CN1310863C - 假紫罗酮和紫罗酮的连续制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制备通式I和I’的假紫罗酮及其异构体的连续方法，见右式(I)和(I’)，其中R1为CH3或见右式(II)，R2、R3各自为氢、CH3或见右式(I”)，C2H5，R4、R5各自为氢或CH3，该方法通过将式(II)的醛与过量的通式(III)的酮，在均匀溶液中于升高的温度下在水和碱金属氢氧化物存在下反应，其中R1、R2和R3各自如上文定义。本发明方法的特征在于：a)在10～120℃的温度下混合醛、酮和含水碱金属氢氧化物的均匀溶液，然后b)除去尚未溶于所述反应混合物的水和碱金属氢氧化物，c)随后在高于最低沸点组分的沸点10～120℃的温度以及106～107Pa的蒸气压p下将所述均匀的反应混合物在避免返混的同时通过可提供2～300分钟停留时间的反应器，d)在减压下冷却所述反应混合物，e)以逆流方式用蒸气从所述反应混合物中除去所述酮和f)干燥粗制产物并用精馏塔从中除去过量的醛和次级组分。
Description
本发明涉及用于制备假紫罗酮以及可选择地其随后环化成紫罗酮的连续方法。优选的是用于制备如下化合物的方法例如6-甲基庚-3，5-二烯-2-酮、假紫罗酮、甲基假紫罗酮、二甲基假紫罗酮、假鸢尾酮、甲基假鸢尾酮和二甲基假鸢尾酮及其环化产物、α-、β-和γ-紫罗酮、α-、β-和γ-甲基紫罗酮(n-形式、iso-形式或混合物)以及同系物。这些物质作为香料和香料中间体具有巨大的经济意义。假紫罗酮自身又是用于制备维生素E和A以及类胡萝卜素的重要中间体。β-紫罗酮是用于制备维生素A和类胡萝卜素的重要中间体。
对于由柠檬醛制备假紫罗酮而言，已知许多方法。
PL 147748描述了通过于56℃在碱性离子交换剂上缩合柠檬醛和丙酮而制备紫罗酮的方法。根据该方法，将丙酮和柠檬醛在烧瓶中与所述催化剂间歇搅拌5小时。该方法的缺点在于非常低的时空收率。
DE-A 33 19430教导了通过在管式反应器中于100～280℃、10～60巴在氢气存在下在混合的金属催化剂上缩合甲基酮和不饱和醛而制备高级酮的方法。
在US 4,874,900中描述了通过使用LiOH作为催化剂将柠檬醛与丙酮反应而制备假紫罗酮的方法。根据该方法，在-20～240℃的温度下间歇或连续地进行反应。调节压力以使所述反应混合物在适当的温度下保持液相。在间歇操作的情况下，在釜中搅拌反应物并当反应完成时滤出催化剂，然而，在连续方式中，将预先混合的反应物泵送通过填充催化剂的塔。在这两种情况下，在反应结束后用CO2中和反应混合物并将过量的酮滤出。该方法中，在丙酮与柠檬醛的摩尔比为20的条件下，得到89.5％柠檬醛的收率。这些低收率对于工业规模的方法而言不能令人满意。
DE-A 31 14071描述了通过在升高的温度下将醛与过量的酮反应而制备假紫罗酮的方法。
现有技术还公开了许多用于假紫罗酮随后环化成紫罗酮的方法。例如，已知的是在用酸例如浓硫酸或磷酸环化假紫罗酮的作用中得到α-和β-紫罗酮的混合物。这些化合物的形成量的比例很大程度上取决于反应发生的条件。
在用浓硫酸环化的情况下，其中环化作用剧烈放热，为了防止局部热点，重要的是非常迅速地除去反应热。为此目的，在已知的方法中向反应混合物加入稀释剂。
本发明的一个目的在于开发出一种用于制备假紫罗酮以及如果合适的话随后环化成相应紫罗酮的方法，其与现有技术相比需要较少的原料且以每份原料计生成更多的产物。
1.根据本发明，所述目的通过提供一种用于制备通式I或I’的假紫罗酮及其异构体的连续方法而实现，
或
其中R1为
CH3或
R2、R3各自为氢、CH3或C2H5，
R4、R5各自为氢或CH3，
该方法通过将式(II)的醛
与过量的通式(III)的酮
在均匀溶液中于升高的温度下在水和碱金属氢氧化物存在下反应，其中R1、R2和R3各自如上文定义，所述方法包括
a)在10～120℃的温度下混合醛、酮和含水碱金属氢氧化物的均匀溶液，然后
b)除去尚未溶于所述反应混合物的水和碱金属氢氧化物，
c)随后在高于最低沸点组分的沸点10～120℃的温度以及106～107Pa的蒸气压p下将所述均匀的反应混合物在避免返混的同时通过可提供2～300分钟停留时间的反应器，
d)在减压下冷却所述反应混合物，
e)以逆流方式用蒸气从所述反应混合物中除去所述酮和
f)干燥粗制产物并用精馏塔从中除去过量的醛和次级组分。
优选的是使用本发明的方法制备6-甲基庚-3，5-二烯-2-酮、假紫罗酮、甲基假紫罗酮、二甲基假紫罗酮、假鸢尾酮、甲基假鸢尾酮和二甲基假鸢尾酮及其异构体。
根据本发明所用的醛优选为柠檬醛、香茅醛和2，6-二甲基辛醛，以及任何直链或支化、饱和或不饱和的具有1～10个碳原子的醛，所用的酮优选为丙酮、2-丁酮或者2-或3-戊酮。
含水碱金属氢氧化物指的是氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂的水溶液，但是优选氢氧化钠溶液。所用的碱金属氢氧化物的浓度为0.005～50重量％，优选1～15重量％。
所述异构体指的是所述假紫罗酮或紫罗酮的所有可能的位置异构体或双键异构体。
本发明的方法中，在10～120℃下、优选低于50℃的温度下仅向所述醛、酮和水反应物的均匀混合物中加入其量可在密切混合后均匀溶解的碱金属氢氧化物溶液。除去分离的任何水和碱金属氢氧化物，之后在高于最低沸点组分的沸点10～120℃的温度以及106～107Pa压力p下(其中p为所述反应混合物在反应温度下的蒸气压)将所述均匀的反应混合物在避免返混的同时通过可提供2～300分钟、优选5～30分钟停留时间的反应器。通过减压冷却所述反应混合物，在此期间一部分所述过量酮蒸发并可将其供入再循环，然后以逆流方式用蒸气将所述酮从该反应混合物中除去，所述蒸气包含足量的挥发性酸以中和所述催化剂碱，并得到pH值4～9。随后，干燥粗制产物并用精馏塔、优选用隔离壁塔除去过量的醛和次级组分，例如DE-A 3302525或EP-A 804 951中所公开的。
本发明进一步提供了用于制备通式(IV)、(V)和(VI)的紫罗酮及其异构体的连续方法，其包括将通过本发明方法得到的假紫罗酮转化成通式(IV)～(VI)的紫罗酮
α-异构体 β-异构体 γ-异构体
(IV) (V) (VI)。
令人惊讶的是，当在所述反应器中于低于工艺温度下将酮和醛的混合物仅与其量可均匀溶解的碱金属氢氧化物溶液混合时可以抑制在通过碱金属氢氧化物的多相催化中、尤其是在处理所述反应混合物中作为副反应出现的次级和分解产物的形成，并在管式反应器中于自生压力下在不必进一步混合的条件下使得以碱金属氢氧化物水溶液饱和的所述均匀混合物达到希望的反应温度。
有利的是在所述反应器的入口处除去出现的尚未溶于所述混合物中并因此过量的任何碱金属氢氧化物溶液。这可以在所述反应器上游附加的分离器或并入所述反应器底部的分离器中实现。同样有利地可以通过将高浓度(即约10～50％、优选35～45％)的碱金属氢氧化物溶液计量入所述反应混合物中而从待再循环的酮中除去过量水，这样使得所述反应混合物脱水并且将所需量的碱金属氢氧化物溶解于所述反应混合物中。
为了实现基于所用醛的最佳收率，所述反应以5～50倍、优选20～25倍摩尔过量酮进行。于107～109mPaabs的压力下在反应区的下游除去未转化的酮级分并将其供回用于所述合成的新鲜酮中。
令人惊讶地，所述醛-酮混合物的含水量同样特别重要。这显然决定了可均匀溶解于所述醛-酮混合物中的碱金属氢氧化物的量。所述醛-酮混合物中的含水量应当为1～15重量％。所述溶解的碱金属氢氧化物的量又决定了转化率，并且会影响不希望的副产物的出现。这与在反应器上游除去过量碱是有利的这一事实相符。与现有技术相对照，这可以防止接近反应终点时由于含水量因反应水而增加引起碱金属氢氧化物进一步溶解于所述反应混合物中，这种进一步溶解在此阶段会促进副产物的形成。后者尤其在敏感的不饱和醛(例如柠檬醛)的情况下具有重要影响并会减少收率。
所述水有利地通过处于所述酮组分中的部分供入该工艺中并通过对所述反应混合物进行蒸气气提而在所述反应器的下游产生。经济意义在于这使得可以以技术复杂性和能量强度低的方式除去所述过量酮，因为再循环之前的复杂干燥变得多余。作为选择，同样可以以醛和酮的无水混合物进行并通过使用非常稀的碱金属氢氧化物溶液而在所需水(约1～15重量％)中混合。相反地，当混入浓缩的碱金属氢氧化物溶液时，可以使用含水量非常高的醛和酮的混合物。在这种情况下，为了防止不可控地开始所述反应，需要较低的混合温度。同时，碱金属氢氧化物的消耗增加，因为其仅仅部分地转移进入所述有机相中。其部分地使所述醛-酮混合物脱水并不得不将其除去和进行处理。
在管式反应器中于自生压力下加热所述均匀的反应溶液，并调节给定停留时间下的反应温度以使得所述醛组分的转化率为60～98％，优选85～95％，除去未转化的醛并将其再循环进入所述反应中。所述管式反应器的尺寸应当使得所述平均停留时间为2～300分钟，优选5～30分钟，这样致使存在非常少量的返混。更高的转化率需要不成比例地提高所述反应温度，这会促进副产物形成。较低的转化率使得较低的反应温度成为可能，这样可以抑制所述副产物的出现，但是所述酮和醛的再循环料流增加并因此导致该方法的能量需求增加。
所述管式反应器中，必须最大限度地减少返混。这可以通过足够大的反应器直径以避免湍流而实现或者通过任何类型的层流内部构件而实现。这是令人惊讶的并且与现有技术相反，现有技术例如DE-A 31 14 071中管式反应器的设计必须使得在反应条件下存在足够的湍流。
将所述反应混合物减压至标准压力，在此期间其通过蒸发一部分过量酮而冷却。在逆流塔中通过其中加入了等摩尔量的挥发性酸的蒸气而将残留酮除去，在此期间所述催化剂碱被所述冷凝物中和并稀释。塔填料的使用可确保在塔顶除了酮和水之外还获得其量不明显的其它产物，并且有利地调节该塔的回流量以使得所述酮与所需量的水一起除去。酸的用量有利地使得在这一点上获得有助于进一步处理的pH值4～9。当除去所述水相之后，通过将其加热并喷射入保持在降低的压力下的闪蒸器中而干燥所述粗制产物。从那里，将所述混合物转移入精馏塔，其中在降低的压力下纯化所述不饱和酮以除去其中的杂质，并除去未转化的醛，从那里将其供入再循环。所述再循环有利地在隔离壁塔中进行，如EP-A 804 951中所述的，其优选具有2个侧线采出以便在一个步骤中同时以足够纯度得到两个主要级分(产物和醛)。
当采用柠檬醛作为所述醛组分以及2-丁酮作为所述酮组分时，上述方法具有非常特殊的重要性。形成70～97％n-甲基假紫罗酮和3～30％ iso-甲基假紫罗酮的典型混合物并且可环化产生甲基紫罗酮的典型混合物。甲基紫罗酮以变化很大的异构体比率存在。其各自被香料工业大量用于生产工业香料。由于各异构体比率的香味特征稍有不同，因此一旦使用时异构体比率的再现性是最重要的。
为了制备相应的紫罗酮，将所得到的假紫罗酮的混合物与高度浓缩的(即约50～约98％)硫酸在反应条件下呈惰性的稀释剂的存在下反应，更有利地如DE 196 19 557中所描述的。与其不同的是，当环化和水解之间保持＞10秒的停留时间时，＜20℃的环化温度和＜90％的硫酸浓度是有利的。对于甲基紫罗酮的情况，于约25℃在约2分钟的停留时间下约89％的硫酸浓度是有利的，该情况下几乎全部得到β-异构体，而α-n-和γ-n-甲基紫罗酮被抑制至约1％。对于假紫罗酮的情况，用89％硫酸以高收率形成几乎全部β-紫罗酮，而α-紫罗酮和γ-紫罗酮仅在1％范围内并可以毫不困难地在所述纯化蒸馏中从塔顶除去。
下列实施例详细说明本发明，但不是对其进行限制。
实施例1
假紫罗酮的制备
混合370kg/h的柠檬醛(2.43kmol/h)、约26kg/h的再循环柠檬醛、3800kg/h的含水95％丙酮和30kg/h的5％含水NaOH。这样形成均匀的溶液，作为预防措施将其通过相分离器。当含水量或NaOH含量高于规定值时，在混合步骤之后水相会分离并且必须将其分离出来。加热所述混合物至108℃并泵送通过160升管式反应器。反应热将所述混合物进一步加热至约112℃。在约2分钟的停留时间下，得到了约93％的转化率。
来自所述管式反应器的反应混合物减压至标准压力。在此期间，蒸馏出约2000l/h的丙酮，而且产物溶液冷却至约60℃。随后，所述混合物在逆流方式用约700kg/h的蒸气除去残留的丙酮。将足量的乙酸加入到所述蒸气中以使得所述混合物中的氢氧化钠溶液中和并且流出的含水混合物的pH值为4～5。将所述丙酮再循环进入该过程中。
除去水相之后，在约100℃和约50毫巴下干燥并在具有2个侧线采出的隔离壁塔中蒸馏纯化。在下部侧线采出处，得到约400kg/h纯度为98％的假紫罗酮(GLC面积％，所有异构体总量)。在上部侧线采出处，得到约26kg/h的柠檬醛(所有异构体总量)并将其连续地再循环入所述过程中。
实施例2：
甲基假紫罗酮
混合110kg/h的柠檬醛(0.72kmol/h)、约20kg/h的再循环柠檬醛(0.13kmol/h)、1800kg/h的含水82％2-丁酮和约20kg/h的5％含水NaOH。这样形成均匀的溶液，作为预防措施将其通过相分离器。当含水量或NaOH含量高于规定值时，水相会在混合之后分离并且必须将其分离出来。加热所述混合物至136℃并将其泵送通过160升的管式反应器。反应热将所述混合物进一步加热至约138℃。在4分钟的停留时间中，得到基于柠檬醛约82％的转化率。
除去水相之后，在约100℃和约50毫巴下干燥并在具有2个侧线采出的隔离壁塔中蒸馏纯化。在下部侧线采出处，得到约100kg/h纯度为98％的甲基假紫罗酮(GLC面积％，所有异构体总量)。在上部侧线采出处，得到约20kg/h的柠檬醛(所有异构体总量)并将其连续地再循环入所述过程中。
获得约n∶iso＝5∶1的异构体比率。
实施例3
甲基假紫罗酮
混合100kg/h的柠檬醛(0.66kmol/h)、约25kg/h的再循环柠檬醛(0.16kmol/h)、2200l/h的含水88％2-丁酮和约120kg/h的40％含水NaOH。这样形成两相溶液，将其通过相分离器。除去约120kg/h的含水NaOH，在120℃下加热约2100kg/h的有机相并将其泵送通过160升管式反应器。反应热将所述混合物进一步加热至约132℃。在4分钟的停留时间下，得到基于柠檬醛约75％的转化率。
将来自所述管式反应器的反应混合物减压至标准压力。在此期间，蒸馏出1000l/h的2-丁酮，并冷却产物溶液至约75℃。随后，以逆流方式用约550kg/h的蒸气除去所述混合物中的残留2-丁酮。将足量的乙酸加入到所述蒸气中以使得所述混合物中的氢氧化钠溶液中和并且流出的含水混合物的pH为4-5。
将过量的2-丁酮再循环回到该过程中。
除去水相之后，在约100℃和约50毫巴下干燥并在具有2个侧线采出的隔离壁塔中蒸馏纯化。在下部侧线采出处，得到约100kg/h纯度为98％的甲基假紫罗酮(GLC面积％，所有异构体总量)。在上部侧线采出处，得到约25kg/h的柠檬醛(所有异构体总量)并将其连续地再循环入所述过程中。
获得约n∶iso＝8∶1的异构体比率。
实施例4
甲基紫罗酮
在反应泵中连续地均匀混合约140l/h甲基假紫罗酮、400l/h己烷(预先冷却至-8℃)和200l/h的89％硫酸。所述反应混合物自发地加热至约29℃，将其冷却至约26℃并在此温度下通过泵在延迟区中循环约2分钟，之后在另一反应泵中以约600l/h水将其稀释。由于水的加入，所述混合物加热至约47℃并利用下游冷却器将其保持在＜45℃。在除去硫酸含量高的水相之后以及在进一步水洗涤之后，以逆流方式用蒸气除去所述己烷。将己烷再循环回到所述反应中。
除去水相之后，在约50毫巴和100℃下干燥并在具有2个侧线采出的隔离壁塔中纯化。在主要级分中(侧管采出1)，得到约120l/h的β-n-甲基紫罗酮含量为80～90％的甲基紫罗酮。
下表列出了一种典型组成1)：
| α-iso-甲基紫罗酮 | 8.8％±1 | Iso-甲基紫罗酮的总量 | 10.7％±1.6 |
| β-iso-甲基紫罗酮 | 0.8％±0.1 | ||
| γ-iso-甲基紫罗酮 | 1.1％±0.5 |
| α-n-甲基紫罗酮 | 0.25％±0.1 | n-甲基紫罗酮的总量 | 85.5％±1.8 |
| β-n-甲基紫罗酮 | 85.0％±1.5 | ||
| γ-n-甲基紫罗酮 | 0.3％±0.2 |
1)E-和Z-异构体一起检测到，并且E-异构体占优势。
Claims (10)
1.一种用于制备通式I或I’的假紫罗酮及其异构体的连续方法，
或
其中R1为
CH3或
R2、R3各自为氢、CH3或C2H5，
R4、R5各自为氢或CH3，
该方法通过将式(II)的醛
与过量的通式(III)的酮
在均匀溶液中于升高的温度下在水和碱金属氢氧化物存在下反应，其中R1、R2和R3各自如上文定义，所述方法包括
a)在10～120℃的温度下混合醛、酮和含水碱金属氢氧化物的均匀溶液，然后
b)除去尚未溶于所述反应混合物的水和碱金属氢氧化物，
c)随后在高于最低沸点组分的沸点10～120℃的温度以及106～107Pa的蒸气压p下将所述均匀的反应混合物在避免返混的同时通过可提供2～300分钟停留时间的反应器，
d)在减压下冷却所述反应混合物，
e)以逆流方式用蒸气从所述反应混合物中除去所述酮和
f)干燥粗制产物并用精馏塔从中除去过量的醛和次级组分。
2.根据权利要求1的方法，其中以5～50倍摩尔过量加入所述通式(III)酮组分，并且在反应区的下游于107～5×108mPaabs的压力下除去未转化的部分并将其再次供至用于所述合成的新鲜酮中。
3.根据权利要求1或2的方法，其中选择给定停留时间下的反应温度以使得所述醛组分的转化率为60～98％，并且除去未转化的醛并将其再循环入所述反应中。
4.根据权利要求1或2的方法，其中用于该反应的所述式(III)酮的含水量为1～15重量％。
5.根据权利要求1或2的方法，其中用于所述反应的碱金属氢氧化物的浓度为0.005～50重量％。
6.根据权利要求1或2的方法，其中所述方法用于制备R2或R3为甲基的所述式I的假紫罗酮及其异构体，用于所述反应的碱金属氢氧化物的浓度为10～50重量％。
7.根据权利要求1或2的方法，其中所用的式(III)酮基本上由从所述反应中除去且含水量为1～15重量％的过量式(III)酮组成，其可以用无水的所述式(III)酮或者含水量为1～15重量％的含水的所述式(III)酮补充。
8.根据权利要求1或2的方法，其中在用R2≠H且R3＝H的所述通式(III)酮反应的情况下，得到含有70～95％n-烷基假紫罗酮和5～30％iso-烷基假紫罗酮的产物混合物
iso-烷基假紫罗酮 n-烷基假紫罗酮。
9.一种用于制备通式(IV)、(V)和(VI)的紫罗酮及其异构体的连续方法，其包括将根据权利要求1～8中任一项得到的假紫罗酮反应，从而以保持根据权利要求8的其中R2＝H，R3＝烷基的n-形式与其中R2＝烷基，R3＝H的iso-形式比率的形式得到所述通式(IV)～(VI)的紫罗酮
α-异构体 β-异构体 γ-异构体
(IV) (V) (VI)。
10.根据权利要求9的方法，其中将根据权利要求1～8中任一项所得的假紫罗酮与高度浓缩的硫酸在所述反应条件下呈惰性的稀释剂的存在下反应以得到紫罗酮，所述反应温度为0～20℃以及环化和水解之间的停留时间为10～300秒。
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