CN1250045A - 用于酯基转移α－酮羧酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了在锡催化剂、钛催化剂、锆催化剂或锂催化剂、或乙酰丙酮盐催化剂的存在下,在作为反应介质的无水醇中,酯基转移α－酮羧酸酯的方法。
Description
α-酮羧酸，如丙酮酸乙酯(PAEE)可用于多种领域，如用作农业和药物活性化合物的中间体、溶剂等。但已经证明，迄今所采用的各种制备方法由于经济和技术方面的许多不同原因而不适用。因此，例如，按照类似于丙酮酸甲酯(PAME)的制备方法，在乙醇中以甲基丙烯酸乙酯为原料而不是在甲醇中以甲基丙烯酸甲酯为原料，通过臭氧分解、然后还原来制备PAEE就明显存在缺点。首先，甲基丙烯酸乙酯明显比甲基丙烯酸甲酯昂贵；第二，副产物甲醛在乙醇作为溶剂的情况下不能完全缩醛化，结果残余量的甲醛会影响进一步的后处理；第三，由于形成了较重的甲醛二乙缩醛，在后处理时就必须燃烧更多的副产物；第四，在PAEE二乙缩酮情况下的缩酮分解比PAME二甲缩酮时更难进行。
按照J.Liebigs Ann.Chem.，564，34(1949)，通过用无水乙醇和苯酯化丙酮酸，然后在K2CO3上干燥三元共沸物乙醇/苯/水，所得PAEE的产率只有53％。
研究认为，可通过酯基转移PAME来制备PAEE。
但迄今为止，这种制备方法在归因于α-酮羧酸结构因素的分子多活性方面令人失望。因此，在碱性介质中进行酯基转移时，羰基与相邻的活化甲基或亚甲基迅速进行缩合，形成非所需的副产物；而在酸性介质中时，则形成缩酮和水，水又导致酯的非所需水解。此外，在大约中性的条件下，又达不到可接受的转化率。
现已令人惊奇地发现，通过在反应介质中采用特殊的金属催化剂和无水条件，α-酮羧酸酯的酯基转移反应可达到良好的产率，同时没有副反应。
因此，本发明涉及一种使用醇来来进行酯基转移α-酮羧酸酯的方法，其中包括：在锡催化剂、钛催化剂、锆催化剂或锂催化剂或乙酰丙酮化物催化剂的存在下，在作为反应介质的无水醇中，进行酯基转移反应。
按照本发明，具有式I所示结构的所有α-酮羧酸酯都可被酯基转移。
本文中的R1和R2可以是饱和或不饱和、直链或支链或环状的C1-C30烷基或芳族或杂芳族基团，其中这些基团可具有各种取代基，如C1-C10烷氧基、取代氨基、羰基、衍生羧基和未衍生羧基、酯基、卤素、羟基、硝基取代基、以及其它的含氮官能团的化合物、硼化合物、磷化合物、硫化合物或硅化合物，必须注意，为了防止缩合反应或酸催化下的缩酮反应，非中性的反应性官能团要基本上以分子内方式或通过加入酸或碱或溶剂进行中和。R1和R2优选为C1-C4烷基，如甲基、乙基、丙基或异丙基、或苄基。特别优选甲基。
按照本发明的方法优选用于酯基转移丙酮酸甲酯(PAME)。优选的酯基转移产物为丙酮酸乙酯(PAEE)。
酯基转移反应是在无水反应介质中进行的。本发明所用的反应介质为醇R3-OH，其中R3为用作同R1交换的基团。因此，R3定义同R1和R2，其中R1和R3不同。
因此，R3优选为直链或支链的C2-C6烷基或苄基。
因此，PAME优选在无水乙醇中，通过本发明的方法形成PAEE。
除了所用的醇，还可以使用其它无水溶剂，如未取代和取代的烷烃，如己烷、庚烷等、烯烃、炔烃、醇、取代胺、酰胺、芳族化物、酯、醚、卤素化合物、杂芳族化物、内酯、酮、其它含氮化合物，如硝基烷烃、硅化合物，如硅油、含硫化合物，如亚砜，但同样必须注意，为了防止缩合反应或酸催化下的缩酮化反应，非中性反应性官能团要基本上以分子内方式、或通过分别向醇组分或酯组分中加入酸性或碱性物质进行中和。
按照本发明，所述的酯基转移反应在特殊的金属催化剂的存在下进行。合适的催化剂选自锡催化剂二羧酸二烷基锡，如二羧酸二丁基锡，特别是二乙酸二丁基锡、二月桂酸二丁基锡、二异辛酸二丁基锡、马来酸二丁基锡、和混合二羧酸二丁基锡，尤其是具有长链脂肪酸酯基的二羧酸二丁基锡；二羧酸二辛基锡，特别是二月桂酸二辛基锡；三烷基醇化锡，如三丁基氧化锡；单烷基锡化合物，如二羟基单丁基氯化锡和单丁基二氧化锡；锡盐，如乙酸锡、草酸锡和氯化锡；锡氧化物，如SnO，
选自钛催化剂、单体或聚合钛酸酯和钛螯合物，如原钛酸四异丙基酯、原钛酸四丙基酯、原钛酸四乙基酯、原钛酸四丁基酯、原钛酸四异丁基酯、钛酸2-乙基己酯、钛酸硬脂基酯、钛酸甲酚酯、乙酰丙酮钛、三乙醇胺的钛酸酯、钛酸辛二醇酯、钛酸异硬脂基酯、钛酸柠檬酸二乙基酯，
选自锆催化剂、锆酸盐和锆螯合物，如锆酸四丙基酯、锆酸四异丙基酯、锆酸四丁基酯、三乙醇胺的锆酸酯、锆酸柠檬酸二乙酯、乙酰丙酮锆(IV)，
和锂催化剂，如锂盐，醇锂，以及乙酰丙酮铝(III)、乙酰丙酮铬(III)、乙酰丙酮铁(III)、乙酰丙酮钴(II)、乙酰丙酮镍(II)和乙酰丙酮锌(II)。
优选二乙酸二丁基锡、具有长链脂肪酸酯基的混合二羧酸二丁基锡、二月桂酸二辛基锡、二羟基单丁基氯化锡、单丁基二氧化锡、乙酸锡、草酸锡、氯化锡、原钛酸四异丙酯、原钛酸四丙酯、原钛酸四乙酯、原钛酸四丁酯、锆酸四丙酯、锂盐和醇锂、以及上述乙酰丙酮盐。
特别优选二乙酸二丁基锡、原钛酸四异丙酯、原钛酸四乙酯。
催化剂的用量以重量计为0.0001-20％重量，优选0.005-5％重量，特别优选0.02-1％重量。反应混合物优选加热至反应混合物体系的沸点，因此反应温度为20-200℃，这取决于反应物的情况。此外，酯基转移反应可在常压下进行，但也可在0.001-200巴的减压或过压下进行。优选连续蒸除掉在酯基转移反应中消去的醇。优选使用具有高分离效率的蒸馏塔来进行反应。
在酯基转移反应完成之后，可通过水洗，水解该催化剂，然后过滤沉淀的金属氧化物；或优选在薄膜或短程蒸发器上，从催化剂中蒸馏出产物，可以较好产率分离出催化剂。
通过本发明的方法，转化率可高达99％以上，因此，在不回收未反应原料的情况下，产率高达96％以上。通过回收未反应原料，产率可高达97％以上。由于酯基转移反应的条件温和，可得到纯度高达99.9％以上的产物。
实施例1：
使用二乙酸二丁基锡将PAME酯基转移成PAEE，其中不回收PAME
在具有25-塔板泡罩板式塔和回流分流器的蒸馏装置中，将800克(7.8摩尔)丙酮酸甲酯(99.8％，GC分析结果)和900克乙醇(无水)加热至沸腾。在100％回流下，测试塔顶处的馏出物为无水(KarlFisher法，低于0.1％水)。然后，加入0.31克二乙酸二丁基锡在乙醇中的10％溶液。在酯基转移反应形成的甲醇100％回流的条件下，在塔顶处再收集2小时，然后在回流与收集的比率为20∶1的条件下进行蒸馏。向蒸馏底相加入乙醇，保持反应容器的物料填充水平恒定。12小时之后，反应事实上已经完成。这可通过在蒸馏塔顶部收集的甲醇量的降低而容易看出。然后在减压下蒸馏掉过量的乙醇，底部温度不超过约90℃。在80毫巴的减压下，在薄膜蒸发器上，去除剩余反应溶液中的锡催化剂(30克的含锡蒸馏底相)。通过在50毫巴下进行分馏，得到纯度为99.8％(GC)的丙酮酸乙酯800克(7.6摩尔)。产率为96.7％。
在使用水含量为0.6％(KF)的乙醇的对比实验中，反应12小时之后，除了所需产物，GC-MS分析还发现丙酮酸甲酯和丙酮酸乙酯的二甲基、二乙基和混合甲基乙基缩酮。在后处理过程中，得到155克的不再可利用的薄膜蒸馏底相。分馏之后，得到纯度为97.1％(GC)的丙酮酸乙酯755克(6.3摩尔)。产率为81％。
实施例2；
使用二乙酸二丁基锡将PAME酯基转移成PAEE，其中回收PAME
按照实施例1的方式，使1000克(9.8摩尔)丙酮酸甲酯、1100克乙醇和0.39克二乙酸二丁基锡进行反应。8小时之后，停止反应。将反应混合物按照实施例1的方式进行后处理。剩下25克的含锡蒸馏底相。通过分馏，得到可用作下一实验的起始原料的纯度为98％(GC)的未反应丙酮酸甲酯201克(2摩尔)和纯度为99.9％(GC)的丙酮酸乙酯884克(7.6摩尔)。基于反应的丙酮酸甲酯，丙酮酸乙酯产率为97.3％。
实施例3：
使用异丙醇钛(IV)将PAME连续酯基转移成PAEE
将1000克(9.8摩尔)丙酮酸甲酯和20克异丙醇钛(IV)溶解在750克乙醇中。在蒸馏装置的底部，该装置包括塔、具有回流分流器的冷凝器、用于反应物和产物的容器室以及用于加料和产物流出料及用于抽空装置的泵，在低真空度(395毫巴)下加热300毫升乙醇。然后在5小时内，以恒定速率，将起始原料装入塔的上方第三塔板处。这时，连续向塔的底部再加入790克乙醇，底部温度保持在66℃。通过反应混合物的连续出料，保持底部容器的物料填充水平在约300毫升处。在塔顶处，在回流与收集的比率为1∶1的条件下蒸馏掉所生成的甲醇。在加完起始原料之后，将在塔底的所有反应混合物混合在一起，然后按照实施例2的方式进行后处理。剩下80克的含钛的薄膜蒸馏底相。通过分馏，得到158克(1.55摩尔)未反应丙酮酸甲酯和纯度为99.7％(GC)的丙酮酸乙酯899克(7.7摩尔)。基于反应的丙酮酸甲酯，丙酮酸乙酯产率为94％。
Claims (10)
1.一种使用醇来进行酯基转移α-酮羧酸酯的方法，该方法包括：在锡催化剂、钛催化剂、锆催化剂或锂催化剂、或乙酰丙酮盐催化剂的存在下，在作为反应介质的无水醇中，进行酯基转移反应。
2.根据权利要求1的方法，其中，具有式I所示结构的α-酮羧酸酯用式R3OH醇进行酯基转移：
其中R1、R2和R3是直链或支链或环状的、饱和或不饱和的C1-C30烷基、芳基或杂芳基，且R1和R3不同。
3.根据权利要求1的方法，其中，具有式I所示结构的α-酮羧酸酯用醇R3OH进行酯基转移，其中R1和R2是直链或支链C1-C4烷基或苄基，其中R3为不同于R1的直链或支链的C2-C6烷基或苄基。
4.根据权利要求1的方法，其中丙酮酸甲酯在无水乙醇中经过酯基转移反应形成丙酮酸乙酯。
5.根据权利要求1的方法，其中所述的催化剂的用量以重量计为0.0001-20％重量，优选0.005-5％重量，特别优选0.02-1％重量。
6.根据权利要求1的方法，其中所用的催化剂选自锡催化剂二乙酸二丁基锡、二月桂酸二丁基锡、二异辛酸二丁基锡或马来酸二丁基锡和具有长链脂肪酸酯基的混合二羧酸二丁基锡、二月桂酸二辛基锡、二羟基单丁基氯化锡、单丁基二氧化锡、乙酸锡、草酸锡或氯化锡。
7.根据权利要求1的方法，其中所用催化剂选自钛催化剂原钛酸四异丙酯、原钛酸四丙酯、原钛酸四乙酯或原钛酸四丁基酯。
8.根据权利要求1的方法，其中所用催化剂选自锆催化剂锆酸四丙酯。
9.根据权利要求1的方法，其中：使用属于乙酰丙酮盐的乙酰丙酮铝(III)、乙酰丙酮铬(III)、乙酰丙酮铁(III)、乙酰丙酮钴(II)、乙酰丙酮镍(II)或乙酰丙酮锌(II)作为催化剂。
10.根据权利要求1的方法，其中所述酯基转移反应是在还有其它溶剂的存在下进行的。
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