CN1285342A - 2－酮基－古洛糖酸酯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

在酸性催化剂存在下,使2－酮基－L－古洛糖酸或二丙酮－2－酮基－L－古洛糖酸与C1－C10醇进行酯化反应,制备2－酮基－L－古洛糖酸C1－C10烷基酯,该方法是酯化反应在热表面上的液膜中进行,同时将水除去。

Description

2-酮基-古洛糖酸酯的制备方法
本发明涉及新颖的制备2-酮基-L-古洛糖酸酯的方法。这些酯是合成L-抗坏血酸(维生素C)的重要中间体。
2-酮基-L-古洛糖酸与低级醇，特别是甲醇的酯化，从众多出版物可以了解。
这类反应中，从原理上来说其产率受酯化反应平衡所限制。因此，酯化反应会得益于过量的醇及连续将所产生的水蒸去，而蒸去水可以用共沸蒸馏法等进行。
常规方法中包括Reichstein法，通常选择长时间沸腾方式以达到高度酯化程度，从而得到满意的产率。然而，这会影响纯度，因为2-酮基-L-古洛糖酸及其甲酯在这些条件下均会形成别的副产物。
为减少酯化中的水分，已提出了各种方法，在反应过程中通过连续蒸去水/醇混合物，用分子筛处理蒸去物以及将由此干燥的醇再循环回去，这样可以除去水(波兰专利57042和57573)。可提及的另一可能性包括在反应过程中连续蒸去水/醇混合物，并用新鲜干燥的醇置换该水/醇混合物(EP-A-0535927)。在这两种情况下，必须蒸去大量的醇，这相应地要耗费大量能量。此外，还需要长达10小时的反应时间，因而有发生分解及副反应的危险。
EP-A-0671405描述了在酸性离子交换树脂存在下，使2-酮基-L-古洛糖酸分别与甲醇或乙醇进行酯化，以制备2-酮基-L-古洛糖酸甲酯或乙酯的方法。此反应在填充离子交换树脂的管状反应器中进行，反应物的平均停留时间为10-120分钟。
EP-A-0403993描述了2-酮基-L-古洛酸甲酯的制法，在此法中，酯化仅部分进行，即直到酯化反应达到平衡，反应才进行。在中间阶段，通过加入碳酸氢钠或碳酸氢钾(其量正好够中和该酯溶液)，将未酯化的2-酮基-L-古洛糖酸及存在的杂质沉淀出来，并分离出。
在WO99/03853所述的方法中，2-酮基-L-古洛糖酸以二步酯化法被转化为2-酮基-L-古洛糖酸酯，在第一酯化阶段中生成的溶液至少被部分蒸出以除去反应所生成的水，而所生成的残留物则被用来进行第二阶段酯化。
WO97/43433及US 5391770描述了2-酮基-L-古洛糖酸丁酯的合成，方法是在对甲苯碳酸存在下在丁醇中将2-酮基-L-古洛糖酸回流，然后将反应混合物冷却，使所需产物结晶出来。
DE-A-19829809涉及用催化剂由醇及羧酸制备酯类，并在内部装有填充物的精镏塔中分离出酯的方法。
对经典Reichstein法〔见Reichstein及Grüssner，Helv.Chim.Acta 17，(1934)，311〕的反应产物-二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸(DAK)来说，美国专利2491933提到了除去丙酮的酯化反应，所形成的丙酮作为低沸点物，经过蒸馏塔顶部除去。
此外上述酯化方法仅在有限程度上适合于连续制备法。仅对2-酮基-L-古洛糖酸的甲酯和乙酯报导了其连续制备法。在所有这些反应中，甚至在优化条件下，平均停留时间也需10分钟以上。此外，在反应混合物中仍测出大量剩余水。在这些酯的一些后续反应，如维生素C的合成中，这通常是不利的。
本发明的目的，是提供一种不具有上述缺点的制备2-酮基-L-古洛糖酸酯的方法。
我们业已发现，此目的通过下述方法制备2-酮基-L-古洛糖酸C1-C10烷基酯而达到，该方法是在酸催化剂存在下，使2-酮基-L-古洛糖酸或二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸与C1-C10醇进行酯化反应，其中酯化是在热表面上的液膜中进行的，同时将水除去。
在本发明上述定义中，所谓“液膜”包括由反应混合物形成的薄液膜或可流动的膜或薄层，其厚度为0.05-10mm，优选为0.05-5mm，特别优选为0.1-2mm。这类薄层的形成，例如让液态反应混合物淋下而成，或利用离心力的作用，或以热表面上特殊设计的揩擦器形成。产生这些薄层的典型设备包括向下流动的液膜蒸发器，Sambay及Luwa薄膜蒸发器〔用旋转揩擦叶片或辊形成薄液膜的蒸发器〕，旋转蒸发器及薄膜精馏塔〔例如填充塔和膜塔，有旋转插入器的精馏器(喷雾塔)〕。关于这里所提及的反应器的更详细描述见于UllmannsEncyklopdie der technischen Chemie，第四版，第2卷(1972)，P516，533-537，及652-660，以及第3卷(1973)，P386-388。
从原理上说，所有C1-C10醇均适用于酯化反应，以饱和支化或直链的含3个或多个碳原子的烷基醇为宜，优选含3-6个碳原子烷基的醇，例如正丙醇，异丙醇，1-丁醇，2-丁醇，2-甲基-1-丙醇，2-甲基-2-丙醇，1-戊醇，2-戊醇，3-戊醇，1-已醇，2-已醇，1-庚醇，2-庚醇，1-辛醇，2-辛醇，3-辛醇，1-壬醇，2-壬醇，1-癸醇，2-癸醇及4-癸醇，特别优选选自下面的C3-C8醇：正丙醇，异丙醇，1-丁醇，2-丁醇，2-甲基-1-丙醇，2-甲基-2-丙醇，1-戊醇，1-乙醇及1-辛醇。非常特别优选的醇是正丁醇和正戊醇。
醇的用量，以具体所用2-酮基-L-古洛糖酸或二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸计，为2-10倍过量摩尔优选为3-8倍，更优选为4-6倍。
在酯化反应过程中，无论以溶剂出现的水或在酯化中附带形成的水，均能通过气相以低沸点恒沸混合物从反应空间除去。
如果需要，综合反应以后可以进行相分离(醇/水)，将酯化反应醇再循环使用。然而，循环醇的完全脱水(例如用成膜法或蒸馏法)，通常并不一定需要，因为根据本发明，完全脱水发生在反应空间。
在2-酮基-L-古洛糖酸与C1-C3醇的酯化反应中，因为这些醇的沸点低，所以在用蒸馏法除去水的时候，会发生所不希望的醇损失，并因此降低产率。通过合适地补充反应过程中的醇损失，能再提高酯化速率。
加入酸性催化剂，能以已知的方式催化所述酯化反应。催化剂的用量，相对于每摩尔2-酮基-L-古洛糖酸或二丙酮-2-酮基-L-古洛酸，为0.001-0.2摩尔，优选0.005-0.1摩尔，特别优选为0.005-0.05摩尔。
一般来说，所有已知的均相的或非均相酸性催化剂，均可用作酯化催化剂。
适用的均相催化剂的例子是无机酸及其酯。具体包括磷酸，磷酸单丁酯，磷酸二丁酯，磷酸单戊酯，磷酸二戊酯，硫酸，硫酸单丁酯，硫酸单戊酯，氯化氢，对-甲苯磺酸，甲磺酸，三氟甲烷磺酸，氯磺酸，及三氟乙酸。2-酮基-L-古洛糖酸、二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸或抗坏血酸也可用作酯化催化剂。
硫酸，对-甲苯磺酸，甲磺酸或所用的醇的硫酸单烷基酯被优选使用。硫酸单烷基酯在高于70℃下会消除硫酸〔Popelier，Bull.Soc.Chim.Belg.35(1926)，265〕，然后起催化剂的作用。特别优选的均相酸性催化剂为硫酸及对甲苯磺酸。
上述均相催化剂可以在反应之前与原料之一混合，或者作为分开的物流送入反应器中。
优选将非均相催化剂固定于反应器的热反应区中。文献报导了关于在蒸馏塔中设置非均相催化剂的众多可能计设方案，这些包括静态盘(其中催化剂可安置在盘上或在下流管中)，并且包括涂布的填充物，带有织入催化剂中的绕制和构织的填充物。
适用的非均相催化剂是本身已知的酸性催化剂，优选酸性离子交换剂及沸石。
所述“酸性阳离子交换剂”应理解为市场供应的树脂或detoxans，例如LewatitS100，SP112或Lewatit2631(Bayer)，Amberlite18和IRA120或Amberlyst15或DuoliteC20，C26和C264(Rohm & Haas)或Dowex。
沸石是结晶硅铝酸盐，它具有高有序结构，带SiO4或AlO4四面体的刚性三维网状，它们由共同的氧原子连到一起。硅和铝原子与氧原子的比例为1∶2。含铝四面体的电子价通过在结晶中引入阳离子，例如碱金属或氢原子而予以补偿。因此阳离子的交换成为可能。在沸石用干燥或煅烧法进行脱水之前，四面体之间的空隙被水分子占领。
适用的沸石是pentasil型之类沸石，特别是硅铝酸盐沸石或硅硼酸盐沸石。通过预烘烤，可以调节催化剂的活性，以获得所需反应产物的最佳选择性。
根据本发明，酯化反应在位于热表面上的薄液膜中进行，表面的温度为50-250℃，优选80-200℃，特别优选90-150℃。
反应混合物在热表面上的停留时间为1-400秒，优选20-300秒，特别优选30-250秒。
根据本发明，反应在1-1000毫巴，优选50-1000毫巴，特别优选在500-950毫巴下进行。
优选所述反应器的尺寸要使之能在较短停留时间内完全除去反应生成的水，并因而使酯化反应完全。这保证反应产物的随后反应例如与酯化催化剂的反应得以避免。优选的设备是本身已知的反应塔，特别是描述于Chem.Ing.Techn.43(1971)，1101的类型，并带有洗提区段和精馏区段，以及薄膜蒸发器或下流式蒸发器。
完成该反应的这一方法特别适用于不同时结晶的2-酮基-L-古洛糖酸的酯类，例如2-酮基-L-古洛糖酸丁酯。
除了2-酮基-L-古洛糖酸，也适于在上述条件下以相同方法将二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸进行酯化。同时附带消除该丙酮保护基。消去反应需要两摩尔水，而同时酯化反应中生成1摩尔水。因此最简单的方法是使用二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸的一水合物。反应在与上面所述相同的压力范围及温度范围内进行。在酯化反应过程中把形成的丙酮作为低沸点物蒸去，这在反应开始时进行，或与过量的含水溶剂一起被蒸去，而且在分离及提纯后丙酮可以循环再用，例如用于以经典Reichstein法合成二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸。当使用无水二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸时还必须加入1摩尔水。对本发明新方法来说，优选使用2-酮基-L-古洛糖酸作为原料。此酸可使用结晶形，如巴干燥的晶体，或离心后带水分的一水合物作为无水化合物使用，或使用水溶液如浓缩发醇溶液。
一般来说，从水或含水有机溶剂中结晶得到2-酮基-L-古洛糖酸一水合物。将结晶淤浆离心处理，可得到潮湿的一水合物。作为离心湿润化合物，它可直接用在本发明新酯化反应中，或在温和条件下干燥。
在此新颖方法中，2-酮基-L-古洛糖酸一水合物的干燥和脱水可方便地免去，因为根据本发明，在任何情况下在随后的酯化反应中都要进行共沸脱水。
在该新方法中，酯化反应中2-酮基-L-古洛糖酸的转化实际上高于90％，优选为95-99％。
在30-70℃温度范围冷却时，反应混合物固化。而经加热，则又逆转为熔融态，而不分解。
2-酮基-L-古洛糖酸或二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸的酯化反应可间歇进行，或优先连续进行。在这些条件下，相应的2-酮基-L-古洛糖酸烷基酯在酯化反应的终点以熔融态获得。
在该新方法的特别优选实施方案中，在薄膜蒸发器或在精馏塔中，在硫酸存在下，于90-150℃的热表面上，压力500-950毫巴，停留时间30-250秒条件下，将2-酮基-L-古洛糖酸水溶液与正丁醇连续酯化。
生成的2-酮基-L-古洛糖酸烷基酯能在酸性或碱性条件下以本身公知方法转变为2-酮基-L-古洛糖酸。
本发明新方法有下列优点：
酯化反应既可以间歇法进行，而更有利的是还可以连续法进行，特别是当使用于3个以上原子的醇时，在用蒸馏法除去水时醇的损失可以忽略不计。
与制备2-酮基-L-古洛糖酸酯的参考文献所知方法相比，其停留时间很短，因而一般来说可以采用小尺寸的设备。
反应产物如2-酮基-L-古洛糖酸丁酯可以用常规方法直接分离，或者不再经分离而用于下一步反应。
反应参数，如酯化过程中的温度及原料加入速度可以调节，因而反应混合物中水的含量和/或酯化反应醇的比例趋于零。
我们惊异地发现，在该新酯化反应中，反应器中没有固体形成，虽然2-酮基-L-古洛糖酸在低级醇如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或戊醇中很难溶解，而形成的酯在除去水后以无溶剂的形式出现。
下面的实施例更详细说明本发明新颖方法。
                   实施例1
             在薄膜蒸发器中进行酯化反应
用于酯化反应的实验设备，由一个表面为0.046m2的玻璃薄膜蒸发器、2-酮基-L-古洛糖酸及正丁醇各自一个容器、加入催化量硫酸到进料物流中所用的混合区、以及馏出物容器和高沸点物容器组成。
将2-酮基-L-古洛糖酸水溶液以12克/小时的速度连续加到蒸发器的顶部，同时还以660克/小时的速度加入正丁醇和加入催化量浓硫酸。在900毫巴下，将蒸发器中产生的内温是110℃。反应混合物的平均停留时间约为100秒。在达到稳定态后，以10克/小时的速度从瓶底取出微黄色粘稠状的油。含97％重量2-酮基-L-古洛糖酸正丁酯、0.5％2-酮基-L-古洛糖酸及2.5％正丁醇的反应产物在65℃下固化，生成固态无定形物质。
通过改变平均停留时间、加料速度及蒸发器壁上反应区中的温差，还可能进一步改进产品混合物的成分，使所需产品增加。
                  实施例2
        在没有活性内容物的反应塔中进行酯化反应
反应塔内径为0.044m，由各1m长的精馏区段及洗提区段组成。
所加物料的组成与实施例1相同，在900毫巴下蒸发器温度升至112℃。反应产物组成为2-酮基-L-古洛糖酸正丁酯占98％，2-酮基-L-古洛糖酸占0.1％而正丁醇占1.9％。把产品收集到温度保持在70℃的容器中，然后在鳞片状压辊的冷却表面上把产品变成鳞片状。
                    实施例3
           在有反应区段的反应塔中进行酯化反应
在直径为0.055m的实验塔中进行酯化反应。精馏区段和洗提区段各包括4个填充段，第一段最大长度0.5-1m，填充量为300m2/m3。反应区段由催化剂2填充物形成，含有酯化催化剂(离子交换剂，detoxans，Lewatit2631)。设备在500-950毫巴下操作。反应部份的压力降为30毫巴。
达到稳态时，转化率为99.2％，残留水量为＜50ppm。此外，可检测到少量正丁醇。

Claims (10)

1．在酸性催化剂存在下，由2-酮基-L-古洛糖酸或二丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸与C1-C10醇酯化制备2-酮基-L-古洛糖酸C1-C10烷基酯的方法，其中酯化是在热表面上的液膜中进行的，同时将水除去。
2．如权利要求1所述方法，其中酯化反应在薄膜蒸发器中或在精馏塔中进行。
3．如权利要求1或2所述方法，其中用蒸馏法除去水。
4．如权利要求1-3任一项所述方法，其中反应溶液在热表面上的停留时间为1-400秒。
5．如权利要求1-4任一项所述方法，其中酯化反应在1-1000毫巴下进行。
6．如权利要求1-5任一项所述方法，其中酯化反应在50-250℃的热表面上进行。
7．如权利要求1-6任一项所述方法，其中酯化反应连续地进行。
8．如权利要求1-7任一项所述方法，进行酯化反应的C3-C8醇选自正丙醇，异丙醇，1-丁醇，2-丁醇，2-甲基-1-丙醇，2-甲基-2-丙醇，1-戊醇，1-己醇，及1-辛醇。
9．如权利要求1-8任一项所述方法，其中酯化反应在无机酸、酸性离子交换树脂或酸性沸石存在下进行。
10．如权利要求1-9任一项所述方法，其中2-酮基-L-古洛糖酸的水溶液与正丁醇的连续酯化反应，在硫酸存在下，于薄膜蒸发器或精馏塔中90-150℃的热表面上、压力500-950毫巴、停留时间30-250秒条件下进行。
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