CN106117027A

CN106117027A - 利用微结构反应器制备环柠檬醛的方法

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Publication number: CN106117027A
Application number: CN201610446887.6A
Authority: CN
Inventors: 姚型军; 王东亭; 姜松; 赵璇; 陈晨
Original assignee: Liaocheng University
Current assignee: Liaocheng University
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: CN106117027B

Abstract

本发明是一种利用微结构反应器制备环柠檬醛的方法。其步骤是将液体原料柠檬醛与有机胺按摩尔比1:0.8～1.5同时泵入管式反应器或微结构反应器中进行胺化反应,反应器反应温度控制在‑10～20℃，控制反应液的流速使其在反应器中的总停留时间为0.1～25min,将得到的醛亚胺与浓硫酸注入另外一个微结构反应器中进行关环反应。反应产物经过氢氧化钠溶液中和，酸性水解，分液，减压蒸馏，干燥得到浅黄色油状产品环柠檬醛。本发明方法反应时间短，反应温度精准可控，产品选择性，收率高。本发明步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

利用微结构反应器制备环柠檬醛的方法

技术领域

本发明属于环柠檬醛制备领域，特别涉及利用微结构反应器制备环柠檬醛的方法。

背景技术

环柠檬醛是环叶香烯衍生物的一种，有α、β两种同分异构体，是一种重要的有机合成中间体，可以利用其合成突厥酮，突厥烯酮，环香叶醇等名贵香料。柠檬醛是紫苏、吉龙草等植物精油的主要成分，其中山苍子油中含量达80％。山苍子油广泛分布在我国湖南、云南、江西、广西等地，年产山苍子油4000多吨，是我国重要的精油资源。利用柠檬醛为原料合成环柠檬醛，是深度开发我国天然资源的重要途径之一。

目前合成环柠檬醛的方法有两种，一种是柠檬醛用一级或二级胺保护醛基，在酸存在下低温环化，水解脱胺得到环柠檬醛。例如沈润溥,(高校化学工程学报,2011,25(3):538～542)，将柠檬醛用二氯乙烷稀释后加入四口烧瓶中，于室温下缓慢滴加二氯乙烷的苯胺溶液,反应混合液用无水硫酸钠干燥，得到柠檬醛亚胺的二氯乙烷溶液,于-20℃将其滴入浓硫酸的二氯乙烷溶液中，经过低温水洗干燥,减压蒸馏,得到无色α-环柠檬醛,产品收率达87％。刘红霞(中国医药工业杂志，1995,26(9):414～415)采用甲胺保护醛基，得到淡茶色柠檬醛亚胺。在四口瓶中通氮气，加入浓硫酸，于剧烈搅拌下滴加含对苯二酚的柠檬醛亚胺的乙醚溶液，温度控制在-10℃，用氢氧化钠溶液调整混合液的PH值至3.5，蒸馏过硅胶柱得到淡黄色环柠檬醛。王莺(化学世界，2005，10：614～620)研究了以柠檬醛为原料，经甲胺基化，浓硫酸环化，水解三步合成环柠檬醛，环化温度-5～8℃,环化时间为20min,在该反应条件下，产品收率为81％。但该工艺流程较长，操作过程环节较多，产品收率不稳定。影响产品收率的因素有：合成柠檬醛亚胺反应时需要不断地除去生成的水才能使反应完全；合成得到的环柠檬醛亚胺不稳定；环化反应使用浓硫酸大量放热，引起过热，氧化，聚合甚至碳化变形成胶化物。因而需要选择一个流程短，收率较高的工艺。紫罗兰酮臭氧化法制备环柠檬醛，具有反应选择性好，反应结束后无太多三废需要处理。和成尧(云南化工，2004,31(1):1～6)采用β-紫罗兰酮为原料，经臭氧化，在-30～40℃，还原水解反应得β-环柠檬醛，反应时间6h,产品收率达86％。但是该反应路线采用的原料成本高，且应用的设备要求较高，工业上极难达到。Chabareds Pierre,EP0483010以紫罗兰酮与过酸(过乙酸，过苯甲酸)反应经水解制得环柠檬醛，反应过程放热，过酸不稳定，容易分解爆炸，得到的产品收率不稳定。以上合成环柠檬醛的方法都是间歇操作，加料过程中都是采取滴加进料的方式防止反应局部过热。控温不准确，反应时间长，原料利用率低，操作工艺繁琐。连续合成环柠檬醛的方法至今没有报道。

发明内容

为了克服上述不足，本发明针对合成环柠檬醛过程中存在的反应过程强放热造成的控温不准确，反应时间长，反应混合物容易生成副产物，不能连续生产的问题，提出了一种连续反应制备环柠檬醛的方法，解决了在常规釜式反应器中因为反应时间过长，温度控制不准确，柠檬醛亚胺不稳定易发生副反应，产品收率不稳定的问题。

现有的环柠檬醛主要的合成方法包括：一是将柠檬醛用一级或二级胺保护醛基，在酸存在下低温环化，水解脱胺得到环柠檬醛；二是将紫罗兰酮臭氧化还原水解成环柠檬醛；三是紫罗兰酮与过酸(过氧酸，过苯甲酸)反应，经水解制得。其中，柠檬醛胺保护醛基环化法合成中所用的化学试剂为一般试剂，操作也为普通的操作，但该工艺流程较长，操作过程环节也较多，致使产品收率往往达不到较好的水平，并且收率不稳定，大致在60％～80％。而紫罗兰酮臭氧化法(过氧化法)流程短、收益高，具有较好的反应选择性。由此，本发明提出在微结构反应器内采用紫罗兰酮臭氧化法(过氧化法)合成环柠檬醛，但在微尺度下紫罗兰酮溶液与臭氧(或过酸)的结构与尺寸的均一性差、收率不稳定，且使用的原料成本较高。为了克服这一问题，本发明改用柠檬醛胺保护醛基环化法在微结构反应器中合成环柠檬醛，结果表明：微结构反应器对温度的精确控制，有效降低了后续环化反应中，浓硫酸放出的热量的积累，避免了反应体系过热引起的氧化、聚合基至碳化形成胶化物的问题，反应收率可达91％以上。同时，由于微结构反应器中醛亚胺溶液和酸的混合可在毫秒内完成，反应动力学的差异对反应物的选择性的提升作用显著增强，仅通过反应物比例和温度的调控既可以方便地控制环柠檬醛的收率。

研究还发现：与微结构反应器类似，全混流反应器、管式反应器也属于连续反应器，都可以控制反应时间，提高反应效率，不同程度提高反应物的选择性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

将微结构反应器用于环柠檬醛的制备，有效克服了合成环柠檬醛过程中存在的反应过程强放热造成的控温不准确，反应时间长，反应混合物容易生成副产物，不能连续生产的问题。

优选的，所述制备环柠檬醛的方法为：柠檬醛胺保护醛基环化法；即：将柠檬醛用一级或二级胺保护醛基；在酸存在下低温环化、水解脱胺得到环柠檬醛，微结构反应器的效果较高。

研究中，本发明还对其他的环柠檬醛制备方法进行了实验，但由于其他工艺流程较长，操作过程环节较多，产品收率不稳定。

本发明还提供了一种利用微结构反应器制备环柠檬醛的方法，包括：

柠檬醛与有机胺在微结构反应器中反应，得到醛亚胺溶液；

将上述的醛亚胺溶液与酸的有机溶液在全混流反应器、管式反应器或微结构反应器中反应，反应产物经中和、酸性水解、分液、蒸馏，干燥，得到环柠檬醛产品。

优选的，所述柠檬醛与有机胺的摩尔比为1：0.1～5。

优选的，所述“柠檬醛与有机胺在全混流反应器、管式反应器或微结构反应器中反应”的条件为：温度为-10～30℃、停留时间为0.1～600s。

优选的，所述醛亚胺溶液与酸的摩尔比为0.5～5:1。

优选的，所述“醛亚胺溶液与酸的有机溶液在全混流反应器、管式反应器或微结构反应器中反应”的条件为：温度为-10～20℃、停留时间为0.5～600s。

优选的，所述微结构反应器包括微混合器和微通道反应器，微混合器和微通道反应器前后连接在一起，放置于恒温水浴中；

优选的，所用的有机溶剂为：苯，二氯甲烷，氯仿或四氯化碳；有机溶剂与酸的比例为1～8:1；特别地，当硫酸与二氯甲烷的比例为1：5时，反应物的收率提升了12.3％左右。

优选的，所述的有机胺为液体脂肪伯胺、脂肪仲胺、脂肪多胺或芳香胺；

优选的，所述的酸为浓硫酸，磷酸，对甲苯磺酸，杂多酸或酸性离子液体；

优选的，所述微结构反应器材质是不锈钢、玻璃、石英、陶瓷、聚四氟乙烯、无机硅或Peek材料；

优选的，所述的微结构反应器通道尺寸为0.1μm～10mm；

优选的，所述的微结构反应器为管式结构。

本发明还提供了一种较优的连续反应制备环柠檬醛的方法，包括如下步骤：

(1)将液体原料柠檬醛与有机胺按有机胺与柠檬醛的摩尔比(0.1～5)：1分别用泵同时注入串联的全混流反应器，管式反应器或微结构反应器中，在反应温度-10～30℃，停留时间为0.1～600s的条件下进行反应，得到醛亚胺溶液。

(2)将步骤(1)中的反应产物醛亚胺溶液与酸的有机溶剂的混合溶液按照醛亚胺与酸的摩尔比为(0.5～5):1注入另外一个全混流反应器，或管式反应器或微结构反应器中，反应温度为-10～20℃,停留时间为0.5～600s的条件下进行反应；反应物经中和，酸性水解，分液，蒸馏，干燥，得到环柠檬醛产品。

优选的，所述的步骤(1)中所用的有机溶剂为：苯，二氯甲烷，二氯乙烷，氯仿，四氯化碳。溶剂与浓硫酸的比例为1～8:1。所述的有机胺为液体脂肪伯胺、脂肪仲胺、脂肪多胺，芳香胺。所述的酸为浓硫酸，磷酸，对甲苯磺酸，杂多酸，酸性离子液体。

优选的，所述的微结构反应器为微混合器或者是由微混合器与微通道反应器组成。

所述的管式反应器直径为10～100mm,长度为5～15m。微混合器和微通道反应器的通道尺寸为0.2μm～8mm,微通道反应器的长度为0.5m～20m。

本发明的反应方程式如下：

本发明还提供了采用任一上述方法制备的环柠檬醛。

本发明上述方法制备的环柠檬醛用于合成香料和类胡罗卜素等萜类化合物，获得了较优的效果。

本发明的有益效果

(1)本发明提供了一种利用连续反应器制备环柠檬醛的工艺方法，该方法解决了在常规釜式反应器中因为反应时间过长，温度控制不准确，柠檬醛亚胺不稳定易发生副反应，产品收率不稳定的问题。

(2)本发明解决了因为反应过程存在局部热点，造成生产过程不安全的问题，实现了环柠檬醛的连续安全生产，操作方便。反应混合物经过水洗、分液调节产品的pH值，得到环柠檬醛。采用的原料柠檬醛及脂肪胺，芳香胺为工业一级品，硫酸，二氯乙烷为分析纯。

(3)本发明制备方法简单、高效、实用性强，易于推广。

附图说明

图1是微结构反应器制备环柠檬醛的装置流程示意图；

其中，A1,A2,A3为液相色谱泵，B1,B2为微混合器，C1,C2为微通道反应器，D1,D2微结构反应器，E1，E2为恒温箱，F1，F2,F3分别为柠檬醛，苯胺，浓硫酸与二氯乙烷试剂瓶。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，柠檬醛与液体有机胺分别由液相色谱泵A1，A2泵入微混合器B1发生反应，然后进入微通道反应器C1继续反应，在反应器的出口得到醛亚胺产品溶液，继续与液相色谱泵A3打入的浓硫酸的二氯乙烷溶液在微混合器B2和微通道反应器C2中反应一定时间得到席夫碱溶液，经碱液调整PH值，酸性水解，分液，蒸馏，干燥，得到环柠檬醛产品。D1，D2分别置于不同温度的恒温水浴中，采用的原料为分析纯。实施例1的胺化反应为气液反应，其他实例的胺化反应为液液反应。

实施例1，2，3，4，5中的环化反应分别以硫酸、磷酸、酸性离子液体、对甲苯磺酸、浓硫酸酸为催化剂，以第一步反应中生成的醛亚胺为原料进行环化反应；实施例1，2是在连续釜式反应器中以甲胺，乙胺为原料进行胺化反应；实施例3，4是在管式反应器中分别以丙胺和丁胺为原料进行胺化反应。实施例5是在微结构反应器中以硫酸的二氯甲烷溶液为催化剂进行醛亚胺的环化反应。

实施例1

将甲胺气体与柠檬醛溶液通入体积为10m³的连续搅拌釜式反应器中，柠檬醛与甲胺的当量比为1：2，生成的醛亚胺溶液与浓硫酸的二氯甲烷溶液分别通入另外一个连续搅拌釜式反应器中，温度控制在-20℃，搅拌速度为118r/min，平均停留时间为200min，出口收集反应产物，产物溶液经过中和、酸性水解，分液、干燥，得到环柠檬醛，其收率为78％。

实施例2

将乙胺溶液与柠檬醛溶液通入体积为10m³的连续搅拌釜式反应器中，柠檬醛与乙胺的当量比为1：1.5，生成的醛亚胺溶液与磷酸的二氯甲烷溶液分别通入另外一个连续搅拌釜式反应器中，温度控制在-20℃，搅拌速度为150r/min，平均停留时间为200min，出口收集反应产物，产物溶液经过中和、酸性水解，分液、干燥，得到环柠檬醛，其收率为71％。

实施例3

将柠檬醛溶液与丙胺溶液按照1：4的当量比，同时由液相色谱泵泵入温度控制在-10℃、直径为100mm、长度为5m的管式反应器中，物料的停留时间为10min，生成的醛亚胺溶液与酸性离子液体分别通入另外一个管式反应器中，温度控制在-20℃，平均停留时间为20min，产物溶液经过中和、酸性水解，分液、干燥，得到环柠檬醛，其收率为75％。

实施例4

将柠檬醛溶液与丁胺溶液按照1：5的当量比，同时由液相色谱泵泵入温度控制在0℃、直径为10mm、长度为15m的管式反应器中，物料的停留时间为15min，生成的醛亚胺溶液与对甲苯磺酸的二氯乙烷溶液分别通入另外一个管式反应器中，温度控制在-10℃，平均停留时间为25min，产物溶液经过中和、酸性水解，分液、干燥，得到环柠檬醛，其收率为71％。

实施例5

将柠檬醛溶液与苯胺溶液按照1：3的当量比，同时由液相色谱泵泵入温度控制在-10℃的交叉趾形微混合反应器中(V2,IMM,Germany)，其通道尺寸(μm)为25×21×37，后面接内径为0.6mm,长度为10m的聚四氟乙烯毛细管，其出反应产物与浓硫酸的二氯甲烷溶液分别注入另外一个玻璃T型为混合器：T-mixer(width×height＝50×50μm,Microglas,Germany)，反应温度控制在10℃，收集的反应产物溶液经过酸性水解、分液、干燥，得到环柠檬醛，其收率为86％。实施例6～11

实施例6～8是于连续管式反应器中，采用同实施例3相同的反应条件，以柠檬醛及丙胺溶液为原料于B1，C1中进行胺化反应，以强酸的二氯乙烷溶液于B2，C2中进行关环反应，产品收率见表一。

实施例9～11是于微结构反应器中，采用同实施例5相同的反应条件，以柠檬醛及丙胺溶液为原料B1，C1进行胺化反应，以强酸的二氯乙烷溶液B2，C2进行关环反应，产品收率见表一。

表一实施例6～8，实施例9～11

实施例编号	胺基化反应温度(℃)	环化反应温度(℃)	环化催化剂及溶剂的比例	环柠檬醛收率
					6	-15	5	n_H2SO4：n_二氯乙烷＝1:4	81％
7	-10	0	n_H3PO4：n_二氯乙烷＝1:4	87％
					8	-5	5	n_杂多酸：n_二氯乙烷＝1:4	71％
9	-15	5	n_H2SO4：n_二氯乙烷＝1:5	91％
					10	-10	0	n_H3PO4：n_二氯乙烷＝1:4	88％
11	-5	5	n_杂多酸：n_二氯乙烷＝1:4	78％

实施例1～5选择性依次为98％,96％,95％,97％,95％；实施例6～8选择性依次为90～97％；实施例9～11选择性依次为91～98％。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.微结构反应器在制备环柠檬醛中的应用。

2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述制备环柠檬醛的方法为：柠檬醛胺保护醛基环化法。

3.一种利用微结构反应器制备环柠檬醛的方法，其特征在于，包括：

柠檬醛与有机胺在微结构反应器中反应，得到醛亚胺溶液；

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述柠檬醛与有机胺的摩尔比为1：0.1～5。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述“柠檬醛与有机胺在全混流反应器、管式反应器或微结构反应器中反应”的条件为：温度为-10～30℃、停留时间为0.1～600s。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述醛亚胺溶液与酸的摩尔比为0.5～5:1。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述“醛亚胺溶液与酸的有机溶液在全混流反应器、管式反应器或微结构反应器中反应”的条件为：温度为-10～20℃、停留时间为0.5～600s。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述微结构反应器包括微混合器和微通道反应器，微混合器和微通道反应器前后连接在一起，放置于恒温水浴中；

或所用的有机溶剂为：苯，二氯甲烷，氯仿或四氯化碳；有机溶剂与酸的比例为1～8:1；

或所述的有机胺为液体脂肪伯胺、脂肪仲胺、脂肪多胺或芳香胺；

或所述的酸为浓硫酸，磷酸，对甲苯磺酸，杂多酸或酸性离子液体；

或所述微结构反应器材质是不锈钢、玻璃、石英、陶瓷、聚四氟乙烯、无机硅或Peek材料；

或所述的微结构反应器通道尺寸为0.1μm～10mm；

或所述的微结构反应器为管式结构。

9.权利要求3-8任一项所述方法制备的环柠檬醛。

10.权利要求9所述的环柠檬醛在合成香料和类胡罗卜素等萜类化合物中的应用。