CN107709283B - 制备3-甲基环十五烷-1,5-二酮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生产式(I)的3‑甲基环十五烷‑1,5‑二酮的方法，其包括用氧化剂氧化式(II)的14‑甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]，其中在水存在下使用甲酸与H2O2的混合物作为唯一氧化剂进行氧化并且其中H2O2的量为每摩尔式(II)的化合物至少1.1摩尔H2O2。
Description
本发明涉及通过用氧化剂氧化式(II)的14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]制备3-甲基环十五烷-1,5-二酮(I)的方法。
3-甲基环十五烷-1,5-二酮是具有令人感兴趣的嗅觉性质的式(I)的大环二酮。其也可充当其它大环麝香香味剂，如麝香酮的前体。
CH 519454描述了通过双环[10.3.0]十五烯[1(12)]的臭氧解或双环[10.3.0]十五烯[1(12)]用单线态氧(singlet oxygen)光氧化、接着酸性重排所得氢过氧化物而制备环十五烷-1,5-二酮。CH 519454也描述了双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与高锰酸钾的反应。臭氧解和光氧化在大规模下难以操作，而通过用高锰酸钾氧化获得的反应混合物的后处理困难并产生废物。
CH 513791描述了环十五烷-1,5-二酮的制备，其包括在浓甲酸中用亚化学计量的55％H2O2水溶液氧化双环[10.3.0]十五烯[1(12)]，接着使该中间体与氢氧化钾反应以产生双环[10.3.0]十五烷-1,12-二醇，其随后通过在冰醋酸中用Pb3O4处理裂解。该方法繁琐并包括使用有毒化学品。
因此，本发明的一个目的是提供一种有效生产式(I)的3-甲基环十五烷-1,5-二酮的方法。该方法应该容易操作，提供式(I)的化合物的良好产率。此外，应该避免使用有毒或昂贵的试剂。
令人惊讶地发现，如果在水存在下使用甲酸与H2O2的混合物作为唯一氧化剂进行14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]的氧化并且其中H2O2的量为每摩尔14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]至少1.1摩尔H2O2，可以有效地将式(II)的14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]转化成式(I)的3-甲基环十五烷-1,5-二酮。令人惊讶地，当14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)](II)与亚化学计量的在甲酸中的H2O2在CH513791中描述的条件下反应时，形成仅痕量的3-甲基环十五烷-1,5-二酮(I)。此外，无法找到据称形成的3-甲基双环[10.3.0]十五烷-1,12-二醇。
因此，本发明涉及一种生产式(I)的3-甲基环十五烷-1,5-二酮的方法，其包括用氧化剂氧化式(II)的14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]，其中在水存在下使用甲酸与H2O2的混合物作为唯一氧化剂进行氧化并且其中H2O2的量为每摩尔式(II)的化合物至少1.1摩尔H2O2。
该方法具有优于现有技术的几个优点。通过如本文所述的方法在水存在下使用H2O2和甲酸的混合物氧化式(II)的化合物直接导致以至少中等产率和选择性形成式(I)的化合物。不同于CH 513791中描述的方法，不需要后续反应步骤。不同于CH 519454中描述的方法，该方法容易大规模实施，因为H2O2比臭氧或单线态氧容易操作得多。此外，H2O2和甲酸便宜，因此不需要昂贵或有毒的氧化剂，如高锰酸钾或Pb3O4。
不受制于理论，但相信，在H2O2和甲酸的混合物中形成的过氧甲酸与式(II)的化合物反应以主要形成环氧化物，其在反应条件下进一步被过氧化氢或过氧甲酸攻击以形成加合物，其裂解成式(I)的化合物。
发现需要每摩尔式(II)的化合物至少1.1摩尔，通常1.2摩尔，特别是至少1.4摩尔，尤其是至少1.5摩尔H2O2的最少量实现式(II)的化合物的良好转化。H2O2的上限量较不重要，但是，H2O2的量通常每摩尔式(II)的化合物不超过5.0摩尔，特别是4.0摩尔，尤其是3.5摩尔。通常，H2O2的量为每摩尔式(II)的化合物1.2至5.0摩尔，特别是1.4至4.0摩尔H2O2，尤其是1.5至3.3摩尔H2O2。
该反应原则上可以根据有机化学的标准程序进行。
发现有益的是，将用于该反应的H2O2的至少一部分，例如至少30％，特别是至少50％或至少70％或用于该反应的H2O2的总量添加到式(II)的化合物和甲酸的混合物中。该混合物在加入H2O2之前可含有水。但也可以通过添加H2O2，例如通过添加H2O2水溶液引入水。特别地，将式(II)的化合物和甲酸和任选水装入反应容器并将用于该反应的H2O2的一部分，例如至少30％，特别是至少50％或至少70％或用于该反应的H2O2的总量添加到任选含有水的由此获得的式(II)的化合物和甲酸的混合物中。
发现有益的是，在该氧化开始时存在用作氧化剂的H2O2总量的少于70％，特别是最多50％，尤其是最多30％。因此，将用于该反应的H2O2的至少30％，特别是至少50％或至少70％或用于该反应的H2O2总量在反应条件下添加到式(II)的化合物和甲酸的混合物中。
添加到式(II)的化合物和甲酸的混合物中的H2O2可以在一份或多份中或以恒定或改变的添加速率连续加入。发现有益的是，H2O2经至少2小时，特别是至少3小时，例如2至24小时，尤其是3至18小时加入。
优选地，H2O2以水溶液形式使用，其中该H2O2水溶液中的H2O2浓度特别是20至50重量％，更特别是25至40重量％。
根据本发明，在甲酸存在下将式(II)的化合物氧化成式(I)的化合物。特别地，式(II)的化合物与甲酸的重量比为最多1:1，特别是最多1:1.5或最多1:2，尤其是1:20至1:2。
根据本发明，在水存在下将式(II)的化合物氧化成式(I)的化合物。可以通过使用H2O2水溶液或通过使用甲酸水溶液或两者将该水量添加到反应混合物中。当然，也可以单独加入水。优选地，该反应混合物中的水浓度为3至25重量％。
实现式(II)的化合物氧化成式(I)的化合物所需的温度可变。通常，在-20至100℃，特别是0至80℃，尤其是10至60℃的温度下将式(II)的化合物氧化成式(I)的化合物。
反应压力不太重要。特别地，该反应在用环境空气平衡压力的非增压容器中进行。
本发明的方法可以设计成连续或分批进行。分批氧化可以在传统上用于此用途的反应装置，例如任选配备计量装置的搅拌反应器中进行。根据本发明的方法也可以连续进行，例如在管式反应器中或在至少两个搅拌反应器的级联中，它们可以返混或不返混。
可以对该反应混合物施以传统后处理，包括例如萃取水性后处理、脱除挥发物等。通常，在该反应混合物的后处理之前或过程中通过添加合适的还原剂，如水性硫代硫酸盐、亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、抗坏血酸或三苯膦破坏任何过量的过氧化物。
可以对所得粗产物施以传统提纯措施，包括蒸馏或色谱法或组合措施。适用于提纯式(I)的化合物的蒸馏装置包括例如蒸馏塔，如任选配备泡罩塔盘、筛板、筛盘、packages或填料的板式塔，或旋带塔，如薄膜蒸发器、降膜蒸发器、强制循环蒸发器、Sambay蒸发器等，及其组合。
用作原材料的14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]是例如DE 2916418中已知的或可购得或其可类似于DE 2916418中描述的方法制备。
实施例
I)气相色谱分析：
GC-系统和分离方法：
GC-系统：Agilent 7890Series A；
GC-柱：DB-WAX(30m(长度)，0.32mm(ID)，0.25μm(膜))；
注射器在230℃，检测器在280℃，流量1.5mL
温度程序：以3℃/min从80℃至250℃，250℃ 15min
II)生产实施例：
对比例1(根据CH 513791)
将2.5克(0.01摩尔)14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]在22℃下溶解在30毫升浓甲酸(90％)中。将该混合物加热至40℃。在此温度下逐滴加入0.55克50％(w/w)H2O2水溶液(8毫摩尔，0.8当量)。在已完成该添加后，将反应混合物在40℃下搅拌6小时。然后，将反应混合物冷却至22℃并静置过夜。然后缓慢加入15毫升10％(w/w)Na2SO3水溶液并将反应混合物在22℃下搅拌1小时。然后，该反应混合物在减压下蒸发并将15毫升乙醇添加到残留物中，接着40毫升10％(w/w)KOH水溶液。将该混合物在22℃下搅拌4小时，产物用乙酸乙酯萃取。有机相用水洗涤并在旋转蒸发器中蒸发溶剂以获得2克粗产物，其含有82％(GC面积)14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]和3％(GC面积％)3-甲基环十五烷-1,5-二酮。
对比例2(根据CH 513791，但使用35％H2O2)
将2.5克(0.01摩尔)14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]在22℃下溶解在30毫升浓甲酸(90％)中。将该混合物加热至40℃。在此温度下逐滴加入0.8克35％(w/w)H2O2水溶液(0.8当量)。在已完成该添加后，将反应混合物在40℃下搅拌6小时。然后，将反应混合物冷却至22℃并静置过夜。然后缓慢加入15毫升10％(w/w)Na2SO3水溶液并将反应混合物在22℃下搅拌1小时。然后，该反应混合物在减压下蒸发并将15毫升乙醇添加到残留物中，接着40毫升10％(w/w)KOH水溶液。将该混合物在22℃下搅拌4小时，产物用乙酸乙酯萃取。有机相用水洗涤并在旋转蒸发器中蒸发溶剂以获得2克粗产物，其含有76％(GC面积)14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]和8％(GC面积％)3-甲基环十五烷-1,5-二酮。
实施例1(3.2当量H2O2)
将2.5克(0.01摩尔)14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]在22℃下溶解在30毫升浓甲酸(90％)中。将该混合物加热至40℃。在此温度下逐滴加入3.1克35％(w/w)H2O2水溶液(32毫摩尔，3.2当量)。在已完成该添加后，将反应混合物在40℃下搅拌3小时。然后，将反应混合物冷却至22℃并缓慢加入30毫升10％(w/w)Na2SO3水溶液。然后，该反应混合物用二氯甲烷萃取。收集有机相并在过氧化物阴性试验后，在旋转蒸发器中蒸发有机溶剂。将所得油再溶解在乙酸乙酯中，该溶液用10％(w/w)KOH水溶液和用水洗涤。有机相用Na2SO4干燥并在减压下蒸发溶剂以获得2.1克粗产物，其含有43％(GC面积％)3-甲基环十五烷-1,5-二酮，代表基于14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]计36％的产率。
实施例2(3.2当量H2O2，大规模)
将70克(0.317摩尔)14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]在22℃下溶解在300毫升浓甲酸(90％)中。将该混合物加热至40℃。在此温度下逐滴加入115毫升30％(w/w)H2O2水溶液(1.014毫摩尔，3.2当量)。在已完成该添加后，将反应混合物在40℃下搅拌3小时。然后，将反应混合物冷却至22℃并缓慢加入300毫升20％(w/w)Na2SO3水溶液。然后，该反应混合物用二氯甲烷萃取。收集有机相并在过氧化物阴性试验后，在旋转蒸发器中蒸发有机溶剂。将所得油再溶解在乙酸乙酯中，该溶液用10％(w/w)KOH水溶液和用水洗涤。有机相用Na2SO4干燥并在减压下蒸发溶剂以获得80.1克粗产物，其含有23％(GC重量％)3-甲基环十五烷-1,5-二酮，代表基于14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]计25％的产率。
实施例3(H2O2计量)
将5克(0.02摩尔)14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]在22℃下溶解在30毫升浓甲酸(90％)中。将该混合物加热至40℃。在此温度下逐滴加入1.8克30％(w/w)H2O2水溶液(0.016毫摩尔，0.8当量)。在已完成该添加后，将反应混合物在40℃下搅拌3小时。然后，取样并且——在如对实施例1所述后处理后——通过GC分析样品。然后，进一步加入1.8克30％(w/w)H2O2水溶液并将该混合物在40℃下搅拌另外3小时。这一程序重复两次。在每个3小时反应期后，取样并在后处理后通过GC分析。然后将反应混合物冷却至22℃并缓慢加入30毫升10％(w/w)Na2SO3水溶液。然后，该反应混合物用乙酸乙酯萃取。有机相用饱和NaHCO3水溶液和用水洗涤。收集有机萃取物，经Na2SO4干燥，并在减压下蒸发溶剂。通过在加入1.6当量H2O2(2x 0.8eq)后停止该反应，可以获得77％的3-甲基环十五烷-1,5-二酮最大选择性。
| 样品 | 转化率(％)* | 二酮(％) | 选择性(％)** |
| 3h(0.8eq H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>) | 14％ | 9.5％ | 70％ |
| 6h(2x0.8eq H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>) | 65％ | 50％ | 77％ |
| 9h(3x0.8eq H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>) | 82％ | 54％ | 66％ |
| 12h(4x0.8eq H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>) | 100％ | 55％ | 55％ |
*基于14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]GC面积％。
**基于3-甲基环十五烷-1,5-二酮GC面积％。
Claims (42)
1.一种制备3-甲基环十五烷-1,5-二酮的方法，其包括用氧化剂氧化14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]，其中在水存在下使用甲酸与H2O2的混合物作为唯一氧化剂进行氧化并且其中H2O2的量为每摩尔14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]至少1.1摩尔H2O2。
2.权利要求1的方法，其中H2O2的量为每摩尔14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]1.4至4.0摩尔H2O2。
3.权利要求2的方法，其中H2O2的量为每摩尔14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]1.5至3.5摩尔H2O2。
4.权利要求1的方法，其中将H2O2添加到14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]和甲酸的混合物中。
5.权利要求2的方法，其中将H2O2添加到14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]和甲酸的混合物中。
6.权利要求3的方法，其中将H2O2添加到14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]和甲酸的混合物中。
7.权利要求4的方法，其中添加的H2O2总量经至少2小时加入。
8.权利要求5的方法，其中添加的H2O2总量经至少2小时加入。
9.权利要求6的方法，其中添加的H2O2总量经至少2小时加入。
10.权利要求7的方法，其中添加的H2O2总量经2至24小时加入。
11.权利要求4至10任一项的方法，其中在所述氧化开始时存在用于所述方法的H2O2总量的少于70％。
12.权利要求11的方法，其中在所述氧化开始时存在用于所述方法的H2O2总量的最多50％。
13.权利要求11的方法，其中在所述氧化反应进行的同时将H2O2总量的至少50％添加到所述反应混合物中。
14.权利要求12的方法，其中在所述氧化反应进行的同时将H2O2总量的至少50％添加到所述反应混合物中。
15.权利要求1至10任一项的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]化合物的氧化在-20至100℃的温度下进行。
16.权利要求11的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]化合物的氧化在-20至100℃的温度下进行。
17.权利要求12的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]化合物的氧化在-20至100℃的温度下进行。
18.权利要求13的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]化合物的氧化在-20至100℃的温度下进行。
19.权利要求14的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]化合物的氧化在-20至100℃的温度下进行。
20.权利要求15的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]化合物的氧化在0至80℃的温度下进行。
21.权利要求20的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]化合物的氧化在10至60℃的温度下进行。
22.权利要求1至10任一项的方法，其中所述反应混合物中的水浓度为3至25重量％。
23.权利要求11的方法，其中所述反应混合物中的水浓度为3至25重量％。
24.权利要求13的方法，其中所述反应混合物中的水浓度为3至25重量％。
25.权利要求15的方法，其中所述反应混合物中的水浓度为3至25重量％。
26.权利要求21的方法，其中所述反应混合物中的水浓度为3至25重量％。
27.权利要求1至10任一项的方法，其中H2O2以水溶液形式使用。
28.权利要求11的方法，其中H2O2以水溶液形式使用。
29.权利要求13的方法，其中H2O2以水溶液形式使用。
30.权利要求15的方法，其中H2O2以水溶液形式使用。
31.权利要求22的方法，其中H2O2以水溶液形式使用。
32.权利要求26的方法，其中H2O2以水溶液形式使用。
33.权利要求27的方法，其中所述H2O2水溶液中的H2O2浓度为25至50重量％。
34.权利要求33的方法，其中所述H2O2水溶液中的H2O2浓度为25至50重量％。
35.权利要求1至10任一项的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与甲酸的重量比为1:20至1:2。
36.权利要求11的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与甲酸的重量比为1:20至1:2。
37.权利要求13的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与甲酸的重量比为1:20至1:2。
38.权利要求15的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与甲酸的重量比为1:20至1:2。
39.权利要求22的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与甲酸的重量比为1:20至1:2。
40.权利要求27的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与甲酸的重量比为1:20至1:2。
41.权利要求33的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与甲酸的重量比为1:20至1:2。
42.权利要求34的方法，其中14-甲基双环[10.3.0]十五烯[1(12)]与甲酸的重量比为1:20至1:2。
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