CN108026007B - 制备3-甲基环十五烷-1,5-二醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过氢解14‑甲基‑16,17,18‑三氧杂三环[10.3.2.1]十八烷(II)制备3‑甲基环十五烷‑1,5‑二醇(I)的方法。

Description

制备3-甲基环十五烷-1,5-二醇的方法

本发明涉及通过氢解14-甲基-16,17,18-三氧杂三环[10.3.2.1]十八烷(II)而制备3-甲基环十五烷-1,5-二醇(I)的方法。

3-甲基环十五烷-1,5-二醇是大环二醇，可用作大环麝香香料如麝香酮(3-甲基环十五烷酮)和麝香烯酮(脱氢麝香酮，3-甲基环十五烯酮)(US4,335,262)的前体。

CH 519 454和GB 1 205 049描述了未取代的和3-甲基取代的双环[10.3.0]十五碳烯[1(12)]的臭氧化和随后臭氧化产物如14-甲基-16,17,18-三氧杂三环[10.3.2.1]十八烷化合物(II)的还原性裂解，通过亚硫酸钠、三苯基膦或在Pd/C催化剂存在下氢解生成相应的环十五烷-1,5-二酮。

典型地，在常规阮内镍催化剂存在下，在中等条件下(例如低于120℃且低于15MPa的氢气压力)和在可接受的反应时间内氢化臭氧化物基本上仅产生相应的二酮。臭氧化物转化为相应二醇需要更剧烈的条件，例如至少140℃的温度和至少18MPa的氢气压力。这些条件难以处理，需要昂贵的高压设备和安全措施，特别是以生产规模。

令人惊讶地发现，使用钼掺杂阮内镍作为催化剂允许式(II)的臭氧化产物更容易且更有效地转化成式(I)的二醇，即使在不超过5MPa的氢气压力的中等条件下。所需温度通常不会超过120℃。在这些条件下，可以在少于36小时内以高选择性完全转化14-甲基-16,17,18-三氧杂三环[10.3.2.1]十八烷(II)。

因此，本发明涉及制备式(I)的3-甲基环十五烷-1,5-二醇的方法。该方法包括在碱和包含钼掺杂阮内镍的催化剂的存在下氢解式(II)的臭氧化物。

本发明的一个特别的优点是，通过使用钼掺杂阮内镍，可以在中等条件下将臭氧化物(II)氢解成所需的二醇化合物(I)。所述中等条件的特征在于氢气压力为5MPa或更小，特别是1至5MPa，优选1.5至4MPa，更优选1.7至2.5MPa。所需的温度通常不超过120℃，特别是不超过110℃，并且通常在50-120℃，特别是55-110℃，更特别是60℃-100℃，优选65℃至80℃，更优选68℃至75℃。

为了实现式(II)化合物的完全转化，在所述中等条件下的反应时间通常不超过36小时，特别是不超过25小时，优选不超过20小时。通常情况下，中等条件将会持续至多36小时，特别是至多25小时或至多20小时，以实现完全转化。通常不需要更长的反应时间，但当然可以应用更长的反应时间。通常，在所述中等条件下的反应时间为2至36小时，特别是3至36小时或5至36小时或8至36小时或5至25小时或5至20小时或8至25小时或8至20小时。

式(II)的臭氧化物可以通过臭氧化式(III)的双环烯烃化合物来制备，

例如如GB 1 205 049所述。所述臭氧化可以在包含式(III)化合物和有机溶剂或溶剂混合物的液相中进行。合适的有机溶剂包括但不限于链烷醇，特别是C₁-C₄链烷醇如甲醇，以及有机溶剂混合物，其基本上由例如至少80重量％，90重量％，95重量％的至少一种链烷醇，特别是C₁-C₄链烷醇如甲醇和至少一种卤化如氯化烃如二氯甲烷组成，或完全由至少一种链烷醇，特别是C₁-C₄链烷醇如甲醇组成。臭氧通常作为臭氧-氧气混合物经数小时如1至10小时，特别是4至8小时冷却例如至-10℃或更低下引入。在完成臭氧的加入之后，臭氧化反应混合物可以再保温一段时间，例如1至36小时，特别是4至24小时。通常，使用10至50毫克臭氧每克式(III)化合物。例如，可以如下实现(III)的臭氧化：通过在至多-10℃的温度下将10-50mg臭氧每克式(III)化合物每小时引入液相中约4-8小时并将臭氧化反应混合物在相同温度(例如-10℃或更低)下再保温一段时间，例如1至36小时，特别是4至24小时(例如过夜)。

式(III)化合物可由环十二烷酮按照以下方案和例如在CH519454中所述方法制备。

R和R'独立地选自低级烷基(例如甲基或乙基)

在本发明的具体实施方案中，用于氢解的式(II)臭氧化物优选被纯化至至少75％的纯度，例如至少80％，高达90％或高达几乎100％的纯度，然后用于本发明的方法中。例如，式(II)臭氧化物可以从臭氧化式(III)化合物后得到的粗产物溶液中作为结晶物质分离。式(II)臭氧化物的身份可以使用诸如¹H核磁共振(¹H-NMR)分析和液相色谱(LC)或质谱(MS)的方法来验证。然而，式(II)臭氧化物也可以以不纯的形式(例如低于60％，约50％，低至40％的纯度)使用或者作为由臭氧化式(III)化合物获得而不进行进一步的后处理的溶液使用。

在本发明的方法中，式(II)臭氧化物的氢解可以在不存在液体有机溶剂或稀释剂的情况下进行。或者，式(II)臭氧化物可以分散或溶解在液体有机溶剂中。因此，水解可以在包含或基本上由式(II)臭氧化物、液体有机溶剂、碱和任选水组成的液相中进行，特别是当碱以水溶液形式提供时。合适的有机溶剂是在23℃和环境压力下为液体的那些，包括但不限于C1-C4-链烷醇如甲醇、乙醇、异丙醇及其混合物，以及与在反应条件下是惰性的溶剂如脂族烃溶剂和脂族醚的混合物。臭氧化物(II)的浓度通常可以在2至200g/l，特别是10至50g/l或15至30g/l的范围内，并且优选在23至28g/l的范围内。

用于本发明方法中的催化剂包含钼掺杂阮内镍。所述钼掺杂阮内镍通常含有(i)镍(Ni)作为主要组分，其量通常为75-95重量％，特别是80-90重量％或84-88重量％，(ii)钼(Mo)，其量通常为0.5-2.0重量％，特别是0.8-1.3重量％或0.9-1.1重量％，和(iii)一种或多种其它金属。所述其它金属可以包括例如铝(Al)和铁(Fe)。典型地，铝(如果存在的话)的量为2.0至15.0重量％，特别是3.0至10.0重量％或4.0至6.0重量％。通常，铁(如果存在的话)的量为0.00至0.30，例如0.05至0.20或0.10至0.15重量％。钼掺杂阮内镍中所含的并以重量％表示的金属的量是基于钼掺杂阮内镍的总(干重)质量。

钼掺杂阮内镍通常由主要由镍、钼、铝和任选铁的合金组成的组合物制备。杂质是该材料中典型的那些(性质和比例)。该合金通过用碱性溶液如NaOH浓溶液处理来活化，将部分Al和Mo从合金中分离出来。

在本发明的方法中，钼掺杂阮内镍可以以纯的形式使用，即催化剂基本上由钼掺杂阮内镍组成，或与其它材料如惰性载体材料组合使用。合适的惰性载体材料包括但不限于无机氧化物，例如氧化铝、二氧化硅、二氧化硅-氧化铝、氧化镁、氧化锌、二氧化钛、二氧化锆，其它无机材料如陶瓷、金属、玻璃、活性碳、碳化硅、碳酸钙和硫酸钡，以及它们的混合物。

催化剂可以以各种形式提供。例如，催化剂基本上可以由钼掺杂阮内镍组成，其为整体形式如蜂窝状的，或者分开的产品的形式如粉状产品(粉末)、实心或空心珠、丸、球、颗粒、挤出物、附聚物或其它具有圆形、椭圆形、三叶形、四叶形或其它横截面的成形体。或者，催化剂基本上可以由涂覆有钼掺杂阮内镍层的载体材料组成，其中载体材料具有整体形式如蜂窝状，或者分开的产品的形式如实心或空心珠、丸、球、颗粒、挤出物、附聚物或其它具有圆形、椭圆形、三叶形、四叶形或其它横截面的成形体。

优选使用纯钼掺杂阮内镍，即分开的产品的形式的无载体材料的钼掺杂阮内镍，特别是优选粉末形式。这种粉末的质量平均粒度d(0.5)典型地在10μm至60μm，特别是20μm至40μm或24μm至32μm的范围内，例如约28μm。为了安全起见，当钼掺杂阮内镍为粉末形式时，通常以水中浆料的形式提供。

催化剂的形式决定了以已知方式氢解后催化剂从反应介质中分离所需的措施。当反应介质被取出时，可以在反应容器中保留整体催化剂形式。催化剂粉末可能必须通过液-固分离如过滤或离心从反应介质中除去，而较大的分开形式的催化剂如催化剂丸或珠可以通过在容器底部的简单沉积而从反应介质中分离。

在本发明的方法中，钼掺杂阮内镍的用量相对于式(II)臭氧化物的质量通常为至少8重量％，特别是至少10重量％，至少15重量％，至少18重量％或约19重量％，例如19±5重量％。上限不那么关键。相对于式(II)臭氧化物质量超过30重量％的钼掺杂阮内镍的量通常不提供额外的益处，因此由于经济考虑而不应用。

用于本发明方法的合适的碱包括但不限于碱金属氢氧化物如NaOH或KOH，特别优选NaOH。碱可以作为水溶液使用。通常，氢解反应混合物(包含式(II)臭氧化物、碱、催化剂和任选液体有机溶剂或稀释剂)中碱的浓度范围为5mM至50mM，特别是8mM至40mM或9mM至25mM。

通常，本发明方法的氢解反应可以根据有机化学的标准程序进行。有利地，反应在允许反应混合物温度控制的压力容器中进行，例如高压釜、高压釜反应器、固定床反应器或泡状流反应器。

本发明方法可以设计成使得臭氧化物的氢解可以连续地或分批地进行。分批氢解可以在常规用于该目的的反应装置中进行，例如，高压釜或搅拌高压釜反应器，其任选配备有计量装置。连续氢解可以在例如固定床或泡状流反应器中进行。

可对反应混合物进行常规后处理，包括例如除去催化剂(例如通过过滤)、使用有机溶剂如乙酸乙酯进行萃取后处理、除去挥发物等。所得粗产物可以进行常规的纯化措施，包括蒸馏或色谱法或这些措施的组合。用于纯化式(I)二醇的合适的蒸馏装置包括例如蒸馏塔，例如任选配备有泡罩塔盘、筛板、筛盘、包或填料的板式塔，或者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。

本发明方法可以用于合成大环化合物，特别是大环香料如麝香酮或麝香烯酮。

因此，本发明还提供了一种制备大环香料的方法，包括以下步骤：

(i)通过本文所述方法制备式(I)二醇；

(ii)将式(I)二醇脱氢和脱水以形成式(IV)烯醇醚：

(iii)用酸性试剂处理式(IV)烯醇醚以形成式(V)化合物(3-甲基环十五碳-5-烯-1-酮)

任选地，可将式(V)化合物氢化以形成式(VI)化合物(3-甲基环十五烷酮)

用于将式(I)二醇转化成式(IV)烯醇醚并进一步转化为式(V)或(VI)化合物的方法在本领域中是已知的，例如，US 4,335,262。

通过脱氢和脱水将式(I)二醇转化成式(IV)烯醇醚可以在阮内铜(充当催化剂)存在下在150℃-200℃的温度下进行。例如，阮内铜可以以对应于1:1至1:20，特别是1:5至1:15或1:6至1:10(例如约1:8)的阮内铜与式(I)二醇质量比的量使用。部分式(I)二醇(例如三分之一至五分之一或约四分之一)可以与阮内铜一起加热，直到温度达到150至200℃(例如约165℃)，然后可以在保持温度的同时缓慢加入剩余式(I)二醇。式(IV)烯醇醚可以通过蒸馏直接从反应介质中收集，并且可以通过已知方法如气相色谱来纯化。为了制备式(V)化合物，式(IV)烯醇醚可以以纯化形式或作为粗产物使用。

式(IV)烯醇醚向式(V)化合物的转化可以通过用酸性试剂处理式(IV)烯醇醚来实现。所述转化通常在惰性有机溶剂中进行。合适的惰性有机溶剂包括但不限于芳烃溶剂如苯、甲苯、二甲苯及其混合物，优选甲苯。合适的酸性试剂包括但不限于质子无机酸、酸性阳离子树脂和硅藻土，其中优选磷酸。例如，转化在80重量％磷酸水溶液和芳烃溶剂的混合物中进行，方便地在配有横向蒸馏塔的容器中进行，所述横向蒸馏塔允许水共沸取出。磷酸与式(IV)化合物的质量比例如可以为1:1至1:50，1:4至1:16或1:6至1:10。反应温度可以在很宽的范围内选择。由于实际原因，有机溶剂沸点下的反应温度是有利的。转化后，反应介质用碱(例如碳酸钠水溶液)方便地中和，且生成的式(V)化合物可以通过用有机溶剂(例如甲苯)萃取反应介质并使用通常的措施后处理有机提取物而分离。

可以通过在催化剂存在下氢化式(V)化合物而将式(V)化合物转化成式(VI)化合物。合适的催化剂包括贵金属催化剂如铂和钯，例如10重量％钯在炭上。催化剂如10重量％钯在炭上与式(V)化合物的质量比可以例如在1:1至1:400的范围内，例如1:2至1:200或1:3至1:150。式(V)化合物的氢化适宜在允许控制反应混合物温度的压力容器如高压釜、高压釜反应器、固定床反应器或泡状流反应器中进行。氢化可以在有机溶剂如二甲苯或石油醚的存在下进行。合适的氢化温度例如在60℃至110℃的范围内，例如80℃至100℃。对于氢化，可以使用1-5MPa，特别是2-4MPa的氢气压力。生成的式(VI)化合物可以通过已知方法例如气相色谱来纯化。

定义

这里使用的单位“重量％”表示质量百分比。

除非另外指出，否则单数冠词如本文中使用的“一”或“一个”是指后面的名词的复数和单数。

实施例

I)气相色谱分析：

气相色谱(GC)系统和分离方法：

GC系统：Agilent 7890系列A；

GC柱：DB-WAX(30m(长)，0.32mm(内径)，0.25μm(膜))；

注射器在230℃，检测器在280℃，流量1.5毫升。

温度程序：80℃至250℃，3℃/min，250℃15min。

以重量％表示的下述示例性合成的收率通过GC测定。

II)对比例1：

将2g 14-甲基-16,17,18-三氧杂三环[10.3.2.1]十八烷(通过NMR测定纯度为80-90％)在25℃下分散在100ml甲醇中。向该混合物中加入0.5ml 10重量％的NaOH水溶液和0.5g阮内镍(2400Raney Nickel，CAS 7440-02-0)。在300毫升高压釜中，将混合物加热至70℃的温度并在此温度下用2MPa氢气加压该系统。允许该系统在这些条件下反应18小时。此后，将高压釜冷却至室温，过滤除去阮内镍。蒸发溶剂，产物用乙酸乙酯萃取，得到1.6g含有43重量％3-甲基环十五烷-1,5-二酮的粗产物，基于初始量14-甲基-16,17,18-三氧杂三环[10.3.2.1]十八烷产率为45％。仅检测到痕量的3-甲基环十五烷-1,5-二醇(通过GC测定<10wt％)。

在实施例1中用作催化剂的阮内镍(2400阮内镍)是具有在25-55μm范围内的质量平均粒度d(0.5)的粉末，其以在水中的浆料提供，其中干催化剂和水的质量比为50:50。在实施例1中，2400阮内镍以浆料沉淀物的形式(干催化剂和水的质量比为75:25)使用。2400阮内镍的组成分析导致检测到相对于2400阮内镍的总(干)质量75重量％Ni和2.2重量％Fe和2.1重量％铬(Cr)。对于所述分析，将2400阮内镍的样品在105℃和氩气下干燥过夜。除Ni、Fe和Cr外，2400阮内镍还含有铝。

III)实施例2：

将2克14-甲基-16,17,18-三氧杂三环[10.3.2.1]十八烷(通过NMR测定纯度为80-90％)在25℃下分散在100毫升甲醇中。向该混合物中加入0.5ml10重量％的NaOH水溶液和0.5g钼掺杂阮内镍。在300毫升高压釜中，将混合物加热至70℃的温度，并在此温度下用2MPa氢气加压该系统。允许该系统在这些条件下反应18小时。此后，将高压釜冷却至室温，过滤除去阮内镍。蒸发溶剂，产物用乙酸乙酯萃取，得到1.75g含有71重量％3-甲基环十五烷-1,5-二醇的粗产物，基于初始量14-甲基-16,17,18-三氧杂三环[10.3.2.1]十八烷的产率为80％。

在实施例2中用作催化剂的钼掺杂阮内镍是具有33μm(d(0.1):8μm；d(0.9):101μm)的质量平均粒度d(0.5)的粉末，其以在水中的浆料提供，其中干催化剂和水的质量比为50:50。在实施例2中，钼掺杂阮内镍以浆料沉淀物的形式(干催化剂和水的质量比为75:25)使用。催化剂组成的分析导致检测到相对于钼掺杂阮内镍的总(干)质量80重量％Ni和1.0重量％Mo。C、H和N的含量各自<0.5重量％且S的含量<0.01重量％。所述分析不在惰性气氛下进行，并且不考虑可能形成的任何NiO。除了Ni和Mo之外，催化剂还含有铝。

Claims (23)

1.一种制备式(I)二醇的方法，

其包括在碱和包含钼掺杂阮内镍的催化剂的存在下氢解式(II)臭氧化物

2.根据权利要求1所述的方法，其中氢解在5MPa或更低的氢气压力和120℃或更低的温度下进行。

3.根据权利要求1所述的方法，其中相对于式(II)臭氧化物的质量，钼掺杂阮内镍的用量为至少8重量％。

4.根据权利要求2所述的方法，其中相对于式(II)臭氧化物的质量，钼掺杂阮内镍的用量为至少8重量％。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中氢解在不存在液体有机溶剂或稀释剂的情况下进行。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中氢解在式(II)臭氧化物分散在液相中的情况下进行，液相包含碱、有机溶剂和任选水，有机溶剂选自C₁-C₄链烷醇，及其混合物。

7.根据权利要求6所述的方法，其中有机溶剂选自甲醇、乙醇或异丙醇，及其混合物。

8.根据权利要求6所述的方法，其中式(II)臭氧化物以相对于溶剂2-200g/l的量使用。

9.根据权利要求8所述的方法，其中式(II)臭氧化物以相对于溶剂10-50g/l的量使用。

10.根据权利要求1至4和7-9中任一项所述的方法，其中碱选自碱金属氢氧化物。

11.根据权利要求5所述的方法，其中碱选自碱金属氢氧化物。

12.根据权利要求10所述的方法，其中碱选自NaOH和KOH。

13.根据权利要求11所述的方法，其中碱选自NaOH和KOH。

14.根据权利要求1-4、7-9和11-13中任一项所述的方法，其中碱的浓度在5mM至50mM的范围内。

15.根据权利要求1-4、7-9和11-13中任一项所述的方法，其中氢解在50℃至120℃的温度和1至5MPa的氢气压力下进行。

16.根据权利要求15所述的方法，其中温度为55℃至110℃和/或氢气压力为1.5至4MPa。

17.根据权利要求1-4、7-9、11-13和16中任一项所述的方法，其中氢解条件施加至多36小时的时间。

18.根据权利要求17所述的方法，其中氢解条件施加2至36小时的时间。

19.根据权利要求1-4、7-9、11-13、16和18中任一项所述的方法，其中氢解是连续或分批进行的。

20.根据权利要求1-4、7-9、11-13、16和18中任一项所述的方法，还包括通过臭氧化式(III)化合物来制备式(II)臭氧化物

21.根据权利要求19所述的方法，还包括通过臭氧化式(III)化合物来制备式(II)臭氧化物

22.根据权利要求1-4、7-9、11-13、16、18和21中任一项所述的方法，其中钼掺杂阮内镍包含铝和基于钼掺杂阮内镍的总质量75-95重量％镍和0.5-2.0重量％钼。

23.一种制备式(V)或(VI)大环香料的方法，包括以下步骤：

(i)通过进行权利要求1至22中任一项所述的方法制备式(I)二醇

(ii)将式(I)二醇脱氢和脱水以形成式(IV)烯醇醚：

和

(iii)用酸性试剂处理式(IV)烯醇醚以形成式(V)化合物

和任选如下步骤

(iv)氢化式(V)化合物以形成式(VI)化合物