CN109503327B - 一种氢化柠檬醛制备橙花醇和香叶醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氢化柠檬醛制备橙花醇和香叶醇的方法。所述方法采用有机胺和膦配体双助剂体系，调节两种助剂的比例能够明显改变产物中橙花醇和香叶醇的比例，高选择性的得到目标产物，降低了后期产品的分离难度；利用四塔精馏系统能够同时得到不同牌号的橙花醇和香叶醇系列产品，使得整个生产工艺的产品更加丰富，不同牌号的产品产能根据实际市场需求能够进行灵活切换，更好的满足香精香料市场的需求。
Description
技术领域
本发明涉及橙花醇和香叶醇制备领域，具体涉及一种氢化柠檬醛制备橙花醇和香叶醇系列产品的方法。
背景技术
橙花醇(化学名称为顺式-3，7-二甲基-辛二烯-1-醇)和香叶醇(化学名称为反式-3,7-二甲基-辛二烯-1-醇)是两种名贵的香料，橙花醇主要是用来配制草莓、树莓和柑橘等水果型香精；而香叶醇是玫瑰系列香精的主剂，也是各种花香香精中不可缺少的调香原料。
目前香料市场对橙花醇和香叶醇产品的需求具有多样性的特点，不同规格产品之间橙花醇和香叶醇的含量是不同的，见表1(说明：以橙花醇80为例，指该产品中橙花醇的质量分数为80％)。同时，香料市场存在一定的复杂性，不同时期对香料的需求种类和需求量也有所不同，且不同香料的价格也受市场影响而存在一定波动。但是在已知的现有技术中，制备橙花醇和香叶醇的工艺中大多是单个反应构成的工艺路线，产物较为单一。这种单个反应单一产品的单线工艺应变市场能力差，无法根据市场的变化而进行灵活的生产调整。
表1香料产品组成
| 产品种类 | 产品规格 |
| 产品A | 橙花醇80 橙花醇85 橙花醇90 橙花醇98 |
| 产品B | 香叶醇60 香叶醇70 |
| 产品C | 香叶醇95 香叶醇98 |
目前，工业合成橙花醇和香叶醇路线基本分为两条：月桂烯路线和柠檬醛路线。月桂烯路线，由于原料来源于天然植物，大规模生产受限且具有周期性，因此逐渐弃用。目前生产商均采用氢化柠檬醛路线进行生产。
柠檬醛是橙花醛和香叶醛的统称，橙花醛和香叶醛为顺反异构体，并且市售柠檬醛产品中橙花醛和香叶醛的含量比例基本保持在50：50。柠檬醛加氢过程中橙花醛对应生成橙花醇，香叶醛对应生成香叶醇，产物橙花醇和香叶醇同样为顺反异构体。一般情况下市售柠檬醛加氢产物中橙花醇和香叶醇的含量比接近1：1。
众多披露的现有技术中很少有涉及到橙花醇和香叶醇在反应粗产物中的比例，更进一步，现有技术中没有改变反应工艺条件调变反应产物中橙花醇和香叶醇比例的工艺。通过调变反应产物中橙花醇和香叶醇比例，能够显著改善工艺产物的分布，能够更加灵活的应对市场对橙花醇和香叶醇系列产品的不同需求量。
此外，柠檬醛加氢制备橙花醇和香叶醇的难点在于柠檬醛分子中同时具有两个C＝C和一个C＝O双键，且其中间的C＝C双健与端位的C＝O二者具有共轭作用，在热力学上C＝O官能团的键能大于C＝C，不利于羰基的加氢，因此该反应需加入高选择性氢化羰基的催化剂。
CN101747152以负载铂的氧化铁为催化剂，将柠檬醛选择性加氢合成橙花醇和香叶醇。当柠檬醛转化率为14.2％时，香叶醇和橙花醇的总选择性为58.9％。
US4100180描述了不饱和醛在PtO/Zn/Fe催化剂作用下加氢得到不饱和醇的间歇方法，当柠檬醛转化率达到70％时，香叶醇和橙花醇的总选择性为85.5％。
考虑到昂贵的原料成本，以上两种方法的产品选择性较差，经济效益较差。
CN02155367.X描述了涉及碳负载的搀杂铁的钌催化剂的制备方法及其在选择性液相氢化柠檬醛以生成香叶醇或橙花醇中的用途。当柠檬醛转化率为95.61％时，橙花醇和香叶醇的总选择性为95.22％。尽管该工艺具有较高的目标产品收率，但并没有给出通过改变反应工艺条件调变反应产物中橙花醇和香叶醇比例这一技术启示，更没有针对目前香料市场对橙花醇和香叶醇产品的需求具有多样性的问题提出任何技术启示的解决方案。因此，需要获得制备橙花醇和香叶醇系列产品的改进方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中制备橙花醇和香叶醇工艺中所存在的诸多问题，提供一种氢化柠檬醛制备橙花醇和香叶醇的方法。该方法采用均相催化体系，在温和的反应条件下选择性氢化柠檬醛，高选择性的得到目标产物的同时，橙花醇和香叶醇两者的比例可调，显著改善工艺产物的分布，再灵活结合分离系统，通过四个精馏塔得到三种不同规格的产品，很好的克服了现有技术中的突出问题，具有较好的工业化前景。
本发明所涉及的原料及产品的结构式如下：
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种氢化柠檬醛制备橙花醇和香叶醇的方法，包括以下步骤：在包含活性组分、有机胺和膦配体的均相催化体系的催化下，柠檬醛进行氢化反应制备橙花醇和香叶醇。
本发明所述活性组分包含至少一种选自Ru、Rh、Pt、Pd或Ir的油溶性盐，优选Ru的油溶性盐，包括但不限于[Ru(乙酰丙酮)3]、[Ru(环戊二烯)2Cl]2、[Ru(环辛烯)2Cl]2、[Ru(乙烯)2Cl]2、[Ru(环戊二烯基)2]、[Ru(五甲基环戊二烯基)2]、[Ru(环戊二烯基)(CO)2]、[Ru(五甲基环戊二烯基)(CO)2]、[Ru(三苯基膦)3(CO)]H2，其中优选[Ru(三苯基膦)3(CO)]H2。
本发明所述活性组分的物质的量为柠檬醛的物质的量的0.0001％～l％，优选0.001％～0.1％。
本发明所述膦配体选自三烷基膦或三芳基膦中的一种或多种，优选三丁基膦、三辛基膦、三苯基膦、三环己基膦中的一种或多种，更优选三苯基膦(PPh3)。
本发明所述的催化剂体系中，膦配体与活性组分的摩尔比为0.001～1:1，优选0.01～0.1:1。
本发明所述有机胺选自脂肪胺的一种或多种，包括但不限于甲胺、乙胺、三丙胺、异丁胺、三辛胺、六亚甲基四胺(HMTA)中的一种或多种，优选六亚甲基四胺(HMTA)。
本发明所述的催化剂体系中，有机胺和膦配体的摩尔比为0.1～10:1，优选0.5～5:1。
本发明所述柠檬醛为市售产品，其中橙花醛和香叶醛的含量比例为50：50。
本发明所述氢化反应可在溶剂或者不加入溶剂而进行。如果使用溶剂，合适的溶剂包括但不限于戊烷、己烷、庚烷、壬烷、癸烷、苯、甲苯、四氢呋喃、甲醇、乙醇等中的一种或多种。
本发明所述氢化反应使用合成气，其中H2和CO的摩尔比为(1～4):1，优选4:1。
本发明所述反应的绝对压力为0.1～10MPa，优选0.2～2MPa；反应温度为50～200℃，优选80～120℃；反应时间为1～20h，优选5～10h。
使用有机胺和膦配体构成的双助剂体系，特别是六亚甲基四胺(HMTA)和三苯基膦(PPh3)组合助剂能够显著改善反应的性能，提高目标产物的选择性。更令人意外的是，调节两种助剂的比例能够明显改变产物中橙花醇和香叶醇的比例。
所述双助剂体系能够显著改善反应性能的原因在于增强了活性组分对底物中羰基C＝O基团的选择性吸附，同时有机胺的添加使得反应体系保持微弱碱性(PH＝8～10)的氛围，避免了底物由于受热变质为弱酸性物质对活性组分的干扰。
同时，调节两种助剂的比例能够明显改变产物中橙花醇和香叶醇的比例这一效果十分意外。认为其原因可能在于添加双助剂的催化体系在柠檬醛加氢过程中形成有利于生成某一构型的诱导体系，以六亚甲基四胺(HMTA)和三苯基膦(PPh3)为例，当六亚甲基四胺(HMTA)和三苯基膦(PPh3)的摩尔比大于2且小于等于5时，催化剂体系中助剂和活性组分形成的催化剂结构有利于柠檬醛在加氢过程中倾向于更多的形成香叶醇，相应的橙花醇的含量会有所降低。当六亚甲基四胺(HMTA)和三苯基膦(PPh3)的摩尔比为大于等于0.5且小于2时，催化剂体系中助剂和活性组分形成的催化剂结构有利于柠檬醛在加氢过程中倾向于更多的形成橙花醇，相应的香叶醇的含量会有所降低。当六亚甲基四胺(HMTA)和三苯基膦(PPh3)的摩尔比为2:1时柠檬醛加氢产物中的橙花醇和香叶醇含量接近1：1。
本发明所述氢化反应的转化率可达到95％以上，橙花醇和香叶醇的总化学选择性大于97％，其中橙花醇和香叶醇的含量比为0.2～2：1。
原料柠檬醛进行本发明所述的氢化反应制备的含有橙花醇和香叶醇的产物经过分离可以得到不同牌号的橙花醇和香叶醇系列产品。
作为一个优选的技术方案，本发明所述的分离工艺包括四个串联的精馏塔。其中第一个精馏塔用于脱除反应产物中轻组分杂质，特别是未反应完全的原料柠檬醛；第二个精馏塔用于分离得到产品1，其中橙花醇含量不小于60％，优选橙花醇含量大于90％；第三个精馏塔用于分离得到产品2，其中橙花醇和香叶醇的含量比为30：70～45：65，优选橙花醇和香叶醇的含量比为40：60；第四个精馏塔用于分离得到产品3，其中香叶醇含量不小于60％，优选香叶醇含量大于95％。
本发明的进步之处在于在温和的反应条件下选择性氢化柠檬醛，高选择性的得到目标产物，降低了后期产品的分离难度，同时橙花醇和香叶醇两者的比例可调，显著改善工艺产物的分布，再灵活结合分离系统，利用四塔精馏系统能够同时得到不同牌号的橙花醇和香叶醇系列产品，使得整个生产工艺的产品更加丰富，不同牌号的产品产能根据实际市场需求能够进行灵活切换，更好的满足香精香料市场的需求。反应体系和分离体系共同构成整改进的工艺，为很好的克服了现有技术中的突出问题，具有较好的工业化前景。
具体实施方式
下面的实施例将对将对本发明所提供的方法予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明的权利要求范围内其他任何公知的改变。
分析方法：气相色谱仪：Agilent7890，色谱柱DB-5(转化率、选择性测定)，进样口温度：300℃；分流比50：1；载气流量:52.8ml/min；升温程序：120℃下保持15min，以10℃/min的速率升至250℃，保持10min，检测器温度：280℃。
使用药品：
柠檬醛≥98％，湖北巨龙堂医药化工有限公司；
[(C6H5)3P]3Ru(CO)H2≥98％，百灵威科技有限公司；
六亚甲基四胺(HMTA)≥99％，百灵威科技有限公司；
三苯基膦≥99％，百灵威科技有限公司；
实施例1
在0.5L不锈钢(316L材质)反应釜中，加入0.01克[(C6H5)3P]3Ru(CO)H2、0.03毫克三苯基膦、0.01毫克HMTA以及155.34克柠檬醛；采用氮气充压1MPa，泄放气体3次，同理采用合成气置换3次后，保持搅拌转速800rpm，开始程序升温。待反应温度升高至80℃时，补合成气至总压力为0.2MPa，其中H2:CO＝2.3。反应时间为5h。反应液降温至室温后，泄放气体，取样分析，结果见表2。
实施例2
在0.5L不锈钢(316L材质)反应釜中，加入0.05克[(C6H5)3P]3Ru(CO)H2、0.4毫克三苯基膦、0.32毫克HMTA以及155.34克柠檬醛；采用氮气充压1MPa，泄放气体3次，同理采用合成气置换3次后，保持搅拌转速800rpm，开始程序升温。待反应温度升高至90℃时，补合成气至总压力为0.5MPa，其中H2:CO＝1.1。反应时间为6h。反应液降温至室温后，泄放气体，取样分析，结果见表2。
实施例3
在0.5L不锈钢(316L材质)反应釜中，加入0.09克[(C6H5)3P]3Ru(CO)H2、1.59毫克三苯基膦、1.69毫克HMTA以及155.34克柠檬醛；采用氮气充压1MPa，泄放气体3次，同理采用合成气置换3次后，保持搅拌转速800rpm，开始程序升温。待反应温度升高至100℃时，补合成气至总压力为1MPa，其中H2:CO＝4。反应时间为7h。反应液降温至室温后，泄放气体，取样分析，结果见表2。
实施例4
在0.5L不锈钢(316L材质)反应釜中，加入0.46克[(C6H5)3P]3Ru(CO)H2、10.60毫克三苯基膦、19.67毫克HMTA以及155.34克柠檬醛；采用氮气充压1MPa，泄放气体3次，同理采用合成气置换3次后，保持搅拌转速800rpm，开始程序升温。待反应温度升高至110℃时，补合成气至总压力为1.5MPa，其中H2:CO＝3。反应时间为8h。反应液降温至室温后，泄放气体，取样分析，结果见表2。
实施例5
在0.5L不锈钢(316L材质)反应釜中，加入0.93克[(C6H5)3P]3Ru(CO)H2、26.49毫克三苯基膦、70.24毫克HMTA以及155.34克柠檬醛；采用氮气充压1MPa，泄放气体3次，同理采用合成气置换3次后，保持搅拌转速800rpm，开始程序升温。待反应温度升高至120℃时，补合成气至总压力为2MPa，其中H2:CO＝3.8。反应时间为10h。反应液降温至室温后，泄放气体，取样分析，结果见表2。
对比例1
在0.5L不锈钢(316L材质)反应釜中，加入0.94克[(C6H5)3P]3Ru(CO)H2以及155.34克柠檬醛；采用氮气充压1MPa，泄放气体3次，同理采用合成气置换3次后，保持搅拌转速800rpm，开始程序升温。待反应温度升高至120℃时，补合成气至总压力为2MPa，其中H2:CO＝3.8。反应时间为22h。反应液降温至室温后，泄放气体，取样分析，结果见表2。
表2实施例1-5及对比例1结果
| 实施例 | 转化率％ | S<sub>橙花醇和香叶醇</sub>％ | 橙花醇/香叶醇 |
| 1 | 95.8 | 97.1 | 1.97 |
| 2 | 96.2 | 98.4 | 1.56 |
| 3 | 99.1 | 98 | 1.02 |
| 4 | 98.4 | 98.9 | 0.88 |
| 5 | 95.8 | 97.6 | 0.23 |
| 对比例1 | 80.5 | 88.7 | 1.1 |
分离工艺实施例
实施例6
市场对橙花醇98、香叶醇60以及香叶醇98的需求量较大，其中以橙花醇98为主。根据市场需求情况，需要调整工艺，需要增加工艺产物中橙花醇的含量。
以实施例1的工艺产物作为精馏的原料，其具体组分分布为(质量百分比)：4.2％柠檬醛，61.38％橙花醇，31.16％香叶醇，其他3.26％。
分离工艺包括精馏塔1、2、3、4共四个串联的精馏塔。
精馏塔1用于脱除起始原料中轻组分杂质，特别是未反应完全的原料柠檬醛。精馏塔1的进料量为500kg/h，塔顶温度50℃，塔顶压力20mbar，回流比20，塔釜温度110℃，经过精馏塔1处理后的原料组成见表3。
经过精馏塔1处理后的原料继续经精馏塔2处理，精馏塔2的进料量为450kg/h，塔顶温度55℃，塔顶压力20mbar，回流比5，塔釜温度120℃，精馏塔2分离得到产品1，产品1采出量250kg/h，其中橙花醇含量为97.8％，具体组成见表3。
经过精馏塔2处理后的原料继续经精馏塔3处理，精馏塔3的进料量为200kg/h，塔顶温度58℃，塔顶压力20mbar，回流比5，塔釜温度120℃，精馏塔3分离得到产品2，产品2采出量60kg/h，其中香叶醇含量为59.5％，具体组成见表3。
经过精馏塔3处理后的原料继续经精馏塔4处理，精馏塔4的进料量为140kg/h，塔顶温度60℃，塔顶压力20mbar，回流比2，塔釜温度125℃，精馏塔4分离得到产品3，产品3采出量110kg/h，精馏塔4分离得到产品3，其中香叶醇含量为98.3％，具体组成见表3。
实施例7
市场对橙花醇98、香叶醇60以及香叶醇98的需求量较大，其中以香叶醇98为主。根据市场需求情况，需要调整工艺，增加工艺产物中香叶醇的含量。
以实施例1的工艺产物作为精馏的原料，其具体组分分布为(质量百分比)：4.2％柠檬醛，61.38％橙花醇，31.16％香叶醇，其他3.26％。
分离工艺包括精馏塔1、2、3、4共四个串联的精馏塔。
精馏塔1用于脱除起始原料中轻组分杂质，特别是未反应完全的原料柠檬醛。精馏塔1的进料量为800kg/h，塔顶温度51℃，塔顶压力20mbar，回流比20，塔釜温度110℃，经过精馏塔1处理后的原料组成见表3。
经过精馏塔1处理后的原料继续经精馏塔2处理，精馏塔2的进料量为720kg/h，塔顶温度55℃，塔顶压力20mbar，回流比5，塔釜温度120℃，精馏塔2分离得到产品1，产品1采出量100kg/h，其中橙花醇含量为98.1％，具体组成见表3。
经过精馏塔2处理后的原料继续经精馏塔3处理，精馏塔3的进料量为600kg/h，塔顶温度58℃，塔顶压力20mbar，回流比5，塔釜温度120℃，精馏塔3分离得到产品2，产品2采出量180kg/h，其中香叶醇含量为58.8％，具体组成见表3。
经过精馏塔3处理后的原料继续经精馏塔4处理，精馏塔4的进料量为410kg/h，塔顶温度60℃，塔顶压力20mbar，回流比2，塔釜温度128℃，精馏塔4分离得到产品3，产品3采出量360kg/h，精馏塔4分离得到产品3，其中香叶醇含量为98.8％，具体组成见表3。
表3
备注：柠檬醛-1 橙花醇-2 香叶醇-3。
Claims (16)
1.一种氢化柠檬醛制备橙花醇和香叶醇的方法，包括以下步骤：在包含活性组分、有机胺和膦配体的均相催化体系的催化下，柠檬醛进行氢化反应制备橙花醇和香叶醇；所述活性组分包含至少一种选自Ru、Rh、Pt、Pd或Ir的油溶性盐；所述膦配体选自三烷基膦或三芳基膦中的一种或多种；所述有机胺选自脂肪胺的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性组分包含[Ru (乙酰丙酮)3]、[Ru(环戊二烯)2Cl]2、[Ru (环辛烯)2Cl] 2、[Ru (乙烯)2Cl]2、[Ru (环戊二烯基) 2]、[Ru (五甲基环戊二烯基)2]、[Ru (环戊二烯基)(CO)2]、[Ru (五甲基环戊二烯基) (CO)2]、[Ru(三苯基膦)3 (CO)]H2中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性组分的物质的量为柠檬醛的物质的量的0.0001% ~l%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性组分的物质的量为柠檬醛的物质的量的0.001% ~0.1%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膦配体选自三丁基膦、三辛基膦、三苯基膦、三环己基膦中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机胺选自甲胺、乙胺、三丙胺、异丁胺、三辛胺、六亚甲基四胺中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的催化剂体系中，有机胺和膦配体的摩尔比为0.1~10:1。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的催化剂体系中，有机胺和膦配体的摩尔比为0.5~5:1。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢化反应使用合成气，其中H2和CO的摩尔比为(1~4):1。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述H2和CO的摩尔比为4:1。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应的绝对压力为0.1~10MPa；反应温度为50~200℃；反应时间为1~ 20h。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应的绝对压力为0.2~2MPa；反应温度为80~120℃；反应时间为5~10h。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柠檬醛中橙花醛和香叶醛的含量比例为50：50。
14.根据权利要求1-13任一项所述的方法，其特征在于，当六亚甲基四胺和三苯基膦的摩尔比大于2且小于等于5时，香叶醇的选择性高于橙花醇；当六亚甲基四胺和三苯基膦的摩尔比为大于等于0.5且小于2时，橙花醇的选择性高于香叶醇；当六亚甲基四胺和三苯基膦的摩尔比为2:1时，橙花醇和香叶醇的选择性为1：1。
15.根据权利要求1-13任一项所述的方法，其特征在于，氢化反应完成后，使用四个串联的精馏塔进行分离，其中，第一个精馏塔用于脱除反应产物中轻组分杂质；第二个精馏塔用于分离得到产品1，其中橙花醇含量不小于60%；第三个精馏塔用于分离得到产品2，其中橙花醇和香叶醇的含量比为30：70~45：65；第四个精馏塔用于分离得到产品3，其中香叶醇含量不小于60%。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述轻组分杂质为柠檬醛；所述产品1中橙花醇含量大于90%；所述产品2中橙花醇和香叶醇的含量比为40：60；所述产品3中香叶醇含量大于95%。
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| WO2017211784A1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-12-14 | Basf Se | Process for preparing 2,3-unsaturated alcohols |
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2018
- 2018-12-12 CN CN201811516330.0A patent/CN109503327B/zh active Active
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