CN109836312B - 一种异丁香酚甲醚的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异丁香酚甲醚的合成方法，属于精细有机化学品合成技术领域。本方法以丁香酚和DMC为原料，DMC通过分步和滴加的加料方式，在固体碱和相转移催化剂催化下，通过加压下的液固相反应一步法合成异丁香酚甲醚。本发明采用绿色有机化学原料DMC替代目前使用的高毒性、高腐蚀性的硫酸二甲酯作为甲基化试剂；选择固体碱和相转移催化剂催化体系及合适的反应条件，通过一步法合成了异丁香酚甲醚，改变了目前需通过丁香酚的异构化和甲基化二步反应的合成过程。此方法工艺过程简单，合成路线相对清洁环保，并且节能、降耗，有很好的经济和环境效益。
Description
技术领域
本发明属于精细有机化学品合成技术领域，具体涉及一种异丁香酚甲醚的合成方法。
背景技术
异丁香酚甲醚又名甲基异丁香酚(Isoeugenol methyl ether)，化学名称为1，2-二甲氧基-4-(1-丙烯基)苯，分子式为C11O14O2，结构式为：
异丁香酚甲醚是重要的单体香料，具有清甜的带花香的辛香气息，有茶样的花香，具有香石竹样的香调，木香的底韵，香气清灵而温暖，平和而持久，留香时间强于丁香酚甲醚。异丁香酚甲醚是香石竹、玫瑰、紫丁香、依兰等花香型香精中重要的香原料，广泛用于日化香精、食用香精和烟用香精，还可作为多种实蝇成虫的引诱剂，在医学中有明显的镇咳、祛痰、镇静、镇痛作用。
异丁香酚甲醚天然存在于百千层、石荠苧、香石竹、依兰油、细辛油等60余种精油中，但由于含量较低，天然提取基本没有商业价值，异丁香酚甲醚产品都是采用合成的方法制备。
目前由丁香酚为主要原料合成异丁香酚甲醚的方法，主要经历酚羟基的甲基化和双键的异构化两步化学反应过程，存在合成路线长，过程复杂，物耗高、能耗高的问题。传统的丁香酚异构化主要是采用无机强碱液为催化剂，需要在减压条件下，高温长时间反应，存在着副反应多、能耗高、物耗高、碱液污染、后处理困难等问题；酚羟基的甲基化反应通常是以硫酸二甲酯、溴甲烷等为甲基化试剂，这些试剂毒性很大，并有很强的腐蚀性，会给环境带来严重的污染，特别是硫酸二甲酯属于有机剧毒品，在反应过程中会产生硫酸，腐蚀性强，后处理工序复杂；酚羟基的甲基化反应通常采用液相间歇式合成工艺，原料一次性投入，固定式的反应，但由于碳酸二甲酯(DMC)作为甲基化试剂其反应活性远不如硫酸二甲酯活泼，所以反应通常需要较高的温度，而DMC的沸点只有90℃，常压时反应温度升不上去，造成反应效果差，产品得率低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种异丁香酚甲醚的合成方法。本发明的目的在于利用DMC替代传统的硫酸二甲酯，选择适宜的催化体系和加压下的液固相反应一步法合成异丁香酚甲醚，这是一种合成简单、环境相对友好，后处理方便、节能、降耗的异丁香酚甲醚的制备方法。
技术方案：为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种异丁香酚甲醚的合成方法，以丁香酚和DMC为原料，DMC通过分步和滴加的加料方式，以固体碱和相转移催化剂为共同催化剂，同时发生丁香酚上酚羟基的甲基化反应和双键的异构化，加压下液固反应一步法合成异丁香酚甲醚，同时生成副产物甲醇和CO2。所述的反应催化体系包含固体碱催化剂和相转移催化剂，固体碱催化剂均有利于酚羟基的甲基化和双键的异构，而固体碱+相转移催化剂则主要有利于双键的异构，可以降低异构化温度，提高反应速度。反应工艺采用的是加压下的液固相反应技术，在反应的同时，定时打开出气阀，排出反应生成的乙醇和CO2，使反应朝着有利于合成异丁香酚甲醚的方向进行。反应式如下：
甲基化反应机理是，酚羟基首先与碱性催化剂作用形成活性氧负离子，氧负离子再进攻DMC上的甲基碳，发生亲核取代反应生成相应的酚甲醚。反应式如下：
聚乙二醇(PEG)相转移催化机理是，PEG是链状结构，可折叠成不同大小的空穴，由于PEG链节可以折叠成螺旋状并自由滑动的链，因而它能与不同大小的金属离子络合而进行相转移催化反应，PEG在液-液相中反应效果虽不佳，但对钠、钾等金属盐所参与的反应有良好的催化作用。如下图所示：
所以在PEG相转移作用下，靠近苯环的碳原子在碱性的催化下，形成碳负离子，OH-的介入导致质子脱去，同时烯键发生异构，形成热力学更稳定的烯丙结构，此时端键上的碳负离子因得到一个质子而形成异丁香酚甲醚的结构。
一种异丁香酚甲醚的合成方法，具体包括以下步骤：
(1)先将丁香酚和部分DMC投入到压力釜中，然后再加入固体碱和相转移催化剂，充入氮气加压，并加热、搅拌；
(2)达到设定压力，升温至设定温度后，用柱塞泵向反应釜中滴加剩余DMC，DMC添加结束后，保温继续反应；所述设定压力为0.2～0.3MPa，设定温度为160～220℃，DMC滴加反应时间为2h，保温反应时间为1～5h；
(3)结束反应后，通入冷却水降至室温，放空压力，用柱塞泵向反应釜中加入50mL的蒸馏水，并搅拌5min，然后将物料从反应釜底部放出；
(4)反应物用稀盐酸调至中性，用蒸馏水洗涤，静置、分液，水相用甲苯萃取后与有机相合并；
(5)将合并的有机相进行蒸馏，回收甲苯和过量的DMC，循环使用，最终进行减压精馏制备得到异丁香酚甲醚产品。
优选的，所述丁香酚与DMC的摩尔比为1∶(1～4)，所述步骤(1)DMC加入的质量为DMC总质量的1/3，所述步骤(2)DMC加入的质量为DMC总质量的2/3。因为DMC沸点低，如果DMC一次性加入，会导致釜中DMC蒸发量增加，从而增加反应釜压力负荷，使反应釜中的压力及温度易产生波动，并且一次性加入会导致DMC副反应增加，DMC消耗增加。
优选的，所述反应过程中每隔0.5h打开出气阀，排出反应生成的乙醇和CO2，使反应朝着合成有利于异丁香酚甲醚的方向进行，提高反应速度。
优选的，所述固体碱催化剂为KOH、KF、K2CO3、KNO3/γ-Al2O3、K2CO3/γ-Al2O3、KF/γ-Al2O3中的一种或多种的混合物；所述相转移催化剂为PEG-400。
优选的，所述固体碱用量为反应物质量的8％～18％；相转移催化剂用量为反应物质量的2％～8％。
优选的，所述固体碱用量为反应物质量的12％～16％；相转移催化剂用量为反应物质量的4％～6％。
优选的，所述丁香酚与DMC的摩尔比为1∶(2～3)。DMC的量增加会有利于丁香酚的转化，但DMC的量过多效果会不再明显，并且还会增加DMC的消耗及回收的负担。
优选的，所述加压反应温度为180～200℃，反应时间4～5h。
优选的，所述丁香酚来源于天然的丁香油或丁香罗勒油，丁香酚含量为80％～100％。
有益效果：与现有的技术相比，本发明的优点包括：
(1)本方法以丁香酚和DMC为原料，在固体碱和相转移催化剂催化下，通过加压下的液固相反应一步法合成异丁香酚甲醚，改变了目前需通过丁香酚的异构化和甲基化二步反应的合成过程。
(2)本发明采用绿色有机化学原料DMC替代目前使用的高毒性、高腐蚀性的硫酸二甲酯作为甲基化试剂；工艺过程简单，合成路线相对清洁环保，并且节能、降耗，有很好的经济和环境效益。
(3)本发明反应催化体系包含固体碱催化剂和相转移催化剂，固体碱催化剂均有利于酚羟基的甲基化和双键的异构，而固体碱+相转移催化剂则主要有利于双键的异构，可以降低异构化温度，提高反应速度。
(4)本发明反应工艺采用的是加压下的液固相反应技术，在反应的同时，定时打开出气阀，排出反应生成的乙醇，使反应朝着合成有利于异丁香酚甲醚的方向进行。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
将含量为97％的丁香酚50.8g(0.3mol)和DMC 18g(0.2mol)投入到压力釜中，然后加入KOH 14.7g和PEG-4006.3g，充入氮气加压至2～3MPa，同时加热、搅拌，升温至200℃；用柱塞泵向反应釜中滴加DMC 36g(0.4mol)，2h内添加结束，然后继续保温反应3h时间，在保温期间，每隔0.5h打开出气阀，排出反应生成的乙醇和CO2；结束反应，通入冷却水把物料降至室温，打开背压阀放空压力，用柱塞泵向反应釜中加入50mL的蒸馏水，并搅拌5min左右，然后将物料从反应釜底部放出；反应物用稀盐酸调至中性，用等体积蒸馏水洗2次，静置、分液，水相用甲苯萃取2次，每次30mL，甲苯萃取液和有机相合并；将合并的有机相进行蒸馏，回收甲苯和过量的DMC，循环使用，再进行减压精馏得到异丁香酚甲醚产品47.2g，气相色谱分析异丁香酚甲醚含量为94％，异丁香酚甲基醚得率为83％，丁香酚的转化率为96.9％。
实施例2
将含量为97％的丁香酚50.8g(0.3mol)和DMC 18g(0.2mol)投入到压力釜中，然后加入K2CO314.7g和PEG-4006.3g，充入氮气加压至2～3MPa，同时加热、搅拌，升温至200℃；用柱塞泵向反应釜中滴加DMC 36g(0.4mol)，2h内添加结束，然后继续保温反应3h时间，在保温期间，每隔0.5h打开出气阀，排出反应生成的乙醇和CO2；结束反应，通入冷却水把物料降至室温，打开背压阀放空压力，用柱塞泵向反应釜中加入50mL的蒸馏水，并搅拌5min左右，然后将物料从反应釜底部放出；反应物用稀盐酸调至中性，用等体积蒸馏水洗2次，静置、分液，水相用甲苯萃取2次，每次30mL，甲苯萃取液和有机相合并；将合并的有机相进行蒸馏，回收甲苯和过量的DMC，循环使用，再进行减压精馏得到异丁香酚甲醚产品44.9g，气相色谱分析异丁香酚甲醚含量为94％，异丁香酚甲基醚得率为79％，丁香酚的转化率为95.2％。
实施例3
将含量为97％的丁香酚50.8g(0.3mol)和DMC 18g(0.2mol)投入到压力釜中，然后加入KOH+K2CO3 14.7g和PEG-4006.3g，充入氮气加压至2～3MPa，同时搅拌，加热升温至200℃；用柱塞泵向反应釜中滴加DMC 36g(0.4mol)，2h内添加结束，然后继续保温反应3h时间，在保温期间，每隔0.5h打开出气阀，排出反应生成的乙醇和CO2；结束反应，通入冷却水把物料降至室温，打开背压阀放空压力，用柱塞泵向反应釜中加入50mL的蒸馏水，并搅拌5min左右，然后将物料从反应釜底部放出；反应物用稀盐酸调至中性，用等体积蒸馏水洗2次，静置、分液，水相用甲苯萃取2次，每次30mL，甲苯萃取液和有机相合并；将合并的有机相进行蒸馏，回收甲苯和过量的DMC，循环使用，再进行减压精馏得到异丁香酚甲醚产品45.6g，气相色谱分析异丁香酚甲醚含量为94％，异丁香酚甲基醚得率为80.2％，丁香酚的转化率为96.1％。
实施例4
将含量为97％的丁香酚50.8g(0.3mol)和DMC 18g(0.2mol)投入到压力釜中，然后加入KF/γ-Al2O314.7g和PEG-4006.3g，充入氮气加压至2～3MPa，同时加热、搅拌，升温至200℃；用柱塞泵向反应釜中滴加DMC 36g(0.4mol)，2h内添加结束，然后继续保温反应3h时间，在保温期间，每隔0.5h打开出气阀，排出反应生成的乙醇和CO2；结束反应，通入冷却水把物料降至室温，打开背压阀放空压力，用柱塞泵向反应釜中加入50mL的蒸馏水，并搅拌5min左右，然后将物料从反应釜底部放出；反应物用稀盐酸调至中性，用等体积蒸馏水洗2次，静置、分液，水相用甲苯萃取2次，每次30mL，甲苯萃取液和有机相合并；将合并的有机相进行蒸馏，回收甲苯和过量的DMC，循环使用，再进行减压精馏得到异丁香酚甲醚产品41.7g，气相色谱分析异丁香酚甲醚含量为93％，异丁香酚甲基醚得率为72.5％，丁香酚的转化率为94.1％。
实施例5
将含量为97％的丁香酚101.6g(0.6mol)和DMC 36.1g(0.4mol)投入到压力釜中，然后加入KOH 29.7g和PEG-40012.6g，充入氮气加压至2～3MPa，同时加热、搅拌，升温至200℃；用柱塞泵向反应釜中滴加DMC 72.1g(0.8mol)，2h内添加结束，然后继续保温反应3h时间，在保温期间，每隔0.5h打开出气阀，排出反应生成的乙醇和CO2；结束反应，通入冷却水把物料降至室温，打开背压阀放空压力，用柱塞泵向反应釜中加入100mL的蒸馏水，并搅拌5min左右，然后将物料从反应釜底部放出；反应物用稀盐酸调至中性，用等体积蒸馏水洗2次，静置、分液，水相用甲苯萃取2次，每次50mL，甲苯萃取液和有机相合并；将合并的有机相进行蒸馏，回收甲苯和过量的DMC，循环使用，再进行减压精馏得到异丁香酚甲醚产品95.7g，气相色谱分析异丁香酚甲醚含量为94％，异丁香酚甲基醚得率为84.1％，丁香酚的转化率为96.5％。
Claims (5)
1.一种异丁香酚甲醚的合成方法，其特征在于，以丁香酚和DMC为原料，DMC通过分步和滴加的加料方式，以固体碱和相转移催化剂为混合催化剂，同时发生丁香酚上酚羟基的甲基化反应和双键的异构化，加压下液固反应一步法合成异丁香酚甲醚；包括如下步骤：
（1）先将丁香酚和部分DMC投入到压力釜中，然后再加入固体碱和相转移催化剂，充入氮气加压，并加热、搅拌；
（2）达到设定压力，升温至设定温度后，向反应釜中滴加剩余DMC，滴加结束后，保温继续反应；所述设定压力为0.2~0.3 MPa，设定温度为160~220 ℃，DMC滴加反应时间为2 h，保温反应时间为1~5 h；所述丁香酚与DMC的摩尔比为1:2，所述步骤（1）DMC加入的质量为DMC总质量的1/3，所述步骤（2）DMC加入的质量为DMC总质量的2/3；
（3）结束反应后，通入冷却水降至室温，放空压力，向反应釜中加入50 mL蒸馏水，并搅拌5 min，然后将物料从反应釜底部放出；
（4）反应物用稀盐酸调至中性，用蒸馏水洗涤，静置、分液，水相用甲苯萃取后与有机相合并；
（5）将合并的有机相进行蒸馏，回收甲苯和过量的DMC，循环使用，最终进行减压精馏制备得到异丁香酚甲醚产品；
其中，反应过程中，每隔0.5 h打开出气阀，排出反应生成的甲醇和CO2；
固体碱催化剂为KOH，相转移催化剂为PEG-400。
2.根据权利要求1所述的异丁香酚甲醚的合成方法，其特征在于，所述固体碱用量为反应物质量的8%~18%；相转移催化剂用量为反应物质量的2%~8%。
3.根据权利要求1所述的异丁香酚甲醚的合成方法，其特征在于，所述固体碱用量为反应物质量的12%~16%；相转移催化剂用量为反应物质量的4%~6%。
4.根据权利要求1所述的异丁香酚甲醚的合成方法，其特征在于，所述加压反应温度为180~200 ℃，反应时间4~5 h。
5.根据权利要求1所述的异丁香酚甲醚的合成方法，其特征在于，所述丁香酚来源于天然的丁香油或丁香罗勒油，丁香酚含量为80%~100%。
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