CN114146703A - 制备高级羧酸乙烯基酯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过在钯(Pd)催化剂结合铜(Cu)作为有机盐稳定化的助催化剂的存在下在乙烯和空气或氧气的存在下的具有3‑20个碳原子的羧酸的乙烯基化来制备乙烯基酯的方法。

Description

制备高级羧酸乙烯基酯的方法
本发明专利申请是申请号201680040142.8、申请日2016年5月 25日、发明名称“制备高级羧酸乙烯基酯的方法”发明专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及通过在钯(Pd)催化剂结合铜(Cu)作为助催化剂的存在下用乙烯对羧酸进行乙烯基化来制备羧酸(C3-C20)的乙烯基酯的方法。
背景技术
由乙烯和乙酸生产羧酸的低级乙烯基酯例如乙酸乙烯基酯长久以来就是已知的。这样的例如得到乙酸乙烯基酯单体(VAM)的反应，通常采用贵金属催化剂在气相中进行。
然而，这种方法在涉及高级羧酸时不易在工业规模上实现。这些羧酸的较高沸点使它们难以成规模的量气化，并且由于相同的原因，难以将乙烯基酯与羧酸分离。由于这些原因，高级羧酸的乙烯基酯通常是由涉及乙酸乙烯基酯和高级羧酸的转移乙烯基化合物或者由涉及乙炔和高级羧酸的Reppe乙烯基化生产。转移乙烯基化的主要缺点是它需要两个连续的反应：(i)制备乙酸乙烯基酯的乙烯基化或乙酰氧基化步骤和(ii)生成化学计量的作为副产物的乙酸的转移乙烯基化。
高级羧酸的乙烯基酯的大多数生产者使用Zn催化的Reppe乙烯基化，因为该方法通过使用廉价的Zn催化剂来操作。然而，Reppe乙烯基化在原材料和操作方面都存在缺陷。Reppe乙烯基化的缺陷使用不可持续的反应物乙炔作为原料。Reppe乙烯基化以产生乙烯基酯涉及高浓度的固体催化剂，范围在30至70wt％。这样的高浓度的固体催化剂可导致堵塞并进而产生该方法的操作问题。此外，现有技术的 Reppe乙烯基化US6891052和US1786647中，已知锌催化的方法产生羧酸的酸酐作为副产物。然而，酸酐形成的程度根据羧酸类型和反应条件而变化。在相同的现有技术中，已知该方法在乙烯基化过程中通过添加水而将酸酐转化回羧酸，但这会影响催化剂活性。
为了克服上述问题，在乙烯为原料的液相条件下进行高级羧酸的乙烯基化的尝试很少。它们描述于US3221045和EP0648734。描述了在液相反应条件在Pd催化剂和Cu助催化剂体系的存在下采用乙烯和羧酸的乙烯基化方法的第一批专利之一是US3221045。空气或氧气用作Cu-催化剂的终端氧化剂。结果表明，在不存在空气下乙烯基化，同时在Cu助催化剂的存在下用空气或氧气来在线下氧化Pd催化剂。报道的在不存在空气下羧酸的乙烯基化对于方法操作是重要的。然而，催化剂体系表现出低催化剂活性，既而本方法产生的乙烯基酯产率低。 EP 0648734要求保护改进的方法以在液相反应条件由乙烯和高级羧酸产生乙烯基酯。该方法使用聚乙烯基吡咯烷酮聚合物稳定化的Pd(0) 胶体，结合Cu作为助催化剂和LiCl和二甘醇二甲醚作为促进剂，其中终端氧化剂为分子氧或空气。该报告的乙烯基化方法在不存在溶剂下收率低，而在溶剂的存在下收率高于50％。这些溶剂包括二甘醇二甲醚，叔戊醇，叔丁醇，四氢呋喃，和二丙二醇甲醚。该方法要求保护使用Cu(II)-2-乙基己酸盐作为助催化剂，并带来提高的乙烯基酯的收率。然而由于使用Cu(II)-2-乙基己酸盐作为助催化剂，结果还显示形成可观量的2-乙基-己酸乙烯基酯作为副产物以及期望的乙烯基酯。添加剂LiCl和二甘醇二甲醚帮助提高乙烯基酯的收率。
就本发明的发明人所知，采用聚乙烯基吡咯烷酮聚合物稳定化的 Pd(0)胶体结合Cu(II)-2-乙基己酸盐助催化剂的乙烯基化方法问题在于在反应期间和之后严重形成含Cu的固体绿色沉积物。此外，该方法的问题在于以下缺陷：例如(i)羧酸化期间使用(挥发性)添加剂(助溶剂)，大约10至50重量％，(ii)难以从反应混合物分离产物，因为被(挥发性)添加剂污染，和(iii)Pd催化剂和Cu助催化剂的浓度的限制，由于它们在反应液相中有限的溶解度。在不存在所提到的聚乙烯基吡咯烷酮聚合物时，该方法显示了较高比例的乙烯基酯形成，但还存在以下缺陷，例如(iv)催化剂体系的稳定性差，这反映在反应前已经以及在反应期间和之后形成Pd催化剂和/或Cu助催化剂的固体黑绿色沉积物，导致损失催化剂材料和催化活性，(v)与反应后回收催化剂材料和恢复催化剂活性相关的问题。除了以上，该专利显示仅在Cu(II) 乙基己酸盐对不同的羧酸作为助催化剂前体时有乙烯基酯的良好收率。(vi)使用Cu(II)2-乙基己酸盐导致伴随形成2-乙基己酸的乙烯基酯作为副产物以及期望的羧酸的乙烯基酯。这引入了另一缺陷(vii)，由于该混合物含有期望的乙烯基羧酸根和不期望的2-乙基己酸乙烯基酯，导致期望的乙烯基酯的更复杂的分离方法。此外，本领域已知的是，(viii)稳定剂例如聚乙烯基吡咯烷酮聚合物已知在氧化条件例如在乙烯基化反应中发生降解[Environ.Sci.Technol.，2014， 48(22),第13419–13426页]。总之，EP0648734中采用的含有PVP稳定化的Pd胶体结合Cu(II)-2-乙基己酸盐作为助催化剂和LiCl和polyglyame作为添加剂的催化剂体系是不稳定的，不能起作用的并且不能提供商业可行的方法。
为了解决上述问题，发明人开发了一种更简单，功能更强的催化剂体系，其具有长期稳定性、催化剂的可回收性和易于产物分离，同时保持高催化剂活性和高反应选择性等优点。最重要地是，新开发的 Pd-Cu催化剂在反应过程中不会形成无活性的Pd-Cu沉淀。新开发的催化剂体系不含高级羧酸铜盐前体，因此不存在铜盐来源的不期望高级羧酸的乙烯基酯的共产生问题。新的Pd-Cu催化剂体系选择性地产生乙烯基酯，特别是在乙烯基化期间不含在Zn-催化剂催化的Reppe 乙烯基化期间常见的羧酸的酸酐。
发明概述
根据本发明，发明人设计了新的Pd-Cu基催化剂体系来由高级羧酸和乙烯制备乙烯基酯。该新的Pd-Cu基催化体系由起到稳定化和/ 或配合剂作用的有机盐制备。该Pd-Cu催化体系不需要另外的添加剂来将其溶解在反应介质中。此外，该Pd-Cu催化体系能够起到在低于反应温度的温度下液体和固体羧酸的溶剂的作用。反过来说，催化剂能够在反应条件下溶解于净液体的羧酸中。
反应完成后，本发明人发现了双相反应混合物，其中(上部)产物相含有乙烯基酯作为主要组分和(下部)催化剂相含有催化剂配合物和未反应的羧酸作为主要组分。因此，乙烯基酯能够通过以下方式容易地从反应混合物分离：(i)沉降，或(ii)离心，或(iii)借助萃取剂通过液-液相分离然后在降低的压力下蒸发含有产物的相或蒸馏，或(iv) 在升高的温度在降低的压力下直接蒸发产物，或(v)直接蒸馏产物混合物。
在本发明中，Cu助催化剂不含除了所选择的底物以外的高级羧酸的盐，因此它不会共产生高级羧酸的乙烯基酯作为副产物。此外，产物混合物和最终的乙烯基酯不含羧酸的酸酐。这对于Zn催化的乙烯基化反应来说是非常常见的副产物。
本发明的另一重要特征是，催化剂材料的高回收率和在催化活性的高回收率的情况下在下一次乙烯基化反应中再利用催化体系的能力。由热重分析支持的催化体系的改进的长期热稳定性，使得在乙烯基化反应以及在降低的压力下分离、萃取、蒸发的步骤或蒸馏之前、期间和之后不存在固体沉积物。
由高级羧酸(C3-C20)和乙烯制备高级羧酸的乙烯基酯的方法包括：
-与有机盐配合的Pd催化剂前体
-Cu助催化剂前体不含除了底物羧酸以外的高级羧酸阴离子。
-与有机盐配合的Cu助催化剂前体
-无溶剂反应体系，或任选地使用溶剂例如(环状)碳酸酯或(环状)醚
-产物的分离通过相分离然后在降低的压力下蒸发或蒸馏；或通过用合适的萃取剂萃取然后在降低的压力下蒸发或蒸馏，或直接蒸馏产物混合物来实现
-有效的再利用存在于催化剂相中的Pd-Cu催化体系
-最终产物羧酸的乙烯基酯不含羧酸的酸酐。
本方法的关键优点总结如下：
(i)在反应和产物分离条件下的长期催化剂体系稳定性
(ii)在净底物中催化剂体系的调节的溶解度，反之亦然即在催化体系中底物的调节的溶解度
(iii)无溶剂反应体系
(iv)容易的产物分离
(v)催化剂体系材料的高回收
(vi)催化剂体系活性的高恢复
(vii)通过选择有机盐和金属前体的阳离子和阴离子、它们的相对量和制备方式来调节催化剂体系的物理化学性能例如稳定性、溶解度和活性的能力
(viii)底物容忍性，带来了在相似条件下得到各种羧酸的乙烯基酯的灵活性
(ix)没有源自Cu(羧酸盐)前体的高级羧酸的乙烯基酯的共产生
(x)最终产物羧酸的乙烯基酯不含羧酸酸酐。
尤其地，本发明涉及以下方面：
第1项.通过高级羧酸的乙烯基化来制备高级羧酸的乙烯基酯的改进的方法，包括：
-由Pd前体和有机盐制备Pd催化剂
-由Cu前体和有机盐制备Cu助催化剂
-使具有总计3-20个碳原子的高级羧酸与乙烯和氧气或空气在 Pd催化剂和Cu助催化剂的存在下反应，其中Pd催化剂为Pd前体或有机盐稳定化的Pd前体，其中Cu助催化剂为有机盐配合的Cu前体以及其中该Cu助催化剂在空气或氧气的存在下用作助氧化剂
-产物的分离步骤通过相分离进行；其中主要量的乙烯基酯在产物相中，其中主要量的催化剂在反应物相中
-再利用Pd-Cu催化剂，其中该反应物相与催化剂一起被再循环。
第2项.第1项所述的方法，其中该有机盐特征在于为离子有机盐，其包括基于季或质子化的烷基、芳基和混合的烷基-芳基铵，鏻，吡啶鎓，吡咯鎓，哌啶鎓，吡咯烷鎓，吗啉鎓，咪唑鎓，吡唑鎓或它们的混合物的阳离子，和基于卤素，(卤素化的)羧酸根，硫酸根，烷基硫酸根，烷基磺酸根，三氟甲烷磺酸根，四氟硼酸根，六氟磷酸根，磷酸根或它们的混合物阴离子，其中该有机盐为铵盐或鏻盐；其中铵盐为四烷基铵卤化物；其中四烷基铵卤化物为四丁基氯化铵和四己基氯化铵，其中鏻盐为四烷基鏻卤化物，其中四烷基鏻卤化物为三己基十四烷基氯化鏻。
第3项.第1项所述的方法，其中该Pd前体选自Pd(II)盐，其中该Pd(II)盐包含Pd(II)阳离子和选自以下的阴离子：F-，Cl-，Br-， I-，RnCOO-，Xm-RnCOO-，acac-，Xk-acac-，SO4 2-，NO3 -，NO2，CN-，OCN-， SH-，RnSO4 -，Xm-RnSO4 -,NCS-，RnSO3 -，Xm-RnSO3 -和它们的组合；其中Rn为选自烷基、芳基或环烷基的Cn基团(n＝1-20)；其中Xm-Rn为其中m 个氢被卤素X取代的基团的Rn，m＝1至2n+1；其中acac为乙酰丙酮酸根阴离子；Xk-acac为acac的卤素化形式，其中k个氢原子被卤素取代，k＝1至6，或担载在载体材料上的Pd(0)，Pd(0)胶体，Pd 金属，Pd黑或Pd配合物，其中该担载在载体上的Pd(0)包括异相或可溶的担载体；其中该异相担载体为氧化铝，二氧化硅，氧化铝和二氧化硅，天然粘土，金属氧化物，金属卤化物，分子筛，阴离子树脂，碳和碳氧化物，它们的同素异形体，沸石，不可溶的聚合物和它们的组合，以及其中该可溶的担载体材料为可溶的聚合物，树状大分子和所有异相担载体组列出的但处于胶体状态的材料。
第4项.第1项所述的方法，其中Pd催化剂制备的方法通过使 Pd前体与有机盐反应来进行，其中该制备在原位或非原位进行，以及其中该制备在0至150℃进行。
第5项.第1项所述的方法，其中制备Pd催化剂的方法在无溶剂条件或在溶剂的存在下进行。
第6项.第1项所述的方法，其中该Cu前体选自Cu(I)盐或Cu(I) 盐，其中Cu盐为Cu(II)或Cu(I)和阴离子选自F-，Cl-，Br-，I-，RnCOO-， Xm-RnCOO-，acac-，SO4 2-，NO3 -，NO2，CN-，OCN-，SH-，RnSO4 -，Xm-RnSO4 -,NCS-， RnSO3 -，Xm-RnSO3 -，Xk-acac和它们的组合；其中Rn为选自烷基、芳基或环烷基的Cn基团(n＝1-3)；Xm-Rn为其中m个氢被卤素X取代的Rn基团，m＝1至2n+1；acac为乙酰丙酮酸根阴离子；Xk-acac为acac的卤素化形式，其中k个氢原子被卤素取代，k＝1至6。
第7项.第1项所述的方法，其中Cu助催化剂通过使Cu前体和有机盐反应来制备，其中该制备在乙烯基化反应前在原位或非原位进行，其中该制备在0至150℃的温度范围进行，以及其中制备Cu催化剂的方法在无溶剂条件或在溶剂的存在下进行。
第8项.第1项所述的方法，其中乙烯基化对具有总计3-20个碳原子的羧酸进行，其中该羧酸为直链烷基，或支化烷基，或芳基，或烷基-芳基，或烯基，或烯基-芳基；其中该羧酸是单或多官能的，以及其中该羧酸含有在碳原子骨架中或沿碳原子骨架的杂原子，以及其中该杂原子为卤素，N，O，P，S，以及其中该羧酸为新癸酸，月桂酸， 2-乙基己酸，和苯甲酸。
第9项.第1项所述的方法，其中该羧酸的乙烯基化在无溶剂条件下进行或其中该方法在较高熔点羧酸作为反应物的情况下在高沸点有机溶剂的存在下进行，其中该溶剂选自碳酸酯、醚、腈、砜、酮和它们的组合，以及其中该羧酸的乙烯基化的反应介质为液相并且乙烯和氧气或空气为溶解在液相中的分散的气相。
第10项.第1项所述的方法，其中该乙烯基化以间歇方法，连续或半连续方法进行，其中该方法在供应空气或氧气下以施加的范围在 10至55巴的乙烯压力和范围在35至100巴的总压力进行，以及其中该羧酸的乙烯基化在范围在50至150℃，优选地在90至130℃的温度进行。
第11项.第1项所述的方法，其中从产物相分离乙烯基酯的方法通过真空蒸发、蒸馏或萃取方法进行。
第12项.第1项所述的方法，其中回收催化剂的方法通过相分离进行；其中该催化剂与反应物一起回收，以及其中相分离任选地通过添加萃取溶剂进行，以及其中该萃取溶剂选自非极性烃或低极性介质；其中该非极性烃为(环)己烷，(环)戊烷，(环)庚烷，苯，甲苯以及其中该低极性介质为氯仿，二氯甲烷，超临界二氧化碳和它们的组合。
第13项.第1项所述的方法，其中进行再利用催化剂的方法,其中该回收的催化剂体系与羧酸一起与乙烯和空气和新鲜羧酸共混以产生期望的乙烯基酯。
第14项.根据第1项制备的具有总计3-20个碳原子的高级羧酸的乙烯基酯，其基本上不含羧酸的酸酐，且优选地低于总计10ppm。
第15项.第1项所述的方法，其中制备乙烯基酯是通过水去除和质子吸收添加剂例如分子筛或有机胺改进的。
实施本发明的方式
接下来详细讨论本发明。以下讨论中使用的术语钯、Pd、Pd催化剂、Pd催化剂前体、Pd(II)盐、担载的Pd催化剂、Pd(0)胶体、Pd 纳米颗粒或Pd金属或Pd配合物或聚合物上的Pd指相同的事物并且在本说明书的框架内是指Pd催化活性物质的前体。相似地，以下讨论中使用的铜、Cu、Cu助催化剂、Cu助催化剂前体、Cu(II)或Cu(I)盐、 Cu配合物为Cu催化活性物质的前体。
根据本发明，本发明人已发现，有机盐对于Pd催化剂和Cu助催化剂都起到配合剂的作用。有机盐对于Pd催化剂和Cu助催化剂还起到稳定剂的作用，因此改进了在反应和产物分离条件下Pd-Cu催化剂体系的热稳定性。此外，乙烯基化催化剂被再利用多次而不会损失催化剂活性。本发明人进一步发现，有机盐以如下方式改变了Pd和Cu 催化剂的溶解度，即使它们能够完全与净羧酸混合。具体来说，有机盐配合的Cu助催化剂前体起溶剂的作用来溶解Pd催化剂前体。与其中Pd催化剂在羧酸中的溶解度是大问题之一的现有技术的催化剂体系(EP0648734)相比，这是由本发明的发明人开发的Cu助催化剂的独特性能。
在本发明的一种实施方案中，Pd前体通过与有机盐反应能够形成配合物。相似地，Cu助催化剂前体通过与有机盐反应能够形成配合物。与Pd或Cu前体形成配合物的有机盐包含有机阳离子和有机/无机阴离子或有机和无机阴离子的组合。
有机阳离子能够为以下模仿物或基于它们的：季烷基，芳基和/ 或组合的烷基-芳基和/或质子化的烷基，芳基和/或混合的烷基-芳基铵，鏻，吡啶鎓，吡咯鎓，哌啶鎓，吡咯烷鎓，吗啉鎓，咪唑鎓，吡唑鎓和/或它们的混合物。
有机盐的典型的阴离子的一些实例能够为卤素、硫酸根、(卤素化的)羧酸根、烷基硫酸根、烷基磺酸根、三氟甲烷磺酸根、四氟硼酸根、六氟磷酸根、磷酸根或它们的混合物。
对于Pd和/或Cu前体作为配合剂的最优选的铵盐为四甲基氯化铵，四乙基氯化铵，四丁基氯化铵，四己基氯化铵，四辛基氯化铵，鲸蜡基三甲基溴化铵，四癸基溴化铵。对于Pd和/或Cu前体的配合最优选的鏻盐为三己基十四烷基氯化鏻、四苯基氯化鏻、四甲基碘化鏻和四苯基甲基溴化鏻。
就可用作Pd催化剂前体的Pd(II)盐来说，许多合适的Pd(II)盐是已知的。Pd(II)盐包括Pd(II)阳离子和阴离子或阴离子，其中该阴离子选自F-，Cl-，Br-，I-，RnCOO-,Xm-RnCOO-，acac-，SO4 2-，NO3 2-,CN-， OH-，OCN-，SH-，RnSO4 -，NCS-，RnSO3 -，三氟甲烷，四氟硼酸根，六氟磷酸根，磷酸根和它们的组合，其中Rn为烷基、芳基、组合的烷基- 芳基或环烷基基团，其含有n＝1至20个碳原子。m表示在Rn基团中被卤素X取代的氢原子数量，m＝1至2n+1。特别有兴趣的阴离子为氯离子、乙酰丙酮酸根、乙酸根、三氟乙酸根和氢氧根。
该Pd催化剂前体能够还来自Pd金属、Pd黑、或沉积在担载物上的Pd。许多常规担载的Pd催化剂可为此目的选择。Pd的优选的担载体为无机或有机、异相、胶体或可溶的担载体。优选的异相担载体为氧化铝，二氧化硅，氧化铝和二氧化硅，天然粘土，金属氧化物，金属卤化物，分子筛，阴离子树脂，碳和碳氧化物，它们的同素异形体，沸石，不可溶的聚合物和它们的组合。Pd的合适的可溶的担载材料为可溶的聚合物，树状大分子和所有异相担载体组列出的但处于胶体状态的材料。特别有兴趣的是多孔的和非多孔的Al2O3，SiO2，沸石，天然粘土，分子筛，碳及其同素异形体，离子交换树脂，聚合物或它们的组合。
实施制备Pd催化剂前体和有机盐的配合物的方式
根据本发明，该Pd配合物通过使Pd前体和有机盐反应来制备。 Pd配合物在范围在50至150℃的温度形成。最优选地该Pd配合物在80至140℃的温度形成。Pd配合物形成的反应时间长度在2小时以内，并优选地低于30分钟。有机盐与Pd前体优选的摩尔比范围在 4：1至1：1和最优选地范围在2：1至1：1。
Pd催化剂前体和有机盐的反应在溶剂的存在下或在无溶剂条件下进行。在最佳的操作方式中，Pd催化剂前体和有机盐的反应不采用任何溶剂进行。换句话说，该Pd催化剂配合物的形成还在羧酸底物的存在下和不存在溶剂进行。该Pd催化剂形成的最优选的有机溶剂为 (环状)碳酸酯或(环状)醚。特别有兴趣的是碳酸丙二醇酯和二甘醇二甲醚。
在最佳的操作方式中，该Pd催化剂配合物在乙烯基化反应开始前在乙烯基化反应液相中在原位条件制备。
实施制备Cu前体和有机盐的配合物的方式
根据本发明，Cu助催化剂通过Cu前体和有机盐的反应制备。对于制备Cu助催化剂，可使用几种常规Cu盐。铜处于Cu(I)或Cu(II) 氧化状态。最优选地，使用Cu(II)盐来制备Cu助催化剂。例如，该金属盐的典型的阴离子能够为乙酰丙酮酸根(acac)，卤素阴离子，RnCOO-(n≤3)，氢氧根，碳酸根，硫酸根，三氟甲烷磺酸根，四氟硼酸根，三氟乙酸根，六氟磷酸根，磷酸根，或它们的混合物。最优选的Cu盐包括氯离子、低级羧酸根(n<3)、乙酰丙酮酸根和三氟乙酸根阴离子。
Cu盐和有机盐的反应在非原位或原位条件下进行。在最佳的操作方式中，Cu助催化剂在非原位条件下制备。发明人已发现，有机盐与铜盐6：1至1：1的摩尔比范围对于制备Cu助催化剂来说是最佳的。最优选地，使用4：1至1：1的有机盐与铜盐的摩尔比来制备Cu助催化剂。
Cu盐和有机盐的反应在溶剂的存在下或不存在溶剂下进行。优选地，Cu盐和有机盐的反应在不存在溶剂下进行。发明人已发现，Cu 助催化剂的形成还能够在羧酸的存在下不添加外部溶剂来实现。对于制备Cu助催化剂，优选的有机溶剂为(环状)醚，(环状)碳酸酯或醇。对于Cu助催化剂制备，特别有兴趣的溶剂为二甘醇二甲醚，碳酸丙二醇酯，(甲基)四氢呋喃，乙醇和(异)丙醇。
Cu盐和有机盐的反应的温度优选地范围在50至140℃进行。最优选地，Cu催化剂制备在范围在80至130℃的温度进行。Cu盐和有机盐之间的反应在3-5小时的时间内进行。最优选地，制备Cu助催化剂在2小时内进行。Cu盐和有机盐之间的反应优选地在惰性气氛提供的无水条件下进行。最优选地，该反应在高真空在升高的温度进行。发明人还发现，由此制备的Cu助催化剂是稳定的并且在室温下在普通密封瓶内长期储存后仍能用于乙烯基化反应。此外，该有机盐配合的 Cu助催化剂能够溶解该Pd催化剂。该Cu助催化剂起到对于Pd催化剂的有效溶剂的作用，因此不需要另外的溶剂。
羧酸的乙烯基化
根据本发明，开发的催化剂和助催化剂体系能够乙烯基化各种类别的羧酸。乙烯基化对总碳原子数3-20的羧酸进行。具体来说，该羧酸可以具有直链和环状烷基、支化烷基、芳基烷基、烯基或烯基-芳基。另外，该Pd-Cu催化剂体系能够进行单或多官能的羧酸的乙烯基化。该催化剂体系还能够用于在碳原子骨架中或沿碳原子骨架含有杂原子的羧酸乙烯基化，典型的杂原子为卤素、N、O、P和S。含杂原子的羧酸的一些实例为三氟乙酸，乳酸，氨基酸和它们的衍生物。对于乙烯基化最优选的羧酸为新癸(VersaticTM)酸，苯甲酸，月桂酸，2-乙基己酸，亚油酸，硬脂酸，特戊酸，巴豆酸，乳酸，己二酸，和对苯二甲酸。
羧酸的乙烯基化用Pd催化剂进行，其中Cu助催化剂与氧化剂(该氧化剂起终端氧化剂或牺牲剂的作用)一起起到氧化剂的作用。几种不同的常用牺牲氧化剂能够用于氧化Cu助催化剂并进而氧化Pd催化剂。这些氧化剂的一些实例包括氧气、空气、臭氧、一氧化二氮、苯醌、氯、氟、次氯酸盐、高锰酸盐化合物、氢过氧化物、过氧化钠和不同的有机氢过氧化物。这些氧化剂还可在不存在Cu助催化剂下使用以直接氧化该Pd催化剂。最优选地，羧酸的乙烯基化用Pd催化剂进行，其中Cu助催化剂与作为终端氧化剂的空气或氧气一起起到氧化剂的作用。乙烯用作羧酸的乙烯基化的乙烯基化剂。
实施乙烯基化反应的方式
根据本发明，羧酸的乙烯基化的反应介质为液相或包含固体催化剂的液相。发明人发现，乙烯和氧气应作为溶解的气相分散于液相中以便于乙烯基化反应。对于乙烯和氧气或空气气体在反应介质中的分散，可采用现有技术中几种已知的技术。
乙烯基化方法能够以间歇、连续或以半连续方法进行。在间歇方法中，施加乙烯和氧气或空气的特定压力以实现气相分散在反应介质中。例如，对于羧酸的乙烯基化，在间歇方法中，施加的乙烯的压力超过10巴。此外，对于羧酸的乙烯基化，空气的压力保持高于5巴。在最佳的操作方式中，施加的空气压力高于10巴。取决于反应条件例如催化剂和助催化剂量、反应物和温度，乙烯和氧气或空气的压力可保持在远高于10巴。接着，羧酸的乙烯基化在高于70℃的温度进行。取决于其他反应条件，还可采用显著高于70℃的温度。在半间歇反应中，将气体连续排空并更新，这取决于由空气/乙烯混合物的消耗反映的反应进程。发明人发现，这样的半连续反应条件与简单的间歇方法相比显著地提高乙烯基酯的产率。在连续乙烯基化反应中，催化剂、助催化剂、底物的浓度和气体压力保持在稳定状态。最优选地，乙烯基化反应以在连续分离产物的情况下操作的连续方式进行。
在本发明的另一方面中，羧酸的乙烯基化还利用乙烯在不存在氧气但在Pd催化剂和Cu助催化剂的存在下进行。Cu助催化剂和接下来的Pd催化剂的氧化在乙烯基化反应后分开进行。在不存在空气或氧气下产生的最大乙烯基酯不超过用于反应的Pd-催化剂和Cu助催化剂，并且这是小的。然而，不存在空气/氧气显著地防止了来自乙烯的不希望的副反应。此外，安全性是在不存在空气下进行乙烯基化的另一优点。
根据本发明，本发明人还发现，乙烯基酯的产率通过在乙烯基化期间添加某些添加剂而提高。这些添加剂包括水去除剂例如分子筛，和吸收质子的化学添加剂例如胺。两种添加剂都将化学平衡推向乙烯基酯。现有技术中几种已知的水去除剂可用于这样的目的。最优选地，分子筛
Figure RE-GDA0003462535920000131
和
Figure RE-GDA0003462535920000132
是优选的。本领域已知的几种已知的质子吸收剂可用于吸收质子的目的。特别有兴趣的是能够使用不同的胺。此外，本发明人还发现，在反应介质中存在氯离子阴离子具有改进的乙烯基酯的收率。不受任何特定理论的束缚，氯离子阴离子正面地影响催化剂的总体活性。这些氯离子阴离子在乙烯基化期间方法潜在地来自Pd前体、Cu助催化剂前体、有机盐和添加剂。
可以采用的相对于羧酸的Pd催化剂的浓度范围在 0.001-20mol.％，优选地低于10mol.％和理想地低于0.1mol.％。当不要求羧酸在Pd-Cu催化体系中的溶解度时，可以采用的相对于Pd催化剂的Cu助催化剂的范围在2-400摩尔当量，优选地4-20当量(其对应于相对于羧酸的0.4-2mol.％)。当要求羧酸底物在Pd-Cu催化体系中的溶解度时，Cu助催化剂的量可以显著地较高。在这样的情况下，Cu 助催化剂相对于羧酸底物的量可以范围在20-300wt.％，优选地 5-50wt.％，取决于酸底物在典型的反应温度下在特定的Cu配合物中的溶解度。
本发明人已令人惊奇地发现，Pd和Cu配合物(用有机盐制备)都溶解在净羧酸例如Versatic酸、月桂酸和2-乙基己酸中。由此促使本发明人在无溶剂条件下进行乙烯基化反应。与Pd催化剂和Cu助催化剂配合的有机盐不被视为溶剂。在另一组条件下，本发明人还发现，乙烯基化还能够采用有机溶剂进行。例如，碳酸丙二醇酯为流行的工业溶剂并已知是稳定的和具有高沸点，可以用作用于乙烯基化的溶剂。因此，羧酸的乙烯基化在无溶剂条件或在存在有机溶剂下进行。最优选地，羧酸的乙烯基化在不存在有机溶剂下进行。发明人发现，羧酸的乙烯基化需要的有机溶剂具有高于反应温度的熔点(80至150℃)。
优选的用于羧酸的乙烯基化的具有高熔点的有机溶剂为作为溶剂的环状或非环状碳酸酯和醚。作为溶剂的环状碳酸酯的实例为碳酸亚乙酯、碳酸丙二醇酯和碳酸三亚甲酯。典型的非环状作为溶剂的碳酸酯可以为对称的和非对称的，并且实例分别包括碳酸二烷基酯，碳酸二芳基酯和混合的烷基-芳基碳酸酯。非环状碳酸酯的一些实例为碳酸二乙酯、碳酸二丁酯和碳酸二苄酯。典型的作为溶剂的非环状醚为聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)和二甘醇二甲醚，而环状醚为呋喃、二噁烷和冠醚。
发明人已发现，Pd-Cu催化剂体系以高选择性产生羧酸的乙烯基酯，并且特别是不会形成作为副产物的羧酸酸酐。羧酸酸酐在Zn催化的Reppe乙烯基化反应中是常见副产物。最终产物乙烯基酯的组成含有低于10ppm的酸酐。最优选地，通过Pd-Cu催化剂产生的羧酸的乙烯基酯基本上不含酸酐，下至低于1ppm。此外，本发明人还发现，新的催化剂体系在乙烯基化反应条件下是长期稳定的。发明人将该催化剂的长期稳定性归因于所使用的催化剂体系的新的配方。这说明，该催化剂体系能够有效地用于具有对于乙烯基化反应来说是所需的连续引入原料的乙烯基化反应。
根据本发明，几种已知的能够承受范围在30-80巴的压力的反应器材料能够用于乙烯基化反应器，例如不锈钢或双相钢。最优选地，使用不锈钢或双相钢反应器。此外，该反应要求气体分散在反应液相中。几种已知的和市售搅拌设备可用于这样的目的。不同的分散体系的一些典型的实例能够来自泡罩塔，板塔，填充塔，滴流床，机械搅拌容器，机械搅拌器，例如四叶片螺旋桨，再循环泡罩塔，表面曝气机，在线静态混合器，射流喷射器，空心轴搅拌器，鼓泡环，急流器，三相流化床和锥形旋流器。在某些反应条件下，例如在高级浓度的催化剂和助催化剂和在较高压力的乙烯和氧气下，气体的分散可在不采用专门技术的情况下实现。
乙烯基化反应器的工艺流程图能够如描述于图1中那样表示。乙烯基化反应可采用塞流反应器或连续搅拌罐反应器(CSTR)类型的反应器以连续模式进行。根据该工艺流程图，反应后的液相反应混合物离开区(1)并被输送到产物分离单元区(2)，在那里该产物混合物沉降或离心，然后在降低的压力下蒸发以分离产物。如需要，冷凝的产物能够被进一步蒸馏以获得更高的品级。产物分离后，将由未反应的羧酸和Pd-Cu催化体系组成的反应混合物泵送回区1，同时添加新鲜羧酸和气体。
从反应混合物分离乙烯基酯的方式
发明人发现，在无溶剂条件的情况下，乙烯基化反应导致形成两相体系。该两相为上部相，其中乙烯基酯为主要组分，和含未反应的羧酸和Pd-Cu催化体系作为主要组分的下部相。根据本发明，两相的分离通过由每个相不同的极性和引力引起的自发相分离进行。此外，产物羧酸的乙烯基酯通过在降低的压力下蒸发产物相或通过蒸馏来分离。相分离通过采用几种已知的和市售分离设备进行。一些分离设备的实例为用斜板或平行板或波纹平行板的重力分离，合并，和水力旋流器。在特定的反应条件下，例如较长时间的两相分离，乙烯基酯的分离还仅在降低的压力下蒸发或直接蒸馏产物反应混合物来进行。
在本发明的另一实施方案中，将萃取介质加入反应混合物以便于反应混合物的组分的更好的相分离。优选的萃取剂应具有与期望的产物良好到优异的相互混溶性并且与其它反应组分低到差的混溶性。为此目的，可使用几种常规低极性溶剂。特别有兴趣的是(环)戊烷，(环) 己烷，(环)庚烷，石油醚和超临界二氧化碳。在这样的情况下，发明人已发现，萃取到低极性相中的乙烯基酯为主要组分，而剩余相由未反应的羧酸与作为主要组分的催化剂一起组成。此外，羧酸的乙烯基酯通过在降低的压力下蒸发从萃取溶剂分离。包含催化剂和未反应的羧酸的另一相被输送回用于乙烯基化反应的反应器。
催化剂回收和再利用的方式实施
根据本发明，本发明人已发现，该Pd-Cu催化体系能够在间歇的方式操作或在连续反应中再利用许多次循环。例如，在乙烯基酯分离后的间歇反应中，催化剂与未反应的羧酸一起用于下一轮。为了与下一次再循环接续，可将特定量的新鲜羧酸与乙烯和氧气或空气一起加入催化剂。在连续反应的情况下，杂质累积后提取催化剂并将其用于下一次循环。
附图说明
以下是对附图的简要描述，其中同类编号表示同类元素。
图1是实施乙烯基化反应的典型反应器的工艺流程图(PFD)。
代表性工艺协定
·作为Cu(I)或Cu(II)的有机金属配合物的Cu助催化剂通过将Cu 助催化剂前体和有机盐(在存在溶剂下，如需要)在100-120℃混合几小时，然后真空干燥来单独制备。如存在，溶剂通过在降低的压力下蒸发来除去，并且所得材料在室温在封闭瓶中储存。
·对于每个实验，将所需量的Pd前体和有机盐(或者，单独地制备的Pd催化剂配合)和上述Cu配合物加入净羧酸底物中。
·将所得混合物在搅拌下加热至80-130℃。
·一旦达到所需的温度，将搅拌短时间暂停，通过供应30巴乙烯，然后供应空气至多至50巴的总压力和再启动搅拌来开始反应。在由气体消耗(压降)反映的反应进程期间，施加排气更新工序。
·为了终结反应，使混合物达到环境温度，释放反应气体。
·将感兴趣的羧酸的乙烯基酯通过上述方法之一从反应混合物分离。
如期望，将催化剂相残余物用于接下来的反应循环而不用进一步处理。可加入新鲜量的羧酸底物。
实施例
比较例1，使用Pd(0)/PVP作为Pd前体：
制备Pd(0)/PVP原料溶液：向圆底烧瓶加入0.69gNa2PdCl4，0.88 g聚乙烯基吡咯烷酮(PVP-K15)和385mL甲醇。所得溶液回流30分钟。向其中加入16mL0.5 M NaOH在甲醇中的溶液并再回流20分钟。当 Pd(0)形成时，溶液变成深棕色。将反应混合物冷却至室温，并在倾空反应器后将溶液在氮气下储存在合适的储存容器。
对于乙烯基化反应，使用1/10的以上原料溶液。将甲醇从该1/10 份的原料溶液蒸发。将稳定在PVP-K15上的所得Pd(0)胶体再分散于适当量的有机介质中，该有机介质为新癸酸和乙烯基化反应的溶剂。
新癸酸的乙烯基化反应：
26.5g的Cu(II)(新癸酸盐)用于乙烯基化反应，其通过从市售的甲苯溶液中的Cu(II)(新癸酸盐)蒸发甲苯获得。最初，将反应器填充分散在新癸酸中的Pd(0)/PVP15和72.8g的二甘醇二甲醚，然后填充分散在新癸酸中的Cu(新癸酸盐)，和分散于8.9g的N-甲基吡咯烷 (NMP)中的0.5g的LiCl。总计35.5g的新癸酸用于乙烯基化反应。反应器的搅拌设定在1000rpm，并用氮气冲洗反应器三次。反应器的温度设定在110℃，并以1000rpm持续搅拌。用20巴的乙烯然后空气加压反应器，以提高压力到35巴。定期收集样品进行分析。监测压降来帮助停止乙烯基反应。
结果
在乙烯基化反应期间和反应结束时，观察到绿色沉淀的形成。这种绿色沉淀在ICP研究中被确定为Pd和Cu沉淀。此外，发现绿色沉淀对乙烯基化反应呈惰性。反应结束时所采样本的GC分析显示77％的VeoVa收率。
比较例2，使用Na2PdCl4作为Pd前体
新癸酸的乙烯基化反应：
在该乙烯基化反应中，将Pd(0)/PVP15替换为Na2PdCl4作为Pd 前体。乙烯基化反应的成分如下制备：将0.07g的Na2PdCl4溶解在 72.8g的二甘醇二甲醚中。将3.82g的Cu(II)(新癸酸盐)溶解在36.7g 的新癸酸中。相似地，将0.5g的LiCl溶解在8.9g的NMP中。将所有溶液搅拌，如需要温热直到固体材料消失。将Cu(新癸酸盐)溶液加入该Pd(II)溶液。将该混合物加入LiCl溶液。将所得混合物立即用作接下来的步骤的原料溶液。反应器的温度设定在110℃并将反应混合物在1000rpm搅拌。在大气压力下将反应器静置以缓慢达到其设定温度。通过用乙烯20巴对反应器加压来启动乙烯基化反应。之后，立即将该反应器用空气进一步加压至至多35巴。应注意的是，将反应器中的气相排出，当压力降低到低于10巴时在实验期间更新。当最终取样后，测定最终总压力，并将反应混合物冷却到环境温度。将反应器中的气相排出并用氮气更新。
结果
在反应结束时采取的样品的GC分析显示76％的VeoVa收率。反应结束前，观察到了不受控的Pd黑形成。这导致损失催化剂材料。
比较例3，使用Cu(OH)2作为Cu助催化剂：
新癸酸的乙烯基化反应：
在该反应中，Cu前体Cu(新癸酸盐)替换为Cu(OH)2。将0.07g 的Na2PdCl4溶解在72.8g的二甘醇二甲醚中。将0.91g的Cu(OH)2溶解在35.5g的新癸酸中。相似地，将0.5g的LiCl溶解在8.9g 的NMP中。将所有溶液搅拌，如需要温热直到固体材料消失。将Cu(新癸酸盐)溶液加入该Pd(II)溶液。将该混合物加入LiCl溶液。将所得混合物立即用作接下来的步骤的原料溶液。反应器的温度设定在 110℃，并将反应混合物在1000rpm搅拌。在大气压力下将反应器静置以缓慢达到其设定温度。通过用乙烯20巴对反应器加压来启动乙烯基化反应。之后，立即将该反应器用空气进一步加压至至多35巴。应注意的是，将反应器中的气相排出，在实验期间，当压力降低到低于初始设定压力5巴时或以30分钟的规则间隔进行更新。当最终取样后，测定最终总压力，并将反应混合物冷却到环境温度。将反应器中的气相排出并用氮气更新。
结果
反应结束前，观察到不期望的Pd黑形成。在反应结束时取出的样品的GC分析显示79％的VeoVa收率。
比较4，使用碳酸丙二醇酯作为溶剂的和Pd(acac)2作为Pd前体：
制备反应液相
在室温在玻璃容器中将1.72g(10mmol)的新癸酸(VA 10)溶解在 72g的碳酸丙二醇酯。充分振荡后后获得均匀溶液。接着，将39mg(0.4 mmol)的Cu(OH)2引入由此获得的溶液。将反应容器转移到预热的(70℃) 油浴中并将混合物搅拌大约2小时。之后，将30mg(0.1mmol)的 Pd(acac)2加入并再继续搅拌15min，使得Pd前体完全溶解。分开地，通过将17mg(0.4mmol)的LiCl加入4.4g(44.8mmol)的NMP来制备在NMP中的LiCl溶液。将该Li盐溶液加入含有Pd/Cu的溶液。所得混合物转移到金属高压釜反应器。
进行反应
为了启动反应，将含有反应混合物的金属反应器预热到90℃。将 30巴压力的乙烯引入反应器，然后将空气引入至约50巴的总压力。之后，开始搅拌。两小时后，将反应器冷却到大约25-30℃并释放气体压力。将反应器用氮气吹扫，然后打开。收集反应混合物并贮存起来分析。
结果
2小时后取自反应液相的样品的GC分析显示VeoVa 10的浓度为 0.5wt.％，其对应于20％的收率。使用碳酸丙二醇酯作为溶剂有助于最小化不期望的Pd黑的形成。
比较5，不存在NMP和LiCl：
制备反应液相
首先，在室温在玻璃容器中将1.72g(10mmol)的VA 10溶解在 72g的碳酸丙二醇酯。充分振荡后后获得均匀溶液。然后，将39mg(0.4 mmol)的Cu(OH)2引入由此获得的溶液。将反应容器转移到预热的(70℃) 油浴中并将混合物搅拌大约2小时。之后，将30mg(0.1mmol)的 Pd(acac)2加入并再继续搅拌15min，使得Pd前体完全溶解。没有加入LiCl。
乙烯基化反应与比较例4相似地进行。
结果
2小时后取自反应液相的样品的GC分析显示VeoVa 10的浓度为≤ 0.1wt.％(接近检测极限)，对应于形式收率≤4％。
表1：在Pd基催化剂和Cu基助催化剂和乙烯的存在下新癸酸 (Versatic酸)的乙烯基化(比较实施例)。
Figure RE-GDA0003462535920000201
1该实施例含有EP0648734中获得的基新癸酸乙烯酯合成的最佳结果；计算的癸酸乙烯酯的TON＝354；产生了未量化量的2-乙基己酸乙烯酯。
讨论：
表1给出了新癸酸的乙烯基化的比较实施例。最接近的现有技术EP0648734要求保护使用Pd(0)胶体作为Pd催化剂，和Cu(II)2-乙基己酸盐作为助氧化剂用于乙烯基化反应。该现有技术还要求保护使用 polyglyme作为添加剂，同时LiCl和NMP也用作添加剂用于乙烯基化反应。本发明的发明人发现，现有技术提出的复杂或繁重的催化剂体系配方对于乙烯基化来说不是必要的。比较例1导致在反应结束时产生绿色沉淀。形成含有Cu的绿色沉淀导致不期望的损失Cu助催化剂材料。发现Cu(II)氧化剂，即Cu(II)新癸酸盐等于或由于Cu(II)2- 乙基己酸盐(比较例1)作为Cu前体。在EP0648734的情况中，使用 Cu(II)2-乙基己酸盐总是导致产生化学计量量的2-乙基己酸乙烯酯作为副产物以及期望的乙烯基酯。此外，发现简单的Pd(II)盐的活性与 Pd(0)/PVP胶体相当，但后者需要额外的制备过程(比较例2)。然而，在比较实施例2和3中，观察到了在乙烯基化反应结束时形成不期望的Pd黑。本发明的发明人还发现，简单的Cu(II)盐与Cu(II)2-乙基己酸盐(比较例3)起到了相同的作用。Cu(II)2-乙基己酸盐是昂贵的试剂或需要额外的合成步骤。现有技术的结果显示，新癸酸的乙烯基酯的高收率仅在Cu(II)2-乙基己酸盐用作Cu前体时获得(EP0648734)。本发明的发明人发现，在不存在NMP和LiCl作为添加剂时，乙烯基酯的收率低于GC方法的检测水平(比较4和5)。
在以下表2和3中，总结了进行支持本发明的实验的结果。
表2：在乙烯和空气的存在下用新的Pd-Cu催化体系进行的新癸酸(Versatic酸)的乙烯基化，(本发明的实施例)在100℃进行。
Figure RE-GDA0003462535920000221
acac：乙酰丙酮酸根
OAc：乙酸根
PC：碳酸丙二醇酯
收率＝100％*(mmol形成的乙烯基酯)/(mmol最初取得的羧酸)
*发现产物相和催化剂相之间的自发液-液相分离。还显示了通过添加非极性己烷相分离现象的改进(反应后)。改进包括
-相分离发生所需的时间显著更少(与没有己烷使用时相比)
-相分离是清晰和明锐的
-当使用己烷时，Cu和Pd的金属损失更低。
**数值是基于每次分离循环后剩余的VA10和新鲜加入量的总量来预计的。
**对于Pd/Cu催化剂在每轮中观察到了由于处置造成的50％的 Pd损失。TON基于降低量的Pd计算。
实施例1，使用铵盐
制备Cu助催化剂
在55-60℃在连续搅拌下将24.g(86.5mmol)的四丁基氯化铵溶解在大约200mLTHF中。将7.8g(43.2mmol)溶解在预热的THF中的无水Cu(II)乙酸盐缓慢加入含有四丁基氯化铵的溶液，导致颜色从蓝变绿。在大约65℃搅拌30min后，借助旋转蒸发器去除THF。
制备反应液相
在80℃将36mg(0.12mmol)的Pd(acac)2与126mg(0.32mmol) 的四己基氯化铵一起溶解在21.3g(123.5mmol)的VA 10中。将如上所述制备的3gCu助催化剂加入含有Pd的VA 10溶液。将反应混合物转移到高压反应器中。
进行反应：
为了启动反应，将含有相应的反应混合物的反应器预热并在 100℃搅拌。在期望的温度达到后，停止搅拌并将压力30巴的乙烯引入反应器，然后引入空气至总压力大约50巴。之后，重启搅拌。借助压力指示计来监控气体消耗。当气消耗接近0时，停止搅拌，将剩余气体缓慢释放，并将反应器再加入30巴的乙烯，然后引入空气至总压力50巴。之后，重启搅拌。在实验期间应用排放-更新工序需要的次数。最终，用氮气吹扫反应器，然后打开。收集反应液相并储存用于GC分析。
12小时后取自反应混合物的样品的GC分析显示VeoVa 10和新癸酸的浓度为79.7wt.％和10.2wt.％，这对应于表观TONPd＝1075和收率87％。
实施例2，使用Pd/Al2O3作为Pd前体(根据本发明)
制备Cu助催化剂
首先，在80℃在氮气然后在真空下将30g(178.4mmol)CuCl2和 92.7g(178.4mmol)三己基十四烷基氯化鏻混合在一起。将温度逐渐提高至120℃并保持接下来的3小时。
制备反应液相
首先，在80℃在持续搅拌下将3.34g的上述Cu助催化剂加入60.0g(348.5mmol)的VA 10和6.2g的十四烷(内部标样)的混合物。将所得目视均匀的溶液转移到高压反应器。向该混合物加入1.3g的异相Pd/Al2O3(10％Pd)市售催化剂和974mg(2.5mmol)四己基氯化铵。
乙烯基化反应与实施例1相似地进行。
结果
在所述反应条件下13小时后，将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。发现反应混合物含有162.3mmol新癸酸(VeoVa)的乙烯基酯，这对应于形式收率46.5％和TON＝125。
实施例3，使用碳酸丙二醇酯作为溶剂(根据本发明)
制备反应液相
为了制备Cu助催化剂的碳酸丙二醇酯溶液，在60℃在持续搅拌下将80mg(0.4mmol)的Cu(OAc)2*H2O加入四己基氯化铵(312mg或0.8 mmol)在24g的碳酸丙二醇酯中的溶液。通过在60℃在持续搅拌下添加30mg(0.1mmol)的Pd(acac)2至四己基氯化铵(78mg或0.2mmol) 在48g的碳酸丙二醇酯中的溶液制备含有Pd的溶液。将该Cu和Pd 溶液都转移到高压反应器中并加入VA 10(17.23g或100mmol)。
乙烯基化反应与实施例1相似地进行。
结果：
反应后，发现反应混合物在室温为双相。将下部和上部相单独地分析。下部相的GC分析显示VeoVa和VA10的浓度为39wt.％和 8.0wt.％。上部相的GC分析显示VeoVa和VA10的浓度为23％wt.％和 72.4wt.％。发现形式TON＝430和收率＝41％。
实施例4，使用碳酸丙二醇酯作为溶剂
制备Cu助催化剂：
Cu助催化剂通过在60℃在持续搅拌下将100ml的无水 Cu(OAc)2(7.85g或43.25mmol)在THF中的溶液缓慢添加至 24.0g(86.5mmol)的四丁基氯化铵在200mL的THF中的溶液来制备。几分钟后，反应混合物变成目视均，15min后，在真空和升高的温度去除溶剂THF。
制备反应液相
将Pd(acac)2(30mg，0.1mmol)和四己基氯化铵(78mg，0.2mol) 在10g的碳酸丙二醇酯中的溶液加入44g含有11.1g的上述Cu配合物的碳酸丙二醇酯中。最终，加入17.2g(100mmol)的VA 10并将混合物转移到高压反应器。
乙烯基化反应与实施例1相似地进行7h。
结果
7小时取自反应混合物的样品的GC分析显示VeoVa和VA10的浓度为18.8wt.％和2.7wt.％。发现形式TON为820和收率＝82％。
实施例5，显示反应混合物在无溶剂条件下的相分离
制备反应液相
首先，将Pd(acac)2(66mg，0.2mmol)和四己基氯化铵(156mg， 0.4mol)加入21.23g(123mmol)的VA 10。在持续搅拌下将混合物在80℃加热1小时。接着，将2.95g的描述于实施例4的Cu配合物加入该混合物并再搅拌15min，将反应混合物转移到高压反应器。
乙烯基化反应与实施例1相似地进行13h。
结果
令人惊奇地，13h的反应时间后获得了双相反应混合物。较大的上部相(大约19g)的分析显示VeoVa和VA10的浓度分别为72wt.％和14.9wt.％。该相的ICP分析显示存在5.1％的Pd和5.3％的Cu，相对于制备反应液相中使用的它们的初始量。实现了形式TON为499和收率为81％。
当己烷(30g)和上述上部相(14g)混合一起并振荡时，再次观察到了相分离。对由此获得的上部相的分析表明，VeoVa10和VA10的浓度为69.2wt.％和16.8wt.％。该上部相的ICP分析显示存在2.3％的 Pd和0.2％的Cu，相对于制备反应液相中使用的它们的初始量。
实施例6，显示催化剂的再利用
6.A第一轮
制备反应液相
首先，在100℃在持续搅拌下将1.3g(5.1mmol)Cu(acac)2和3.9 g(9.9mmol)四己基氯化铵溶于20.0mL碳酸丙二醇酯中。类似地，在 50℃在持续搅拌下将0.064g(0.21mmol)Pd(acac)2和0.16g(0.38 mmol)四己基氯化铵溶于91.8g碳酸丙二醇酯。一旦两个溶液都目视均匀，将16.0mL的Cu溶液和45.7g的Pd溶液合并并转移到高压反应器。将17.3g(100mmol)的VA 10加入该混合物。
第一轮的乙烯基化以与描述于以上实施例典型的反应方法相似地进行。
结果：
在所述反应条件下5和15小时后收集的反应液相样品通过气相色谱分析以确定组成。5h后收集的样品含有15.3wt.％的产物 VeoVa10。15h后收集的样品含有16.3wt.％的产物VeoVa10。15h 反应时间后收集反应混合物并将其与40mL己烷混合。将两相分离，得到34.6g下部(反应)相和32.1g上部(己烷)相。根据GC分析，下部相含有1.63wt.％VeoVa10，而上部相含有18.38wt.％VeoVa10。下部相用于接下来的轮次。作为0时间至5h之间的线性近似的反应速率估算为134 1/h。与起始时的Pd相比，萃取后作为下部相回收的 Pd/Cu催化剂在第一轮中损失了大约50％的Pd。损失的Pd主要是由于相的处置和相应的转移。
6.B第二轮：
制备液相：
首先，32.9g的来自第一轮后萃取的下部相转移到高压反应器。向该混合物加入9.9g(58mmol)的VA 10。将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。混合物含有1.4wt.％的产物VeoVa 10，第一轮后剩余的。
第二轮的乙烯基化以描述于以上实施例的典型的方法进行11h。乙烯基酯的TON基于第二轮中降低的Pd量计算。如在第一轮中那样，在第二轮中也观察到了估算的50％的Pd损失。
结果：
在所述反应条件下在5小时和11小时后收集的反应液相样品通过气相色谱分析以确定组成。5h后收集的样品含有12.53wt％的产物 VeoVa10。11小时后收集的样品含有17.81wt％的产物VeoVa10。
将11小时后获得的反应混合物与30mL己烷混合。两相分离产生 22.16g下部(反应)相和24.07g上部(己烷)相。根据GC分析，下部相含有1.89wt.％VeoVa10，而上部相含有19.05wt.％VeoVa10。将下部相用于接下来的轮次。5小时后的表观反应速率估算为98 1/h。乙烯基酯的TON基于第二轮中降低的Pd量计算。
6.C第三轮：
制备液相
首先，将来自第二轮后萃取的20.07g的下部相转移到高压反应器。向该混合物加入10.07g(58mmol)的VA 10。将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。混合物含有2.8wt.％的产物VeoVa10。
第三轮中的乙烯基化反应以与以上实施例中使用的典型的方法相似地进行5h。
结果：
在所述反应条件下5小时后，将反应液相的样品通过气相色分析来确定组成。混合物含有10.99wt.％的产物VeoVa10。5小时后的表观反应速率估算为107l/h。
基于在前三个轮次中的观察到的相对恒定值的反应速率(98-134 1/h)，得出的结论是，该Pd-Cu催化体系在这些条件下没有显示出在乙烯基化方法中没有催化活性损失或只有很少的催化活性损失。
实施例7，使用担载的Pd催化剂，没有添加剂
制备反应液相
在室温将6.35g的作为内部标样的十四烷，1.02g(0.96mmol Pd) 的市售Pd催化剂担载在氧化铝和实施例2中所说的1.32gCu助催化剂加入60.02g(348mmol)的已在高压反应器中的VA 10。没有加入四己基氯化铵。
乙烯基化与描述于以上实施例的典型的方法相似地进行7
结果：
6小时后取自反应混合物的样品的GC分析显示在反应器中存在 66.7mmol的VeoVa10和269mmol VA 10，这对应于形式收率19.5％和TON＝71。
实施例8，使用Cu(II)三氟乙酸盐水合物作为铜前体
制备Cu助催化剂：
在室温和在连续搅拌下将15mL Cu(II)三氟乙酸盐水合物(3.64 g)的乙醇溶液加入10mL三己基十四烷基氯化鏻(5.98g，11.53mmol) 的乙醇溶液。搅拌大约30min后，去除乙醇并将所得材料在120℃在高真空干燥2小时。
制备反应液相
将6.03g的十四烷、4.69g的Cu助催化剂(如本文所述的制备) 和1.01g的Pd/Al2O3催化剂(0.95mmol Pd)加入高压反应器中的 60.0g(348.3mmol)的VA 10。
乙烯基化反应与以上实施例中使用的典型的方法相似地进行。
结果
30min的反应时间后取出的样品的GC分析显示20.5mmol的 VeoVa和328.7mmolVA10存在于反应器中，这对应于形式收率＝6％，TON＝22和TOF＝43l/h。4小时的反应时间后取出的样品显示46.3 mmol的VeoVa，其对应于13％收率和TON＝49。
实施例9，使用Cu(I)Cl作为Cu助催化剂前体
制备Cu助催化剂：
首先，将1507mg(15.22mmol)氯化铜(I)固体粉末与固体四丁基氯化铵(4.23g，15.22mmol)在玻璃烧瓶中手动混合。然后将烧瓶配置磁力搅拌器，填充氮气并放入油浴(预热至90℃)1h。接着，在接下来的5个小时将温度设定到120℃。
制备反应液相：
在50-70℃在搅拌/加热板上在密闭的100mL容器中制备含有Pd 的溶液。由此，将30.5g(0.1mmol)的Pd(acac)2完全溶解在17.72g 的VA 10中，然后加入四己基氯化铵(80mg，0.2mmol)。持续搅拌1-2 小时。含有Cu的溶液通过在70℃将155mg的本实施例描述的Cu(I) 助催化剂溶于16.64g的VA 10来制备。最终，将两个溶液在高压反应器中混合。使用了总计34.36g(200mmol)VA 10。
乙烯基化使用以上实施例中的典型的方法进行。
结果：
5h后取出的样品的GC分析显示VeoVa在反应混合物中的浓度为 21wt.％，这对应于形式收率16或20％。
在以下实验中描述了一些其它羧酸的乙烯基化。
讨论：
表2的本发明实施例在无溶剂条件下在单一循环中产生的新癸酸乙烯基酯的高达高于80％和TON高于1000的收率。使用溶剂碳酸丙二醇酯也产生了对于新癸酸乙烯基酯高于80％的收率和高于800TON的 TON。与本发明相比，最接近的现有技术EP0648734中报告了采用有机溶剂二丙二醇甲醚的新癸酸乙烯基酯最大收率37％和TON 350。本发明的实验6显示，催化剂3次循环的再利用并且产生对于新癸酸乙烯基酯高于1500的累计TON。这只是代表性的实验，该催化剂能够实现更大的乙烯基酯的TON。这些结果清楚地表明，本发明的乙烯基化方法就新癸酸乙烯基酯提高的收率和TON而言好得多。
在同一现有技术EP0648734中，报告了任何乙烯基酯,2-乙基己酸乙烯酯在无溶剂条件的最大收率19％，同时报告了采用有机溶剂的最大收率为69％。
表3：在乙烯和空气的存在下用Pd-Cu催化体系1的一些其它羧酸的乙烯基化(本发明的实例)。
Figure RE-GDA0003462535920000301
1-使用与实施例2中相同的由CuCl2和P66614Cl制备的Cu助催化剂，在实施例13中，Cu助催化剂由CuCl2和N6666Cl制备。
实施例10，月桂酸的乙烯基化
制备反应液相
首先，将392mg(1.75mmol)的Pd(OAc)2与1.36g(3.49mmol) 的四己基氯化铵和6.79g的实施例2中所述的Cu助催化剂一起加入含有70g(349.44mmol)的月桂酸的高压反应器。一旦温度高到足以熔化混合物就开始搅拌。
反应以描述于以上实施例中的典型的方式进行。
结果：
在所述反应条件下6小时后，将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。混合物含有15wt.％的产物月桂酸乙烯基酯。
实施例11，2-乙基己酸的乙烯基化
制备反应液相
将347mg(1.55mmol)的Pd(oAc)2与0.66g(1.7mmol)的四己基氯化铵和2.18g的实施例2中所述的Cu助催化剂一起加入含有66.64 g(462mmol)的2-乙基己酸(EHA)的高压反应器。
乙烯基化反应以在以上实施例中的典型的方式进行。
结果：
在所述反应条件下7小时后，将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。混合物含有16wt.％的产物2-乙基己酸乙烯酯(VEHA)。
实施例12，苯甲酸的乙烯基化
制备反应液相
由于苯甲酸的高熔点，使用最少量的二甘醇二甲醚来将其在反应温度液化。将303mg(0.995mmol)的Pd(acac)2与0.818g(2.1mmol) 的四己基氯化铵和5.3g的实施例2中所述的Cu助催化剂一起加入含有30.33g(248.4mmol)的苯甲酸和15.8g的二甘醇二甲醚的高压反应器。
乙烯基化反应以描述于以上实施例中的典型的方式进行。
结果
在所述反应条件下7小时后，将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。混合物含有26wt.％的产物苯甲酸乙烯基酯。
实验13，特戊酸的乙烯基化
制备Cu助催化剂
在室温在圆底烧瓶中将2.13g(15.8mmol)的CuCl2和4.4g(15.8 mmol)的四丁基氯化铵作为固体粉末混合在一起。然后将该烧瓶配置磁力搅拌器，填充氮气并放入油浴(预热至105℃)1h。
制备反应相
将0.225mg(1mmol)的Pd(oAc)2，0.78g(2.5mmol)的四己基氯化铵与1.67g本实施例中描述的Cu助催化剂一起加入含有46.4 g(453mmol)的特戊酸的高压反应器。
乙烯基化反应以以上实施例中的典型的方式进行。
结果：
在所述反应条件下8小时后，将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。混合物含有26.5wt.％的产物特戊酸乙烯基酯。
实验14，己二酸的乙烯基化
制备反应相
将0.106g(1mmol)的Pd黑，0.79g(2.5mmol)的四己基氯化铵与2.6g实施例2中描述的Cu助催化剂一起加入含有24.7g(169mmol) 的己二酸和45.5g的1,4-二噁烷的高压反应器。
乙烯基化反应以以上实施例中的典型的方式进行。
结果：
在所述反应条件下21小时后，将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。混合物含有6.8wt.％的产物己二酸二乙烯基酯。
实验15，巴豆酸的乙烯基化
制备反应相
将0.106g(1mmol)的Pd黑，0.77g(2.5mmol)的四己基氯化铵与2.6g实施例2中描述的Cu助催化剂一起加入含有56.9g(661mmol) 的巴豆酸的高压反应器。
乙烯基化反应以以上实施例中的典型的方式进行。
结果：
在所述反应条件下14小时后，将反应液相的样品通过气相色谱分析来确定组成。混合物含有6.3wt.％的产物巴豆酸乙烯基酯。
催化剂的长期活性：
给出以下实验以显示该Pd/Cu催化剂的长期活性。乙烯基化以较低量的Pd催化剂(0.1mmol)进行以显示催化剂的长期活性。以下图1 中所示的该Pd/Cu催化剂的活性表明对于乙烯基酯产物的连续活性超过40小时。这只是代表性的实施例，催化剂能够在长于这样的时间仍表现出活性。
实验16，催化剂的长期活性：
制备反应相
将1.06g(0.1mmol)的Pd黑，5.23g的描述于实施例2的Cu 助催化剂，5.399g(32.339mmol)的联苯(作为内部标样)和1.173g(3 mmol)的四己基氯化铵加入含有60.0g(348mmol)的Versatic acid 10 的高压反应器。
乙烯基化反应以以上实施例中的典型的方式进行。
结果：
表4：利用Pd催化剂的新癸酸的乙烯基化，0.1mmol。
反应时间，h 乙烯基酯，mmol
0 0
2 0
4 7.3
6 23.3
10 45.1
14 61.4
20 82.1
27 98
34 119.2
添加剂的效果：
添加剂例如分子筛、胺和季铵板条显示出对VeoVa收率的正面影响。
实验17，添加剂对乙烯基酯收率的影响：
制备反应混合物
将0.11g(1mmol)的Pd黑，2.6g的描述于实施例2的Cu助催化剂和5.4g(35.mmol)的联苯(作为内部标样)加入含有60.0g(348 mmol)的Versatic acid 10的高压反应器中。在最后步骤中，将特定量的添加剂引入体系。乙烯基化反应以以上实施例中的典型的方式进行。
添加剂1.2.5g的干燥(120℃，2小时，真空)分子筛加入反应器。
添加剂2.1.06g(3.04mmol)的三辛基胺。
添加剂3.1.17g(3mmol)的四己基氯化铵
结果
表5-8：添加剂对VeoVa收率的影响。
表5：无添加剂
反应时间，h 乙烯基酯，mmol
0 0.2
1 24.3
2 71.3
3 98.5
4 114.1
5 130.9
7 137.1
9 138.4
11 133.5
表6：添加剂＝三辛基胺＝N888
反应时间，h 乙烯基酯，mmol
0 0
1 29.1
2 40.8
3 88.0
4 136.9
5 162.4
6 168.0
表7：添加剂＝分子筛
反应时间，h 乙烯基酯，mmol
0 0
0.9 73.0
1.7 120.6
2.5 205.1
4.5 160.7
6.5 214
表8：添加剂＝四己基氯化铵＝N6666Cl
反应时间，h 乙烯基酯，mmol
0 0
1 29.1
2 40.8
3 88.0
4 136.9
5 162.4
6 185.0

Claims (14)

1.用于乙烯基化反应的催化剂体系，其包含：
来自钯前体和有机盐的钯(II)配合物催化剂；和
来自铜前体和有机盐的铜配合物助催化剂；
其中所述钯(II)配合物催化剂和所述铜配合物助催化剂的每一个是在所述催化剂体系非原位制备的，
其中相对于所述钯(II)配合物催化剂摩尔当量，所述铜配合物助催化剂包含2-400摩尔当量，和
其中所述催化剂体系不含羧酸的铜盐前体。
2.权利要求1所述的催化剂体系，其中所述有机盐的每一种包含离子有机盐，其中所述离子有机盐包括基于季或质子化的烷基、芳基和混合的烷基-芳基铵，鏻，吡啶鎓，吡咯鎓，哌啶鎓，吡咯烷鎓，吗啉鎓，咪唑鎓，或吡唑鎓的阳离子，和基于卤素，(卤素化的)羧酸根，硫酸根，烷基硫酸根，烷基磺酸根，三氟甲烷磺酸根，四氟硼酸根，六氟磷酸根，或磷酸根的阴离子。
3.权利要求1所述的催化剂体系，其中所述钯前体选自钯(II)盐，其中所述钯(II)盐包含钯(II)阳离子和选自以下的阴离子：F-，Cl-，Br-，I-，RnCOO-，Xm-RnCOO-，acac-，Xk-acac-，SO4 2-，NO3 -，NO2，CN-，OCN-，SH-，RnSO4 -，Xm-RnSO4 -,NCS-，RnSO3 -，Xm-RnSO3 -和它们的组合；其中Rn为选自烷基、芳基或环烷基的Cn基团(n＝1-20)；其中Xm-Rn，Rn为其中m个氢被卤素X取代的基团，m＝1至2n+1；其中acac为乙酰丙酮酸根阴离子；Xk-acac为acac的卤素化形式，其中k个氢原子被卤素取代，k＝1至6，或担载在载体材料上的钯(0)，钯(0)胶体，钯金属，钯黑或钯配合物，其中所述担载在载体上的钯(0)包括异相或可溶的担载体；其中所述异相担载体选自氧化铝，二氧化硅，氧化铝和二氧化硅，天然粘土，金属氧化物，金属卤化物，分子筛，阴离子树脂，碳和碳氧化物，前述所列材料的同素异形体，沸石，不可溶的聚合物和它们的组合，和其中所述可溶的担载体材料选自可溶的聚合物，树状大分子和所有异相担载体组列出的但处于胶体状态的材料。
4.权利要求1所述的催化剂体系，其中所述铜前体选自铜(II)盐或铜(I)盐，其中铜盐包含铜(II)或铜(I)阳离子和选自F-，Cl-，Br-，I-，RnCOO-，Xm-RnCOO-，acac-，SO4 2-，NO3 -，NO2，CN-，OCN-，SH-，RnSO4 -，Xm-RnSO4 -,NCS-，RnSO3 -，Xm-RnSO3 -，Xk-acac和它们的组合的阴离子；其中Rn为选自烷基、芳基或环烷基的Cn基团(n＝1-3)；Xm-Rn为其中m个氢被卤素X取代的Rn基团，m＝1至2n+1；acac为乙酰丙酮酸根阴离子；Xk-acac为acac的卤素化形式，其中k个氢原子被卤素取代，k＝1至6。
5.权利要求1所述的催化剂体系，
其中将所述催化剂体系布置在作为基质的具有总计3-20个碳原子的羧酸上以形成用于所述乙烯基化反应的反应液体相，
其中所述羧酸包含直链烷基，或支化烷基，或芳基，或烷基-芳基，或烯基，或烯基-芳基，
其中所述羧酸是单或多官能的，
其中所述羧酸包含选自卤素，N，O，P，S和它们的组合的杂原子，
或者它们的组合。
6.权利要求5所述的催化剂体系，其中所述羧酸包含新癸酸，月桂酸，2-乙基己酸，苯甲酸和它们的组合。
7.权利要求1所述的催化剂体系，其中所述有机盐的每一种选自铵盐，鏻盐，和它们的组合。
8.权利要求7所述的催化剂体系，其中所述有机盐的每一种选自四丁基氯化铵，四己基氯化铵，三己基十四烷基氯化鏻和它们的组合。
9.权利要求1所述的催化剂体系，
其中将所述催化剂体系布置在作为基质的具有总计3-20个碳原子的羧酸上以形成用于所述乙烯基化反应的反应液体相。
10.权利要求1-9中任一项的催化剂体系的制备方法，包括：
由钯前体和有机盐制备钯(II)配合物催化剂；和
由铜前体和有机盐制备铜配合物助催化剂；
其中所述钯(II)配合物催化剂和所述铜配合物助催化剂的每一个是在所述催化剂体系非原位制备的，
其中相对于所述钯(II)配合物催化剂摩尔当量，所述铜配合物助催化剂包含2-400摩尔当量，和
其中所述催化剂体系不含羧酸的铜盐前体。
11.权利要求10的方法，其中制备所述钯(II)配合物催化剂包括使钯前体和有机盐反应，其中所述制备在非原位进行，和其中所述制备在0至150℃进行。
12.权利要求10的方法，其中制备所述钯(II)配合物催化剂在无溶剂条件或在溶剂的存在下进行。
13.权利要求10的方法，其中制备所述铜配合物助催化剂包括使铜前体和有机盐反应，其中所述制备在所述乙烯基化反应之前在非原位进行，和其中所述制备在0至150℃的温度进行，和其中制备所述铜配合物催化剂在无溶剂条件或在溶剂的存在下进行。
14.权利要求10的方法，其中所述方法不含有机溶剂。
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