CN1151742A - 杂环醛的制备方法 - Google Patents
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Abstract
杂环醛I的制备(A,B=可取代的亚甲基基团,m,n=1-5,m+n>2)可由羧酸IIa或由其与C1-C10醇反应生成的酯Ⅱb在200℃-450℃下经催化氢化生成杂环醛I。终产物适合作环己烯酮类除草剂的前体。
Description
通式中变量A和B代表可带一个或两个取代基的亚甲基基团,所述取代基在反应条件下呈现惰性,m和n代表1-5的数字,且m+n>2。
通式I所示的醛,其甲酰基接在一个被氧原子打断的饱和环上,这类醛作为中间体具有重大意义。例如4-甲酰四氢吡喃就是环己烯酮类除草剂的一个结构单元(参见EP-A142,741)。
从羧酸或羧酸酯制备醛的方法通常分二步,首先原材料被还原成醇,然后经氧化生成醛。例如,已成功试验从四氢吡喃-4-羧酸甲基酯制备4-甲酰四氢吡喃(参见EP-A546,396和DE-A4,039,918)。
EP-A439,115公开了脂肪族或脂环族羧酸,例如,环己酸在有二氧化铬/二氧化锆作催化剂的条件下可氢化生成相应醛。
EP-A343,640描述了芳香杂环羧酸氢化生成相应醛的方法,所用催化剂必须包括至少一种锌或钇的氧化物,镧系元素的一种氧化物或IVa族元素的一种氧化物如二氧化锆。饱和杂环族化合物未提及。
本发明的目的是将羧酸IIa或羧酸酯IIb经部分氢化直接生成醛I,也就是说,无需经过先生成醇然后再氧化生成醛的间接方法。
适合本发明方法的羧酸IIa和羧酸酯IIb可以在环上带1-3个在反应条件下呈惰性的取代基R,尤其以C1-C3烷基或C1-C3烷氧基为佳。
优选终产物I是那些从羧酸IIa或其羧酸酯IIb衍生而来的,其中含有氧原子的环上有5-7个环原子,也就是说n+m为3-5,而基团R有一个或二个代表C1-C3烷基,其它基团R代表氢原子。这些化合物I尤其是3-甲酰-2-甲基四氢呋喃,3-甲酰-2,4-二甲基四氢呋喃,2-乙基-4-甲酰-四氢呋喃,3-甲酰-5-异丙基四氢吡喃,和3-甲酰-2,7-二甲基-oxepan。在这些终产物I中尤其优选其中杂环无取代基的,例如3-甲酰四氢呋喃和4-甲酰四氢吡喃,尤其后者。
在适合作原材料的酯类中,优选从C1-C10一元醇衍生而来的酯IIb。在这些酯中,一元醇组分中C1-C10烃基无取代基的酯尤其适合,如以下例子:
----特别优选C1-C10链烷醇,尤其C1-C8链烷醇,主要是甲醇、乙醇、
n-丙醇、1-甲基乙醇、n-丁醇、1-甲基丙醇、2-甲基丙醇和1,1-
二甲基乙醇及n-戊醇、n-己醇、n-庚醇、n-辛醇,2-乙基己醇及
----C3-C10-环烷醇,优选C3-C8环烷醇,主要是环戊醇、环己醇和2-甲
基环己醇、2,6-二甲基-环己醇、环庚醇、环辛醇
----C6-C10芳族一元醇,优选苯酚和萘酚或
----C7-C10芳基链烷醇,优选苯基-(C1-C3)-链烷醇,主要如苯甲醇、2-
苯基乙醇和3-苯基丙-1-醇、1-苯基乙醇、2-苯基丙-1-醇、1-苯基
丙-1-醇。
在制备4-甲酰四氢吡喃时,特别优选原材料为四氢吡喃-4-羧酸或其相应甲酯或乙酯。
羧酸IIa和羧酸酯IIb有一些在市场上能买到,或者从某些已知方法可以获取(参见Houben-Weyl,Methoden der Organischen Chemie 4thEdition,Thieme Verlag,Stuttgart,Vol.8,P365 et Seq和P508 et seq)。
适合本发明方法的催化剂优选由75-100重量%,尤其90-100重量%的二氧化锆和/或锰的一种或多种氧化物组成。所用二氧化锆通常具有BET表面积为5-150,优选20-130,特别优选40-120m2/g,此处BET表面积是由Brunauer-Emmett-Teller方法确定的催化剂表面积(参见Z.Anal.Chem.238,P187(1968))。优选用单斜晶二氧化锆以及具有立方或四方晶格的二氧化锆。
锰的氧化物中,主要是Mn(II)氧化物、Mn(III)氧化物和Mn(IV)氧化物及其混合物。其BET表面积范围通常为5-60m2/g,优选BET表面积为10-50m2/g。
在本发明方法的一个优选实例中,所用催化剂除包含二氧化锆和/或锰的一种或多种氧化物以外,还包含0.1-10重量%,尤其0.5-5重量%的铬、钇和/或元素周期表中镧系的一种或多种元素(参见下述“镧系元素”)的一种或多种化合物,优选镧系元素的化合物。
镧系元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。
尤其是镧和镨的化合物以及铈、钐、钕和铕的化合物适合作本发明催化剂组分。
针对本发明,优选那些其中铬或镧系元素至少部分,尤其80重量%以上是以氧化物形式存在的催化剂。
在催化剂的制备中,元素优选以氧化物形式存在或经加热(必要时有水和/或氧气)很容易转化成氧化物的其它化合物形式存在。
对镧系元素来说,这主要包括三价氧化物例如铈(III)氧化物和镧(III)氧化物及它们的氯化物和硝酸盐如镧(III)硝酸盐、铈(III)硝酸盐和镨(III)氯化物和钐(III)氯化物及包括有机阴离子的化合物如乙酸盐和草酸盐,例如铈(III)草酸盐。
对铬来说,主要是铬(III)氧化物和氯化物、硝酸盐和乙酸盐,尤其是铬(III)氯化物和铬(III)硝酸盐适合本发明方法的催化剂制备。
在本发明方法的一个特别优选的实例中,催化剂基本上由二氧化锆组成并且含有0.1-10重量%(尤其是0.5-5重量%)的一种或多种镧系元素的化合物,尤其是镧(III)氧化物。
顺便提一下,痕量元素铁、铝、硅和镁总浓度小于2重量%(以催化剂总重计)时对本发明方法无明显害处。
这些催化剂如果市场上买不到,可以用已知方法获取(参见如Catal.Rev.-Sci.Eng.27,pp341-372(1985))。
这些催化剂可用作载体催化剂,用在传统的隋性载体如二氧化硅或氧化铝上,及尤其用作固体催化剂(Vollkatalysatoren)。它们以挤出物形式存在是适宜的,挤出物优选最大直径为1-5mm,丸状或球状。
下述关于催化剂组成的量与它们的活性材料有关,而与载体材料无关。
羧酸IIa或羧酸酯IIb的氢化优选在250℃-400℃的温度(通常为300℃-380℃)和0.1-20巴的压力下(优选0.8-5巴,尤其是标准压力)进行。
一般来说,本方法在空间速率为0.01-10kg,优选0.01-3kg起始化合物II/kg催化剂·小时进行。
优选反应条件可调节到在氢化阶段存在2-100mol氢气(特别是10-70m0l)/mol II。
作为预防措施,可将一种隋性气体(主要是氮气或水蒸汽和氩)与氢气混合在一起。
特别地,固体化合物II可在一种溶剂中在液相中发生反应,该溶剂(例如烃,如n-己烷或环己烷,或水)在氢化条件下保持隋性,但优选反应在不用溶剂的条件下进行。
在气相中进行的反应时,化合物II以蒸气形式进入反应区,必要时可以借助载气流进入反应区,载气优选用氮气。
优选化合物II的氢化连续进行并且尤其在气相进行,氢化按已知的技术进行,尤其优选在一个催化剂固定床上进行。
在另一个优选的实例中,方法本身特别有利的是,制备4-甲酰四氢吡喃所用的原材料是四氢吡喃-4-羧酸或它与C1-C10醇反应衍生的酯,氢化在有催化剂的条件下进行,该催化剂基本由二氧化锆组成并且含有0.1-5重量%的镧(III)氧化物,方法在300℃-380℃温度及0.8-5巴压力下进行。
从原始反应混合物生成终产物I的方法可以一种已知的方法进行,尤其必要时通过蒸馏除去溶剂并且纯化粗产物,例如蒸馏或结晶。
大多数情况下催化剂可通过加热至300℃-450℃在氧气或空气气流中再生。
在羧酸IIa或羧酸酯IIb的氢化过程中,因过度还原导致副产品的形成降至一个较小的程度。特别是相应的伯醇,可以用已知方法将其氧化生成醛I,如果希望的话。
由于在使用上述适合本发明方法的催化剂的条件下,可成功进行这些醇的氧化,这便使得在本方法中将这些醇循环成为可能,尤其在与起始物IIa或IIb混合在一起以后更为有利。
在某些情况下伯醇与羧酸IIa反应生成酯或与酯IIb反应生成酯基转移产物,这些酯可在本发明方法中转化成醛I,只要将它们,在与新鲜羧酸IIa或羧酸酯IIb混合后在本方法中循环。
例如,合成4-甲酰四氢吡喃时,副产物{4-羟基甲基四氢吡喃和四氢吡喃-4-羧酸(四氢吡喃-4-基-甲基)酯}与未转化的起始化合物(四氢吡喃-4-羧酸酯IIb)在本发明的方法中一起循环而无需预分离,因为上述组分沸点比期望的终产物4-甲酰四氢吡喃高,使后者很容易分离开。
本发明的方法中醛I的产率通常为20-80%,选择性为50-90%。
终产物适合作环己烯酮类除草剂的中间体(参见EP-A 142,741)。
实施例
在以下实施例中,一些催化剂从市场上能买到,其它由我们自己制备。
A)催化剂的制备
挤出物形式的单斜晶二氧化锆(直径为3mm)(Norton,Akron,Ohio生产)及片状氧化锰(MnO,从MnCO3制备,参见Hollemann-Wiberg,Lehrbuchder anorganischen Chemie,81st-90th Edition,Verlag Walter deGruyter,Berlin,P905)浸渍在镧系元素硝酸盐、钇(III)硝酸盐或铬(III)硝酸盐的含水溶液中,将其完全混合并在室温中保持2小时。如此制取的催化剂在120℃下干燥15小时并在400℃-500℃下在空气流中加热2-4小时。
B)4-甲酰四氢吡喃的制备
每小时将10克四氢吡喃-4-羧酸甲基酯在250℃-300℃下蒸发,并在直径为25mm的管状反应器中与100升氢气在100g KAT催化剂上反应,催化剂如表所述掺杂,催化剂表面积为S,反应温度为T。连续提取的粗产物经浓缩并经气相色谱法定量分析制成的4-甲酰四氢吡喃。
实验细节和结果综述在下表。表4-甲酰基四氢吡喃的制备
序号 | KAT | 掺杂 | 掺杂浓度(Gew.-%) | S[m2/g] | T[oC] | 4-甲酰四氢吡喃 | ||
转化率(%) | 产率(%) | 选择性(%) | ||||||
1 | ZrO2 | - | - | 42 | 350 | 62,5 | 39,3 | 62,8 |
2 | ZrO2 | La | 3 | 51 | 330 | 48,9 | 39,7 | 81,2 |
3 | ZrO2 | La | 3 | 96 | 330 | 51,9 | 37,2 | 71,7 |
4 | ZrO2 | La | 3 | 51 | 350 | 68,7 | 50,5 | 73,5 |
5 | ZrO2 | Ce | 3 | 51 | 350 | 50,0 | 36,1 | 72,2 |
6 | ZrO2 | Pr | 3 | 51 | 350 | 65,7 | 47,8 | 72,8 |
71) | ZrO2 | La | 3 | 96 | 350 | 100 | 76,0 | 76,0 |
8 | ZrO2 | Y | 3 | 92 | 330 | 54 | 37,1 | 68,7 |
9 | MnO | - | - | 44 | 370 | 57,3 | 36,1 | 63,0 |
1)起始化合物:四氢吡喃-4-羧酸
C)4-甲酰四氢吡喃的制备中试规模
每小时将130克四氢吡喃-4-羧酸甲酯在250℃下蒸发,并在直径为24mm长4m的管状反应器中与1200升氢气经1700ml催化剂2反应,反应温度为330℃-355℃。连续被提取的粗产物经浓缩和气相色谱定量分析。试验持续2700小时。醛的平均产率为52%(选择性为83%)。
D)4-甲酰四氢吡喃(FTHP)的制备中试规模并将副产物循环
所用方法按照C项,但连续被提取的粗产物浓缩后收集起来,收集7天的粗产物,然后分批蒸馏(5m Sulzer CY填料,理论分离级数约为50),按照所述蒸馏法提纯后,未转化的四氢吡喃-4-羧酸甲酯(THPE),4-羟基甲基四氢吡喃(HMTHP)和四氢吡喃-4-羧酸(四氢吡喃甲基)酯(THPPE)在氢化段循环。多次循环以后,便可建立以下稳态量比:
给料(21.8kg/7天):
---THPE(新鲜) 11.3kg(78mol)
---THPE(循环) 1.0kg(7m0l)
---HMTHP(循环) 6.7kg(58mol)
---THPPE(循环) 2.1kg(9mol)
---其它副产物 0.7kg
蒸镏提纯:
---馏分1:甲醇+低沸点物(沸点38-80℃/300毫巴)2.5kg
---馏分2:FTHP (沸点 81℃/30毫巴) 8.0kg(70mol)
---馏分3:THPE (沸点 94℃/30毫巴) 1.0kg(7mol)
---馏分4:HMTHP (沸点 118℃/30毫巴)6.8kg(59mol)
---馏分5:THPPE (沸点 165℃/5毫巴) 2.1kg(9mol)
中间馏分在下一次蒸馏中再利用,有用的残余物因此回收。利用蒸馏方法,4-甲酰四氢吡喃的产率(以新鲜THPE计)为90%,纯度>99%。
Claims (10)
2.权利要求1定义的方法,其特征在于,氢化是在气相中进行的。
3.权利要求1或2定义的方法,其特征在于,催化剂基本上由二氧化锆和/或锰的一种或多种氧化物组成。
4.权利要求1-3所定义的方法,其特征在于,所用催化剂含0.1-10重量%的铬的和/或元素周期表中镧系元素的一种或多种元素的一种或多种化合物。
5.权利要求4定义的方法,其特征在于,催化剂中铬和/或元素周期表中镧系元素的化合物至少部分以氧化物形式存在。
6.权利要求1-5所定义的方法,其特征在于,所用催化剂基本上由二氧化锆和0.1-10重量%元素周期表中镧系的一种或多种元素的化合物组成。
7.权利要求1-6所定义的方法,其特征在于,所用催化剂基本上由二氧化锆组成并且含有0.5-5重量%镧(III)氧化物。
8.权利要求1-7所定义的方法,其特征在于,应用单斜晶二氧化锆。
9.4-甲酰基四氢吡喃的一种制备方法,其特征在于,四氢吡喃-4-羧酸或由其与C1-C10醇反应衍生成的酯在一种催化剂的存在下氢化,该催化剂基本上由二氧化锆组成并且含有0.1-5重量%的镧(III)氧化物。
10.权利要求1定义的方法,其特征在于,期望的产物I从氢化混合物中分离出来,并将包括----与醛I对应的醇
和/或----羧酸IIa与所述醇反应生成的酯或酯IIb的副产物经所述方法再处理,任选与起始物IIa或IIb一起处理。
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