CN114381749B - 一种合成薄荷甲酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合成薄荷甲酸的方法，该方法以L‑氯代薄荷脑及CO2为原料经电化学一步法合成薄荷甲酸，包括以下步骤：1）在装有阳极、阴极的电解反应器中，加入有机溶剂和电解质，制得混合电解液；2）向电解液中加入原料L‑氯代薄荷脑和CO2，通电进行电化学反应，生成含薄荷甲酸的反应液；3）脱除溶剂，提纯得到目标产物薄荷甲酸。该方法以以L‑氯代薄荷脑及CO2为原料经电化学一步法合成薄荷甲酸，流程及操作简单，高效环保，产品收率高，立体选择性好，反应条件温和，成本低，具有工业化应用前景。

Description

一种合成薄荷甲酸的方法
技术领域
本发明涉及一种合成方法，尤其涉及一种合成薄荷甲酸的方法。
背景技术
凉味剂是一类广泛应用于生活中的化学物质，在牙膏、剃须液、洗面奶、化妆品、烟草、糖果等生活用品中均能看到凉味剂的身影，是一类非常重要的添加剂。而薄荷醇是一种最常使用的的传统凉味剂，可是由于薄荷醇的香气中带有苦味、挥发性过强、清凉感持续时间短等缺点，使其应用受限，为克服以上这种缺点，薄荷醇的替代物或衍生产品的开发应用受到了科学家们的重视。在这其中薄荷基甲酸酯和薄荷酰胺类化合物被合成出来，它们没有强烈的薄荷气味，持续时间长，有比薄荷醇更好的凉感，这部分产品一经应用就受到了认可，近年来改良凉味剂化合物需求量增长迅速，需求越来越旺盛。
作为合成薄荷基甲酸酯和薄荷酰胺类化合物的重要中间体，如何改善薄荷甲酸的合成收率及及操作步骤成为一项重要工作内容。
现有文献中，L-薄荷甲酸的合成方法中以L-氯代薄荷脑与格式试剂反应为最常规路线，该方法需要制备格式试剂后与CO2反应生成薄荷甲酸，会额外增加工艺成本，而且格式试剂合成过程中也存在安全风险，操作难度大。
专利CN107721849A提出一种将薄荷醇与苯磺酰氯反应得到苯磺酸薄荷酯，再与氰化钠反应得到薄荷基甲腈，水解后得到薄荷醇，该方法反应步骤长，操作复杂；同时由于合成过程中引入强酸及氯离子，还存在系统腐蚀风险，而且所用原料氰化钠为剧毒化学品。专利CN103030553A中以剧毒化学品氰化亚铜为原料制备薄荷甲酸，同样存在风险问题。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提出一种合成薄荷甲酸的方法。该方法以L-氯代薄荷脑及CO2为原料经电化学一步法合成薄荷甲酸，流程及操作简单，高效环保，产品收率高，立体选择性好，反应条件温和，成本低，具有工业化应用前景。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种合成薄荷甲酸的方法，该方法以L-氯代薄荷脑及CO2为原料经电化学一步法合成薄荷甲酸，包括以下步骤：
1)在装有阳极、阴极的电解反应器中，加入有机溶剂和电解质，制得混合电解液；
2)向电解液中加入原料L-氯代薄荷脑和CO2，通电进行电化学反应，生成含薄荷甲酸的反应液；
3)脱除溶剂，提纯得到目标产物薄荷甲酸。
本发明可能的反应机理为：L-氯代薄荷脑(式1所示)在进行电解反应中，经双电子转移得到相应的碳阴离子(式2所示)，碳阴离子与二氧化碳反应形成羧化产物(式3所示)，然后羧化产物质子化形成羧基，最终生成薄荷甲酸(式4所示)。
Figure BDA0003463264910000021
在一些示例中，原料L-氯代薄荷脑和CO2的摩尔比为1:(1-10)，优选1:(1.5-4)。
在一些示例中，所述阳极为金属Mg、Al、Zn中的至少一种或包含Mg、Al、Zn的合金或镀层；所述阴极为金属Pt、Ni、Cu、Ag、Au中的至少一种或包含Pt、Ni、Cu、Ag、Au的合金或镀层。
本发明中，阴极材料对反应选择性至关重要。基于前述阴极材料，不仅可以作为催化剂促进电解反应的高效进行，实验研究发现，其还可以抑制阴极电极的析氢效应，延长电极使用寿命(由于反应体系产生酸，电解副反应产生氢气，会加速阴极腐蚀)，从而保证较高的产品收率。
所述阴极、阳极的形状不对本发明方案构成任何限制，可以为棒状、片状，也可以为网状。
在一些示例中，电化学反应过程中，控制电流密度区间为1200-1800A/㎡，优选1200-1500A/㎡；电解电位区间为1.5-3.0V，优选1.8-2.5V。
本发明在研究中意外的发现，电解电位对反应选择性也具有较大影响。当电解电位区间控制在较低水平，即1.5-3.0V，优选1.8-2.5V时，有利于抑制副产氢气的生成，提高反应选择性。
在一些示例中，电化学反应过程中，反应温度为0-80℃，优选0-60℃，反应压力为0.5-5MPaG，优选2-4MpaG。
在一些示例中，电化学反应的反应时间为3-20h，优选3-10h。
在一些示例中，所述电解质的添加量为L-氯代薄荷脑摩尔量的20-50％，优选20-30％；
优选地，所述电解质为甲醇钾、甲醇钠、乙醇钠、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钠、叔丁醇钾中的一种或多种。
在一些示例中，所述有机溶剂的添加量为L-氯代薄荷脑质量的1-5倍，优选1-2倍；
优选地，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、甲苯、乙苯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙腈中的一种或多种。
在一些示例中，所述电解反应器为无隔膜高压电解反应器。
本发明通过L-氯代薄荷脑和CO2在电解条件下发生电解反应，从而一步法合成L-薄荷甲酸，不仅制备工艺简单、安全环保，而且经反应条件优化可以实现较高的反应选择性，解决了现有工艺流程长、工艺复杂、操作风险高、成本高等问题。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，本发明所述实施例只是作为对本发明的说明，不限制本发明的范围。
主要原料信息：
L-氯代薄荷脑购于北京百灵威科技有限公司，分析纯；
液态CO2购于大连大特气体有限公司，分析纯。
其他试剂均购于国药试剂公司，规格为分析纯。
本发明中使用的阴极、阳极电极为江苏枫港钛材设备制造有限公司生产。
主要检测方法：
实施例涉及到的产物粗品均通过气相色谱进行分析，内标法进行定量。产物纯品通过核磁共振氢谱进行结构分析。
气相分析仪器：安捷伦6890(气相色谱柱型号：Agilent HP-INNOWAX)柱箱温度：80℃；进样口温度270℃；分流比50:1；载气流量：0.9ml/min；升温程序：80℃下保持0min，以15℃/min的升温速率升至250℃，保持10min。
核磁共振仪型号为Bruke400。氢谱(1HNMR)化学位移均以ppm计，CDCl3为溶剂，内标为四甲基硅烷(Me4Si，δ＝0.00ppm)。
【实施例1】
将522.3g L-氯代薄荷脑、42.1g甲醇钾与783.5g甲醇混合溶解，将混合溶液加入到2L高压电解反应器中，N2置换三次，向反应器内通入198.2g的CO2，N2补压至3.0MPaG，将反应器升温至50℃。其中，电解反应器的阳极为Mg，阴极为Ag，阴极阳极均为网状电极，电解面积均为0.1m2。设置电解电位为2.5V，电解电流密度为1300A/m2。反应5h后结束，泄至常压，将反应液在真空度为-0.02MPaG，温度为70℃下回收溶剂，趁热过滤，得到薄荷甲酸粗品556.7g，GC定量分析其中薄荷甲酸为516.7g，反应转化率为98.13％，选择性为95.32％。
1HNMR(CDCl3),δ:0.80(3H,d),0.96(6H,d),1.04(2H,m),1.63(2H,m),1.77(1H,m),2.02(1H,m),2.23(1H,m),2.28(1H,m),11.11(1H,s).
【实施例2】
将348.1g L-氯代薄荷脑、68.1g乙醇钠与1045.1g乙醇混合溶解，将混合溶液加入到高压电解反应器中，N2置换三次，向反应器内通入264.2g的CO2，N2补压至5.0MPaG，将反应器升温至75℃。其中，电解反应器的阳极为Al，阴极为Pt，阴极阳极均为片状电极，电解面积均为0.1m2。设置电解电位为1.8V，电解电流密度为1800A/m2。反应3h后结束，泄至常压，将反应液在真空度为-0.02MPaG，温度为75℃下回收溶剂，趁热过滤，得到薄荷甲酸粗品363.8g，GC定量分析其中薄荷甲酸340.3g，反应转化率为99.06％，选择性为93.25％。
【实施例3】
将174.0g L-氯代薄荷脑、11.2g氢氧化钾与870.6g乙苯混合溶解，将混合溶液加入到高压电解反应器中，N2置换三次，向反应器内通入440.2g的CO2，N2补压至1.0MPaG，将反应器温度调整至30℃。其中，电解反应器的阳极为Zn，阴极为Ni-Ag，阴极阳极均为网状电极，电解面积均为0.1m2。设置电解电位为0.9V，电解电流密度为1500A/m2。反应20h后结束，泄至常压，将反应液在真空度为-0.05MPaG，温度为80℃下回收溶剂，趁热过滤，得到薄荷甲酸粗品181.8g，GC定量分析其中薄荷甲酸162.3g，反应转化率为97.25％，选择性为90.64％。
【实施例4】
将348.2g L-氯代薄荷脑、67.3g叔丁醇钾与452.7g乙腈混合溶解，将混合溶液加入到高压电解反应器中，N2置换三次，向反应器内通入87.8g的CO2，N2补压至0.6MPaG，将反应器温度调整至5℃。其中，电解反应器的阳极为Zn，阴极为Cu-Au，阴极阳极均为片状电极，电解面积均为0.1m2。设置电解电位为1.5V，电解电流密度为1200A/m2。反应10h后结束，泄至常压，将反应液在真空度为-0.02MPaG，温度为80℃下回收溶剂，趁热过滤，得到薄荷甲酸粗品334.6g，GC定量分析其中薄荷甲酸316.3g，反应转化率为93.89％，选择性为91.48％。
【实施例5】
将261.0g L-氯代薄荷脑、67.3g甲醇钠与452.7g二甲基甲酰胺混合溶解，将混合液加入到高压电解反应器中，N2置换三次，向反应器内通入395.9g的CO2，N2补压至2.2MPaG，将反应器温度调整至0℃。其中，电解反应器的阳极为Al，阴极为Cu带0.3μm厚度的Pt镀层电极，阴极阳极均为网状电极，电解面积均为0.1m2。设置电极电位为2.0V，电解电流密度为1600A/m2。反应15h后结束，泄至常压，将反应液在真空度为-0.07MPaG，温度为100℃下回收溶剂，趁热过滤，得到薄荷甲酸粗品252.8g，GC定量分析其中薄荷甲酸229.7g，反应转化率为88.56％，选择性为93.89％。
【对比例1】
将干燥的L-氯代薄荷脑174.1g溶于300ml甲苯和甲基叔丁基醚(体积比1:3)后投入干燥的反应釜内，向反应釜内加入26.7g镁屑和0.05g碘，搅拌升温至回流，继续反应2h。然后，将反应液冷却至0℃，向反应液中缓慢通入CO2气体，控制加入速度在2L/h，保持反应温度在10℃以下，反应2h后开始取样分析，直至L-氯代薄荷脑反应完全。用30mL饱和的氯化铵水溶液淬灭少量未反应的格式试剂中间体，搅拌30min后分液，水相用150ml甲基叔丁基醚萃取。将萃取液与有机相合并，减压脱溶剂，得薄荷甲酸127.7g，反应转化率为79.46％，选择性为87.21％。
【对比例2】
将262.0g L-氯代薄荷脑和67.2g甲醇钠和450.1g二甲基甲酰胺加入到高压电解反应器中，N2置换三次，向反应器内通入396.2g的CO2，N2补压至2.2MPaG，将反应器温度调整至0℃，设置电解反应器阳极为Al，阴极为Cu带0.3μm厚度的Zn镀层电极，阴极阳极均为片状电极，电解面积均为0.1㎡，设置电极电位为2.0V，电解电流密度为1600A/㎡。反应15h后结束，泄至常压，在真空为-0.07MPaG，温度为100℃下回收溶剂，得到反应液中薄荷甲酸粗品141.1g，GC定量得薄荷甲酸130.5g，反应转化率为85.45％，选择性为55.29％。
【对比例3】
将261.0g L-氯代薄荷脑、67.3g甲醇钠与452.7g二甲基甲酰胺混合溶解，将混合液加入到高压电解反应器中，N2置换三次，向反应器内通入395.9g的CO2，N2补压至2.2MPaG，将反应器温度调整至0℃。其中，电解反应器的阳极为Al，阴极为Cu带0.3μm厚度的Pt镀层电极，阴极阳极均为片状电极，电解面积均为0.1m2。设置电极电位为10.0V，电解电流密度为1600A/m2。反应15h后结束，泄至常压，将反应液在真空度为-0.07MPaG，温度为100℃下回收溶剂，得到薄荷甲酸粗品181.8g，GC定量分析其中薄荷甲酸163.0g，反应转化率为86.42％，选择性为68.28％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，该方法以L-氯代薄荷脑及CO2为原料经电化学一步法合成薄荷甲酸，包括以下步骤：
1）在装有阳极、阴极的电解反应器中，加入有机溶剂和电解质，制得混合电解液；
2）向电解液中加入原料L-氯代薄荷脑和CO2，通电进行电化学反应，生成含薄荷甲酸的反应液；
3）脱除溶剂，提纯得到目标产物薄荷甲酸；
原料L-氯代薄荷脑和CO2的摩尔比为1:(1-10)；
所述阳极为金属Mg、Al、Zn中的至少一种或包含Mg、Al、Zn的合金或镀层；所述阴极为金属Pt、Ni、Cu、Ag、Au中的至少一种或包含Pt、Ni、Cu、Ag、Au的合金或镀层；
电化学反应过程中，控制电流密度区间为1200-1800A/㎡；电解电位区间为1.5-3.0V；
电化学反应过程中，反应温度为0-80℃，反应压力为0.5-5MPaG。
2.根据权利要求1所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，原料L-氯代薄荷脑和CO2的摩尔比为1:(1-10)。
3.根据权利要求1所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，电化学反应过程中，控制电流密度区间为1200-1500A/㎡；电解电位区间为1.8-2.5V。
4.根据权利要求1-3任一项所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，电化学反应过程中，反应温度为0-60℃，反应压力为2-4MpaG。
5.根据权利要求4所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，电化学反应的反应时间为3-20h。
6.根据权利要求5所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，电化学反应的反应时间为3-10h。
7.根据权利要求1-3任一项所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，所述电解质的添加量为L-氯代薄荷脑摩尔量的20-50%。
8.根据权利要求7所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，所述电解质的添加量为L-氯代薄荷脑摩尔量的20-30%。
9.根据权利要求7所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，所述电解质为甲醇钾、甲醇钠、乙醇钠、氢氧化钠、氢氧化钾、叔丁醇钠、叔丁醇钾中的一种或多种。
10.根据权利要求7所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，所述有机溶剂的添加量为L-氯代薄荷脑质量的1-5倍。
11.根据权利要求10所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，所述有机溶剂的添加量为L-氯代薄荷脑质量的1-2倍。
12.根据权利要求10所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、甲苯、乙苯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙腈中的一种或多种。
13.根据权利要求1-3任一项所述的合成薄荷甲酸的方法，其特征在于，所述电解反应器为无隔膜高压电解反应器。
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