CN112479860A - 一种基于氧气氧化的羧酸及ε-己内酯联产的新方法 - Google Patents

一种基于氧气氧化的羧酸及ε-己内酯联产的新方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氧气氧化的高效羧酸及ε‑己内酯联产的新方法，即在催化剂催化下，在将醛氧化成相应羧酸的同时将环己酮氧化为ε‑己内酯，实现羧酸和ε‑己内酯的联产。本方法操作简单，原料和试剂价廉易得，反应条件温和，清洁环保，能够实现羧酸和高附加值的ε‑己内酯产品的联产。

Description

一种基于氧气氧化的羧酸及ε-己内酯联产的新方法
技术领域
本发明属于化学领域，涉及一种基于氧气氧化的羧酸及ε-己内酯联产的新方法。
背景技术
ε-己内酯是一种重要的化工原料，其聚合物被广泛应用于生物降解塑料、医用高分子材料、胶黏剂、涂料等多个领域。目前，ε-己内酯的生产可采用环己酮工艺亦可采用非环己酮路线。工业上，ε-己内酯的生产主要通过环己酮的Baeyer-Villiger氧化(Baeyer,A.；Villiger,V.Ber.1899,32,3625；Krow,G.R.Org.React.1993,43,251；Renz,M.；Meunier,B.Eur.J.Org.Chem.1999,4,737)来实现的。有机过酸(如过氧乙酸、m-CPBA等)是Baeyer-Villiger氧化中最常用的氧化剂(path a:如J.Am.Chem.Soc.,1958,80,4079；Org.Lett.,2005,7,5015；Synth.Commun.,1989,19,829；J.Mol.Catal.A:Chem.,2004,212,237；Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,11848)，但由于市售过氧酸种类较少、储存不便、操作条件苛刻及价格较贵等因素，该路线并不实用(US pat.6531615B2)，且成熟工艺被美、英、日等国垄断，目前国内市场供应仍以进口为主(合成纤维工业,2016,24,42)。
由于有机过氧酸直接法成本较高且存在较大的安全隐患，近年来逐渐被基于过氧化氢的氧化方法所取代(path b：Angew.Chem.,Int.Ed.,1998,37,1198；Org.Lett.,2000,2,2861；Nature,2001,412,423；Angew.Chem.Int.Ed.,2002,41,4481；Angew.Chem.Int.Ed.,2012,51,11736；ACS Catal.,2013,3,513)。尽管过氧化氢法与有机过酸法相比具有更安全、更经济且更环保等优点，但也存在几个显著的问题：一是由于过氧化氢活性低于path a中所述的有机过酸，因此反应中需要一种高效稳定的催化剂来对它进行活化；二是由于反应过程中水的存在可能造成酯的水解；三是高浓度的双氧水与有机溶剂混溶同样存在安全性问题(Chem.Rev.,2004,104,4105；化工进展,2017,36,1424)。因此，基于空气氧化的间接法(path c)受到人们越来越多的关注。
Figure BDA0002200919300000011
羧酸亦是一类基础的化工原料，工业上主要通过氧化反应来生产。考虑到成本、环保等因素,基于空气氧化的羧酸生产工艺由于价格低廉、清洁高效等优点受到工业界越来越多的关注(Chem.Lett.,1991,641；J.Org.Chem.,1994,59,2915；ACS Catal.,2013,3,230；Chem.Eur.J.,2017,23,9831)。近年来，本课题组发展了一种基于廉价金属催化的羧酸合成技术(J.Am.Chem.Soc.,2016,138,8344；Synthesis,2018,50,1629；Chin.J.Chem.,2018,36,15.)。
Figure BDA0002200919300000021
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明研究并发展了一种基于催化剂催化的、以氧气为氧化剂的羧酸及ε-己内酯联产新方法。
本发明的目的是提供一种简单、高效、快捷且更加经济的基于催化剂和氧气存在条件下，在将醛氧化为相应的羧酸的同时实现环己酮的Baeyer-Villiger氧化生产ε-己内酯联产的新方法。其反应方程式如下式(A)所示：
Figure BDA0002200919300000022
其中，R为C2-C11的直链或支链烷基，或芳基；
优选地，R为C2-C4的直链或支链烷烃或苯基。
所述具体步骤是：向三口瓶中加入催化剂，有机溶剂和环己酮，抽换氧气三次，缓慢加入醛的溶液，继续反应至完全转化，柱层析或蒸馏得羧酸和ε-己内酯。
本发明的原理是，醛在催化剂作用下被氧化为相应的过氧酸，与环己酮作用生成Criegee中间体，继而发生分子重排反应，从而实现羧酸(产品1)和ε-己内酯(产品2)的联产，具体如下式(B)所示：
Figure BDA0002200919300000023
本发明中，所述催化剂为硝酸盐，选自九水合硝酸铁、三水合硝酸铜等中的一种或多种；优选地，为九水合硝酸铁。
本发明中，所述醛、环己酮、催化剂的摩尔比为150-300:100:1～10；优选地，为250:100:2.5。
本发明中，所述催化剂还包括2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。
本发明中，所述环己酮、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物的摩尔比为100:1～5；优选地，为100:1。
本发明中，所述有机溶剂为1,2-二氯乙烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯丙烷、1,3-二氯丙烷，乙酸乙酯等中的一种或多种；优选地，为1,2-二氯乙烷。
本发明中，所述氧气为纯氧或空气中的氧气。
本发明中，所述反应的温度为室温～50℃；优选地，为30℃。
本发明中，所述反应的时间为4-72小时；优选地，为24小时。
本发明所述的加料方式可以是一次性加料，亦可缓慢滴加；优选地加料方式为醛(原料1)的溶液缓慢向环己酮(原料2)的溶液中滴加，5小时滴加完毕。
本发明克服了传统方法的弊端，具有以下优点：1)仅需简单的催化剂；2)原子经济性高；3)过程中所生成的过氧酸原位转化；4)反应条件温和，易操作；5)环境友好。
本发明创新点在于发展了一种温和条件下基于硝酸盐催化氧化的羧酸和ε-己内酯联产新技术。
具体实施方式
结合以下具体实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
实施例1.
Figure BDA0002200919300000031
(典型步骤)向三口瓶中加入九水合硝酸铁(101.9mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(980.2mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，30℃下滴加丙醛(1.4541g,25mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，30℃下继续反应19小时，得3a 86％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，472％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例2.
Figure BDA0002200919300000032
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(100.4mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(980.7mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，30℃下滴加正丁醛(1.8045g,25mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，30℃下继续反应19小时，得3b 100％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，479％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例3.
Figure BDA0002200919300000041
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(100.0mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(981.5mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，30℃下滴加正戊醛(2.1446g,25mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，30℃下继续反应19小时，得3c 100％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，471％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例4.
Figure BDA0002200919300000042
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(101.0mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(980.6mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，30℃下滴加苯丙醛(3.3604g,25mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，30℃下继续反应67小时，得3d 88％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，427％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例5.
Figure BDA0002200919300000043
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(100.0mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(980.0mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，30℃下滴加正十一醛(4.3117g,25mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，30℃下继续反应43小时，得3e 80％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，417％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例6.
Figure BDA0002200919300000051
向反应管中加入九水合硝酸铁(9.7mg,0.025mmol)，TEMPO(1.5mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(98.2mg,1.0mmol)和苯甲醛(321.0mg,3.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下反应24小时，得3f 75％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，4(NMR 80％；分离产率，64.0mg,56％)。
ε-己内酯(4)：1H NMR(300MHz,CDCl3):δ4.25-4.20(m,2H,OCH2),2.68-2.60(m,2H,COCH2),1.91-1.70(m,6H,CH2 x 3)；13C NMR(75MHz,CDCl3)δ176.1,69.0,34.2,29.0,28.6,22.6；IR(neat)v(cm-1)＝3588,2935,2863,1733,1477,1438,1393,1348,1328,1292,1252,1226,1168,1100,1088,1055,1015；MS(EI):m/z(％)114(M+,15.38),55(100).
实施例7.
Figure BDA0002200919300000052
向三口瓶中加入三水合硝酸铜(59.6mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(982.4mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，30℃下滴加丙醛(1.4458g,25mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，30℃下继续反应19小时，得3a 88％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，435％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例8.
Figure BDA0002200919300000053
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(40.1mg,0.1mmol)，TEMPO(15.8mg,0.1mmol)，氯化钠(5.9mg,0.1mmol),乙酸乙酯(4mL)，环己酮(97.8mg,1.0mmol)和苯甲醛(213.2mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应12小时，得3f 53％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，416％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例9.
Figure BDA0002200919300000061
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(40.0mg,0.1mmol)，TEMPO(15.5mg,0.1mmol)，氯化钠(5.4mg,0.1mmol),1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(97.8mg,1.0mmol)和苯甲醛(213.1mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应12小时，得3f 57％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，426％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例10.
Figure BDA0002200919300000062
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(40.3mg,0.1mmol)，TEMPO(15.2mg,0.1mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(99.3mg,1.0mmol)和苯甲醛(214.2mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应12小时，得3f 55％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，438％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例11.
Figure BDA0002200919300000063
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(21.0mg,0.05mmol)，TEMPO(7.9mg,0.05mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(99.3mg,1.0mmol)和苯甲醛(211.6mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应12小时，得3f 57％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，447％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例12.
Figure BDA0002200919300000064
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(21.0mg,0.05mmol)，TEMPO(3.7mg,0.025mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(97.1mg,1.0mmol)和苯甲醛(212.0mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应12小时，得3f49％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，446％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例13.
Figure BDA0002200919300000071
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(19.7mg,0.05mmol)，TEMPO(1.7mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(99.9mg,1.0mmol)和苯甲醛(212.7mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应12小时，得3f 56％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，455％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例14.
Figure BDA0002200919300000072
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(21.2mg,0.05mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(99.4mg,1.0mmol)和苯甲醛(215.9mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应12小时，得3f 58％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，431％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例15.
Figure BDA0002200919300000073
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(11.2mg,0.025mmol)，TEMPO(1.7mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(99.6mg,1.0mmol)和苯甲醛(215.5mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应12小时，得3f 58％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，458％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例16.
Figure BDA0002200919300000081
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(9.8mg,0.025mmol)，TEMPO(1.9mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(97.7mg,1.0mmol)和苯甲醛(215.6mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应24小时，得3f 54％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，465％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例17.
Figure BDA0002200919300000082
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(10.5mg,0.025mmol)，TEMPO(1.8mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(98.9mg,1.0mmol)和苯甲醛(250.0mg,2.4mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应24小时，得3f 72％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，481％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例18.
Figure BDA0002200919300000083
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(10.5mg,0.025mmol)，TEMPO(1.7mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(97.9mg,1.0mmol)和苯甲醛(271.3mg,2.6mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应24小时，得3f 66％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，480％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例19.
Figure BDA0002200919300000084
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(10.3mg,0.025mmol)，TEMPO(1.7mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(97.6mg,1.0mmol)和苯甲醛(299.9mg,2.8mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应24小时，得3f 65％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，475％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例20.
Figure BDA0002200919300000091
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(9.7mg,0.025mmol)，TEMPO(1.5mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(4mL)，环己酮(98.2mg,1.0mmol)和苯甲醛(321.0mg,2.8mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应24小时，得3f 62％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，480％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例21.
Figure BDA0002200919300000092
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(10.2mg,0.025mmol)，TEMPO(1.7mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)，环己酮(98.1mg,1.0mmol)和丙醛(113.0mg,2.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下搅拌反应22小时，得3a 43％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，419％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例22.
Figure BDA0002200919300000093
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(10.3mg,0.025mmol)，TEMPO(1.5mg,0.01mmol)，1,2-二氯乙烷(2mL)和环己酮(98.1mg,1.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下滴加丙醛(114.0mg,2.0mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(5mL)(5小时滴加完毕)，50℃下继续反应11小时，得3a 92％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，457％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例23.
Figure BDA0002200919300000101
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(101.4mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(991.9mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下滴加丙醛(1.4574g,25.0mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，50℃下继续反应7小时，得3a 92％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，477％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例24.
Figure BDA0002200919300000102
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(100.9mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(980.0mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，50℃下滴加丙醛(1.5138g,26.0mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，50℃下继续反应4小时，得3a 81％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，473％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
实施例25.
Figure BDA0002200919300000103
向三口瓶中加入九水合硝酸铁(101.3mg,0.25mmol)，1,2-二氯乙烷(20mL)和环己酮(980.7mg,10.0mmol)，抽换气(纯氧)三次，30℃下滴加丙醛(1.5224g,26.0mmol)的1,2-二氯乙烷溶液(50mL)(5小时滴加完毕)，30℃下继续反应15小时，得3a 76％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)，471％(以二溴甲烷为内标，核磁产率)。
通过具体实施例来分析本发明的相应有益效果：
1)溶剂对本反应的影响：以苯甲醛(1f)和环己酮(2)为反应底物，以10mol％九水合硝酸铁、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物、氯化钠为催化剂，在不同的溶剂中反应12小时(序号1-10)，见表1；溶剂为1,2-二氯乙烷时，苯甲酸(3f)的产率为57％，ε-己内酯(4)的产率为26％(实施例9)。
Figure BDA0002200919300000111
表1
Figure BDA0002200919300000112
2)催化剂改变对反应的影响：改变催化剂的组成(见表2)，发现不加氯化钠时己内酯的产率提高(序号2，实施例10)；当催化剂用量组成为2.5mol％的九水合硝酸铁和1mol％2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物时，可分别以58％的产率得到苯甲酸和ε-己内酯(序号7，实施例15)。
Figure BDA0002200919300000113
表2
Figure BDA0002200919300000114
3)苯甲醛添加量的改变对反应的影响：提高苯甲醛的当量，有助于己内酯产率的提高(见表3)；当苯甲醛的用量为2.4当量时，可分别以72％和81％的产率得到苯甲酸和ε-己内酯(序号2，实施例17)。
Figure BDA0002200919300000121
表3
Figure BDA0002200919300000122
4)烷基醛与芳基醛的差别：当醛由芳基醛(苯甲醛)改变为烷基醛(丙醛)时，羧酸和ε-己内酯的产率都显著降低(实施例16，21)。
Figure BDA0002200919300000123
5)投料方式改变的影响：投料方式由一次性加入改为缓慢滴加，羧酸和ε-己内酯的产率均显著提高(实施例21，22)。
Figure BDA0002200919300000124
6)温度的改变对反应的影响：需要指出的是，当以滴加加料的方式进行反应时，反应仅需加入2.5mol％的九水合硝酸铁作为催化剂，就可以相当的产率得到丙酸和ε-己内酯(实施例23，24)；当反应温度从50℃下降到30℃，反应仍可进行，均可以良好到优秀的产率得到羧酸和ε-己内酯(实施例24，25)。
Figure BDA0002200919300000131
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的几个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于氧气氧化的羧酸及ε-己内酯联产的制备方法，其特征在于，在催化剂和氧气存在条件下，在将醛氧化为相应的羧酸的同时实现环己酮的Baeyer-Villiger氧化生产ε-己内酯，其反应式如下式(A)所示：
Figure FDA0002200919290000011
其中，R为C2-C11的直链或支链烷基，或芳基。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：向三口瓶中加入催化剂，有机溶剂和环己酮，抽换氧气三次，缓慢加入醛的溶液，继续反应至完全转化，柱层析或蒸馏得羧酸和ε-己内酯。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述催化剂为硝酸盐，选自九水合硝酸铁、三水合硝酸铜中的一种或两种。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述醛、环己酮、催化剂的摩尔比为150～300:100:1～10。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述催化剂还包括2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物；所述环己酮、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物的摩尔比为100:1～5。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述溶剂为1,2-二氯乙烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯丙烷、1,3-二氯丙烷、乙酸乙酯中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述醛的加入方式为一次性加料，或者滴加加料。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氧气是纯氧气或者空气中的氧气。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述反应的温度为室温-50℃。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述反应的时间为4-72小时。
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