CN111278798B

CN111278798B - 制备萜烯醛和萜烯酮的方法

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Publication number: CN111278798B
Application number: CN201780094038.1A
Authority: CN
Inventors: A·库里克; R·艾凯尔特; A·考克利茨; K·纽鲍尔
Original assignee: Symrise AG
Current assignee: Symrise AG
Priority date: 2017-08-26
Filing date: 2017-08-26
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2037-08-26
Also published as: US20200181052A1; CN111278798A; WO2019042520A1; US11028033B2; EP3672932A1; JP2020532511A; JP7084471B2; EP3672932B1

Abstract

本发明涉及一种通过相应萜烯醇氧化脱氢反应制备萜烯醛和萜烯酮的方法，包括或由以下步骤组成：(a)提供萜烯醇或含有萜烯醇的反应物；(b)使步骤(a)的反应物与多相钌催化剂接触；(c)在氧气的存在下将步骤(b)的混合物加热至至少150℃；以及任选地(d)由得到的反应混合物分离萜烯醛或萜烯酮。

Description

制备萜烯醛和萜烯酮的方法

发明领域

本发明属于多相催化领域并且涉及一种通过氧化脱氢反应由萜烯醇制备萜烯醛和萜烯酮的方法。

现有技术

萜烯酮，尤其是薄荷酮，在香料中使用从而在香料组合物中产生特定的薄荷味。该反应可以通过以下路线示例说明：

路线1

(-)-薄荷醇反应生成(-)-薄荷酮和(+)-异薄荷酮

现有技术中已知许多方法，可以从薄荷醇开始获得薄荷酮或薄荷酮和异薄荷酮的混合物。更过时的方法包括非催化方法，其中以化学计量使用从毒理学和生态学角度出发有问题的氧化剂，例如重铬酸盐、高锰酸盐或二氧化氯[FROLOVA ET AL,Chem.NaturalComp.44,pp.724ff.(2008)]。

已经使用各种多相催化剂进行仲醇的好氧催化氧化反应得到酮。例如，金、钌、钯、铑、铁、铜或钒已在适当的氧化阶段用作活性金属，并已集成到适当材料中；精细化学合成领域中的反应大多在液相中以不连续模式进行(参见RSC绿色化学系列(CARDONA ET AL，第28卷：Transition Metal Catalysis in Aerobic Alcohol Oxidation，英国皇家化学学会，剑桥，英国)，2015)。

Ru(OH)_x或RuO_x xH₂O，其含有Ruⁿ⁺OH，是用于醇类好氧氧化脱氢反应的高活性催化剂。良好催化活性的前提是活性物质高度分散地施加在适当的载体材料上，例如氧化铝。然而，到目前为止以这种方式获得的负载型催化剂主要用于间歇反应器中的液相中[例如YAMAGUCHI ET AL,Angew.Chem 114(2002)4720；YAMAGUCHI ET AL,Chem.Eur.J.9(2003)4353；YAMAGUCHI ET AL,Top.Catal.57(2014)1196；PAGLIARO ET AL,Chem.Soc.Rev.34(2005)837)]。

Ru/MgO-La₂O₂混合氧化物同样用于80℃下甲苯中活化醇的好氧氧化[KANTAM ETAL,J.Mol.Catal.A:Chem.359,1(2012)]。同样研究了Ru/CaO-ZrO₂，但是没有使用脂环醇作为底物[YASUEDA ET AL,J.Mol.Catal.A Chem.323,7(2010)]。RuHAP(HAP＝羟基磷灰石)适用作苯甲醇和1-苯乙醇氧化的催化剂[KIM ET AL,Bull.Korean Chem Soc.34,221(2013)]。使用Ru/CeO₂，苄醇被氧化为苄醛[WADA ET AL,Catal.Surv.Asia 15,1(2011)]。

加入其他具备氧化活性的氧化性金属物质对伯醇的转化率和醛的产率具有有利的影响。例如，研究了掺有第二种氧化物的Ru/TiO₂或Ru/ZrO₂[

ET AL,J.Mol.Catal.A:Chem.246,85(2006)]。如果将氧化性金属物质，尤其是RuMnCe，作为纳米颗粒分布到CeO₂上，则可以进一步提高这类催化剂的活性[CHECINSKI ET AL,Appl.Catal.A:Gen.366,212(2009)]。存在负载在水滑石上的RuMnMn类物质的情况下，各种伯醇和仲醇可以特别成功地氧化为醛和酮[EBITANI ET AL,Angew.Chem.Int.Ed.44,3423(2005)]。

活性炭也适合用作钌催化剂的载体材料，用于在有机溶剂中氧化伯醇和仲醇，但是未研究萜烯，也没有提供关于钌的活性氧化态的信息[MORI ET AL,Chem.Comm.5159(2009)]。

Ru(OH)_x/Al₂O₃也是用于使用溶剂在液相中进行连续过程的适当催化剂，但是仅使用由芳烃或杂芳烃活化的醇作为底物[MANNEL ET AL,Org.Process Res.Dev.18,1503(2014)]。

总的来说，萜烯很少被描述为用于此类反应的反应物。薄荷醇也是难以氧化的萜烯醇。醇羟基没有被活化，并且也处于平伏位置。因此，仅由现有技术已知反应，其在液相中在明显低于150℃的温度下进行。例如，120℃下在10个大气压的氧气压力下使用Ru(OH)_x/Fe₂O₃@SiO₂氧化薄荷醇仅有17％的转化率和薄荷酮产率(COSTA ET AL,J.Catal.282,209(2011)]。110℃下使用甲苯中的Ru/CeO₂，仅可以实现薄荷酮15％的产率[VOCANSON ET AL,Synth.Comm.28,2577(1998)]。

用于生产薄荷酮的其他分批方法使用百里香酚作为反应物，其在175℃的高压釜中在Pd催化剂上进行部分氢化(US 3,124,614)，或在均匀的Ru二氢膦或Ir二氢膦催化剂上通过氢化/脱氢顺序将异胡薄荷醇转化为薄荷酮(EP 2706054A1)。

在气相中在Cu/Zn或亚铬酸铜催化剂上(DE 4236111 A1或ZnO/CaCO₃催化剂(WO2005 085160 A1)，薄荷醇可以连续地非氧化脱氢成薄荷酮，尽管优选在需要设备升级的减压下，或者明显高于300℃的温度下操作，这有利于形成不良的副产物。

在气相中不存在用于合成萜烯醛或萜烯酮，尤其是薄荷酮的连续氧化脱氢方法。因此，本发明的特定目的是对此进行补救并提供一种方法，其特征在于同时

·得到萜烯醛或萜烯酮，尤其是薄荷酮/异薄荷酮混合物的良好收率，

·手性中心没有消旋，

·不需要使用和移除溶剂，

·不需要移除催化剂，

·不必在减压下操作，

·使用的催化剂可以实现在副产物产生相对少的温度下进行，

·在气相中不会发生活性金属向产品的浸出，和

·获得适合香水行业的品质，即反应产物中不应包含气味令人不悦的副产物。

发明内容

本发明提供一种通过相应萜烯醇氧化脱氢反应制备萜烯醛和萜烯酮的方法，包括或由以下步骤组成：

(a)提供萜烯醇或含有萜烯醇的反应物；

(b)使步骤(a)的反应物与多相钌催化剂接触；

(c)在氧气的存在下将步骤(b)的混合物加热至至少150℃；以及任选地

(d)由得到的反应混合物分离萜烯醛或萜烯酮。

令人惊讶地是，已经发现上述需求通过本发明的方法被完全满足：以显著高于现有技术中所实现的高产量和高选择性得到萜烯醛或萜烯酮。既不必使用溶剂，也不需要以复杂方法移除催化剂；该方法也不需要减压。需要维持低的温度范围从而没有明显的副产物形成，意味着得到的质量可以满足香水行业的严格要求。

萜烯醇

原则上，根据本发明的方法可以应用于所有萜烯醇。适当的萜烯醇的实例包括冰片和葑醇，以及特别是香芹醇、香茅醇、枯茗醇、二氢香芹醇、法尼醇、香叶醇、橙花醇、紫苏醇、植醇和玫瑰醇及其混合物。在根据本发明的方法中优选使用薄荷醇，其转化为薄荷酮或薄荷酮和异薄荷酮的混合物。

可以使用作为单独物质的萜烯醇。各种萜烯醇的混合物也可以被转化，或者除其他组分外还含有一定量的这些萜烯醇的天然产物提取物。

催化剂

根据本发明，使用多相钌催化剂，其优选具有大于零的氧化态。这些催化剂还可以含有其他催化活性物质，特别是其他金属氧化物。这些可以选自组包括氧化铈、氧化铜、氧化铁、氧化锰、氧化钴、氧化钼、氧化银及其混合物。以下氧化物是特别优选的实例：CeO₂、CuO、Cu₂O、Fe₂O₃、Fe₃O₄、MnO、MnO₂、Mn₂O₃、Mn₃O₄、Co₃O₄、CoO,、MoO₃、AgO、Ag₂O及其混合物。以钌的量为基础，例如以约10重量％至约50重量％的量进行掺杂导致催化剂活性的显著提高。

在本发明的上下文中，使用的催化剂尤其是其中将催化活性物质施加到载体材料上的那些催化剂。在这种情况下，有利的是将这些基于钌和其他金属的氧化金属物质以精细分散的形式施用至载体上。当催化剂载体本身由对氧化具有催化活性的材料组成时，特别优选实施本发明。活性催化剂是使用湿化学方法生产的，例如浸渍、浸渍至出现水分、沉淀或共沉淀。待引入催化剂合成中的金属以合适的前体形式使用，例如作为金属氯化物、金属硝酸盐或金属乙酸盐。为了能够根据本发明在连续反应器中使用，然后将粗催化剂物料进行成型，例如挤出或造粒和热处理。载体优选氧化材料，其选自组包括氧化铈、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化硅、二氧化硅、氧化铁、氧化锰、氧化铌、硅铝酸盐、水滑石、羟基磷灰石及其混合物。或者，活性炭也可以用作载体。

钌或钌与其他金属的混合物以其各自的氧化形式在载体上的浓度为约0.1至约10重量％并且优选约0.5至约5重量％。

方法

根据本发明，连续管式反应器用于薄荷醇的氧化脱氢反应。在这种情况下，催化剂可以在固定床或流化床中与反应物接触。根据本发明的反应设备的设计还包括管束反应器。

气态反应物流过引入反应器的催化剂。这些反应物由气态薄荷醇和含氧气体组成。借助质量流量控制器以适当的浓度提供含氧气体。含氧气体中的氧浓度为至少0.1％。萜烯醇由泵供应，并使用常规的蒸发器设计使其转化为气相。

根据本发明的方法需要最低温度为150℃以确保反应在气相中进行，因为这对于转化率和选择性是至关重要的。此外，优选的温度范围是150至约350℃，优选约180至约320℃，尤其是250至约300℃。

通过设定最佳温度和停留时间或GHSV(气体时空速度)，可以使例如想要的薄荷酮/异薄荷酮混合物的产率和选择性最大化。这可以看作是根据本发明的该连续方法的优点。

进一步优选在使气流连续流过的反应器中进行反应，进入反应器时所述气流含有萜烯醇，优选薄荷醇，以及含氧气体和任选的惰性气体。在这种情况下，含氧气体优选含有至少0.1体积％的氧气，其基于含氧气体的总体积并且在20℃和1013.25hPa下测定。

根据本发明的方法的另一优选实施例还在于：

(i)基于多相催化剂体积的气流的流速(气体时空速度GHSV)为约100h^-1至约5000h^-1，优选为约200h^-1至约1000h h^-1和/或

(ii)进入反应器的气流中萜烯醇的浓度为约1mol％至约15mol％，优选约3mol％至约10mol％。

适当的停留时间在τ＝1-20s的范围内。在反应器的出口，气态产物混合物被凝聚并进行气/液分离。然后可以通过蒸馏将液体产物混合物纯化。

该方法可以分批地或优选连续地进行。

实施例

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实施例1至9

使用设备和反应体系的一般描述

使用的连续管式反应器设备由以下组件组成：饱和器、恒温器、气体管线、带数字MFC的气体计量和控制器、带烤箱的管式反应器、一个在用于高沸点锅炉的油浴中(装有6毫升邻二甲苯)控制温度的样品收集容器、一个在用于低沸点锅炉的低温恒温器中冷却的样品收集容器和几个带有控制元件和热电偶的加热器。

为了进行测试，首先向不锈钢管式反应器中装入预先制粒的催化剂(3mL)。然后将充满薄荷醇的饱和器浸入加热至想要温度(通常120℃)的恒温器溶液中。除了通向饱和器的气体管线外，所有其他管线的温度均通过带有热电偶和控制元件的加热器(加热带)设定为200℃，并保持恒定。在加热阶段，全部测试设备通过穿过饱和器的气体管线用N₂吹扫。然后，在关闭N₂吹扫气供应后，将5体积％的O₂/Ar(30mL/min)的气体混合物通入饱和器，该饱和器的温度控制在120℃。通过打开从饱和器到反应器的气阀开始反应。为了防止未反应的薄荷醇在反应器出口结晶(熔点：41–45℃)，将从反应器出口到收集容器的气体管线另外加热至100℃。另外，在整个反应时间中，借助于温控油浴将含有6mL邻二甲苯作为收集溶液的样品容器加热至60℃。一个用于收集更多挥发性产品的冷阱位于实际采样点的直接下游。反应完成后，关闭从饱和器到反应器的阀，并用氮气吹扫系统。然后，关闭所有其他用于气体计量和温度控制的控制元件。

为了确定反应期间的薄荷醇消耗，在每次测试后将饱和剂移出并称重。每个温度下的总反应时间始终为3小时，每小时取样一次。测试在以下条件下进行：

·3mL催化剂，

·气流中5mol％薄荷醇，

·30mL/min 5体积％的O₂/Ar，

使用的催化剂:

·[a]:Ru/C,

·[b]:0.2％Ru/CeO₂,

·[c]:0.2–1.0/1.2/1.6％RuMnCe/CeO₂,

其中催化剂[a]和[b]是市售产品，催化剂[c]根据以下标准过程得到：

向含有4.46g CeO₂的100mL去离子水的悬浮液中加入23.4mg RuCl₃·H₂O、260.6mgMn(NO₃)₂·4H₂O和225.4mg Ce(NO₃)₃·6H₂O的20mL水溶液中。然后，借助于注射泵，在搅拌悬浮液的同时，在5小时内连续滴加415.2mg NaOH和314.4mg Na₂CO₃的8mL水溶液。添加完成后，将反应悬浮液加热至65℃并搅拌18h。离心除去固体，每次用20mL水洗涤3次，并在干燥箱中于90℃干燥过夜。活性成分Ru、Mn和Ce以氧化物和/或氢氧化物的形式存在于载体上。

观察到的转化率和产率在下表1中示出。

表1

转化率和产率

含义:

X_OL＝以mol％计的薄荷醇转化率

Y_ON＝以mol％计的薄荷酮产率

Y_ISO＝以mol％计的异薄荷酮产率

S_ON＝薄荷酮选择性

S_ISO＝异薄荷酮选择性

Claims

1.一种通过使相应的萜烯醇进行氧化脱氢反应而制备萜烯醛和萜烯酮的方法，该方法包括或由以下步骤组成：

(a)提供萜烯醇或含有萜烯醇的气态反应物；

(b)使步骤(a)的起始材料与多相钌催化剂接触；

(d)由得到的反应混合物分离萜烯醛或萜烯酮。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，薄荷醇用作萜烯醇。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用含有其他金属氧化物的多相钌催化剂。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，金属氧化物选自氧化铈、氧化铜、氧化铁、氧化锰、氧化钴、氧化钼、氧化银、及其混合物。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用的金属氧化物选自CeO₂、CuO、Cu₂O、Fe₂O₃、Fe₃O₄、MnO、MnO₂、Mn₂O₃、Mn₃O₄、Co₃O₄、CoO、MoO₃、AgO、Ag₂O、及其混合物。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，使用多相钌催化剂，其中催化活性物质被施加到载体材料上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用的载体材料也具有催化活性。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用氧化载体材料。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用氧化载体材料。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，载体选自氧化铈、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化硅、二氧化硅、氧化铁、氧化锰、氧化铌、硅铝酸盐、水滑石、羟基磷灰石、及其混合物。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用活性炭作为载体材料。

12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用多相钌催化剂，其中钌在载体材料上的浓度为0.1至10重量％。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，其中钌在载体材料上的浓度为0.5至5重量％。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，反应在150至350℃的温度范围内进行。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，反应在180至320℃的温度范围内进行。

16.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，反应在250至300℃的温度范围内进行。

17.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，反应在300至350℃的温度范围内进行。

18.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，反应在气流连续流过的反应器中进行，所述气流在进入反应器时含有至少一种萜烯醇和一种含氧气体以及任选地一种惰性气体。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述含氧气体含有至少0.1体积％的氧气，其基于含氧气体的总体积并且在20℃和1013.25hPa下测定。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，

(i)基于多相催化剂体积，气流的流速(气体时空速度GHSV)为100h^-1至5000h^-1，和/或

(ii)进入反应器的气流中萜烯醇的浓度为1mol％至15mol％。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，基于多相催化剂体积，气流的流速为200h^-1至1000h^-1。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进入反应器的气流中萜烯醇的浓度为3mol％至10mol％。