CN111601857A - 氢化α苯乙烯二聚物的可规模化合成 - Google Patents

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Abstract

提供了可规模化的、经济的且安全的用于α二甲基苯乙烯二聚物的氢化的方法。这些方法通常提供大于98％的产率，并且不需要纯化步骤。生产氢化α二甲基苯乙烯二聚物的方法包括在氮气下添加包含Ru/C或Rh/C的催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物至反应器以形成催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物反应混合物。然后将反应混合物在压力下加热直到α二甲基苯乙烯二聚物的氢化完成。为了回收氢化α二甲基苯乙烯二聚物，将反应混合物在氮气下通过硅藻土床过滤。

Description

氢化α苯乙烯二聚物的可规模化合成
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年12月11日提交的美国临时专利申请第62/597,149号的优先权。
技术领域
本公开总体上涉及经济地制备氢化α二甲基苯乙烯的方法。
背景技术
在1999年，环形无级变速器(T-CVT)汽车被推向市场，并且用于T-CVT的牵引流体要求在分子的高牵引系数和低温流动性方面的高水平性能。Tsubouchi等人(LubricationScience 2004,16(4),393-403)报道了用于设计具有高牵引系数的分子结构的参数，这些参数包括高分子刚度、大尺寸、短亚烷基链长、高熔点和低分子极性，以获得良好的牵引系数。工业上使用专门设计的牵引流体，诸如氢化α二甲基苯乙烯(HAD)，其具有出色的牵引系数和低温粘度关键性能参数，包括：熔点-30℃，沸点112℃(0.7mm Hg)。据报道，在140℃下，HAD的牵引系数为0.058，滑滚比为5％(Japanese Journal of Tribology，第38卷,3,1993)。HAD(2,4-二环己基-2-甲基戊烷)的化学结构在式I中表示：
Figure BDA0002535049770000011
HAD的合成涉及两个步骤，
Figure BDA0002535049770000021
第一步是二聚。在现有技术中已经报道了在原子经济反应中烯烃以近100％的比率进行二聚反应。Chaudhuri等人(Ind.Eng.Chem.Res.1989,28,1757-1763)报道了关于α二甲基苯乙烯的二聚的综合研究。
Figure BDA0002535049770000022
用于制备HAD的第二步是氢化反应。原料α甲基苯乙烯二聚物的分子量为236.36，终产物HAD的分子量为250.47。
最众所周知的化学过程使用雷尼镍(Raney Nickel)作为催化剂，并且反应在非常高的温度和压力下进行(Toshiyuki等人，EP0224259)。镍使用经济、可回收性差并且在更大规模处理时存在安全问题。
因此，在该领域中需要在大规模上具有安全、绿色和经济的且具有更少的催化剂负载和更佳的产率的方法。
发明内容
本公开提供了用于α二甲基苯乙烯(AMS)二聚物的氢化的可规模化方法。在没有溶剂的情况下，本公开的方法从原料产生至少90％的产率，并且更优选从原料AMS二聚物产生98％的产率。所公开的方法在比其他催化方法所需的温度和压力更低的温度和压力下以及还在催化剂的最低负载下实现α二甲基苯乙烯二聚物的氢化，在反应完成后提供催化剂的回收。
生产氢化α二甲基苯乙烯二聚物的方法包括在氮气下添加包含Ru/C或Rh/C的催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物至带有涡轮叶轮的哈斯特(Haste)合金反应器以形成催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物反应混合物。然后将反应混合物在压力下加热，直到α二甲基苯乙烯二聚物的氢化完成。为了回收氢化α二甲基苯乙烯二聚物，将反应混合物在氮气下通过硅藻土床过滤。
时间、压力、温度、催化剂和原料的量都可以改变。反应的催化剂可以在反应完成后回收，并且可以用于下一批次，其中另外加入新鲜催化剂。
附图说明
在附图中，给出化学式、化学结构和实验数据，其连同以下提供的详细描述一起描述了要求保护的本发明的示例性实施方式。
图1(A)-图1(B)示出了(A)商购获得的标准品氢化α二甲基苯乙烯二聚物和(B)根据本公开的方法制备的氢化α二甲基苯乙烯二聚物(实施例1，样品编号2)的NMR谱。
图2(A)-图2(B)示出了(A)商购获得的标准品氢化α二甲基苯乙烯二聚物和(B)根据本公开的方法制备的氢化α二甲基苯乙烯二聚物(实施例1，样品编号3)的NMR谱。
图3(A)-图3(B)示出了(A)商购获得的标准品氢化α二甲基苯乙烯二聚物和(B)根据本公开的方法制备的氢化α二甲基苯乙烯二聚物(实施例1，样品编号7)的NMR谱。
具体实施方式
将详细描述可规模化、经济且安全的用于α二甲基苯乙烯二聚物的氢化的方法。这些方法通常导致大于98％的产率，并且不需要纯化步骤。
生产氢化α二甲基苯乙烯二聚物的方法包括在氮气下添加包含Ru/C或Rh/C的催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物至带有涡轮叶轮的哈斯特合金反应器以形成催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物反应混合物。反应混合物包含Ru/C或Rh/C催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物。替选地，反应混合物可以基本上由Ru/C或Rh/C催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物组成，或由Ru/C或Rh/C催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物组成。然后将反应混合物在压力下加热直到α二甲基苯乙烯二聚物的氢化完成。为了回收氢化α二甲基苯乙烯二聚物，将反应混合物在氮气下通过硅藻土床过滤。过滤步骤用于除去催化剂。
注意，该生产方法是无溶剂的。因此，不必需蒸馏步骤或其他纯化工艺步骤，当较大规模地发生反应时，蒸馏步骤或其他纯化工艺步骤会具有显著的操作成本。
所得的经过滤的氢化α二甲基苯乙烯二聚物产物可以在真空下浓缩，尽管这种步骤不是必需的。
可以通过对反应混合物的样品进行薄层色谱法来监测氢化反应的完成。当氢气消耗停止时，反应完成。同样，可以通过在核磁共振(NMR)谱中不存在芳族峰来分析反应混合物的样品。气相色谱质谱(GCMS)或任何其他技术也可以用于评价氢化反应的完成度。
筛选了几种催化剂用于可规模化的HAD合成方法，包括Ru/C、Rh/C、Ru和Rh的复合物、雷尼镍和Pd(OH)2/C。雷尼镍和Pd(OH)2/C未能产生HAD和判断优选方法的更低的温度和压力。用于本反应的催化剂可以基本上由Ru/C或Rh/C组成或由Ru/C或Rh/C组成。尽管Ru或Rh优选在载体材料上，但是它们也可以以其他形式使用。此外，该方法可以包括在过滤氢化α二甲基苯乙烯二聚物之后回收催化剂。然后可以将回收的催化剂与新鲜催化剂合并并用于另一反应中。回收的催化剂的量、所需的新鲜催化剂的量以及催化剂可以再利用的次数都可以由用户出于最佳性能而改变。以干基计，催化剂的浓度可以为约0.001重量％至约10重量％或约0.25重量％至约10重量％的输入物。在一些情况下，优选5％的Ru/C或Rh/C催化剂。Ru/C或Rh/C催化剂可以补充有其他催化剂，并以任何形式存在于反应中。在一些情况下，Ru/C更具成本效益，尽管所用的催化剂的量和催化剂的可回收性可能使用户选择不同的催化剂或催化剂的组合。
添加到反应器以形成反应混合物的α二甲基苯乙烯二聚物的量可以为约50克至约1000克，并且更优选为约50克至约300克。
反应混合物的加热可以包括：在开始时在环境温度下在反应器中形成反应混合物，并以逐步的方式将反应混合物的温度升至约60℃或至约100℃或两者。α二甲基苯乙烯二聚物的氢化反应可以在任何温度下、优选在约47℃至约100℃下发生。反应混合物的加热速率可以变化。加热速率可以定义为缓慢，即温度逐渐升高。加热速率可以为每小时约1度至每小时约10度。通常，双键的氢化可以发生在约60℃下，芳环的氢化可以发生在约100℃下。因此，用户可以选择在一段时间内将温度从环境室温升至约60℃，然后在另一时间段内将温度逐渐升至约100℃。
氢化反应可以进行约2小时至约14小时或直至完成。通过测量氢消耗来确定氢化反应的完成。没有氢消耗表明反应完成。该方法描述了哈斯特合金反应器，但是应理解，任何适当尺寸的任何适当容器都可以用于本发明的方法。此外，尽管具体描述了HAD的氢化，但是应理解，该方法可以用于任何不饱和二聚物的氢化。
除了别的以外，反应时间取决于催化剂的负载量。催化剂负载越大，反应时间越短。例如，在实施例1中，对于300g的α二甲基苯乙烯二聚物，2重量％的输入物负载花费5小时来完成。对于相同输入物量的原料，1重量％的负载花费7小时，而0.5重量％的负载花费7小时。因此，催化剂的量、时间、温度和压力可以根据用户的时间和成本约束而变化。
使用在约1,000rpm下运行的涡轮叶轮在氢化反应期间搅拌或持续搅拌反应器中的反应混合物。氢化反应可以在约10kg/cm2至约12kg/cm2的压力下进行。
从起始α二甲基苯乙烯二聚物到经过滤的氢化α二甲基苯乙烯二聚物产物的产率为至少约90％或更大，更优选大于98％。产率也由大于90％的任何％表示，包括91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.2％、99.5％、99.8％和99.9％。
氢化α二甲基苯乙烯二聚物生产的替选方法包括在氮气下添加包含Ru/C或Rh/C的催化剂至反应器，然后在氮气下添加溶剂，和最后添加α二甲基苯乙烯二聚物以形成催化剂、溶剂和α二甲基苯乙烯二聚物反应混合物。将反应混合物在压力下加热直至α二甲基苯乙烯二聚物的氢化完成。为了回收氢化α二甲基苯乙烯二聚物，将反应混合物在氮气下通过硅藻土床过滤以去除催化剂。使用的溶剂可以是异丙醇(IPA)或任何其他质子溶剂。原料与溶剂的比率优选为约1:4.2并且更优选为1:4.2。
在又一方法中，α二甲基苯乙烯二聚物的氢化通过以下发生：在氮气下向反应器中添加催化剂；第二步骤包括添加α二甲基苯乙烯二聚物至反应器，从而形成催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物反应混合物；第三步骤包括在压力下加热反应混合物直至α二甲基苯乙烯二聚物的氢化完成；和第四步骤包括将反应混合物在氮气下通过硅藻土床过滤，从而获得氢化α二甲基苯乙烯二聚物产物。
实施例
实施例1
实验流程
在带有涡轮叶轮的一升哈斯特合金反应器中，添加催化剂。在一些示例中，在氮气下向催化剂中添加异丙醇。向所得的催化溶液中添加α二甲基苯乙烯二聚物。用搅拌器以1,000RPM的恒定速率搅拌反应混合物。将反应混合物加热至表1中所示的温度和压力。通过薄层色谱或NMR监测反应的完成，并且当不再指示氢消耗时，将反应混合物在氮气下通过硅藻土床过滤。还通过核磁共振(NMR)或气相色谱质谱(GCMS)分析产物。
结果示于表1中：
Figure BDA0002535049770000061
Figure BDA0002535049770000071
在一些情况下，催化剂以水中的50重量％供应，可以计算％干基。根据表1，在约10Kg/cm2至约11Kg/cm2和约12Kg/cm2的两个压力下进行的氢化反应产生完全反应。同样，在约60℃或约100℃下或在约60℃至约100℃的范围内进行的反应产生完全反应。0.25重量％的输入物的催化剂(样品9)不足以产生氢化α二甲基苯乙烯二聚物，而0.5重量％(样品8)至8重量％(样品1)的输入物允许反应完成。表1表明溶剂是任选的成分并且对于发生α二甲基苯乙烯二聚物的氢化不是必需的。可以用不同量的原料完成氢化反应，并且一旦反应完成，原料的产率为90％至99％。反应完成的时间是可变的。
图2B的NMR示出了样品编号3的不完全反应，因为存在芳族峰。图1B和图3B表明，对于表1的样品2和样品7，该方法的氢化终产物与商购获得的α二甲基苯乙烯二聚物的氢化无法区分。图1A、图2A和图3A表示商购获得的HAD标准品。
已经以示例的形式描述了某些实施方式。不可能描述每个潜在的应用。因此，尽管相当详细地描述了实施方式，但是无意将所附权利要求的范围限制或以任何方式限定于此类细节或任何特定的实施方式。
在说明书或权利要求书中使用术语“包括(includes)”或“包含(including)”的程度上，该术语旨在以与术语“包含(comprising)”在被用作权利要求书中的过渡词时所解释的相似的方式为包含性的。此外，在采用术语“或”(例如A或B)的程度上，其旨在表示“A或B或两者”。当意指“仅A或B而不是两者”时，则将采用术语“仅A或B而不是两者”。因此，本文中术语“或”的使用是包含性的，而不是排他性的使用。如说明书和权利要求书中所使用，单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数。最后，当术语“约”与数字结合使用时，意在包括数字的±10％。例如，“约10”可以表示9至11。术语HAD可以用于指代氢化α二甲基苯乙烯二聚物或氢化α烯烃二聚物，或指式I中所示的图或定义为HAD的任何其他术语。
如上所述，尽管通过实施方式的描述说明了本申请，并且尽管已经相当详细地描述了实施方式，但是无意于限制或以任何方式限定所附权利要求的范围至此类细节。受益于本申请，本领域技术人员将容易想到其他优点和修改。因此，本申请在其更广泛的方面不限于所示出的具体细节和说明性示例。可以在不脱离总发明构思的精神或范围的情况下从此类细节和示例进行偏离。

Claims (20)

1.一种用于制备氢化α二甲基苯乙烯二聚物的方法，所述方法包括：
在氮气下添加包含Ru/C或Rh/C的催化剂至反应器；
添加α二甲基苯乙烯二聚物至所述反应器，从而形成催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物反应混合物；
在压力下加热所述反应混合物直至所述α二甲基苯乙烯二聚物的氢化完成；和
在氮气下将所述反应混合物通过硅藻土床过滤，从而获得氢化α二甲基苯乙烯二聚物产物。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在真空下浓缩经过滤的所述氢化α二甲基苯乙烯二聚物产物。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述反应混合物的过滤之后回收所述催化剂和任选地使用经回收的所述催化剂以形成另一反应混合物。
4.如权利要求1所述的方法，所述催化剂由Ru/C或Rh/C组成。
5.如权利要求1所述的方法，所述催化剂以约0.001重量％至约10重量％的输入物的量存在。
6.如权利要求1所述的方法，所述催化剂以约5重量％的量存在。
7.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在氮气下添加溶剂至所述反应器，
其中，在添加所述催化剂至所述反应器之后且在添加所述α二甲基苯乙烯二聚物至所述反应器之前添加所述溶剂。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述溶剂选自由以下组成的组：异丙醇和质子溶剂。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述溶剂以约1mL至约300mL的量存在。
10.如权利要求1所述的方法，所述α二甲基苯乙烯二聚物以约50克至约1000克的量添加至所述反应器。
11.如权利要求1所述的方法，所述α二甲基苯乙烯二聚物以约65克至约1000克的量添加至所述反应器。
12.如权利要求1所述的方法，加热处理包括：开始时在环境温度下在所述反应器中形成所述反应混合物和升高所述反应混合物的温度至约100℃。
13.如权利要求1所述的方法，加热处理包括：开始时在环境温度下在所述反应器中形成所述反应混合物和升高所述反应混合物的温度至约60℃。
14.如权利要求1所述的方法，其中，反应进行约2小时至约14小时直至完成。
15.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
通过所述反应混合物的样品的薄层色谱来监测反应完成度，其中，当氢消耗停止时反应完成。
16.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过经由核磁共振或气相色谱质谱测试经过滤的所述氢化α二甲基苯乙烯二聚物产物来监测反应完成度的步骤。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述反应器中的所述反应混合物在约10Kg/cm2至约12Kg/cm2的压力下。
18.如权利要求1所述的方法，其中，持续搅拌所述反应器中的所述反应混合物。
19.如权利要求1所述的方法，其中，从起始α二甲基苯乙烯二聚物到经过滤的所述氢化α二甲基苯乙烯二聚物产物的产率为约90％或更大。
20.如权利要求1所述的方法，其中，
第一步骤是在氮气下添加催化剂至反应器；
第二步骤是添加α二甲基苯乙烯二聚物至所述反应器，从而形成催化剂和α二甲基苯乙烯二聚物反应混合物；
第三步骤是在压力下加热所述反应混合物直至所述α二甲基苯乙烯二聚物的氢化完成；和
第四步骤是在氮气下将所述反应混合物通过硅藻土床过滤，从而获得氢化α二甲基苯乙烯二聚物产物。
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