CN110655533B - 4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种4‑(二乙氧基‑磷酰基)‑2‑甲基‑丁‑2‑烯酸酯的制备方法,包括以下步骤:(a)丙酮醛水溶液通过氧化反应得到丙酮酸/丙酮酸盐水溶液;(b)丙酮酸/丙酮酸盐水溶液与亚乙基二磷酸四乙酯反应后再和醇进行酯化反应得到4‑(二乙氧基‑磷酰基)‑2‑甲基‑丁‑2‑烯酸酯该方法所用的原料便宜易得,各个步骤操作简单,整个路线的收率较高,具有较高的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及有机合成中间体的制备方法,具体涉及4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的制备方法。
背景技术
8’-阿朴-β-胡萝卜酸乙酯,化学系统命名为(全顺式)-2,6,11,15-四甲基-17-(2,6,6)-三甲基环己烯基)-2,4,6,8,10,12,14,16-十七碳八烯酸乙酯,简称阿朴胡萝卜素酸乙酯,或阿朴酯,其分子式是C32H44O2,其结构式如下式所示。
8’-阿朴-β-胡萝卜酸乙酯为红色或紫红色晶体或晶体粉末,工业制品为黄色至橙色油脂或有机溶剂,性能稳定。其不溶于水及甘油,极难溶于乙醇,易溶于氯仿。8’-阿朴-β-胡萝卜酸乙酯主要用于食品添加剂。
目前8’-阿朴-β-胡萝卜酸乙酯合成方法根据中间体碳链数目的不同主要分为C20+C10、C25+C2+C3、C25+C5这三条路线。其中在C25+C5路线中C25中间体的制备国内外均有报道,并且也已工业化。β-胡萝卜素的中间体C15膦盐与C10一步合成的路线反应条件温和,收率高,成本低,是非常成熟的反应路线(由Acta.Chem.Scand.1994,48,899和DE1618085公开)。而C5的合成则有很多可选路线。C5一般选用4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯,它可以作为磷Ylide通过Wittig-Horner与C25中间体反应,最终生成8’-阿朴-β-胡萝卜酸乙酯。4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的结构通式如下式所示:
现有技术中4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的合成方法主要有以下三种。
一、2-乙烯基丙腈法(由US4937308和Carotenoids:Synthesis公开)
以2-乙烯基丙腈为原料,乙醇做溶剂,通入干燥氯化氢气体反应生成2-乙烯基丙酸酯,然后滴加单质溴或者通入氯气,合成溴代丙烯酸酯(或氯代丙烯酸酯)。最后用亚磷酸三乙酯和其反应,得到C5膦盐。反应路线如下。
在该技术方案中,用溴代路线收率约49%,氯代路线44~46%。溴素价格昂贵,路线成本大,不利于工业化,而氯气在反应时大量逸出,影响反应速度和质量,同时增加了设备成本和尾气处理成本。
二、甲基乙烯基酮法(由US4596889、US5717128和Leib.Ann.Chem.1977,1146公开)
甲基乙烯酮先氰基化后醇解成酯,溴代,再与亚磷酸三乙酯制备C5膦盐。反应路线如下。
该技术方案上溴采用三溴化磷,有大量含磷废水排放造成环境污染严重,收率约70%。
三、1,1-二甲氧基-2-甲基-2-羟基-3-丁烯法(由US3347930、US3760004、US3940445和J.Org.Chem.1986,51,567公开)
1,1-二甲氧基-2-甲基-2-羟基-3-丁烯经过氯化、氧化、酯化,最后与亚磷酸三乙酯合成C5膦盐,反应路线如下。
该路线原料便宜,但是仍有缺点。路线中采用的氯化工艺,使用的DMF和甲苯混合溶剂不利回收,且以氯化亚砜作氯化剂,在反应时有大量强腐蚀性废气排放;氧化反应时有大量强氧化性废水排放;总收率比甲基乙烯酮法要低,约41.9%。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种新的4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的制备方法。
一种4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的制备方法,包括以下步骤:
(a)丙酮醛水溶液通过氧化反应得到丙酮酸/丙酮酸盐水溶液;
(b)丙酮酸/丙酮酸盐水溶液与亚乙基二磷酸四乙酯和醇反应得到4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯;
所述的4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的结构如式(I)所示:
式(I)中,R为C1~C5烷基。
本发明中,“丙酮酸/丙酮酸盐水溶液”指的是只含丙酮酸的水溶液、只含丙酮酸盐的水溶液或者丙酮酸与丙酮酸盐共存的水溶液,具体含量与氧化反应的碱性有关。
本发明采用丙酮醛作为起始原料,先经过氧化反应形成丙酮酸或其盐,然后再经过C5中间体的合成和酯化反应得到产物,该方法所用的原料便宜易得,各个步骤操作简单,整个路线的收率较高,具有较高的工业应用价值。
合成路线(以R为甲基为例):
作为优选,所述丙酮酸盐包括丙酮酸钠或丙酮酸钾,所述醇包括甲醇或乙醇。
步骤(a)中,所述氧化反应为钯催化剂存在的条件下,碱性丙酮醛水溶液中通入氧气进行氧化,所述碱性丙酮醛水溶液包括丙酮醛水溶液和下列水溶液中的一种或多种所组成的混合溶液:碳酸钠水溶液、碳酸氢钠水溶液、氢氧化钠水溶液、碳酸钾水溶液、碳酸氢钾、氢氧化钾水溶液。碱性环境中和反应初期产生的丙酮酸,有利于反应进行,提高反应速率和反应收率。
步骤(a)中,所述钯催化剂为钯铋钼/碳催化剂,质量为所述丙酮醛的0.8%~6%,反应温度包括20-60℃。
本发明中,所述的钯铋钼/碳催化剂为自制催化剂,其制备方法如下:
(1)将硝酸钼加水和浓硝酸溶解,得到硝酸钼硝酸水溶液,然后加入配制的氯化钯盐酸水溶液和硝酸铋硝酸水溶液,搅拌1~5小时,然后加入活性炭进行吸附,过滤得到固体;
(2)向步骤(1)得到的固体中加入NaOH水溶液和甲醛,加热反应1~5小时,然后过滤、洗涤、烘干得到所述的钯铋钼/碳催化剂。
步骤(a)中,丙酮醛水溶液中丙酮醛的质量百分比浓度为30~50%。
步骤(a)中,反应结束后,直接经过过滤除去不溶物,即可得到丙酮酸/丙酮酸盐水溶液进入步骤(b)进行后续反应。
步骤(b)中,包括C5链的形成和酯化反应两种转化。
步骤(b)包括:在碱性催化剂存在的条件下将丙酮酸/丙酮酸盐水溶液加入亚乙基二磷酸四乙酯,在0-30℃的温度下反应20-60分钟进行C5合成,反应结束后酸化,取油层与甲醇或乙醇进行酯化反应,其中亚乙基二磷酸四乙酯与步骤(a)中的丙酮醛的摩尔比为0.8-1:1,甲醇或乙醇与步骤(a)中的丙酮醛的摩尔比为2-2.5:1。
作为优选,所述的C5合成为:将亚乙基二磷酸四乙酯溶于二氯甲烷溶液中,然后缓慢滴加到碱性催化剂中,滴加完毕后搅拌10min,随后迅速滴加丙酮酸/丙酮酸盐水溶液,用水浴保温在室温(20℃,正负2℃内),反应30分钟后通入二氧化碳进行酸化。酸化结束后分液,取油层进行下步反应。
作为优选,所述的C5酯化为:向甲醇或乙醇中缓慢加入等体积的浓硫酸,然后滴加C5合成得到的油层,滴加完毕后搅拌反应2小时。反应毕分液,洗涤,干燥后过滤,减压蒸馏得到4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸甲酯(C5中间体)。
步骤(b)中,所述碱性催化剂包括乙醇钠或氢化钠。碱性催化剂的碱性必须很强,才能将使得亚乙基二磷酸四乙酯形成碳正中间体,随后与丙酮酸发生反应。所述乙醇钠与亚乙基二磷酸四乙酯的摩尔比为0.95~1.1:1,所述氢化钠与亚乙基二磷酸四乙酯的摩尔比为0.95~1.1:1。
其中碱性催化剂为氢化钠时,所述氢化钠与亚乙基二磷酸四乙酯的摩尔比为0.98:1。
所述的碱性催化剂溶解或分散到溶剂中,然后再进行反应,当碱性催化剂为氢化钠,溶剂为干燥的四氢呋喃;当碱性催化剂为乙醇钠时,溶剂为乙醇。
同现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
(1)相较于背景技术中的4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的制备方法,本制备方法的部分反应在水溶液中进行,这样一是可节省大量有机溶剂,二是中间体分离简单。因此该制备方法整体上均体现了节约。
(2)本制备方法规避了剧毒的氰化物和高危的氰化反应,同时也没有传统工艺中的卤化步骤,避免产生大量含卤废水。因此该制备方法有巨大的环保效益,符合绿色化工的要求。
(3)本制备方法的收率与现有技术比较属较高水平。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
在反应容器中加入40%(wt%)丙酮醛水溶液162g(0.90mol)和49克碳酸钠固体配置的水溶液,加入钯铋钼/碳催化剂3.6g。往反应液中通入氧气,升温至40℃,搅拌反应3小时,停搅拌过滤,得到丙酮酸/丙酮酸钠水溶液。
将50克乙醇钠溶解在300克乙醇中,然后缓慢滴加到亚乙基二磷酸四乙酯218.7g(0.72mol)溶于150ml二氯甲烷溶液中,滴加完毕后搅拌10min,随后迅速滴加丙酮酸/丙酮酸钠水溶液,用水浴保温在室温(20℃,正负2℃内),反应30分钟后通入二氧化碳进行酸化。酸化结束后分液,取油层进行下步反应。
在带有回流的反应容器中加入甲醇80ml,然后缓慢加入10克浓硫酸。同时将上一步得到的油层转移至恒压漏斗中,并将恒压漏斗连接在反应容器上。加热至有回流时开始滴加,滴加完毕后搅拌反应2小时。停搅拌分液,依次用饱和碳酸钠水溶液、饱和氯化钠水溶液洗涤,然后用无水硫酸镁干燥后过滤,减压蒸馏得到4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸甲酯(C5中间体)148g,含量93.3%(气相色谱测量,保留时间与标准品一致)。
实施例2
在反应容器中加入40%(wt%)丙酮醛水溶液162g(0.9mol)和80克固体碳酸氢钠配置的水溶液,加入钯铋钼/碳催化剂3.6g。往反应液中通入氧气,升温至20℃。反应时间6h。停搅拌过滤,得到丙酮酸/丙酮酸钠水溶液。
将50克乙醇钠溶解在300克乙醇中,然后缓慢滴加到亚乙基二磷酸四乙酯218.7g(0.72mol)溶于150ml二氯甲烷溶液中,滴加完毕后搅拌10min,随后迅速滴加丙酮酸/丙酮酸钠水溶液,用冷冻槽保温在0℃,反应60分钟后通入二氧化碳进行酸化。酸化结束后分液,取油层进行下步反应。
在带有回流的反应容器中加入乙醇140ml,然后缓慢加入10克浓硫酸。同时将上一步得到的油层转移至恒压漏斗中,并将恒压漏斗连接在反应容器上。加热至有回流时开始滴加,滴加完毕后搅拌反应2小时。停搅拌分液,依次用饱和碳酸钠水溶液、饱和氯化钠溶液洗涤,然后用无水硫酸镁干燥后过滤,减压蒸馏得到4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸乙酯(C5中间体)159g,含量94.1%(气相色谱测量,保留时间与标准品一致)。
实施例3
在反应容器中加入40%(wt%)丙酮醛水溶液162g(0.9mol)和37氢氧化钠配置的水溶液,加入钯铋钼/碳催化剂3.6g。往反应液中通入氧气,升温至60℃。反应时间3h。停搅拌过滤,得到丙酮酸/丙酮酸钠水溶液。
将50克乙醇钠溶解在300克乙醇中,然后缓慢滴加到亚乙基二磷酸四乙酯218.7g(0.72mol)溶于150ml二氯甲烷溶液中,滴加完毕后搅拌10min,随后迅速滴加丙酮酸/丙酮酸钠水溶液,用水浴保温在室温(30℃,正负2℃内),反应20分钟后通入二氧化碳进行酸化。酸化结束后分液,取油层进行下步反应。
在带有回流的反应容器中加入甲醇80ml,然后缓慢加入10克浓硫酸。同时将上一步得到的油层转移至恒压漏斗中,并将恒压漏斗连接在反应容器上。加热至有回流时开始滴加,滴加完毕后搅拌反应2小时。停搅拌分液,依次用饱和碳酸钠水溶液、饱和氯化钠溶液洗涤,然后用无水硫酸镁干燥后过滤,减压蒸馏得到4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸甲酯(C5中间体)138g,含量92.6%(气相色谱测量,保留时间与标准品一致)。
实施例4
在反应容器中加入40%(wt%)丙酮醛水溶液162g(0.9mol)和63克碳酸钾配置的水溶液,加入钯铋钼/碳催化剂3.6g。往反应液中通入氧气,升温至60℃。反应时间3h。停搅拌过滤,得到丙酮酸/丙酮酸钾水溶液。
将63.5克30%氢化钠溶解在200mlTHF中,然后缓慢滴加到亚乙基二磷酸四乙酯218.7g(0.72mol)溶于150ml二氯甲烷溶液中,(进行该步骤时须时刻观察温度,注意安全),滴加完毕后搅拌10min,随后迅速滴加丙酮酸/丙酮酸钾水溶液,用水浴保温在室温(30℃,正负2℃内),反应20分钟后通入二氧化碳进行酸化。酸化结束后分液,取油层进行下步反应。
在带有回流的反应容器中加入甲醇80ml,然后缓慢加入10克浓硫酸。同时将上一步得到的油层转移至恒压漏斗中,并将恒压漏斗连接在反应容器上。加热至有回流时开始滴加,滴加完毕后搅拌反应2小时。停搅拌分液,依次用饱和碳酸钠水溶液、饱和氯化钠溶液洗涤,然后用无水硫酸镁干燥后过滤,减压蒸馏得到4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸甲酯(C5中间体)161.2g,含量96.7%(气相色谱测量,保留时间与标准品一致)。
实施例5
在反应容器中加入40%(wt%)丙酮醛水溶液162g(0.9mol)和51克氢氧化钾配置的水溶液,加入钯铋钼/碳催化剂3.6g。往反应液中通入氧气,升温至60℃。反应时间3h。停搅拌过滤,得到丙酮酸/丙酮酸钾水溶液。
将56.6克30%氢化钠溶解在200mlTHF中,然后缓慢滴加到亚乙基二磷酸四乙酯218.7g(0.72mol)溶于150ml二氯甲烷溶液中,(进行该步骤时须时刻观察温度,注意安全),滴加完毕后搅拌10min,随后迅速滴加丙酮酸/丙酮酸钾水溶液,用水浴保温在室温(30℃,正负2℃内),反应20分钟后通入二氧化碳进行酸化。酸化结束后分液,取油层进行下步反应。
在带有回流的反应容器中加入甲醇80ml,然后缓慢加入10克浓硫酸。同时将上一步得到的油层转移至恒压漏斗中,并将恒压漏斗连接在反应容器上。加热至有回流时开始滴加,滴加完毕后搅拌反应2小时。停搅拌分液,依次用饱和碳酸钠水溶液、饱和氯化钠溶液洗涤,然后用无水硫酸镁干燥后过滤,减压蒸馏得到4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸甲酯(C5中间体)163.1g,含量95.9%(气相色谱测量,保留时间与标准品一致)。
实施例6钯铋钼/碳催化剂的制备和活化
①在10ml10%稀盐酸中加入8.86g氯化钯,搅拌至完全溶解,得到氯化钯盐酸水溶液。
②在10ml10%稀硝酸中加入1.16g硝酸铋,搅拌至完全溶解,得到硝酸铋硝酸水溶液。
③在50ml去离子水中加入2.22g五水硝酸钼,加热至40℃,搅拌直至完全溶解,再分多次加入20ml68%浓硝酸,维持温度不超过50℃。然后依次加入配置好的氯化钯盐酸水溶液和硝酸铋硝酸水溶液,搅拌3小时候后停止搅拌,加入80g活性炭,搅拌三小时后静置直至上层液位无色。
④在步骤③得到产品中加入30%NaOH使pH>12,然后加入10g35%甲醛,在100℃下搅拌两小时,冷却至室温,用去离子水洗涤至中性,过滤后在氮气保护下100℃烘干备用。
实施例7亚乙基二磷酸四乙酯的合成
在反应容器中加入370g亚磷酸三乙酯,加热至100℃,加入150g二氯乙烷和200g亚磷酸三乙酯组成的混合溶液,滴加时间两小时。滴加完毕时加热至180℃反应六小时。反应结束后,在0.08Mpa真空度加热蒸馏除去前份,得到亚乙基二磷酸四乙酯308.7g,含量91.9%,收率以二氯乙烷计为62%。
Claims (7)
1.一种4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(a)丙酮醛水溶液通过氧化反应得到丙酮酸/丙酮酸盐水溶液;
所述的氧化反应以氧气作为氧化剂,在碱性条件下和钯催化剂的催化下进行;
所述钯催化剂为钯铋钼/碳催化剂,其制备方法如下:
(1)将硝酸钼加水和浓硝酸溶解,得到硝酸钼硝酸水溶液,然后加入配制的氯化钯盐酸水溶液和硝酸铋硝酸水溶液,搅拌1~5小时,然后加入活性炭进行吸附,过滤得到固体;
(2)向步骤(1)得到的固体中加入NaOH水溶液和甲醛,加热反应1~5小时,然后过滤、洗涤、烘干得到所述的钯铋钼/碳催化剂;
(b)丙酮酸/丙酮酸盐水溶液与亚乙基二磷酸四乙酯和醇反应得到4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯;
所述的4-(二乙氧基-磷酰基)-2-甲基-丁-2-烯酸酯的结构如式(I)所示:
式(I)中,R为C1~C5烷基;
步骤(b)中,所述的丙酮酸/丙酮酸盐水溶液先与亚乙基二磷酸四乙酯发生合成反应,然后再与甲醇或乙醇发生酯化反应;
步骤(b)中,具体操作条件如下:在碱性催化剂存在的条件下将丙酮酸/丙酮酸盐水溶液加入亚乙基二磷酸四乙酯,在0-30℃的温度下反应20-60分钟,反应结束后酸化,取油层进行酯化反应;
所述碱性催化剂包括乙醇钠或氢化钠,所述乙醇钠与亚乙基二磷酸四乙酯的摩尔比为0.95~1.1:1,所述氢化钠与亚乙基二磷酸四乙酯的摩尔比为0.95~1.1:1;
当所述的碱性催化剂为乙醇钠,所述的溶剂为乙醇;
当所述的碱性催化剂为氢化钠,所述的溶剂为四氢呋喃。
2.按照权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述丙酮酸盐为丙酮酸钠或丙酮酸钾,所述醇为甲醇或乙醇。
3.按照权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述的碱性条件,通过加入以下一种或者多种物质进行实现:碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、氢氧化钾。
4.按照权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述钯催化剂质量为所述丙酮醛的0.8%~6%;
所述氧化反应的温度为20-60℃。
5.按照权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(b)中,亚乙基二磷酸四乙酯与步骤(a)中的丙酮醛的摩尔比为0.8-1:1,甲醇或乙醇与步骤(a)中的丙酮醛的摩尔比为2-2.5:1。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述的碱性催化剂为氢化钠,所述氢化钠与亚乙基二磷酸四乙酯的摩尔比为0.98:1。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述的碱性催化剂溶解或分散到溶剂中再进行反应。
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