CN113563186A - 一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺 - Google Patents

一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，以水杨酸与异佛尔醇为原料，在质子酸和路易斯酸协同催化下，经酯化反应制备得到原膜散酯；所述酯化反应的温度为100～170℃。本发明公开了一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，采用特殊的催化体系，实现了由水杨酸与异佛尔醇经一步酯化反应合成原膜散酯，反应条件温和，原料转化率高，目标产物收率高，副产物少，且原料可循环套用，实现工业化连续生产。

Description

一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺
技术领域
本发明涉及原膜散酯制备的技术领域，尤其涉及一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺。
背景技术
原膜散酯(HMS)，学名3,3,5-三甲基环己醇水杨酸酯，又名胡莫柳酯，分子式C16H22O3。原膜散酯可以高效吸收波长为295～315nm的紫外线，因此作为一种高效的紫外线吸收剂广泛应用于各个领域。比如，原膜散酯的脂溶性很好，常被添加于聚氯乙烯塑料、硝酸纤维素、丙烯酸树脂以及聚氨酯涂料中作为光稳定剂使用；原膜散酯的生物相容性很好，安全性好，经常作为化学防晒剂添加到高级化妆品中，保护皮肤不受紫外线照射损伤。
现有技术中，酯类化合物可以由羧酸和醇在酸催化下脱水合成(直接酯化法)，也可以由相应的酰卤(如酰氯)与醇合成(酰氯法)，也可以采用其它酯与相应的醇合成(酯交换法)。
关于原膜散酯合成的报道比较少，1944年Fries公司的专利US2369084中首次公开了原膜散酯的结构，但未涉及具体工艺条件。
目前，原膜散酯大多通过酯交换法来实现工业生产。专利US462802公开了使用甲醇钠为催化剂进行酯交换反应合成原膜散酯的方法，但该方法催化剂价格高且无法循环套用，并且处理碱性废水产生的大量废盐也难以处理。FR2733981B1和JP2006104192A以有机钛或有机锡为催化剂，高效率地合成了原膜散酯，但催化剂价格高且容易失活，规模化生产难以实现。专利申请CN105541634A中介绍了一种固体超强碱催化剂，这种催化剂应用于原膜散酯合成，原膜散酯的收率高达95％；专利申请CN11232143A中使用弱碱性盐作为催化剂，在无溶剂的条件下水杨酸甲酯与异佛尔醇反应5小时，原膜散酯的收率高达94％。上述技术方案中采用的催化剂虽然简单易得，但酯交换法路线均以水杨酸酯类化合物为原料，还需额外增加一步制备水杨酸酯类化合物的流程。
专利申请CN104045561A中采用酰氯法，公开了由水杨酸经过氯化制水杨酸酰氯，制得的水杨酸酰氯再与异佛尔醇进行酯化反应制得原膜散酯。这条路线存在工艺复杂，原子效率低下，三废难以处理等问题，未能实现工业化生产。
水杨酸与异佛尔醇在酸性条件下通过酯化反应一步合成原膜散酯，原料成本最低，原子经济效益高，具有极高的工业化潜力，是值得开发的一条路径，但由于在经典的直接酯化法的反应条件下，水杨酸容易被氧化，且异佛尔醇容易脱水，因此，采用浓硫酸做催化剂和脱水剂，直接酯化制备原膜散酯存在着产品转化率低、副产物多、分离困难且反应温度较高等缺陷。申请人在前期的试验中也证实了，采用水杨酸与3,3,5-三甲基环己醇在硫酸催化下酯化，反应温度需要180℃以上，且转化率低，反应物颜色深，后处理废水多，也不适合工业化生产。
因此，如何找到一种反应高效且反应条件温和的直接酯化法合成原膜酸酯的方法成为关键。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，采用特殊的催化体系，实现了由水杨酸与异佛尔醇经一步酯化反应合成原膜散酯，反应条件温和，原料转化率高，目标产物收率高，副产物少，且原料可循环套用，实现工业化连续生产。
具体技术方案如下：
一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，以水杨酸与异佛尔醇为原料，在质子酸和路易斯酸协同催化下，经酯化反应制备得到原膜散酯；
所述酯化反应的温度为100～170℃。
所述质子酸选自对甲苯磺酸、苯磺酸、硫酸、盐酸、磷酸和硼酸中的一种或多种；
所述路易斯酸选自磷酸铜、磷酸二氢铜、磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸二氢亚铁、磷酸一氢铁、磷酸锆、磷酸铈、氯化铝、氯化铁、氯化铜、氯化锆、氯化铈、硫酸铁、硫酸铜、硫酸锆和氟化硼中的一种或多种；
所述质子酸与所述路易斯酸的质量比为1～10：1。
本发明开发了一种合成原膜散酯的新工艺，采用新型催化体系，在原有的质子酸催化体系中，加入一定比例的路易斯酸作为助催化剂，在该催化体系作用下，可以实现一步酯化反应制备得到原膜散酯，在提升反应活性的同时，大大降低反应温度，也显著减少了副反应的发生。
优选的：
所述路易斯酸选自磷酸铜、磷酸二氢铜、磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸二氢亚铁、磷酸一氢铁、磷酸锆和磷酸铈中的一种或多种；
经试验发现，相对于以上优选的路易斯酸种类，采用硫酸盐类的路易斯酸在与质子酸协同使用时，会在反应体系中产生H2SO4，导致副产物增多，降低原膜散酯的收率；采用金属氟化盐或金属氯化盐，在与质子酸协同使用时，产生的HF或HCl会挥发，也会降低原膜散酯的收率。
进一步优选：
所述质子酸选自对甲苯磺酸和/或苯磺酸；
所述路易斯酸选自磷酸铜、磷酸二氢铜、磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸二氢亚铁、磷酸一氢铁、磷酸锆和磷酸铈中的一种或多种。
经试验发现，上述原料组成的质子酸和路易斯酸协同催化体系更适合于本反应体系，使得水杨酸转化率更高，原膜散酯的收率也更高。
再进一步优选，所述路易斯酸选自磷酸二氢铜，采用铜(或亚铜)离子为阳离子，更方便反应后回收，室温下，铜(亚铜)盐基本不溶于酯溶液为主的体系中。
再进一步优选：
所述质子酸与所述路易斯酸的质量比为2.5～7.5：1；
所述酯化反应的温度为120～150℃。
经试验发现，采用上述进一步优选的原料配比与工艺条件，可以进一步提高水杨酸的转化率与原膜散酯的收率。
所述质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，具体为：
将水杨酸、异佛尔醇、质子酸、路易斯酸与可选择性加入的溶剂混合至均匀后，加热至反应温度进行酯化反应，反应过程中不断将副产的水分子除去，反应完全后再经后处理得到所述的原膜散酯。
本发明中，副产的水分子可以通过现有技术中已知的多种方式去除，如通过抽真空的操作去除，或者是将水与加入的溶剂形成共沸物后经蒸馏去除。
优选的，采用加入溶剂形成共沸物的方式去除副产水。经试验发现，相对于抽真空除水的方式，采用加入溶剂形成共沸物的方式除水，水杨酸的转化率与原膜散酯的收率均更高。
优选的：
所述溶剂选自甲苯、二甲苯、二氯乙烷和乙腈中的一种或多种。
所述溶剂与所述水杨酸的质量比为0.5～3：1。
进一步优选，所述溶剂选自甲苯，所述溶剂与所述水杨酸的质量比为0.8～1：1。
优选的：
所述水杨酸与所述异佛尔醇的质量比为1：(1.2～2)；
所述质子酸与所述路易斯酸的总质量与所述水杨酸的质量比为1：5～15。
进一步优选，所述水杨酸与所述异佛尔醇的质量比为1：1.5，所述质子酸与所述路易斯酸的总质量与所述水杨酸的质量比为1：5～10。
优选的：
所述反应的时间为5～20h，优选为大于8h，更优选为10h。
所述后处理包括用碱性溶液洗涤至中性，然后精馏，得到原膜散酯纯品。
进一步优选：
所述质子酸选自对甲苯磺酸和/或苯磺酸，所述路易斯酸选自磷酸二氢铜、磷酸二氢亚铁、磷酸亚铁和磷酸一氢铁中的一种或多种；
所述溶剂为甲苯，所述溶剂与所述水杨酸的质量比为0.8～1：1。
采用上述进一步优选的原料种类和用量，再配合共沸除水工艺，可保证水杨酸的转化率高达99.9％，原膜散酯的收率在90％以上。
再优选：
所述质子酸选自对甲苯磺酸，所述路易斯酸选自磷酸二氢铜，所述质子酸与所述路易斯酸的质量比为5:1；
所述溶剂为甲苯，甲苯与所述水杨酸的质量比为0.8：1；
所述反应温度为120℃。
通过再优选，原膜散酯的收率可高达94.5％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明公开了一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，在质子酸和路易斯酸协同催化下，由水杨酸与异佛尔醇经一步酯化制备原膜散酯，工艺路线短，原子经济效益高；
本发明公开的制备工艺，催化活性高，反应温度低，大大减少副产物的生成，水杨酸的转化率高达99.9％，原膜散酯的收率在90％以上，最高可达94.5％，且纯度高达99％以上。
本发明公开的制备工艺，产物容易分离，反应底物异佛尔醇与催化剂均可循环套用，且不影响原料的转化率和产物的收率，更有利于实现工业化连续生产。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
对比例1
向烧瓶中加入100g水杨酸、150g异佛尔醇、10gH2SO4(质量分数98wt％)，开启搅拌，反应温度逐渐升温至170℃，保温5小时。5小时后开始降温，观察到反应液呈黑红色。用饱和的NaHCO3水溶液洗涤反应液，取油相用GC进行定量分析，水杨酸转化率47.1％，原膜散酯收率为33.7％，并且检测到大量异佛尔醇脱水副产物。
对比例2
向烧瓶中加入100g水杨酸、150g异佛尔醇、10g对甲苯磺酸，80g甲苯，开启搅拌，升温至60℃使原料溶解，后继续升温至170℃，并保温5h，在升温和保温反应过程中，收集80～85℃的馏分，除去反应生成的水分。反应停止后使体系降温至室温，观察到反应液呈黑红色。用饱和的NaHCO3水溶液洗涤反应液，取油相用GC进行定量分析，水杨酸转化率41.2％，原膜散酯收率为33.9％，并且检测到少量异佛尔醇脱水副产物。
对比例3
向烧瓶中加入100g水杨酸、150g异佛尔醇、2g硫酸锌，80g甲苯，开启搅拌，升温至60℃使原料溶解，升温至60℃使原料溶解，后继续升温至170℃，并保温5h，在升温和保温反应过程中，收集80～85℃的馏分，除去反应生成的水分。反应停止后使体系降温至室温，观察到反应液呈深红色。用纯净水洗涤反应液，取油相用GC进行定量分析，水杨酸转化率33.6％，原膜散酯收率为28.1％，并且检测到有少量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例1
向烧瓶中加入100g水杨酸、150g异佛尔醇、10g对甲苯磺酸、2g硫酸铜，80g甲苯，开启搅拌，升温至60℃使原料溶解，后继续升温至170℃，并保温5h，在升温和保温反应过程中，收集80～85℃的馏分，除去反应生成的水分。反应停止后使体系降温至室温，观察到反应液呈黑红色。过滤除去析出的硫酸铜，用饱和NaHCO3水溶液洗涤滤液，取油相用GC进行定量分析，水杨酸转化率99.9％，原膜散酯收率为76.9％，并且检测到有大量异佛尔醇脱水副产物。
实施例2
向烧瓶中加入100g水杨酸、150g异佛尔醇、10g对甲苯磺酸、2g磷酸二氢铜(CuH2PO4)，80g甲苯，开启搅拌，升温至60℃使原料溶解，后继续升温至170℃，并保温5h，在升温和保温反应过程中，收集80～85℃的馏分，除去反应生成的水分。反应停止后使体系降温至室温，观察到反应液呈深红色。过滤除去析出的磷酸二氢铜，用饱和NaHCO3水溶液洗涤滤液，取油相用GC进行定量分析，水杨酸转化率99.9％，原膜散酯收率为86.7％，并且检测到有少量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例3
向烧瓶中加入100g水杨酸、150g异佛尔醇、10g对甲苯磺酸、2g磷酸二氢铜，80g甲苯，开启搅拌，升温至60℃使原料溶解，后继续升温至120℃，并保温10h，在升温和保温反应过程中，收集80～85℃的馏分，除去反应生成的水分。反应停止后使体系降温至室温，观察到反应液呈淡黄色。过滤除去析出的磷酸二氢铜，用饱和NaHCO3水溶液洗涤滤液，取油相用GC进行定量分析，水杨酸转化率99.9％，原膜散酯收率为94.5％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例4
向烧瓶中加入100g水杨酸、150g异佛尔醇、10g对甲苯磺酸、2g磷酸二氢铜，升温至60℃使原料溶解，后抽真空，真空度为-0.095MPa(表压)，在此真空度下继续升温至120℃，并保温10h。反应停止后使体系降温至室温，观察到反应液呈淡黄色。过滤除去析出的磷酸二氢铜，用饱和NaHCO3水溶液洗涤滤液，取油相用GC进行定量分析，水杨酸转化率73.1％，原膜散酯收率为69.1％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例5
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将对甲苯磺酸的用量调整至15g。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率为99.9％，原膜散酯收率为92.3％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例6
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将磷酸二氢铜的用量调整至4g。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率为99.9％，原膜散酯收率为91.7％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例7
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将甲苯的用量调整至60g。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率为63.2％，原膜散酯收率为58.7％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例8
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将甲苯的用量调整至100g。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率为99.9％，原膜散酯收率为94.7％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例9
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将反应温度替换为150℃，保温10小时。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率为99.9％，原膜散酯收率为92.1％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例10
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将反应温度替换为100℃，保温10小时。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率为77.1％，原膜散酯收率为75.6％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例11
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将保温时间调整为8小时。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率为90.8％，原膜散酯收率为84.6％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例12
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将2g磷酸二氢铜(CuH2PO4)替换为2g氯化铈(CeCl3)。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率90.3％，原膜散酯收率为83.2％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例13
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将2g磷酸二氢铜(CuH2PO4)替换为2g磷酸铜(Cu3(PO4)2)。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率50.1％，原膜散酯收率为45.2％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例14
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将2g磷酸二氢铜(CuH2PO4)替换为2g磷酸一氢铁(H[Fe(HPO4)2])。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率99.9％，原膜散酯收率为92.6％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例15
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将10g对甲苯磺酸替换为10gHCl(质量分数36.5wt％)。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率54.1％，原膜散酯收率为50.4％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例16
生产工艺与实施例3基本相同，区别仅在于将10g对甲苯磺酸替换为10g苯磺酸。经定量分析，本实施例中水杨酸转化率99.9％，原膜散酯收率为93.4％，并且检测到有痕量异佛尔醇脱水副产物生成。
实施例17
向带有精馏柱的反应釜中加入1000g水杨酸、1500g异佛尔醇、100g对甲苯磺酸、20g磷酸二氢铜，800g甲苯，开启搅拌，升温至60℃使原料溶解，之后继续加热使反应温度逐渐升至120℃，过程中采集80～85℃的馏分。从反应温度刚刚达到120℃开始计时，5小时后，每隔一小时取样分析一次，直至反应釜内水杨酸含量小于0.5％时结束反应。
将反应釜内温度降至室温，过滤回收析出的磷酸二氢铜19.1g；滤液加100g水进行洗涤两次，从水相中回收对甲苯磺酸97.1g；油相用饱和NaHCO3水溶液洗涤至中性，取油相倒入精馏塔中进行减压精馏，得到回收异佛尔醇453.4g，产品原膜散酯1731.5g，收率90.5％。折光率(nd20)为1.518，比重(25℃，mg/mL)为1.053，吸收系数为177，纯度为99.27％。
实施例18
向带有精馏柱的反应釜中加入1000g水杨酸、实施例17中回收的异佛尔醇450g、对甲苯磺酸97g、磷酸二氢铜19g、和新补加的异佛尔醇1050g、对甲苯磺酸3g、磷酸二氢铜1g、甲苯800g，开启搅拌，升温至60℃使原料溶解，之后继续加热使反应温度逐渐升至120℃，过程中采集80～85℃的馏分。从反应温度刚刚达到120℃开始计时，5小时后，每隔一小时取样分析一次，直至反应釜内水杨酸含量小于0.5％时结束反应。
将反应釜内温度降至室温，过滤回收析出的磷酸二氢铜19.3g；滤液加100g水进行洗涤两次，从水相中回收对甲苯磺酸96.6g；油相用饱和NaHCO3水溶液洗涤至中性，取油相倒入精馏塔中进行减压精馏，得到回收异佛尔醇443.9g，产品原膜散酯1701.5g，收率89.1％。折光率(nd20)为1.518，比重(25℃，mg/mL)为1.051，吸收系数为175，纯度为99.40％。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法。

Claims (10)

1.一种质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，以水杨酸与异佛尔醇为原料，在质子酸和路易斯酸协同催化下，经酯化反应制备得到原膜散酯；
所述酯化反应的温度为100～170℃。
2.根据权利要求1所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，
所述质子酸选自对甲苯磺酸、苯磺酸、硫酸、盐酸、磷酸和硼酸中的一种或多种；
所述路易斯酸选自磷酸铜、磷酸二氢铜、磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸二氢亚铁、磷酸一氢铁、磷酸锆、磷酸铈、氯化铝、氯化铁、氯化铜、氯化锆、氯化铈、硫酸铁、硫酸铜、硫酸锆和氟化硼中的一种或多种；
所述质子酸与所述路易斯酸的质量比为1～10：1。
3.根据权利要求2所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，
所述质子酸选自对甲苯磺酸和/或苯磺酸；
所述路易斯酸选自磷酸铜、磷酸二氢铜、磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸二氢亚铁、磷酸一氢铁、磷酸锆和磷酸铈中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，
所述质子酸与所述路易斯酸的质量比为2.5～7.5：1。
5.根据权利要求1所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，所述酯化反应的温度为120～150℃。
6.根据权利要求1～5任一项所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，具体为：
将水杨酸、异佛尔醇、质子酸、路易斯酸与可选择性加入的溶剂混合至均匀后，加热至反应温度进行酯化反应，反应过程中不断将副产的水分子除去，反应完全后再经后处理得到所述的原膜散酯。
7.根据权利要求6所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，
所述水杨酸与所述异佛尔醇的质量比为1:(1.2～2)；
所述质子酸与所述路易斯酸的总质量与所述水杨酸的质量比为1：5～15。
8.根据权利要求6所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，
所述溶剂选自甲苯、二甲苯、二氯乙烷和乙腈中的一种或多种；
所述溶剂与所述水杨酸的质量比为0.5～3：1。
9.根据权利要求6所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于，所述后处理包括：
用碱性溶液洗涤至中性，然后精馏，得到原膜散酯纯品。
10.根据权利要求6所述的质子酸和路易斯酸协同催化合成原膜散酯的生产工艺，其特征在于：
所述质子酸选自对甲苯磺酸和/或苯磺酸，所述路易斯酸选自磷酸二氢铜、磷酸二氢亚铁、磷酸亚铁和磷酸一氢铁中的一种或多种；
所述溶剂为甲苯，所述溶剂与所述水杨酸的质量比为0.8～1：1。
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