO压力、搅动速度、时间和EO/催化剂比率)进行DOE(表8)。建立利用这6个连续因子的部分因子型设计。这一设计需要进行16轮以分析6个因子和某两个因子相互作用的影响。包括执行其它3个中心点以测量DOE执行的可变性(表5)。
表5.DOE因子；在DBE中进行的EO羰基化
*条件：EO：购自奥麒公司(Arc)，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4]，总体积：60mL，溶剂：DBE(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)；经筛干燥；FPT*3；并储存于手套箱中)，内标物：1，4-二叔丁基苯(1mmol)
表6.DOE反应；在DBE中进行的EO羰基化
*YAld：根据乙醛和内标物(二叔丁基苯)的1H NMR积分得到的乙醛产率；YPL：β-丙内酯产率；YSA：琥珀酸酐产率；YEO：反应混合物中剩余EO的百分含量；TOFPL＝YPL*[EO]0/(时间*[催化剂])；且TOFCO＝(YPL*[EO]0+YSA*[EO]0)/(时间*[催化剂])。
反应程序C；环氧乙烷在DBE中进行羰基化的反应程序(DOE执行；参看下图)
真空干燥300mL帕尔反应器过夜。在氮气手套箱中，向反应器中装入1，4-二叔丁基苯(190mg，1.0mmol)和DBE(经分子筛干燥，且冷冻、抽气和解冻3次)。向连接到反应器的粒化槽中装入[(ClTPP)Al][Co(CO)4]和10mL DBE。封闭反应器并从手套箱中取出。在真空中将环氧乙烷从EO气阀瓶转移到转移容器中。将帕尔反应器冷却到-78℃，并对反应器施加高真空。将真空与反应器断开，并将转移容器连接到帕尔反应器以便在真空中将EO从转移容器转移到-78℃的反应器。使反应混合物升温到环境温度，并开启搅动器。将反应器加热到所需温度。反应混合物温度达到所需温度后，将粒化槽加压到所需CO压力的3/4。将粒化槽朝反应器打开，以使催化剂溶液能被添加到反应器中。将反应器加压到所需压力。搅动反应混合物指定时间段，随后将其冷却到-20℃，并通气。对一部分反应混合物取样，并通过在CDCl3中进行1H NMR加以分析。
针对DOE的反应(表9)为乙醛产率(％)、PL产率(％)、琥珀酸酐(SA)产率(％)、EO(％)、TOFPL((PL产率*[EO]0)/(时间*[催化剂]))和TOFCO(每小时每一催化剂CO的插入量)。
实例6：在80℃下于环丁砜中进行的EO羰基化
在80℃下于环丁砜中进行EO羰基化，以与在80℃下于DBE中进行的羰基化的反应结果相比较(表7)。反应是在与第13轮DOE相同的反应条件下执行。尽管CO的插入速率(TOFCO)看起来比第13轮DOE慢，但高PL产率和TOFPL表明，环丁砜是供环氧乙烷羰基化的较佳溶剂。
表7
*条件：EO：购自奥麒公司(Arc)，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4]，总体积：60mL，溶剂：环丁砜(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)；经筛干燥；FPT*3)，内标物：1，4-二叔丁基苯(1mmol)，与DOE执行的反应程序相同。
除溶剂外，所用反应程序与程序C相同。环丁砜购自阿尔德里奇公司，经筛干燥且FPT*3。
实例7：筛选[(萨夫)M][Co(CO)4]催化剂。
筛选具有式IV和式V中所示结构的催化剂作为用于EO羰基化的催化剂候选物。尽管[(萨夫)Cr][Co(CO)4]所显示的活性是[(ClTPP)Al][Co(CO)4]活性的2倍，但[(萨夫)Al][Co(CO)4]显示的活性比[(萨夫)Cr][Co(CO)4]低得多(表11)。催化剂的NMR分析显示，催化剂批料含有杂质。
式IV和式V
表8
aClTPPAl＝[(ClTPP)Al][Co(CO)4]
bsalphCr＝[(萨夫)Cr][Co(CO)4]
csalphAl＝[(萨夫)Al][Co(CO)4]
*条件：EO：购自奥麒公司(Arc)，[EO]＝1.4M，总体积：60mL，溶剂：DBE(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)；经筛干燥；FPT*3)，内标物：1，4-二叔丁基苯(1mmol)，与DOE执行的反应程序相同。
除催化剂外，所用反应程序与程序C相同。
实例8：在DBE和环丁砜中的反应IR实验
使用反应IR探针来监测在DBE和环丁砜中进行的EO羰基化。通过反应IR监测在环丁砜中进行的两个反应(Nov29-105和Nov29-108；表9)。监测反应期间PL(1823cm-1)、EO(867cm-1)和乙醛(1724cm-1)的吸光度，且吸光度与时间的关系图显示于图3和图4中。
表9
*条件：EO：购自奥麒公司(Arc)，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4]，总体积：108mL，溶剂：环丁砜(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)；经筛干燥；FPT*3)，内标物：1，4-二叔丁基苯(1mmol)
反应程序D；通过反应IR监测环氧乙烷在DBE中进行羰基化的反应程序
在氮气手套箱中，向配备IR标记探针的300mL帕尔反应器中装入1，4-二叔丁基苯(190mg，1.0mmol)。封闭反应器并从手套箱中取出。将IR标记探针连接到反应IR(梅特勒-托利多公司(Mettler-Toledo)，俄亥俄州哥伦布(Columbus，OH))。在N2下，经由注射器将环丁砜(经分子筛干燥，并脱气)添加到反应器中。在真空中将环氧乙烷从EO气阀瓶转移到转移容器中。将帕尔反应器冷却到0℃，并对反应器施加高真空。将真空与反应器断开，并将转移容器连接到帕尔反应器以便在真空中将EO从转移容器转移到反应器。使反应混合物升温到环境温度，并开启搅动器。将粒化槽连接到反应器，并装入[(ClTPP)Al][Co(CO)4]和10mL环丁砜。将反应器加热到所需温度。反应混合物温度达到所需温度后，将粒化槽加压到所需CO压力的3/4。将粒化槽朝反应器打开，以使催化剂溶液能被添加到反应器中。将反应器加压到所需压力。通过反应IR监测反应。
即使在PL的形成达到平稳状态后很长一段时间，也未形成琥珀酸酐(图3；表9)。
也使用反应IR监测在DBE中进行的EO羰基化(表10)。对DOE实验程序中有关这一反应的反应程序进行修改，以避免形成乙醛。在帕尔反应器中，将催化剂的DBE溶液加压到200psi，保持40分钟。温度由室温增加到80℃，同时将反应器加压到200psi。将EO添加到粒化槽中，随后用CO将粒化槽加压到600psi。通过打开连接粒化槽和帕尔反应器的阀门，将EO添加到帕尔反应器中。尽管反应混合物用CO预先饱和，但针对反应后取得的样品进行的1H NMR分析显示，在反应中产生乙醛。
表10
*条件：溶剂：DBE(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)；经筛干燥；FPT*3)，EO：购自奥麒公司(Arc)，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4]，总体积：100mL，内标物：1，4-双(三甲基硅烷基)苯(1.11mmol)。
除溶剂外，所用反应程序与程序D相同。
绘制PL(1823cm-1)、EO(867cm-1)和SA(1791cm-1)的吸光度随时间变化的曲线，并显示于图5中。乙醛(1724cm-1)峰与DBE峰重叠，并且无法监测。所述曲线显示，第二次羰基化(由PL转化成SA)比在DBE中进行的第一次羰基化(由EO转化成PL)快得多。
实例9：初始添加β-丙内酯(PL)的影响
使用反应IR测试在开始反应前将PL外源添加到反应混合物中的影响。使用PL作为溶剂或共溶剂对于在商业规模上进行EO羰基化的工艺来说是一个值得关注的想法，因为其可促进PL的分离。然而，PL本身可与CO反应产生SA。用200psi CO使1.0MPL于含有催化剂的环丁砜中的溶液预先饱和，保持40分钟，随后在400psi CO下，将EO添加到催化剂溶液中。
表11
*条件：EO：购自奥麒公司(Arc)，催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4]，总体积：100mL，溶剂：环丁砜(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)；经筛干燥；脱气)、PL(购自阿尔德里奇公司；经筛干燥；脱气)，内标物：1，4-双(三甲基硅烷基)苯(1.11mmol)。
反应程序E；通过反应IR监测环氧乙烷在PL和环丁砜中进行羰基化的反应程序
在氮气手套箱中，向配备IR标记探针的300mL帕尔反应器中装入1，4-双(三甲基硅烷基)苯(1.11mmol)和[(ClTPP)Al][Co(CO)4](0.36mmol)。封闭反应器并从手套箱中取出。将IR标记探针连接到反应IR。在N2下，经由注射器将环丁砜(经分子筛干燥；并脱气)和PL(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)；经筛干燥；FPT*3)添加到反应器中。开启搅动器，并将反应混合物加热到所需温度。将粒化槽连接到反应器，并装入环氧乙烷。反应混合物温度达到所需温度后，将粒化槽加压到所需CO压力的3/4。将粒化槽朝反应器打开，以使EO能被添加到反应器中。将反应器加压到所需压力。通过反应IR监测反应。
在1H NMR中未观察到SA形成，这意味着，在预先饱和步骤期间以及在反应期间，在催化剂存在下PL不与CO反应(在预先饱和步骤期间，温度由室温匀变到80℃并保持40分钟)。
在反应期间，监测PL、EO和乙醛的吸光度(图6)。甚至在用CO预先饱和后，当添加EO时乙醛的吸光度仍迅速升高，且在最初的急剧增加后，接着缓慢增加。
实例10：β-丙内酯的浓度对催化剂活性的影响
为了解在高PL含量中催化剂的表现，将研究[PL]对催化剂活性的影响。
A.在环丁砜中β-丙内酯浓度对催化剂活性的影响
使用PL(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)，经分子筛干燥，并3次FPT)作为共溶剂，以研究在环丁砜中PL浓度对催化剂活性的影响(表12)。通过反应IR测量催化剂活性。
表12
*条件：EO：购自奥麒公司(Arc)，1.8M；催化剂：[(ClTPP)Al][Co(CO)4]，0.36mmol，溶剂：环丁砜(购自阿尔德里奇公司(Aldrich)；经筛干燥；脱气)，搅动500rpm，总体积100mL；温度65℃；CO压力400psi
*程序：在65℃下，在400psi CO下将EO添加到含有催化剂、环丁砜和PL的反应混合物中。
*初始速率：在前5分钟期间，PL的形成速率
除PL的量外，所用反应程序与程序E相同。
绘制在EO羰基化的前5分钟期间PL的形成随时间变化的图(图7)，并由线的斜率计算PL形成速率。通过使用以下由[PL]和IR吸光度的线性平方拟合得到的等式，将PL的吸光度转化成浓度。
[PL]＝2.4367AU-0.081      (AU＝吸光度单位)
如表15中所示，在较高[PL]下，催化剂活性降低，且对[PL]呈现高度依赖性。
实例11：在THF中β-丙内酯的浓度对催化剂活性的影响
将EO转化成PL并积累到某一水平，以此代替在反应前添加PL。在EO羰基化的中间，当[PL]达到某一水平时，添加第二批催化剂。通过反应IR监测在所述时间点时PL的形成速率。另外，THF用作溶剂以增加活性，并满足目标PL形成速率。
由为计算催化剂活性而执行的反应(29-135)得到的一个反应曲线显示于图8中。通过在600psi CO下，在65℃下将EO添加到催化剂与THF的混合物中来开始反应(图8中的点A)。通过反应IR监测反应，并且当PL含量达到13.8重量％时，在600psi CO下，将第二批催化剂(0.18mmol)添加到反应混合物中(图8中的点B)。
用刚好在点B后的PL形成速率减去刚好在点B前的PL形成速率，获得在13.8重量％PL存在下的催化剂活性(1.76M)。使用类似实验程序和计算方法，也获得在24.5重量％PL存在下的催化剂活性(表16)。
表13.PL的形成速率(催化剂1.8mM；65℃；600psi CO)
使用下文所示的等式，将在1832cm-1处PL峰的吸光度单位转化成浓度。[PL]对IR吸光度单位的曲线显示，当[PL]接近3M时，IR吸光度与[PL]之间的关系偏离线性。因此，使用最佳拟合多项式(polynomial best fit)来获得转化等式。
[PL]＝0.5075*AU3-0.0573*AU2+2.0525*AU+0.0028(AU＝吸光度单位)
实例12：环氧丙烷的羰基化
通过改变温度、CO压力和溶剂，研究环氧丙烷的羰基化。使环氧丙烷与一氧化碳在含有[(ClTPP)Al][Co(CO)4]、六甲基苯(内标物)和溶剂的300mL帕尔反应器中反应。
表14
*条件：[环氧丙烷]＝90mmol(1.8M)，[(ClTPP)Al][Co(CO)4]＝0.06mmol(1.2mM)，3小时
*在这些反应中未观察到琥珀酸酐。
a产率是基于PO、β-丁内酯、丙酮和内标物(六甲基苯)的1H NMR积分。
b在添加PO前，反应混合物未用CO预先饱和。
如上表所示，与在1，4-二噁烷中的情形相比较，在THF中获得较高产率的β-丁内酯，并且通过在55℃和200psi CO下于THF中进行的反应获得最高产率。
连续3小时，每小时通过对反应混合物取样来监测在90℃和30℃下在200psi CO下于1，4-二噁烷中进行的两个反应。如图9和图10中所示，在90℃下反应混合物中丙内酯的百分含量在1小时后不增加，而在30℃下反应混合物中丙内酯的百分含量随时间平稳增加，这表明在前一小时反应期间催化剂在90℃下钝化。
环氧丙烷羰基化的代表性反应程序
真空干燥300mL帕尔反应器过夜。在氮气手套箱中，向反应器中装入[(ClTPP)Al][Co(CO)4](66mg，60μmol)和六甲基苯(81mg，0.50mmol)，随后封闭，并从手套箱中取出。在N2下，经由注射器添加溶剂。通过用CO使反应器加压到约15psi，使反应混合物实现CO饱和。经由注射器将环氧丙烷(6.3mL，90mmol)添加到反应器中。用CO将反应器加压到所需CO压力的3/4(例如150psi)，随后加热到所需温度。反应混合物温度达到所需温度后，将反应器加压到所需压力(例如200psi)。搅动反应混合物3小时。将反应器冷却到＜0℃，并通风。对一部分反应混合物取样，并通过在CDCl3中进行1H NMR加以分析。
实例13：高沸点溶剂-溶剂筛选
主要根据沸点，选择用于筛选工艺的溶剂。为实现与丙内酯(b.p.＝160℃)的有效分离，需要沸点相差30度。初始筛选包括二元酯(DBE)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、三甘醇二甲醚、碳酸丙二酯和环丁砜。环氧丙烷因易于使用而被用作环氧乙烷的模型。
收集例如介电常数、偶极矩、供体数和CO溶解度等溶剂参数，并与所述活性相比较(在恩多夫反应器(Endeavor reactor)中测试，表15)。
表15.高沸点溶剂筛选
a供体数是对阳离子溶剂化能力的量度。对于路易斯碱与SbCl5之间形成的1∶1加合物于C2H4Cl2中的稀溶液，供体数为负焓值。
b反应条件：帕尔反应器，[PO]＝1.0M，[催化剂]∶[PO]＝500，40℃，850psi CO。
c反应条件：恩多夫反应器，[PO]＝1.8M，[催化剂]∶[PO]＝500，40℃，200psi CO。
d报导的值是针对乙酸乙酯。
溶剂选择和优化
在针对环氧丙烷羰基化所筛选的所有溶剂中，选择二元酯和环丁砜来继续进一步研究。简单地调整反应温度和压力，引起在两种情况下活性的改进(表21)。一般说来，催化剂在环丁砜中显示较低活性，但增加温度和CO压力将明显改进活性。此外，在THF与环丁砜的混合物(条目5)中进行羰基化也显示活性的改进。在所有情况下，在环丁砜中进行羰基化都具有高度选择性，同时未观察到例如甲基琥珀酸酐等副产物。
表16.在高沸点溶剂中进行PO的羰基化。a
a反应条件：恩多夫反应器，[PO]＝1.8M，5mL溶液体积。
通过增加温度和CO压力也将改进在DBE中羰基化的速率。然而，在DBE中的选择性不如在环丁砜中的高。特别是在较高温度下会形成大量甲基琥珀酸酐(图11)。应注意，在此反应的开始控制温度很难，在前45分钟里温度高达77℃。很明显，内酯和酸酐的形成是连续的，而不是同时发生的。利用较佳的温度控制重复本实验(图12)，将减缓整个反应，包括减缓酸酐的形成。当另外注入环氧丙烷时，形成少量酸酐。此时，内酯似乎是以相同速率形成，而酸酐的浓度保持恒定，进一步支持了以下理论：酸酐只是在消耗绝大部分环氧化物后才形成。这一特点表明，利用适宜的条件，将有可能在DBE中以高产率合成内酯，同时积累的酸酐极少。
方案6.环氧丙烷羰基化
实例14：催化剂的寿命
初步筛选
为了分析催化剂能保持活性的持续时间，利用极少催化剂装载量([PO]∶[催化剂]＝10,000)进行一个简单的实验(表23，条目1)。反应在25小时内完成，且在反应结束时的样品表明转化率与时间呈线性关系(图13)。在较高催化剂装载量下进行的PO羰基化的转换频率(TOF)通常为约500TO/h，并且甚至在较低催化剂装载量下，获得的TOF也达到400TO/h。
表17.在低催化剂装载量下于THF中进行的PO羰基化a
a反应条件：帕尔反应器，[PO]＝1.8M，55℃，THF。
在[PO]∶[催化剂]＝20,000-35,000下，观察到明显偏离线性转化。导致这一偏离的可能原因包括溶剂或基质中的杂质，这些杂质可能在低催化剂装载量下对反应结果具有较大影响。也可能产物内酯可通过与环氧化物竞争接近催化剂而抑制羰基化反应。最后，CO在内酯中的溶解度远低于环氧化物中的溶解度，因此当反应进展时，CO的浓度可降低。
连续单体添加
为了评价循环和/或连续工艺，通过添加一系列单体来进行实验。使反应完成(3小时)，此时添加另一等分的基质(图14)。再使反应过夜进行到完成，此时又添加另一份基质样品。此第三样品仅达到约50％转化。出现此活性丧失的原因与上文所列类似：通过连续添加单体积累的杂质、竞争性产物抑制；以及催化剂和CO浓度的改变。
实例15：催化剂热稳定性
热重分析(Thermo-Gravimetric Analysis，“TGA”)实验
为了评价催化剂对潜在蒸馏条件的稳定性，研究人员首次着手研究催化剂本身的热分解性。使用TGA来研究[(ClTPP)Al][Co(CO)4]的分解，并且在约150℃下开始，分解导致约24％质量损失，且到约210℃，完全分解。
分解研究
通过在施伦克管(Schlenk tube)中，在200℃下加热材料2天，来验证这一热分解特点。针对此分解的化合物的元素分析显示相比初始化合物或理论计算值较低的碳和氢含量以及较高的氮和铝含量(表24)。1H NMR谱图显示对应于已知催化剂的峰与新峰的混合。此外，经过加热的材料展现98％的催化活性丧失。
表18.在热分解的催化剂存在下于THF中进行的PO羰基化.
a反应条件：恩多夫反应器，[PO]＝1.8M，[PO]∶[催化剂]＝500，40℃，400psi，THF。
初步热循环
为进一步进行热分解研究，制备催化剂于指定溶剂中的溶液并将溶液预加热到90℃(真空蒸馏的常规温度)。随后冷却溶液，添加环氧丙烷并照常进行羰基化。在THF和环丁砜都存在的情况下，在预加热阶段后活性与未加热的反应相当。
表19.利用预加热循环进行PO的羰基化。
a反应条件：帕尔反应器，[PO]＝1.8M。对于预加热循环，催化剂和溶剂在N2下加热。
再循环
构造用于直接蒸馏帕尔反应器中的内酯产物的设备。
即使内酯与二元酯溶剂之间存在超过30℃的沸点差异，这一简易设备也无法提供清洁的蒸馏。事实上，反应器中超过一半的溶剂与内酯产物一起蒸馏出来。为此，选择环丁砜(沸点＝296℃)作为用于初始催化剂再循环研究的溶剂(表26)。羰基化条件保持恒定，即60℃和400psi CO，但在每一循环后，随反应稳定增加蒸馏温度。在90℃和100℃下蒸馏后，催化剂似乎仍保持活性，但在110℃下蒸馏后活性明显下降。
表20.利用再循环于环丁砜中进行PO的羰基化。a
a反应条件：帕尔反应器，[PO]＝1.8M，[PO]∶[催化剂]＝250，60℃，400psi，环丁砜。
通过在反应期间取样于环丁砜中进行的第二次再循环实验显示于下图15中。在第二次循环期间，在90℃下蒸馏35分钟后活性似乎略有降低，并且未实现完全转化。然而，通过NMR分析环丁砜溶液因典型内标物不溶于环丁砜中且环丁砜峰与所预期的副产物峰重合而变得更复杂。
实例16：NMR光谱法
一段时间里，NMR光谱法已成为标准分析方法(图16)。然而，在很大程度上，来自此谱图的唯一有用信息是催化剂中THF的量。两个THF分子结合于Al中心，且不完全干燥可产生其它分子(通常0.2到1.0个)。
实例17：红外光谱法
催化剂的Co(CO)4组分在1888cm-1处具有较强吸收。NaCo(CO)4起始物质的峰从此处偏移。图17绘示了催化剂产品与两种起始物质的覆盖图。预期在约465cm-1处的峰是针对(Cl-TPP)AlCl起始物质的Al-Cl键，但在600cm-1以下的数据已经切断。
实例18：催化剂稳定性
有关环氧乙烷羰基化形成丙内酯的连续工艺的设计需要一种长时间保持活性的催化剂。有许多因素可能影响催化剂的长期稳定性，包括温度、溶剂、杂质和物质相容性。
羰基化：羰基化反应显示于下文的方案8中。环氧化物与路易斯酸Al+中心配位，随后亲核试剂通过[Co(CO)4]-阴离子攻击环氧化物，使环氧化物开环(2)。插入CO通常迅速形成Co-酰基3，这是催化剂在THF中的静止状态。内酯的闭环反应是在THF中的速率控制步骤，随后发生内酯损失和另一溶剂分子的配位，由此重组离子对1。然而，在高温和低CO浓度下，2可发生β-氢消除反应，形成酮分子，这是一个快速的放热反应。在某些溶剂中，内酯可继续发生羰基化而形成酸酐分子。这一反应通常在高温下且在环氧化物浓度极低时发生。酸酐的形成也与溶剂相关，其中在DBE中极快，而在THF和环丁砜中几乎不存在。
方案8.在[(ClTPP)Al]+[Co(CO)4]-存在下进行的环氧化物羰基化。
催化剂热稳定性 为了评估催化剂的热稳定性，在施伦克管中，在N2下加热催化剂，并在恩多夫反应器中测试所得物质的PO羰基化活性(表29)，以确定温度和时间对于催化剂活性的重要性。在研究条件下，大部分催化剂残余物都保持其活性(条目2到5，表29)。只有长时间暴露于高温的催化剂(条目6和7)产生具有较低活性的物质。看起来催化剂可承受高温的时间不超过5小时。来自条目6的物质的1H NMR光谱分析显示存在较宽的芳香族基团峰，而此物质似乎是式[(ClTPP)Al][Co(CO)4](THF)，其中通过NMR分析，起始催化剂(条目1)具有式[(ClTPP)Al][Co(CO)4](THF)2.5。条目7中产生的物质不幸地不溶，因此不可能进行NMR分析。
表21.在预加热催化剂存在下进行的PO羰基化。a
a催化剂在N2下于指定温度下加热指定时间。PO羰基化条件：恩多夫反应器，[PO]＝1.8M，[PO]∶[催化剂]＝500，THF 40℃，200psi，2小时。b反应时间＝3小时。
实例19：反应IR监测。
环氧丙烷和环氧乙烷羰基化反应的代表性谱图分别显示于图18和图19中。可监测产物内酯的形成(对于BBL，1827cm-1；且对于PL，1836cm-1)以及酮和酸酐副产物的形成。也可能跟踪催化剂形式，其中在1887cm-1处的峰对应于催化剂1，且在1715cm-1处的峰对应于Co酰基3。在DBE中，1的峰在添加环氧化物后迅速消失(＜15秒)，并且很难观察到3的出现，因为其峰与酮以及酯基在DBE中的峰重合。在环丁砜中，未观察到1887cm-1处的峰，然而，注意到在1570-1700cm-1区中存在许多其它峰，但尚未鉴别出来。
实例20：溶剂稳定性
通过经18小时监测溶液在N2下的IR谱图来评价催化剂在DBE-3中的稳定性。在此时间段期间，1887cm-1处对应于[Co(CO)4]-的峰保持恒定。将PO和CO添加到催化剂溶液中，且羰基化反应在2.5小时内完成。在循环结束时，[Co(CO)4]-峰恢复到其初始值的79％(浓度校正是添加PO所致)。然而，在蒸馏期间，此峰似乎衰减，且随后添加PO导致弱羰基化活性。
实例21：压力作用
在先前于DBE中进行EO羰基化的DOE实验组中，并未观察到压力的作用，因此一般使用400psi，并且在很大程度上忽略任何潜在的压力作用。然而，至少在环丁砜中，研究人员测得尽管初始速率类似，但随时间推移，在600psi下进行的反应比在400psi下进行的反应好得多(图20)。
实例22：温度
进行反应温度的比较以帮助确定催化剂测试单元的最佳条件。本测试的结果显示于下图21中。在50℃和65℃下，通过一式两份注入EO(都为1.8M)来进行反应。在65℃下的速率是在50℃下速率的2倍多。图21说明了条件和所得反应速率的比较。

Claims (1)

1.一种方法，其包含以下步骤：
使包含环氧化物、溶剂、羰基化催化剂和一氧化碳的进料流内含物反应，以产生包含β-内酯的反应产物流；
使所述反应产物流中所述β-内酯的至少一部分与所述溶剂和羰基化催化剂分离，以产生：
i)包含β-内酯的β-内酯流，和
ii)包含羰基化催化剂和溶剂的催化剂再循环流；以及
将所述催化剂再循环流添加到所述进料流中。
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