CN108620103B - 一种制备(s)-3-羟基四氢呋喃的催化剂及其制备与使用方法 - Google Patents

一种制备(s)-3-羟基四氢呋喃的催化剂及其制备与使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备(S)‑3‑羟基四氢呋喃的催化剂及其制备和使用方法。所述催化剂为H3PO4改性的四价金属氧化物。该催化剂可以催化(S)‑1,2,4‑丁三醇一步反应得到(S)‑3‑羟基四氢呋喃，反应操作简单，生产成本较低，环境友好，并且比常规制备方法具有更高的收率且可以保持光学纯。

Description

一种制备(S)-3-羟基四氢呋喃的催化剂及其制备与使用方法
技术领域
本发明属于化工技术领域，具体涉及一种制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法。
背景技术
(S)-3-羟基四氢呋喃
Figure BDA0001638022630000011
是合成抗艾滋病药物Amprenavir和Fosamprenavir的一个重要的中间体，在精细有机化工中也可用于合成。
关于(S)-3-羟基四氢呋喃的合成，现行的化学合成法较多的是采用(S)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯为原料，经还原后，在酸性条件脱去氯化氢环合成目标产物，该方法合成步骤虽短，但所需原料价格昂贵，成本较高，很难实现工业化。合成路线如下：
Figure BDA0001638022630000012
该路线以(S)-3-羟基丁酸乙酯为原料，用四氢呋喃-硼氢化钠体系还原，再在酸性条件下脱去氯化氢环化合成(S)-3-羟基四氢呋喃，操作简单，路线较短，不过也存在缺陷：还原产物中含有羟基，水溶性较大，萃取分离的难度较大，降低了产量。
Vishnu K.Tandon在J.Org.Chem.(1983年，第48卷，第2767-2769页)公开了一种制备(R)-3-羟基四氢呋喃和(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，是以(R)-1,2,4-丁三醇和(S)-1,2,4-丁三醇为原料，以对甲苯磺酸作为催化剂进行环化脱水，产品的收率仅为87％。
美国专利4,539,415公开了一种在漂白土催化剂的条件下通过环化脱水作用制备外消旋体3-羟基四氢呋喃的方法。这种方法适于制备外消旋体3-羟基四氢呋喃，其在可能发生外消旋体150～200℃的条件使用催化剂进行脱水作用，但是在应用此方法制备光学纯的3-羟基四氢呋喃的过程中受到限制。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种新型的制备(S)-3-羟基四氢呋喃的催化剂及采用该催化剂制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法。该方法生产成本低，反应条件温和，操作过程简单、产品收率较高，同时可以得到与反应物相当的光学纯的(S)-3-羟基四氢呋喃。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种制备(S)-3-羟基四氢呋喃的催化剂，该催化剂为H3PO4改性的四价金属氧化物。
优选的，所述四价金属氧化物为TiO2或SnO2。
本发明的第二目的在于提供一种上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：
将四价金属氧化物浸渍于磷酸溶液中，搅拌后干燥，之后于600～650℃下锻烧4～6h；所述四价金属氧化物的加入量为：P与四价金属氧化物的摩尔比为1～81:9。
优选的，所述干燥的温度为100～120℃。
优选的，所述磷酸溶液的浓度为1～3mol/L。
优选的，所述四价金属氧化物的加入量为：P与四价金属氧化物的摩尔比为6～21:9。
优选的，所述四价金属氧化物由如下步骤制备得到：
将四价金属盐与氨水反应得到四价金属的氢氧化物，之后将所述四价金属的氢氧化物煅烧，得到所述四价金属氧化物。
优选的，所述四价金属盐为TiCl4或SnCl4。
本发明的第三目的在于提供一种采用上述催化剂制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，包括如下步骤：
将所述催化剂加入(S)-1,2,4-丁三醇水溶液中，在惰性气体保护下脱水得到(S)-3-羟基四氢呋喃，反应温度为80～180℃，反应路线为：
Figure BDA0001638022630000021
优选的，所述惰性气体为氮气。
优选的，所述惰性气体的体积空速为1～10h-1。
优选的，所述惰性气体的体积空速为3～6h-1。
优选的，反应温度为100～150℃。
优选的，所述反应在固定床反应器中进行，所述反应的工艺为：
将所述催化剂装入固定床反应器，在惰性气体保护下将催化床层温度控制在反应温度，之后将反应物(S)-1,2,4-丁三醇水溶液加入所述固定床反应器，气化后通过催化床层进行反应。
优选的，所述固定床反应器为间歇式固定床反应器。
反应结束后可通过蒸馏等常规技术分离得到(S)-3-羟基四氢呋喃。
最优的，本发明采用如下工艺：
将所述催化剂分成适当的颗粒，并装入间歇式固定床反应器，系统检查密封后，在流动N2吹扫下缓慢升高催化床层的温度到反应温度；将所述(S)-1,2,4-丁三醇水溶液打入系统，所述(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为0.3～1.6h-1，优选0.6～0.9h-1，经气化后经过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应产物通过所述蒸馏装置蒸馏分离得到(S)-3-羟基四氢呋喃，产物用GC-MS定性，用9070型气相色谱仪，采用CHIRASIL-DEXCB 25MX0.25色谱柱分析定量。
本发明通过对催化剂筛选，采用H3PO4改性的四价金属氧化物为催化剂，以固定床为反应器进行(S)-1,2,4-丁三醇脱水制备(S)-3-羟基四氢呋喃，催化效果明显且保持光学纯度。其中，四价金属氧化物中TiO2和SnO2的催化效果明显。
本发明的有益效果在于：
本发明的(S)-3-羟基四氢呋喃的生产方法是以(S)-1,2,4-丁三醇为原料，H3PO4改性的四价金属氧化物为催化剂，反应操作过程简单，生产成本低，产率及(S)-3-羟基四氢呋喃的纯度高，改性催化剂催化效果明显，(S)-3-羟基四氢呋喃收率高达95％，光学纯度99％.o.p。是一种满足工业化需求、实用性很强的新方法。
具体实施方式
实施例1
(1)催化剂的制备：
(1-1)将38m1TiCI4溶于500ml水中，滴加28％氨水直至溶液的pH为8.4，抽滤之后用去离子水洗涤至无C1-存在，所得Ti(OH)4滤饼转入120℃烘箱干燥24h，然后在500℃锻烧5h得到TiO2。
(1-2)取4.7922g(0.06mol)TiO2加入6.7mL 1mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于100℃干燥，然后在3h内加热至600℃，在600℃锻烧4h即得摩尔比为P/TiO2＝1:9的PO4 3-/TiO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/TiO2＝1:9的PO4 3-/TiO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为3h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃。然后将96％的(S)-1,2,4-丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为0.6h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表1。
实施例2
(1)催化剂的制备：取按照实施例1(1-1)制备得到的TiO24.7922g(0.06mol)加入40.0mL1mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于110℃干燥，然后在3h内加热至600℃，在600℃锻烧5h即得摩尔比P/TiO2＝6:9的PO4 3-/TiO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/TiO2＝6:9的PO4 3-/TiO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为8h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到150℃。然后将96％的(S)-1,2,4-丁三醇打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为0.9h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表1。
实施例3
(1)催化剂的制备：取按照实施例1(1-1)制备得到的TiO24.7922g(0.06mol)加入60.0mL1mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于120℃干燥，然后在3h内加热至650℃，在650℃锻烧4h即可得摩尔比P/TiO2＝9:9的PO4 3-/TiO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/TiO2＝9:9的PO4 3-/TiO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为6h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到100℃。然后将96％的(S)-1,2,4-丁三醇打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.3h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表1。
实施例4
(1)催化剂的制备：取按照实施例1(1-1)制备得到的TiO24.7922g(0.06mol)加入90.0mL1mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于100℃干燥，然后在3h内加热至600℃，在600℃锻烧4h即可得摩尔比P/TiO2＝13.5:9的PO4 3-/TiO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/TiO2＝13.5:9的PO4 3-/TiO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为4h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到180℃。然后将96％的(S)-1,2,4-丁三醇打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为0.3h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表1。
实施例5
(1)催化剂的制备：取按照实施例1(1-1)制备得到的TiO24.7922g(0.06mol)加入180.0mL3mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于120℃干燥，然后在3h内加热至650℃，在650℃锻烧6h即可得摩尔比P/TiO2＝81:9的PO4 3-/TiO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/TiO2＝81:9的PO4 3-/TiO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为5h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃。然后将96％的(S)-1,2,4-丁三醇打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.6h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表1。
对比实施例1
将2.0g实施例1(1-1)制备的TiO2作为催化剂装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为3h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃。然后将96％的(S)-1,2,4-丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为0.6h-1，通过催化床层进行反应，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果分别见表1。
表1
Figure BDA0001638022630000051
实施例6
(1)催化剂的制备：
(1-1)将50g的SnCl4·5H2O溶于500m1水中，滴加28％氨水直至溶液的pH为8.4，抽滤并用去离子水洗涤至无Cl-存在，所得Sn(OH)4滤饼转入120℃烘箱干燥24h，然后在500℃锻烧5h得到SnO2.
(1-2)取9.042g(0.06mol)SnO2加入6.7mL 1mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于100℃干燥，然后在3h内加热至600℃，在600℃锻烧4h即得摩尔比P/SnO2＝1:9的PO43-/SnO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/SnO2＝1:9的PO43-/SnO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为1h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到80℃。然后将96％的(S)-1,2,4丁三醇溶液打入系统，
(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.2h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表2。
实施例7
(1)催化剂的制备：取按照实施例6(1-1)制备得到的SnO29.042g(0.06mol)加入40mL1mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于120℃干燥，然后在3h内加热至600℃，在600℃锻烧5h即得摩尔比P/SnO2＝6:9的PO43-/SnO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/SnO2＝6:9的PO43-/SnO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为10h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到180℃。然后将96％的(S)-1,2,4丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.2h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表2。
实施例8
(1)催化剂的制备：取按照实施例6(1-1)制备得到的SnO29.042g(0.06mol)加入60mL1mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于120℃干燥，然后在3h内加热至650℃，在650℃锻烧4h即得摩尔比P/SnO2＝9:9的PO43-/SnO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/SnO2＝9:9的PO43-/SnO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为3h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃。然后将96％的(S)-1,2,4丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.2h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表2。
实施例9
(1)催化剂的制备：取按照实施例6(1-1)制备得到的SnO29.042g(0.06mol)加入45mL2mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，之后于120℃干燥，然后在3h内加热至600℃，在600℃锻烧4h即得摩尔比P/SnO2＝13.5:9的PO43-/SnO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/SnO2＝13.5:9的PO43-/SnO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为4h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃。然后将96％的(S)-1,2,4丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.2h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表2。
实施例10
(1)催化剂的制备：取按照实施例6(1-1)制备得到的SnO29.042g(0.06mol)加入180mL3mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，120℃干燥，然后在3h内加热至620℃，在620℃锻烧5h即得摩尔比P/SnO2＝81:9的PO43-/SnO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/SnO2＝81:9的PO43-/SnO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为8h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃然后将96％的(S)-1,2,4丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.2h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果见表2。
实施例11
(1)催化剂的制备：取按照实施例6(1-1)制备得到的SnO29.042g(0.06mol)加入70mL2mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，120℃干燥，然后在3h内加热至640℃，在640℃锻烧5h即得摩尔比P/SnO2＝21:9的PO43-/SnO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/SnO2＝21:9的PO43-/SnO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为8h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃然后将96％的(S)-1,2,4丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.2h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物。
实施例12
(1)催化剂的制备：取按照实施例6(1-1)制备得到的SnO29.042g(0.06mol)加入180mL2mol/LH3PO4，80℃水浴加热浸渍搅拌直至蒸干，120℃干燥，然后在3h内加热至610℃，在610℃锻烧5h即得摩尔比P/SnO2＝54:9的PO43-/SnO2催化剂。降温冷却，压片敲碎30～50目过筛。
(2)制备(S)-3-羟基四氢呋喃：将上述30～50目的摩尔比P/SnO2＝54:9的PO43-/SnO2催化剂2.0g装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为8h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃然后将96％的(S)-1,2,4丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.2h-1，通过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物。
对比实施例2
将2.0g实施例6(1-1)制备的SnO2作为催化剂装入间歇式固定床反应器，其余部分用石英砂填充。系统检查密封后，在体积空速为3h-1的N2气流速下将催化床层程序升温到120℃。然后将96％的(S)-1,2,4-丁三醇溶液打入系统，(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为1.2h-1，通过催化床层进行反应，反应混合物利用反应器上部的蒸馏装置并且分离得到产物，将反应10h后收集到的液体取样进行分析，结果分别见表2。
表2
Figure BDA0001638022630000091

Claims (8)

1.一种制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，其特征在于，采用的催化剂由如下方法制得：
将四价金属氧化物浸渍于磷酸溶液中，搅拌后干燥，之后于600～650℃下锻烧4～6h；所述四价金属氧化物的加入量为：P与四价金属氧化物的摩尔比为1～81:9；所述四价金属氧化物为TiO2或SnO2；
所述制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，包括如下步骤：
将所述催化剂加入(S)-1,2,4-丁三醇水溶液中，在惰性气体保护下脱水得到(S)-3-羟基四氢呋喃，反应温度为100～150℃，反应路线为：
Figure FDA0003071066460000011
所述惰性气体的体积空速为1～10h-1；
所述反应在间歇式固定床反应器中进行，所述反应的工艺为：
将所述催化剂装入固定床反应器，在惰性气体保护下将催化床层温度控制在反应温度，之后将所述(S)-1,2,4-丁三醇水溶液加入所述固定床反应器，气化后通过催化床层进行反应。
2.根据权利要求1所述的制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，其特征在于，P与四价金属氧化物的摩尔比为6～21:9。
3.根据权利要求1所述的制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，其特征在于，所述干燥的温度为100～120℃。
4.根据权利要求1所述的制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，其特征在于，所述四价金属氧化物由如下步骤制备得到：
将四价金属盐与氨水反应得到四价金属的氢氧化物，之后将所述四价金属的氢氧化物煅烧，得到所述四价金属氧化物。
5.根据权利要求4所述的制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，其特征在于，所述四价金属盐为TiCl4或SnCl4。
6.根据权利要求1所述的制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，其特征在于，所述惰性气体的体积空速为3～6h-1。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，其特征在于，采用如下工艺：
将所述催化剂分成适当的颗粒，并装入间歇式固定床反应器，系统检查密封后，在流动N2吹扫下缓慢升高催化床层的温度到反应温度；将所述(S)-1,2,4-丁三醇水溶液打入系统，所述(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为0.3～1.6h-1，经气化后经过催化床层进行反应，所述反应器上部设置有蒸馏装置，反应产物通过所述蒸馏装置蒸馏分离得到(S)-3-羟基四氢呋喃，产物用GC-MS定性，用9070型气相色谱仪。
8.根据权利要求7所述的制备(S)-3-羟基四氢呋喃的方法，其特征在于，所述(S)-1,2,4-丁三醇的质量空速为0.6～0.9h-1。
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