CN112125783B - 一种光催化制备3-甲基-2-丁烯醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化制备3‑甲基‑2‑丁烯醇的方法,通过光催化反应高效地使3‑甲基‑3‑丁烯醇发生异构化反应得到3‑甲基‑2‑丁烯醇。该方法解决了3‑甲基‑2‑丁烯醇传统的制备过程中产生异戊醇的问题,具有反应条件温和、操作简单、产品收率高、分离容易的优点。
Description
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域,具体涉及一种通过光催化异构化反应由3-甲基-3-丁烯醇制备3-甲基-2-丁烯醇的方法。
技术背景
3-甲基-2-丁烯醇,又叫做异戊烯醇,是一种重要的有机合成中间体,可用于生产多种精细化工品以及药品,包括柠檬醛、异植物醇、贲亭酸甲酯等,此外还可以作为合成橡胶的原料以及其他有机合成原料。
CN 107141197公开了一种催化剂体系,包括羰基铁化合物、有机碱和环氧基配体,用于3-甲基-3-丁烯醇异构化制备3-甲基-2-丁烯醇,该反应体系所需催化剂制备过程复杂,成本较高。
CN 101391939公开了一种制备3-甲基-2-丁烯醇的技术路线,该方法以2-甲基-3-丁烯-2-醇为原料,经过氯化、缩合、水解等一系列步骤得到最终产品,虽然该过程副反应较少,但是流程复杂,增加了生产成本和降低了原料利用率。
CN 111217674公开了一种以3-甲基-3-丁烯醇为原料,在含氢载气的存在下使用异构化催化剂制备3-甲基-2-丁烯醇的方法。该路线是在氢气存在的条件下发生的临氢异构反应,很容易产生加氢副产物异戊醇,难以与产物分离,造成收率降低。
CN 103861633公开了一种非均相催化剂制备3-甲基-2-丁烯-1-醇的方法,其催化剂由Pd、Au、Pt、Mo等金属构成,该反应中过度加氢产物异戊醇含量大幅降低至0.8%,其分离除去的成本仍然非常昂贵。
针对现有技术制备3-甲基-2-丁烯醇各种工艺过程中的不足,急需开发一种无副产物异戊醇产生,催化剂环保易分离,反应条件温和且产品收率高的制备方法。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种光催化制备3-甲基-2-丁烯醇式(II)的方法,该方法从3-甲基-3-丁烯醇式(I)出发,通过光催化反应,实现分子的异构化得到产品3-甲基-2-丁烯醇。该方法具有操作简单、反应条件温和、催化剂成本低、环境友好等诸多优点,且反应工艺中无需使用氢气,因此无副产物异戊醇产生、产品纯度高、转化率高,适合工业化生产。
为实现上述技术效果,本发明采用如下的技术方案:
一种光催化制备3-甲基-2-丁烯醇的方法,其特征在于,以3-甲基-3-丁烯醇作为反应原料,在含锂催化剂的存在下,在惰性气体氛围下发生光催化、经异构化反应得到3-甲基-2-丁烯醇。
在一个优选的实施方案中,以3-甲基-3-丁烯醇式(I)作为反应原料,在含锂催化剂的存在下,在惰性气体氛围下发生光催化、经异构化反应得到3-甲基-2-丁烯醇式(II)。
在一个具体的实施方案中,所述含锂催化剂选自四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、三氟甲烷磺酸锂、钼酸锂、六氟磷酸锂中的任一种或多种;优选为六氟磷酸锂。
在一个优选的实施方案中,所述含锂催化剂的用量以锂原子的摩尔量为基准计,为原料3-甲基-3-丁烯醇物质的量的0.005mol%~1mol%,优选为0.01mo1%~0.5mo1%,进一步优选为0.01mo1%~0.1mo1%。即含锂催化剂用量为含锂催化剂物质的量占原料3-甲基-3-丁烯醇物质的量的百分比,在前述优选用量范围,所述异构化反应催化效果好,且不会造成成本高的负担。
在一个具体的实施方案中,所述异构化反应需要在溶剂的存在下进行,所述的溶剂选自具有醚类结构的溶剂,优选四氢呋喃、冠醚和聚乙二醇中的一种或多种,更优选为聚乙二醇200;以溶剂和反应原料3-甲基-3-丁烯醇的总质量计,原料3-甲基-3-丁烯醇的质量浓度为10%~40%,优选20~30%。即反应原料3-甲基-3-丁烯醇的质量占溶剂和反应原料3-甲基-3-丁烯醇的总质量的比例为10%~40%,优选20~30%。
在一个具体的实施方案中,所述异构化反应在惰性气体氛围下进行,所述惰性气体可以是高纯氮气或高纯氩气等,其中,所述惰性气体中氧气含量优选小于20ppm(v/v),进一步小于10ppm(v/v)。
在一个具体的实施方案中,所述光催化、异构化反应需要在特定的光照条件下发生,需要合适的光源与波长,所述光催化反应光源为汞灯或氙灯,所述光催化反应的光源波长为400~850nm,优选550~650nm。
在一个具体的实施方案中,所述制备3-甲基-2-丁烯醇的反应步骤为:将原料3-甲基-3-丁烯醇以及溶剂输送至反应釜内,通入惰性气体保持无氧环境,然后将锂催化剂加入到反应釜中,恒定温度至所需要反应温度,打开光源经光催化、发生异构化反应得到3-甲基-2-丁烯醇。
例如,所述的锂催化剂和原料向反应釜中的添加方式为:首先将原料转移至反应设备中,之后通入惰性气体,在惰性气体的氛围下,将锂催化剂加入到原料中,搅拌至混合液清澈透明。
添加完锂催化剂和原料并搅拌至混合液清澈透明后,开动搅拌,搅拌速率100rpm~1000rpm。原料与催化剂混合均匀形成均相溶液后,打开光源进行异构化反应,所述光源进行的光照时间与下述反应时间相同,所述光源波长为400~850nm,光源的光照强度优选300~400W。
在一个具体的实施方案中,所述异构化反应的反应温度为-10~25℃,反应时间为6~24h;优选地,所述异构化反应的反应温度为-10~10℃;反应时间为8~12h。
其中,所述光催化、异构化反应均在常压下进行,本领域技术人员可以理解的是,常压下的反应,通常在高压下也能够进行,为了本质安全的设计,本发明优选在常压下反应,但高压的反应情形也不能脱离本发明的保护范围。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果:
(1)本发明所使用的含锂催化剂在特殊光照的条件下,表现出了令人惊讶的光催化活性,在室温条件下能够使3-甲基-3-丁烯醇发生异构化反应,高产率的得到产物3-甲基-2-丁烯醇。
(2)本发明的异构化反应过程为光激发,锂催化剂吸收光后,从基态首先激发到单线态,并进一步达到能量更高的三线态,随后与3-甲基-3-丁烯醇相互作用,并将能量转移到3-甲基-3-丁烯醇,这种能量使得3-甲基-3-丁烯醇自身转化为双自由基中间体三线态。由于3-甲基-2-丁烯醇在热力学上更加稳定,双自由基中间体三线态的3-甲基-3-丁烯醇越过能垒,转化为3-甲基-2-丁烯醇。本发明反应条件温和,对环境友好,低耗能,高转化,同时克服了传统路线使用临氢异构的方法制备3-甲基-2-丁烯醇中容易产生加氢副产物异戊醇的问题,解决了后分离处理的难题。本发明的方法还具有操作简单、产品收率高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的产物GC分析检测谱图。
图2为本发明对比例1制备的产物GC分析检测谱图。
具体实施方法
下面的实施例将对本发明所提供的方法予以进一步的说明,但本发明不限于所列出的实施例,还应包括在本发明的权利要求范围内其他任何公知的改变。
分析方法:
气相色谱仪:Agilent7820A,色谱柱WAX(30m×320μm×0.25μm),进样口温度:200℃,分流比50:1;载气流量:10ml/min;升温程序:50℃下保持2min,以8℃/min速度升温至120℃,保持5min,然后以5℃/min升温至180℃,保持0min,然后以20℃/min升温至280℃,保持5min;检测器温度:280℃。
原料及试剂:
3-甲基-3-丁烯醇,99.5%,阿拉丁试剂有限公司。
四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、三氟甲烷磺酸锂、钼酸锂、六氟磷酸锂,99%,阿拉丁试剂有限公司。
光源:350W汞灯光源CME-M350,中科微能(北京)科技有限公司。
反应器:光化学控温一体反应器GUIGO-RDPR10S,上海桂戈实业有限公司。
实施例1
在无氧无水氛围下,将258.6g四氢呋喃、86.2g(1.0mol)3-甲基-3-丁烯醇加入到光化学反应器中,随后向反应器中通入惰性气体,加入75.96mg(0.5mmol)六氟磷酸锂(相对于3-甲基-3-丁烯醇为0.05mol%),开动搅拌至溶液混合澄清透明,随后保持温度0℃,打开反应器内的汞灯,控制波长为650nm,以350W的功率照射8h,通过校准GC分析测定转化率为97%,3-甲基-2-丁烯醇选择性为99.9%,未检测到异戊醇的生成。
实施例2
在无氧无水氛围下,将1551.6g四氢呋喃、172.4g(2.0mol)3-甲基-3-丁烯醇加入到光化学反应器中,随后向反应器中通入惰性气体,加入18.75mg(0.2mmol)四氟硼酸锂(相对于3-甲基-3-丁烯醇为0.01mol%),开动搅拌至溶液混合澄清透明,随后保持温度-10℃,打开反应器内的汞灯,控制波长为550nm,以350W的功率照射12h,通过校准GC分析测定转化率为96%,3-甲基-2-丁烯醇选择性为99.9%,未检测到异戊醇的生成。
实施例3
在无氧无水氛围下,将344.8g四氢呋喃、86.2g(1.0mol)3-甲基-3-丁烯醇加入到光化学反应器中,随后向反应器中通入惰性气体,加入193.8mg(1.0mmol)二草酸硼酸锂(相对于3-甲基-3-丁烯醇为0.1mol%),开动搅拌至溶液混合澄清透明,随后保持温度5℃,打开反应器内的汞灯,控制波长为400nm,以350W的功率照射6h,通过校准GC分析测定转化率为94%,3-甲基-2-丁烯醇选择性为99.9%,未检测到异戊醇的生成。
实施例4
在无氧无水氛围下,将689.6g聚乙二醇-200、172.4g(2.0mol)3-甲基-3-丁烯醇加入到光化学反应器中,随后向反应器中通入惰性气体,加入15.61mg(0.1mmol)三氟甲烷磺酸锂(相对于3-甲基-3-丁烯醇为0.005mol%),开动搅拌至溶液混合澄清透明,随后保持温度25℃,打开反应器内的汞灯,控制波长为850nm,以350W的功率照射24h,通过校准GC分析测定转化率为92%,3-甲基-2-丁烯醇选择性为99.9%,未检测到异戊醇的生成。
实施例5
在无氧无水氛围下,将129.3g聚乙二醇-200、86.2g(1.0mol)3-甲基-3-丁烯醇加入到光化学反应器中,随后向反应器中通入惰性气体,加入1.738g(10mmol)钼酸锂(相对于3-甲基-3-丁烯醇为1mol%),开动搅拌至溶液混合澄清透明,随后保持温度15℃,打开反应器内的汞灯,控制波长为500nm,以350W的功率照射10h,通过校准GC分析测定转化率为96%,3-甲基-2-丁烯醇选择性为99.9%,未检测到异戊醇的生成。
实施例6
在无氧无水氛围下,将258.6g聚乙二醇-200、86.2g(1.0mol)3-甲基-3-丁烯醇加入到光化学反应器中,随后向反应器中通入惰性气体,加入0.7596g(5mmol)钼酸锂(相对于3-甲基-3-丁烯醇为0.5mol%),开动搅拌至溶液混合澄清透明,随后保持温度10℃,打开反应器内的汞灯,控制波长为700nm,以350W的功率照射15h,通过校准GC分析测定转化率为94%,3-甲基-2-丁烯醇选择性为99.9%,未检测到异戊醇的生成。
对比例1
在无氧无水氛围下,将258.6g四氢呋喃、86.2g(1.0mol)3-甲基-3-丁烯醇加入到反应釜中,随后向反应器中通入惰性气体,加入75.96mg(0.5mmol)六氟磷酸锂(相对于3-甲基-3-丁烯醇为0.05mol%),开动搅拌至溶液混合澄清透明,随后保持温度0℃,搅拌8h,然后通过校准GC分析测定原料3-甲基-3-丁烯醇未发生反应,未有3-甲基-2-丁烯醇生成。
本发明实施例和对比例的主要反应条件和结果见下表:
由上表中的结果可知,实施例1与对比例1相比,对比例1未提供特殊光照条件,从而没有进行光催化,导致最终即使在加入含锂催化剂的条件下,异构化反应几乎没有发生,对比例1反应产物GC分析谱图见图2,未见目标产物3-甲基-2-丁烯醇的峰;而本发明的实施例1在同样的条件下提供特殊光照条件,发生光催化,通过异构化反应得到3-甲基-2-丁烯醇,反应收率为97%,3-甲基-2-丁烯醇选择性为99.9%,未检测到异戊醇的生成,产物GC分析谱图见图1。
本发明的光催化制备3-甲基-2-丁烯醇的方法,在含锂催化剂和惰性气氛条件下,通过光催化反应高效地使3-甲基-3-丁烯醇发生异构化反应得到3-甲基-2-丁烯醇,收率不低于92%,未见异戊醇副产物产生。该方法在常温常压下就能进行,解决了3-甲基-2-丁烯醇传统的制备过程中产生异戊醇的问题,具有反应条件温和、操作简单、产品收率高、分离容易的优点。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员可以理解,在本说明书的教导之下,可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。
Claims (12)
1.一种光催化制备3-甲基-2-丁烯醇的方法,其特征在于,以3-甲基-3-丁烯醇作为反应原料,在含锂催化剂的存在下,在惰性气体氛围下发生光催化、经异构化反应得到3-甲基-2-丁烯醇;
所述含锂催化剂选自四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、三氟甲烷磺酸锂、钼酸锂、六氟磷酸锂中的任一种或多种;
所述光催化、异构化反应需要在特定的光照条件下发生,所述光催化反应光源为汞灯或氙灯,所述光催化反应的光源波长为400~850nm;
所述异构化反应需要在溶剂的存在下进行,所述的溶剂选自具有醚类结构的溶剂。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述含锂催化剂为六氟磷酸锂。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述含锂催化剂的用量以锂原子的摩尔量为基准计,为原料3-甲基-3-丁烯醇物质的量的0.005mol%~1mol%。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述含锂催化剂的用量以锂原子的摩尔量为基准计,为原料3-甲基-3-丁烯醇物质的量的0.01mo1%~0.5mo1%。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述含锂催化剂的用量以锂原子的摩尔量为基准计,为原料3-甲基-3-丁烯醇物质的量的0.01mo1%~0.1mo1%。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的溶剂选自四氢呋喃、冠醚和聚乙二醇中的一种或多种,以溶剂和反应原料3-甲基-3-丁烯醇的总质量计,原料3-甲基-3-丁烯醇的质量浓度为10%~40%。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述的溶剂为聚乙二醇200,以溶剂和反应原料3-甲基-3-丁烯醇的总质量计,原料3-甲基-3-丁烯醇的质量浓度为20~30%。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述异构化反应在惰性气体氛围下进行,所述惰性气体是氧气含量小于20ppm的高纯氮气或高纯氩气。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述光催化反应的光源波长为550~650nm。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述制备3-甲基-2-丁烯醇的反应步骤为:将原料3-甲基-3-丁烯醇以及溶剂输送至反应釜内,通入惰性气体保持无氧环境,然后将锂催化剂加入到反应釜中,恒定温度至所需要反应温度,打开光源经光催化、发生异构化反应得到3-甲基-2-丁烯醇。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述异构化反应的反应温度为-10~25℃,反应时间为6~24h。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述异构化反应的反应温度为-10~10℃;反应时间为8~12h。
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双键临氢异构化反应研究制备异戊烯醇;朱志庆 等;《高校化学工程学报》;20110228;第25卷(第1期);全文 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN112125783A (zh) | 2020-12-25 |
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