CN109456153A - 一种氧代异佛尔酮的合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于以3,5,5‑三甲基‑4‑羟基‑2‑环己烯‑1‑酮(HIP)为原料，对苯醌类化合物(II)为氧化剂和催化剂，通入氧气或者空气，在惰性溶剂中进行氧化反应，生成氧代异佛尔酮(KIP)和对苯二酚类化合物(III)。
Description
技术领域
本发明涉及精细化工领域，具体涉及一种以3,5,5-三甲基-4-羟基-2-环己烯-1-酮(以下简称HIP)为起始原料的氧代异佛尔酮的合成方法。
背景技术
氧代异佛尔酮(2,6,6-三甲基-2-环己烯-1,4-二酮，4-Ketoisophorone，简称KIP，CAS： 1125-21-9)是合成生物素的关键中间体，其结构式如下：
氧代异佛尔酮的制备方法一般是β-异佛尔酮为原料，再氧化成氧代异佛尔酮。其现有的常规合成路线如下：，
上述路线以β-异佛尔酮(3，5，5-三甲基环己-3-烯-1-酮，β-Isophorone，简称β-IP，CAS： 78-59-1)为原料，经氧化得到，在反应中，同时作为产物的氧代异佛尔酮(KIP)及作为副产物的3,5,5-三甲基-4-羟基-2-环己烯-1-酮(HIP)和3-甲酰基-5，5-二甲基-2-环己烯酮(FIP)。其中，作为副产物的HIP可通过精馏分离，在反应精馏中得到的作为副产物的精馏前份中， HIP含量30～85％(其余主要为KIP)，因HIP与KIP的物性接近，造成HIP提纯困难，一般将精馏前份均作为废料燃烧处理，既影响了反应的收率，又因HIP碳值较高，在燃烧处理时存在一定爆炸风险。
如US6297404中描述了在溶剂、碱和作为催化剂的过渡金属salen衍生物以及添加剂存在下用分子氧将3，5，5-三甲基环己-3-烯-1-酮(β-异佛尔酮，β-IP)氧化成氧代异佛尔酮，该方法最大的缺点就是容易产生邻位氧化副产物o-KIP，o-KIP在物理性质上与KIP接近，与KIP 的分离相当困难。
如US4898985中，使用铁、铜、钴、锰的卟啉或酞菁配合物作为催化剂，同时用三乙胺或乙二醇二甲醚做溶剂，氧化β-异佛尔酮制备KIP。该方法虽然有很高的收率，但反应工艺成本较高，操作条件十分危险。
基于现有技术中的上述缺陷，如何在现有的KIP合成工艺基础上，提高原料利用率，减少废弃物排放成为现有技术中亟待的解决的问题。
发明内容
基于现有技术中的上述问题，本发明提供了以常规路线中产生的副产物3,5,5-三甲基-4- 羟基-2-环己烯-1-酮(HIP)为原料氧化生成氧代异佛尔酮的合成方法。当然也适应以工业化产品HIP(3,5,5-三甲基-4-羟基-2-环己烯-1-酮)为原料氧化生成氧代异佛尔酮。从而能够提高KIP合成中的原料利用率，降低废料排放及处理风险，减少污染。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
提供一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于以3,5,5-三甲基-4-羟基-2-环己烯-1-酮 (HIP)为原料，对苯醌类化合物(II)为氧化剂和催化剂，通入氧气或者空气，在惰性溶剂中进行氧化反应，生成氧代异佛尔酮(KIP)和对苯二酚类化合物(III)，所述合成方法的反应式如下：
式中，R为H或1-3个-CH3取代基。反应后将对苯二酚类化合物(III)氧化成对苯醌类化合物(II)并作为氧化剂和催化剂循环利用。原料为β-异佛尔酮氧化合成氧代异佛尔酮时作为副产物的精馏前份或市售的工业化产品HIP，所述精馏前份中HIP含量为30％-85％(w/w) 精馏前份中其余组分主要为KIP
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述的惰性溶剂为苯、甲苯、二甲苯、三甲苯中的一种或几种。所述二甲苯选自邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯中的一种或几种，所述三甲苯选自1,3,5-三甲苯(均三甲苯)、1,2,4-三甲苯(偏三甲苯)和1,2,3-三甲苯中的一种或几种，
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于对苯醌类化合物(II)选自甲基对苯醌、2,6-二甲基对苯醌、2,3-二甲基对苯醌、2,5-二甲基对苯醌、三甲基对苯醌、对苯醌中的一种或几种。
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)原料与对苯醌类化合物(II)在通入氧气或者空气的情况下，在惰性溶剂中边搅拌边进行氧化反应，生成KIP和相应的对苯二酚类化合物(III)；对苯二酚类化合物(III)在氧气或者空气的作用下又直接生成反应中所需的对苯醌类化合物(II)，使HIP持续转化为KIP；
2)反应结束后，加入硫代硫酸钠水溶液将残留的对苯醌类化合物(II)还原为将对苯二酚类化合物(III)，并通过碱洗的方式将对苯二酚类化合物(III)以盐的形式溶于碱洗液并与反应液分离；
3)将步骤2)分离的碱洗液中的对苯二酚类化合物(III)以空气或氧气氧化为对苯醌类化合物(II)以供循环利用；
4)将步骤2)的反应液经精馏脱溶剂后可得氧代异佛尔酮。
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述步骤1)中的反应温度为60-160℃，优选80-100℃；
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述步骤1)中的搅拌转速在50-500rpm，优选200～300rpm。
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述步骤1)中的HIP与对苯醌类化合物(II)的摩尔比为1:0.2-1.0，优选1:0.45-0.6；氧气或者空气过量。
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，步骤1)中原料中HIP与惰性溶剂的质量比为1:1～5，优选1:2～4。
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述步骤2)中碱洗的碱洗溶液为 5-10％的碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠水溶液，优选5-10％的氢氧化钠水溶液。
所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述步骤3)的氧化温度为60-100℃，优选70-80℃。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)提供了一种新的合成氧化异佛尔酮的合成方法。
(2)将作为维生素E中间体的废料的精馏前份中的HIP进行回收利用，减少了废料排放，同时降低了生产安全风险，提升了原料分子利用率，符合绿色化工理念，同时原料成本优势明显。
(3)通过对苯醌的循环利用，解决了催化剂废渣的环保问题，三废排放少，工艺对环境友好。
(4)反应条件温和易控将进一步降低生产安全风险。
(5)产品纯度高可以达到(GC99.23％)，收率高可以达到(摩尔收率98.98％)。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明不限于以下的实施方式。
根据本发明提供的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其反应路线如下：
式中，R为H或1-3个-CH3取代基。
反应包括以下步骤
1)室温搅拌下在惰性溶剂中加入β-异佛尔酮氧化合成氧代异佛尔酮时作为副产物的精馏前份或市售的工业化产品HIP，滴加惰性溶剂加热溶解的对苯醌类化合物(II)溶液，同时通入氧气或者空气，进行氧化反应，控制反应温度为60-160℃，滴加完后持续搅拌反应，生成KIP和相应的对苯二酚类化合物(III)，待检测HIP残留＜0.1％，停止反应。
2)向步骤1)停止反应后的反应液中加入硫代硫酸钠水溶液将残留的对苯醌类化合物(II) 还原为将对苯二酚类化合物(III)，并通过碱洗的方式将对苯二酚类化合物(III)以盐的形式分离至碱洗液中，分离得到水相的碱洗液和有机相的反应液。
3)向步骤2)中的碱洗液中持续通入氧气或者空气，控制反应温度为60-100℃，边搅拌边进行氧化反应，检测对苯二酚类化合物(III)全部转化后对苯醌类化合物(II)停止；
4)步骤2)的反应液则经精馏脱溶剂后得到纯品氧代异佛尔酮。
步骤1)氧化反应搅拌转速为50-500rpm。
惰性溶剂用量：原料中的HIP:惰性溶剂＝1:1～5(w/w)；HIP与对苯醌类化合物(II)的摩尔比为1:0.2-1.0；氧气或者空气过量。
惰性溶剂为苯、甲苯、二甲苯、三甲苯中的一种或几种；碱洗溶液为5％～10％(w/w) 碳酸氢钠、碳酸钠或氢氧化钠水溶液。
具体实施例
本发明实施例所用的HIP为精馏前份(HIP含量65.0％(w/w)，余量为KIP)，或作为工业化产品HIP(3,5,5-三甲基-4-羟基-2-环己烯-1-酮，含量99.0％(w/w))。需要指出的是由于 HIP与KIP的混合物的各组分GC含量与实际重量百分比含量极为接近，故以GC含量作为重量百分比含量。
实施例1
1)在四口烧瓶中加入相当于纯品HIP30.0g(0.1945mol)的工业化产品HIP，甲苯60.0g， 300rpm搅拌条件下升温到80℃，鼓泡法通空气，滴加对苯醌10.8g(0.10mol)+甲苯30.0g 的混合液，滴加完后，保持温度80±10℃，继续通空气，反应2-5小时，GC检测HIP残留＜ 0.1％停反应；
2)向步骤1)反应液中加硫代硫酸钠水溶液(100ml，质量浓度15-20％)搅拌30min后，加(分两次，每次50mL)5％氢氧化钠溶液洗涤，分层后，水相为碱洗液，有机相用30ml 水洗涤后作为反应液，
3)碱洗液在四口烧瓶中，70-80℃条件下，搅拌通入空气，反应2-3小时，加入30g甲苯搅拌10min，降到室温，静置，分层后有机相作为氧化剂和催化剂可循环套用。
4)将反应液精馏脱溶剂，得KIP 29.25g，GC(气相色谱)含量98.99％，摩尔收率98.82％。
实施例2
1)在四口烧瓶中加入相当于纯品HIP32.0g的工业化产品HIP(0.2075mol)，甲苯60.0g， 300rpm搅拌条件下升温到80℃，鼓泡法通空气，滴加三甲基苯醌15.0g(0.10mol)+甲苯45.0g 的混合液，滴加完后，保持温度80±10℃，继续通空气，反应3-5小时，GC检测HIP残留＜ 0.1％停反应；
2)向步骤1)反应液中加硫代硫酸钠水溶液(100ml，质量浓度15-20％)搅拌30min后，加(分两次，每次70ml)5％氢氧化钠溶液洗涤，分层后，水相为碱洗液，有机相用50ml水洗涤后作为反应液；
3)碱洗液在四口烧瓶中，70-80℃条件下，搅拌通入空气，反应2-3小时，加入35g甲苯搅拌10min，降到室温，静置，分层后有机相作为氧化剂和催化剂可循环套用。
4)将反应液精馏脱溶剂，得KIP 31.03g，GC含量98.28％，摩尔收率96.96％。
实施例3：
1)在四口烧瓶中加入相当于纯品HIP35.0g(0.2270mol)的工业化产品HIP，对二甲苯65.0g，300rpm搅拌条件下升温到100℃，鼓泡法通空气，滴加三甲基苯醌20.0g(0.1333mol) +对二甲苯45.0g的混合液，滴加完后，保持温度100±10℃，继续通空气，反应3-5小时， GC检测HIP残留＜0.1％停反应，
2)向步骤1)反应液中加硫代硫酸钠水溶液(100ml，质量浓度15-20％)搅拌30min后，加(分两次，每次70mL)5％氢氧化钠溶液洗涤，分层后，水相为碱洗液，有机相用50ml 水洗涤后作为反应液，
3)碱洗液在四口烧瓶中，70-80℃条件下，搅拌通入空气，反应2-3小时，加入35g对二甲苯搅拌10min，降到室温，静置，分层后有机相作为氧化剂和催化剂可循环套用。
4)将反应液精馏脱溶剂，得KIP 34.03g，GC含量97.89％，摩尔收率97.22％。
实施例4-16参考实施例1或者2或者3的工艺进行合成，工艺条件不同之处如表1所示 (溶剂用量与参照实施例溶剂质量相同，催化剂及和氧化剂用量与参照实施例的摩尔用量相同，原料用量均折合成纯品HIP计算)。
采用精馏前份为原料的摩尔收率换算公式：
采用工业HIP为原料的摩尔收率换算公式
经过上述实施例可以看出，无论是采用精馏前份还是工业化产品HIP，采用本发明的方法均可以将HIP高选择性的转化成为KIP。
Claims (10)
1.一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于以3,5,5-三甲基-4-羟基-2-环己烯-1-酮(HIP)为原料，对苯醌类化合物(II)为氧化剂和催化剂，通入氧气或者空气，在惰性溶剂中进行氧化反应，生成氧代异佛尔酮(KIP)和对苯二酚类化合物(III)，所述合成方法的反应式如下：
式中，R为H或1-3个-CH3取代基。
2.如权利要求1所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征于在反应后将对苯二酚类化合物(III)氧化成对苯醌类化合物(II)并作为氧化剂和催化剂循环利用。
3.如权利要求1所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征于所述原料为β-异佛尔酮氧化合成氧代异佛尔酮时作为副产物的精馏前份或市售的工业化产品HIP，所述精馏前份中含有重量百分比含量30-85％的HIP。
4.根据权利要求1～3任一所述的氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述的惰性溶剂为苯、甲苯、二甲苯、三甲苯中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)原料与对苯醌类化合物(II)在通入氧气或者空气的情况下，在惰性溶剂中边搅拌边进行氧化反应，生成KIP和相应的对苯二酚类化合物(III)；对苯二酚类化合物(III)在氧气或者空气的作用下又直接生成反应中所需的对苯醌类化合物(II)，使HIP持续转化为KIP；
2)反应结束后，加入硫代硫酸钠水溶液将残留的对苯醌类化合物(II)还原为将对苯二酚类化合物(III)，并通过碱洗的方式将对苯二酚类化合物(III)以盐的形式溶于碱洗液并与反应液分离；
3)将步骤2)分离的碱洗液中的对苯二酚类化合物(III)以空气或氧气氧化为对苯醌类化合物(II)以供循环利用；
4)将步骤2)的反应液经精馏脱溶剂后可得氧代异佛尔酮。
6.根据权利要求5所述的氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述步骤1)中的反应温度为60-160℃，搅拌转速在50-500rpm，原料中HIP与对苯醌类化合物(II)的摩尔比为1：0.2-1.0；氧气或者空气过量。
7.如权利要求6所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于步骤1)中的反应温度为80-100℃，搅拌转速在200-300rpm，原料中HIP与对苯醌类化合物(II)的摩尔比为1：0.45-0.6。
8.根据权利要求5所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于原料中HIP与惰性溶剂的质量比为1:1～5。
9.如权利要求5所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述步骤3)中的碱洗溶液为浓度5-10％碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠水溶液。
10.如权利要求5所述的一种氧代异佛尔酮的合成方法，其特征在于，所述步骤3)中的氧化温度为60-100℃。
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