CN1071737C - 三环羧酸酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
三环〔5.2.1.0.2，6〕癸-8-烯-2-羧酸酯；制备该化合物的方法；通过还原三环〔5.2.1.0.2，6〕癸-8-烯-2-羧酸酯的双键制备三环〔5.2.1.0.2，6〕癸烷-2-羧酸酯的方法；以及包含三环〔5.2.1.0.2，6〕癸烷-2-羧酸酯的香料。
Description
技术领域
本发明涉及式(Ⅰ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯，它是一种新的三环羧酸酯；本发明也涉及制备它的方法以及包含该化合物的一种香料。本发明也涉及到式(Ⅲ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸烷-2-羧酸酯。
在式(Ⅰ)和(Ⅲ)中。R为含1到3个碳原子的烷基基团。
式(Ⅰ)代表的羧酸酯不仅可用作香料而且也可作为制备香料的中间化合物。即，式(Ⅰ)所表示的羧酸酯可用作式(Ⅲ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸烷-2-羧酸酯的中间体，式(Ⅲ)所表示的化合物是一非常有用的香料化合物，公开于已审查日本专利第61-1014号。
背景技术
在下面的方案1和2中，式(Ⅲ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸烷-2-羧酸酯(Ⅲ)作为香料是非常有用的，通常它可通过式(Ⅳ)所表示的相应羧酸的酯化而制得；如下方案1所示，该羧酸可通过二氢二环戊二烯的Koch羧基化反应制得(日本审查专利公开号61-1014)；如下方案2所示，该羧酸也可通过用一无机强酸催化剂接触三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烷基-甲酸酯而获得(日本已审查专利公开号61-40658)。
(方案1)
(方案2)
在上面的方案1和2中，R为含1到3个碳原子的烷基基团。
但是，在方案1所示的Koch羧基化反应中有一个问题，即未反应的一氧化碳的吸收装置是必须的，这是因为必须向起始原料中充入大过量的一氧化碳，未反应的一氧化碳以气体状态排出；并且由于一氧化碳为高毒气体，所以在操作中存在着危险。在Koch反应中还存在着一个问题这就是要使用特别大量的酸，即，对于每摩尔二氢二环戊二烯必须要不少于10摩尔。依照方案2所示的使用与甲酸酯反应的方法，尽管使用酸的量降至6摩尔，但这一方法仍不令人满意。在某些情况下，这些方法中所用的酸是不可回收的。此时，处理大量废酸成为主要的操作难题。这样，需要开发一种制备化合物(Ⅲ)的新的工业方法。
发明公开
因此，本发明的一个目的是提供一种制备式(Ⅲ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸烷-2-羧酸酯的工业上有利的方法。
本发明的另一个目的是提供式(Ⅰ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯，它作为制备式(Ⅸ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸烷-2-羧酸酯的起始原料是一种重要的新型化合物。
本发明还有另一个目的即提供一种制备三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯的方法。
通过下文的说明，本发明的这些和其他的目的将会了然。
在一个实施方案中，本发明涉及到式(1)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯：
此处R为一含1到3个碳原子的烷基基团。
在另一个实施方案中本发明涉及到一种制备式(Ⅰ)所表示的三环 〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯的方法：
它包含式(Ⅱ)所表示的环戊烯基羧酸酯此处R如上定义，与环戊二烯的一步反应。
在又一实施方案中，本发明涉及到一种制备下式(Ⅲ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸烷-2-羧酸酯的方法：
此处R为含1-3个碳原子的烷基基团它包含式(Ⅰ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯在双键位的还原步骤：
其中R如上定义。
在再一实施方案中，本发明涉及到一种香料，它含有式(Ⅰ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸烷-2-羧酸酯：其中R为一含1到3个碳原子的烷基基团。
附图简述
图1表示的是实施例4中环戊烯基羧酸乙酯与二环戊二烯反应获得的产物的气相色谱结果。
实施本发明的最佳方式
下面将详细描述本发明。
本发明的由式(Ⅰ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯是一种新的化合物，
此处R为一含1到3个碳原子的烷基基团。
R的例子有：甲基、乙基、正丙基和异丙基。在本发明中，优选为乙基。
考虑式(Ⅰ)所代表的化合物可以由式(Ⅵ)所表示的相应羧酸的酯化制备，如下面方程式所示：但是，式(Ⅴ)所表示的环戊烯基羧酸
与环戊二烯之间的Diels-Alcler反应不能够进行〔H.Koch和W.Heaf,Liebigs.Ann.,Chem.,638,Ⅲ (1960)〕，并且也没有任何其他已知的方法来合成式(Ⅵ)所代表的相应羧酸。因此，至此可以认为式(Ⅰ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯不能从式(Ⅵ)所表示的相应羧酸来制备。
出乎意料的是，已发现以前从未被制得的式(Ⅰ)所表示的三环〔5.2.1.0.2,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯可以由式(Ⅱ)所表示环戊二烯羧酸酯
其中R如上定义，与环戊二烯的Diels-Alcler反应简单地制得。基于如上发现，本发明得以完成。依据J.Am.Chem.Soc.79,1095(1957)描述的方法，式(Ⅱ)表示的环戊烯基羧酸酯可以由式(Ⅷ)所表示的2-烷氧羰基环戊醇与对甲苯苯磺酰氯在溶剂吡啶中反应而得
其中R如上定义，如方程式所示：
式(Ⅷ)所表示的2-烷氧羰基环戊醇可以这样制得，即：在兰尼镍催化剂存在下氢化由式(Ⅶ)所代表的2-烷氧羰基环戊酮
其中R定义如上。
本发明所用的另一起始原料为环戊二烯，依据Org.SynthesesColLVol.4,238(1963)中所描述的方法，它可以通过热分解商用二环戊二烯并蒸馏而得。在本说明书中此后将提到，在特定反应条件下二环戊二烯也可用作一起始原料。
在本发明中，从抑制副反应的角度看，希望环戊二烯对每摩尔式(Ⅱ)所表示的环戊烯基羧酸酯的量为1到10摩尔，优选为1到2摩尔。
在本发明中，溶剂不是关键的，反应也可在没有溶剂的条件下进行。当使用溶剂时，对于溶剂的种类也没有特别地限制，反应可在多种有机溶剂中进行。可用的有机溶剂包括，例如，极性溶剂有二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二甲亚砜、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、乙醚和四氢呋喃；非极性溶剂有己烷、苯。甲苯和二甲苯。从反应速率的角度看，优选使用极性溶剂。虽然如上溶剂的量并不特别受限制，但是从经济的眼光看，希望溶剂的量为式(Ⅱ)所表示的起始环戊烯基羧酸酯重量的0.5到10倍，优选为0.5到3倍。当进行此反应时，催化效应象对于普通的Diels-Alder反应一样被显示出来，尤其是在低温下，特别是在-78到50℃时。
可能使用的催化剂，例如，在Diels-Alder反应中常用的催化剂，包括，Lewis酸如TiCl4,LiCl4,Ti(OR1)4(其中R＇为一含2到4个碳原子的烷基基团)、AlCl3、SnCl4、ZnCl2、ZnBr2、Sc(OTf)3和Y(OTf)3；固体酸如活性粘土、阳离子交换树脂和Nafione-H；锂盐如LiX，其中X为Cl、Br或I,Li2CO3和LiClO4，在这些催化剂中，优选用Lewis酸、更优选使用TiCl4,AlCl3,SnCl4、Sc(OTf)3等。
当Lewis酸被用作催化剂时，要求使用不至于使Lewis酸减活的溶剂，如二氯甲烷和二氯乙烷。使用的催化剂的量对于每摩尔起始的式(Ⅱ)所代表的环戊烯基羧酸酯通常为0.01到2摩尔。优选为0.05到1摩尔。
这一反应可以在从-78°到250℃的宽阔温度区间内进行。依使用的反应条件而定。
在不用催化剂时，从反应速率的角度看反应优选在不低于100℃的温度下进行。并且，当在反应溶液中是通过热分解二环戊二烯产生环戊二烯时，从进行反应的角度看，需要在不低于150℃的温度下进行反应。再者考虑反应选择性，反应优选在150°到220℃温度区间内进行。在此情况下，为了防止产生的低沸点的环戊二烯的挥发，反应优选在一密闭容器中进行。
当使用催化剂时，从抑制副反应的角度看，反应优选在不高于50℃的温度下进行，从反应速率和抑制环戊二烯聚合的角度来看更优选为-20°到25℃。
在本发明中，反应可用二环戊二烯代替环戊二烯进行。当使用二环戊二烯时，环戊二烯可通过在反应体系中热分解二环戊二烯来制得。在此情况下，反应与使用环戊二烯的情况以同样的方式进行。同时，所用溶剂和催化剂可以与用环戊二烯反应时所用的一致。由于不必预先从二环戊二烯制备环戊二烯，从生产率方面来说这种方式是工业上有利的。
在本发明中，从抑制副反应(如环戊二烯的聚合和式(Ⅰ)表示的羧酸酯与环戊二烯的反应)的角度来看，进行反应时是向含有式(Ⅱ)代表的环戊烯基羧酸酯的起始原料中逐滴加入环戊二烯或二环戊二烯。要求滴加速度对每摩尔式(Ⅱ)所表示的环戊烯基羧酸酯为每小时0.05到2摩尔，优选为每小时0.2到0.5摩尔。
通过上述反应获得的式(Ⅰ)所示的羧酸酯是由内型和外型组成的混合物。所要产物可以通过传统方法来分离。例如，当存在Lewis酸时，可以通过加入盐酸水溶液采终止反应，然后，反应混合物用乙醚提取。乙醚层依次用碳酸氢钠溶液和盐水洗涤，并且干燥。然后蒸掉溶剂获得一油状物质。目标产物可以通过柱色谱分离得到。内型和外型的混合物可以直接还原得到式(Ⅲ)所示的羧酸酯：
其中R定义如上，生成的还原混合物可以用作香料物质。假如有必要分离内型和外型产物，可以通过分馏等使之彼此分开。
只要还原位点是碳-碳双键，通过还原式(Ⅰ)所示的羧酸酯制备式(Ⅲ)所示的三环〔5.2.1.02,6〕癸烷-2-羧酸酯的方法不受限制。优选地，例如，通过化学方法如催化还原使碳-碳双键得以氢化，使用的催化剂例如有：铂黑，兰尼镍或Pd/C。
依照本发明，式(Ⅰ)所表示的新的羧酸酯是式(Ⅲ)所示的羧酸酯的前体，它可以被有效地制备。因此，对比传统的Koch羧基化反应方法，在简单性和生产率方面来说，式(Ⅲ)所示的羧酸酯的生产被显著提高。再者，式(Ⅰ)所示的羧酸酯本身就可被用作香料。
式(Ⅰ)所示的羧酸酯具有极好的香味可以用作香料物质。此化合物的香味可粗分为“水果-木”香类。式(Ⅰ)所示的羧酸酯有两种异构体，如下所示；
异构体(A)和(B)的气味有一些不同，按类分，异构体(A)的气味为“木-水果-辛辣-草”香类，异构体(B)为“水果-花”香类。
通过下述实施例，本发明将得到更详尽的描述，这些实施例不应视为对本发明的限制。
实施例1
在20℃氮气下边搅拌，边向含1.35g TiCl4的3ml二氯甲烷溶液中滴入1g环戊烯基羧酸乙酯，搅拌30分钟后，在4小时内向反应混合物中再滴入2.85g环戊二烯。然后，通过加入5％的盐酸溶液使反应终止，接着用乙醚提取。乙醚层用饱和碳酸氢钠溶液和饱和盐水洗涤，之后再用无水硫酸镁干燥。减压蒸除溶剂后，反应产物通过柱层析分离得到0.78g三环〔5.2.1.02,6〕癸-8-烯-2-羧酸乙酯(0.45g未反应的环戊烯基羧酸乙酯被回收)。基于环戊烯基羧酸乙酯的量，产率为54.1％，转化率为55.0％，内型/外型比率为38/62，它们的物理性质如下。
1H-NMR(CDCl3作溶剂，TMS为内标)δ(ppm):内型：1.10(1H,m),1.23(3H,t,J=7Hz),1.37-1.96(7H,m),2.45(2H,br),2.83(1H,br),4.06(2H,q,J=7Hz),6.07(1H,d-d,J=5Hz,3Hz),6.18(1H,d-d,J=5Hz,3Hz)；exo-form:1.10(1H,m),1.26(3H,t,J=7Hz),1.35(1H,m),1.59-1.83(6H,m),2.77(1H,br),3.08(1H,m),3.14(1H,br),4.16(2H,q,J=7Hz),6.18(1H,d-d,J=5Hz,3Hz),6.25(1H,d-d,J=5Hz,3Hz)IR(液膜)v(cm-1):2964,1728,1448,1302,1248,1228,1176,1032,718MS:207(M++1),141
实施例2
除用950mg AlCl3代替1.35g TiCl4作催化剂用外，其余按实施例1同样的程序执行。2.85g环戊二烯滴入1g环戊烯基羧酸乙酯给出0.75g三环〔5.2.1.02,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯。以环戊烯基羧酸乙酯计产率为50.5％，转化率为52.0％。内型/外型比为40/60。
实施例3
32g环戊烯基羧酸乙酯加入一高压釜中加热至200℃，在4小时内边搅拌边向其中滴入47g二环戊二烯。然后，反应混合物冷至室温。
反应混合物蒸馏分离出18.2g三环〔5.2.1.02,6〕癸-8-烯-2-羧酸乙酯。以环戊烯基羧酸乙酯的量计产率为39.1％，转化率为56.0％。内型/外型比为37/63。
实施例4
除用32g 1,3-二甲基-2-咪唑啉酮作溶剂用外其余按实施例3同样的程序执行。这样产生的反应混合物样品冷却后在下列条件下去做气相色谱：
柱：Ultra-1(交联甲基硅氧烷)
25m×0.2mm×0.33μm
炉：以5℃/min从100℃(0min)升至280℃(5min)
进样：1μl分流模式(分流比100∶1)
进样口温度为280℃
检测器：FID(280℃)
气相色谱结果示于图1
从图1所示的图中可以明显看出，上述化合物中含有高含量的三环〔5.2.1.02,6〕癸-8-烯-2-羧酸乙酯。
在图1所示图中，标号“a”到“l”表示：
a:(CH3CH2)2O(溶剂)
以环戊烯基羧酸乙酯的量计产率为35.8％，转化率为42.2％。内型/外型比为40/60。
实施例5
向13.1g按实施例1相同程序获得的三环〔5.2.1.02,6〕癸-8-烯-2-羧酸乙酯中加入1.3g 5％-pd/C(含50％水份)。产生的混合物在50℃，氯气压力为5kg/cm2下搅拌5小时。滤除催化剂后，滤液蒸馏得到12.3g三环〔5.2.1.02,6〕癸烷-2-羧酸乙酯，产率为93.0％。
这样获得的产物是一极好的香料组分，具有水果香味和木香味。
工业实用性
本发明的方法工业上可有利地提供三环〔5.2.1.02,6〕癸烷-2-羧酸酯。并且，本发明也提供了三环〔5.2.1.02,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯，它是适用于制备三环〔5.2.1.02,6〕癸烷-2-羧酸酯的起始原料的一种新型的化合物，本发明也提供了一种制备该化合物的工业上有利的方法。等价物
仅使用常规实验方法，本领域熟练技术人员即可认识或确定本文所述特定化合物及组分的众多等价物。此类等价物涵盖于如下权利要求的保护范围内。
Claims (1)
1．式(Ⅲ)所示的三环〔5.2.1.02,6〕癸烷-2-羧酸酯的制备方法：其中R为含1到3个碳原子的烷基基团，它包含将式(Ⅰ)所示的三环〔5.2.1.02,6〕癸-8-烯-2-羧酸酯在双键位的还原步骤：其中R如上定义。
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