CN111039907B - 一种制备2-（2-甲基丙基）-4-羟基-4-甲基四氢吡喃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备2‑(2‑甲基丙基)‑4‑羟基‑4‑甲基四氢吡喃的方法，由3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇和异戊醛在路易斯酸、布朗斯特酸、相转移催化剂和水存在下制备2‑(2‑甲基丙基)‑4‑羟基‑4‑甲基四氢吡喃；所述相转移催化剂为季铵盐和/或季鏻盐的一种。本发明方法反应条件温和，经济高效、环保友好且为易于实现工业化的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃的方法，具体地说是由3-甲基-3-丁烯-1-醇和异戊醛制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃的方法，属于有机化学合成领域。
背景技术
铃兰吡喃英文名称是Florol/Florosa，又名2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4甲基四氢吡喃，分子式为C10H20O2，纯品为无色至淡黄色液体。它具有乳香香气的铃兰花香，花香味清新、柔和、天然，很好融合和增强了玫瑰和铃兰的花香特征且留香时间有数天。
铃兰型香料中使用量最大的是铃兰醛，其次是新铃兰醛、羟基香茅醛以及铃兰吡喃。而前面三种铃兰型香料由于其致敏性，目前已经被许多国家和组织列入了禁用或限用名单，铃兰毗喃具有极佳的化学稳定性、几乎能用在所有类型的香水中，能在条件苛刻的漂白剂和任何没有严格限制的香精中使用，被认为是未来其他铃兰型香料的最有力替代者。以花香引领整个配方的基调，可替代香气相对不那么稳定的花香型醛类原料，广泛用于织物护理、家居用品、个人护理中。
目前合成铃兰吡喃的工艺主要有两种：一种是使用异戊醛和3-甲基-3-丁烯 -1-醇作为原料一步合成铃兰吡喃；另一种是异戊烯醛和3-甲基-3-丁烯-1-醇反应，先得到中间体羟基玫瑰醚，然后再氢化得到铃兰吡喃。这两种方法的工艺目前主要是德国的巴斯夫公司和中国的新和成公司申请了相关专利，并且这两家公司都已经实现了铃兰吡喃的工业化。
在专利CN 104529969 A中，在水和强酸性阳离子交换剂存在下，合成铃兰吡喃。其反应转化率和选择性相对较低，产生的废水量较高。
在专利CN 104370867 A中，以异戊烯醛和3-甲基-3-丁烯-1-醇为原料在固体酸存在下生成羟基玫瑰醚，再经氢化步骤生成铃兰吡喃。虽然提高了反应收率，但所需步骤复杂，使用氢气等危险介质，生产成本较高。
Chemistry of Heterocyclic Compounds，第1107-1109页，1990描述了异戊烯醇和各种醛酮在硅胶或Al2O3存在下在无溶剂条件下缩合得到二取代四氢吡喃类化合物。
EP 1516879A1公开了一种通过相应的醛与异戊烯醇在脱氢条件下反应制备不饱和4-甲基和4-亚甲基吡喃类化合物的方法。其反应器中水的含量至多为 0.25wt％，但其以缺乏量原料定义的转化率小于50％，适用于此类反应的催化剂同样为无机酸，如盐酸或硫酸，优选甲磺酸和对甲苯磺酸。
因此，急需一种工艺简单，反应条件温和，经济高效、环保友好且易于实现工业化的方法来实现铃兰吡喃的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃的方法，从而解决现有制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃工艺中存在的诸多问题，本发明在温和的反应条件下，由3-甲基-3-丁烯-1-醇和异戊醛制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃。该方法缩减了反应步骤，优化了反应工艺，降低了反应成本，调控了产品香气，具有更好的工艺安全性，具有较好的工业化前景。
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种由3-甲基-3-丁烯-1-醇(I)和异戊醛(II)在路易斯酸、布朗斯特酸、相转移催化剂和水存在下制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃(III) 的方法。
所述相转移催化剂为季铵盐和/或季鏻盐的一种。
作为一种优选的方法，所述的2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃制备过程包含如下步骤：
a)将异戊醛、路易斯酸、布朗斯特酸和水加入夹套四口烧瓶中，室温下搅拌0.5～2h；
b)将3-甲基-3-丁烯-1-醇和相转移催化剂加入单口烧瓶中室温混合0.1h～1h；
c)将a)步骤产物升温至反应温度，将b步骤产物使用平流泵在1～4h内匀速加入a)步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温2～6h。得到最终反应产物。
优选地，所述路易斯酸为三氟甲磺酸盐中的一种，优选三氟甲磺酸铈和/或三氟甲烷磺酸镱；
优选地，所述布朗斯特酸为有机弱酸中的一种，优选乙酸和/苯甲酸。
优选地，所述路易斯酸与布朗斯特酸的摩尔比为1:1；所述路易斯酸或布朗斯特酸基于异戊醛的摩尔量为0.001～0.02mol％，优选0.005～0.01％。
优选地，所述相转移催化剂为季鏻盐，更优选季鏻盐中的四苯基溴化鏻和/ 或四苯基氯化鏻。
优选地，所述相转移催化剂基于异戊醛的摩尔量为0.01～0.5mol％，优选 0.1～0.2％
优选地，所述水基于异戊醛的摩尔量比为.0.1～2，优选0.5～1。
优选地，所述3-甲基-3-丁烯-1-醇基于异戊醛的摩尔比为1～3，优选1.2～1.5。
优选地，所述步骤a)中异戊醛、酸性催化剂和水在室温下搅拌时间为 0.5h～2h，优选1～2h。
优选地，所述步骤b)中3-甲基-3-丁烯-1-醇和相转移催化剂在室温下搅拌时间为0.1h～1h，优选0.5h～1h。
优选地，所述步骤c)中反应温度为20～60℃，优选25～35℃。
优选地，所述步骤c)中b步骤产物加料时间为1～4h，优选2～3h。.
优选地，所述步骤c)中在反应温度下保温时间为2～6h，优选2～4h。
所述产物2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃为其顺式结构(IIIa)与反式结构(IIIb)的混合物。
顺式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃与反式2-(2-甲基丙基)-4- 羟基-4-甲基四氢吡喃的比例为60：40～95:5，优选75:25～95:5。
所述反应最终产物化学选择性为90％～99％，转化率为90％～99.9％。
由3-甲基-3-丁烯-1-醇和异戊醛制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃的机理如下：
该反应在酸活化下进行羟醛缩合，脱去一份子水后，分子内异构环合，最终通过水合得到最终目标产物2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃。
由反应历程可知，该过程需要在强酸性条件下经历脱水，加水过程，这就导致两个步骤互相矛盾的反应条件。
本发明中利用三氟磺酸盐类路易斯酸提供空轨道，诱导布朗斯特酸分子中的电子偏移，从而提升布朗斯特酸酸性，使用有机弱酸即可产生较强的酸性催化环境。同时，由于反应为有机相水相混合的非均相环境，使用三氟磺酸盐类路易斯酸可以保证其在水相有机相中均具有较高的催化活性。
相转移催化反应是20世纪70年代发展起来的有机合成新方法。它是指用少量物质作为一种反应物的载体,将此反应物通过相界面迁移至另一相,使反应得以顺利进行的过程。
本发明中选用的相转移催化剂季鏻盐，作为沟通有机相和水相的传递工具，提升了离子活性。不仅使反应的脱水，加水过程更易发生，同时也有助于进一步降低酸性催化剂的用量，使反应可以在较少的水含量条件下进行，并保持较高的反应选择性。
本发明中通过改变温度，催化剂比例等条件，调节了2-(2-甲基丙基)-4- 羟基-4-甲基四氢吡喃顺式结构和反式结构比例以获得更高比例的顺式结构，从而获得更加宜人的香气。
本发明方法的积极效果在于：
1)加入相转移催化剂后，降低了路易斯酸和布朗斯特酸及水用量，降低了成本的同时，减少了工艺废酸、废水的产生量。
2)在相转移催化剂及酸性催化剂协同作用下，减少了副反应的发生，提高反应的反应选择性及转化率。
3)避免使用强酸，增强了环境友好性，降低了设备成本。
4)调控2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃顺式结构和反式结构比例以获得更加舒适的香气。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于以下实施例。
一、本发明实施例所使用的主要原料说明如下：
异戊醛，纯度99％；
异戊烯醇，纯度99％；
醋酸，阿拉丁，产品编号A197260；
苯甲酸，阿拉丁，产品编号B116259；
三氟甲磺酸铈，阿拉丁，产品编号C101025；
三氟甲磺酸镱，阿拉丁，产品编号Y107750；
四苯基溴化鏻，阿拉丁，产品编号T102700；
四苯基氯化鏻，阿拉丁，产品编号T162792。
二、实施例中反应产物测试仪器及方法：
气相色谱仪：岛津GC-2010plus，色谱柱DB-WAX UI，进样口温度：220℃，进料量0.1μL；分流比50:1；载气流量：1.0ml/min；升温程序：80℃保温2min，以2.5℃/min升温至150℃，保温是10min,检测器温度：250℃。氢气流速：40 mL/min，空气流速：400mL/min，尾吹流速：30mL/min。
实施例1
a)将300g异戊醛、0.174ml乙酸水溶液(1mmol/ml)、0.174ml三氟甲磺酸铈水溶液(1mmol/ml)和31.38g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌2h。
b)将360g 3-甲基-3-丁烯-1-醇和1.46g四苯基溴化鏻加入单口烧瓶中室温混合1h。
c)将a)步骤产物升温至35℃，将b步骤产物使用平流泵在2h内匀速加入a) 步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温4h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为98.5％，反应选择性为95.1％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝86:14(摩尔比)。
实施例2
a)将300g异戊醛、0.262ml乙酸水溶液(1mmol/ml)、0.262ml三氟甲磺酸铈水溶液(1mmol/ml)和43.9g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌2h。
b)将360g 3-甲基-3-丁烯-1-醇和1.46g四苯基溴化鏻加入单口烧瓶中室温混合1h。
c)将a)步骤产物升温至30℃，将b步骤产物使用平流泵在2.5h内匀速加入
a)步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温3h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为98.6％，反应选择性为98.6％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝90:10(摩尔比)。
实施例3
a)将300g异戊醛、0.349ml乙酸水溶液(1mmol/ml)、0.349ml三氟甲磺酸铈水溶液(1mmol/ml)和31.38g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌2h。
b)将360g 3-甲基-3-丁烯-1-醇和2.9g四苯基溴化鏻加入单口烧瓶中室温混合1h。
c)将a)步骤产物升温至25℃，将b步骤产物使用平流泵在3h内匀速加入a) 步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温4h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为99.5％，反应选择性为97.3％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝93:7(摩尔比)。
实施例4
a)将300g异戊醛、0.174ml苯甲酸水溶液(1mmol/ml)、0.174ml三氟甲磺酸镱水溶液(1mmol/ml)和31.38g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌1h。
b)将405g 3-甲基-3-丁烯-1-醇和1.46g四苯基氯化鏻加入单口烧瓶中室温混合0.5h。
c)将a)步骤产物升温至30℃，将b步骤产物使用平流泵在2.5h内匀速加入
a)步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温3h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为94.9％，反应选择性为95.3％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝90:10(摩尔比)。
实施例5
a)将300g异戊醛、0.349ml苯甲酸水溶液(1mmol/ml)、0.349ml三氟甲磺酸镱水溶液(1mmol/ml)和43.9g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌2h。
b)将360g 3-甲基-3-丁烯-1-醇和2.2g四苯基氯化鏻加入单口烧瓶中室温混合1h。
c)将a)步骤产物升温至25℃，将b步骤产物使用平流泵在2.5h内匀速加入 a)步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温4h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为99.1％，反应选择性为97.7％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝93.8:6.2(摩尔比)。
实施例6
a)将300g异戊醛、0.349ml苯甲酸水溶液(1mmol/ml)、0.349ml三氟甲磺酸镱水溶液(1mmol/ml)和62.7g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌2h。
b)将450g 3-甲基-3-丁烯-1-醇和2.2g四苯基氯化鏻加入单口烧瓶中室温混合1h。
c)将a)步骤产物升温至25℃，将b步骤产物使用平流泵在3h内匀速加入a) 步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温4h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为99.9％，反应选择性为97.9％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝95.2:4.8(摩尔比)。
实施例7
a)将300g异戊醛、0.174ml苯甲酸水溶液(1mmol/ml)、0.174ml三氟甲磺酸镱水溶液(1mmol/ml)和62.7g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌2h。
b)将360g 3-甲基-3-丁烯-1-醇和1.46g四苯基氯化鏻加入单口烧瓶中室温混合1h。
c)将a)步骤产物升温至35℃，将b步骤产物使用平流泵在2h内匀速加入a) 步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温6h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为95.1％，反应选择性为95.2％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝76.1:23.9(摩尔比)。
对比例1(选自专利CN104803958 A实施例2)
向1L喷射反应器内投入301.45g异戊烯醇和20％对甲苯磺酸溶液15g(异戊烯醇和对甲苯磺酸重量比1:0.05)，再投入异戊醛452.18g(异戊烯醇与异戊醛摩尔比1:1.5)，控制反应温度40℃下循环反应2h，循环量控制9L/h，2h后控制向喷射反应器以30.5ml/h连续加入摩尔比为1：0.005的异戊烯醇和20％对甲苯磺酸混合物，以48.5ml/h连续加入异戊醛，控制以79ml/h向外连续出料，取样气相色谱法检测出混合料中铃兰吡喃总收率为80％，得出其转化率为93％。
对比例2(选自专利CN104529969 A实施例1)
对由内径为2cm且长度为36cm的夹套玻璃管式反应器构成的设备中填充 50g强酸性阳离子交换剂Amber1ystTM131。在使用前首先用水洗涤该阳离子交换剂几次，然后用甲醇洗涤一次并最后用水洗至不含甲醇。在室温下对该夹套玻璃反应器填充异戊醒(1 12.5g,1.31mo1)、异戊烯醇(1 25g，1.45mo1)和 12.5g水的混合物。将反应溶液在35℃的温度下循环4小时，循环体积 490m1/h。然后将反应溶液在40℃的温度下再循环10小时，循环体积为490m1/h。夹套玻璃反应器在35-40℃的温度下操作。这得到247.2g具有下列组成的粗产物(顺式/反式吡喃醇的产率为74％):
异戊醛:0.53GC wt％；
异戊烯醇:1.23GC wt％；
二氢吡喃异构体(1VA-c))：8.96GC wt％；
1，3-二噁烷(Va):8.84GC wt％；
缩醛(Vla):0.49GC wt％；
反式-吡喃醇(If)：18.34GC wt％；
顺式-吡喃醇(Ie):49.27GC wt％；，
水:6.0％；
通过实施例和对比例对比可以看出本发明实施例具有较高的选择性，杂质含量较低，顺式结构和反式结构比例在期望的范围内。
对比例3
a)将300g异戊醛、0.35ml苯甲酸水溶液(1mmol/ml)、0.35ml三氟甲磺酸镱水溶液(1mmol/ml)和300g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌2h。
b)将360g 3-甲基-3-丁烯-1-醇加入单口烧瓶中室温混合1h。
c)将a)步骤产物升温至35℃，将b步骤产物使用平流泵在2h内匀速加入a) 步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温6h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为55.42％，反应选择性为45.2％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝75.3:24.7(摩尔比)。
通过实施例7和对比例3对比可以看出本发明实施例中在其他条件不变的情况下相转移催化剂对于降低酸性催化剂用量和水的用量具有较明显作用，从而影响反应的转化率和选择性。
对比例4
a)将300g异戊醛、0.174ml苯甲酸水溶液(1mmol/ml)和62.7g去离子水加入1L夹套四口烧瓶中，室温下搅拌2h。
b)将360g 3-甲基-3-丁烯-1-醇和1.46g四苯基氯化鏻加入单口烧瓶中室温混合1h。
c)将a)步骤产物升温至35℃，将b步骤产物使用平流泵在2h内匀速加入a) 步骤夹套四口烧瓶中，在反应温度下保温6h。得到最终反应产物，进行气相检测。
基于异戊醛，反应最终转化率为5.38％，反应选择性为20.51％，顺式2-(2- 甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃：反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃＝76.1:23.9(摩尔比)。
通过实施例7和对比例4对比可以看出本发明实施例中单独使用布朗斯特弱酸作为催化剂并不能很好的起到催化作用，反应选择性和转化率处于较低水平。
Claims (16)
1.一种制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃的方法，其特征在于，由3-甲基-3-丁烯-1-醇(I)和异戊醛(II)在路易斯酸、布朗斯特酸、相转移催化剂和水存在下制备2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃(III)；所述相转移催化剂为四苯基溴化鏻和/或四苯基氯化鏻；所述路易斯酸为三氟甲磺酸铈和/或三氟甲烷磺酸镱；所述布朗斯特酸为乙酸和/或苯甲酸；
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃制备方法包含如下步骤：
a)将异戊醛、路易斯酸、布朗斯特酸和水加入反应器中，室温下搅拌0.5～2h；
b)将3-甲基-3-丁烯-1-醇和相转移催化剂室温下混合0.1h～1h；
c)将a)步骤产物升温至反应温度，将b步骤产物加入a)步骤反应器中，在反应温度下保温2～6h，得到最终反应产物。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a)中搅拌1～2h；步骤b)中混合0.5h～1h；步骤c)中使用平流泵在1～4h内匀速加入a)步骤反应器中，保温2～4h。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤c)中使用平流泵在2～3h内匀速加入a)步骤反应器中。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述路易斯酸与布朗斯特酸的摩尔比为1:1；所述路易斯酸或布朗斯特酸基于异戊醛的摩尔量为0.001～0.02mol％。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述路易斯酸或布朗斯特酸基于异戊醛的摩尔量为0.005～0.01％。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述相转移催化剂基于异戊醛的摩尔量为0.01～0.5mol％。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相转移催化剂基于异戊醛的摩尔量为0.1～0.2mol％。
9.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述水基于异戊醛的摩尔量比为0.1～2。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述水基于异戊醛的摩尔量比为0.5～1。
11.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述3-甲基-3-丁烯-1-醇基于异戊醛的摩尔比为1～3。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述3-甲基-3-丁烯-1-醇基于异戊醛的摩尔比为1.2～1.5。
13.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤c)中反应温度为20～60℃。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中反应温度为25～35℃。
15.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述产物2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃为其顺式结构(IIIa)与反式结构(IIIb)的混合物；
顺式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃与反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃的摩尔比例为60：40～95:5。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，顺式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃与反式2-(2-甲基丙基)-4-羟基-4-甲基四氢吡喃的摩尔比例为75:25～95:5。
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