CN1529690A

CN1529690A - 酯化合物及其在合成丙烯酸酯中的应用

Info

Publication number: CN1529690A
Application number: CNA018207340A
Authority: CN
Inventors: T��A��ά��Ƥ; T·A·维尔皮; M·A·利尔加
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: WO2002032849A2; BR0114593A; WO2002032849A3; EP1328502A2; AU2002213078A1; US6545175B1; CN100408546C

Abstract

本发明提供具有结构式的化合物，其中：n为0或1；R₂～R₁₂独立地选自氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、C₁～C₁₀烷氧基、C₁～C₁₀芳氧基、C₁～C₁₀芳烷基；R₁为氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基或C₁～C₁₀芳烷基。也介绍了制备和使用这些化合物的方法，以及将α羟基羧酸酯和羧酸转化为丙烯酸酯的方法。

Description

酯化合物及其在合成丙烯酸酯中的应用

发明领域

本发明涉及此处介绍的某些酯化合物和这些酯化合物的合成方法，以及这些化合物在合成不饱和化合物的脱水反应中的应用。

发明背景

科学家和工程师们长时间以来一直在探索改进α或β羟基酯或羧酸脱水生成相应的丙烯酸酯的反应。在早期的工作中，Burns等在J.Chem.Soc.，400-406页(1935)中报道了乳酸乙酯和邻苯二甲酸氢甲酯的反应，他们在苯中以硫酸作催化剂，采用与苯生成共沸物除水，而得到邻苯二甲酸α羧乙基甲基酯。该邻苯二甲酸α羧乙基甲基酯热裂解，生成邻苯二甲酸酐和41％的粗丙烯酸乙酯。

在其他工作中，等(在美国专利3 487 101中，1969年12月授权)介绍了几种反应，其中将α羟基异丁酸脱水生成甲基丙烯酸。在实施例1中，α羟基异丁酸被逐滴加入含有邻苯二甲酸酐、邻苯二甲酸二甲酯、苛性钠和邻苯二酚以及作为抑制剂的氢醌的热混合物。95.6％的α羟基异丁酸转化为90％的甲基丙烯酸和10％的甲基丙烯酸酯。实施例3中，采用无苛性钠的相似反应，得到了63％的收率。除了所有反应物加入单一的反应釜中(不是缓慢加入)，采用与实施例1相似的方法地进行反应，得到的收率为71％。尽管还不知道法是否对仲α羟基脱水有效，但是众所周知仲羟基没有叔羟基反应活性高，人们或许预计仲羟基脱水反应不会进行，或可能仅仅在对副反应有利的苛刻反应条件下进行。例如，参见March，Advanced Organicchemistry，第3版，522页，其中指出“由于烷基的给电子诱导效应、稳定性的原因，简单烷基阳离子的生成速率遵循3°＞2°＞1°的顺序，Burns等认为“正因为甲醇一般比伯醇和仲醇更容易热裂脱水，所以人们发现它们的乙酸酯在相对低的温度下就能发生热裂解作用。”

其它工作者如Walkup等、DeColibus等、Sawicki，Paprizos等和Naito等介绍了在催化下加热使烷基乳酸酯或酸生成相应的烷基丙烯酸酯的方法。Walkup等在美国专利No.5,252,473中介绍了乳酸酯在部分锻烧的硫酸钙催化下脱水生成丙烯酸酯(参见第9栏第57行到第10栏第56行)。其它测试过的并报道为比较差的脱水催化剂的长列表由Walkup等列于第11栏第39-60行。DeColibus等在美国专利4,529,816中公开了一种方法，其中2-羟基-2-甲基丙酸甲酯在硫酸存在下脱水生成甲基丙烯酸甲酯。Sawicki在美国专利4,729,978中公开了乳酸在约200℃～400℃下用磷酸盐催化脱水选择性生成丙烯酸的方法。Paprizos等在美国专利4,786,756中公开了乳酸或乳酸铵转化为丙烯酸的方法，他采用无机碱处理过的磷酸铝和乳酸或乳酸铵与水的混合物接触的方式进行。Naito等在美国专利5,068,399中介绍了一种方法，其中α羟基异丁酸甲酯的甲醇溶液与改性分子筛铝硅酸盐催化剂接触，生成甲基丙烯酸甲酯(参见实施例1)。

Abe等在美国5,250,729中介绍了与Naito等相似的方法，除了Abe等提出用C₁-C₅烷氧基在α或β位置上的取代酯基具有相同烷氧基部分。这些反应如下所示：

其中R₁和R₂代表氢或C₁-C₃烷基，R₃代表C₁-C₅烷基。在实施例3中，Abe等公开了一种方法，其中α甲氧基异丁酸甲酯的甲醇溶液与分子筛铝硅酸盐催化剂接触，生成甲基丙烯酸甲酯。

Stephens在美国专利5,679,832中公开了由β羟基烷基酯制备α，β-不饱和-β-三氟甲基羧酸酯的方法，方法举例说明如下：

在145～160℃下收集的馏分为93wt％的(E)-4，4，4-三氟丁-2-烯酸乙酯(87％收率)和7wt％的丁酸(参见实施例3)。在实施例1中，3-乙酰氧基-4，4，4-三氟丁酸乙酯在K₂CO₃存在下加热，在140～180℃浴温下收集馏分。Stephen报道中指出，馏分为(E)-4，4，4-三氟丁-2-烯酸乙酯(87％收率)和乙酸的60∶40摩尔比的混合物。

Kiely等在美国专利4,617,405中公开了一种方法，包括(a)一种酸酐与β羟基羰基化合物在酸催化下反应生成酯；(b)碱催化剂存在下使酯反应生成α，β不饱和羰基化合物和羧酸，(c)将α，β不饱和羰基化合物和羧酸分离。

尽管有这些和许多其它的努力，但对于由α羟基酯或α羟基羧酸生产丙烯酸的方法仍有待改进。特别需要一种用于使α羟基酯或α羟基羧酸进行脱水反应的新方法，其中羟基部分为仲羟基。

发明简述

本发明提供了包含具有如下结构式(III)的化合物的组合物：

其中：n为0或1；R₂～R₁₂独立地选自氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、C₁～C₁₀烷氧基、C₁～C₁₀芳氧基、C₁～C₁₀芳烷基；R₁为氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、或C₁～C₁₀芳烷基。在优选实施方案中，R₁是氢时，R₂是氢。在某些优选实施方案中，当R₁不是氢，R₁与R₃相同，并且结构式(III)化合物的浓度大于R₁和R₃不同的相似化合物浓度的2倍；相似化合物是指除了R₁与R₃部分，化合物其余部分是相同的。在一些其他的优选实施方案中，结构式III的化合物的存在浓度大于酸酐的浓度，并且大于结构式I化合物的浓度。

本发明也提供具有式III结构的化合物的制备方法。这种方法优选包括使式I的化合物：

与式II的化合物反应：

其中R定义如上。

本发明还包括通过I和II反应制备的组合物。

本发明也提供制备丙烯酸酯的方法(使用结构式III化合物的方法)，其中结构式III的化合物被加热生成丙烯酸酯和酸酐。优选制备丙烯酸酯的方法分两步进行，其中结构式I的化合物在第一套条件下与结构式II的化合物反应，然后结构式III的化合物在高温下热裂解生成丙烯酸酯。在这个两步法的优选实施方案中，结构式III化合物在其分解成丙烯酸酯之前从结构式I和II化合物中分离出来。

在本发明中，术语“丙烯酸酯”是指具有C＝C-C(O)OR部分的化合物。

本发明的各种实施方案能够提供许多优点，包括：副反应少，高收率，原料具有挥发性，产品便于蒸馏和回收，中间体可分离，初始反应不生成水(皂化作用低)，反应温度低，以及非常适用于大规模生产。

本发明主旨被特别指出，在本说明书结论部分独立地申请授权。然而，操作的组织和方法，以及优点和其目的最好通过下面的详细描述和附图进行理解，其中相同的附图标记是指相同的部件。

优选实施方案的描述

本发明的优选实施方案是含具有结构式(III)的化合物的组合物：

其中：n为0或1；R₂～R₁₂独立地选自氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、C₁～C₁₀烷氧基、C₁～C₁₀芳氧基、C₁～C₁₀芳烷基；R₁为氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、或C₁～C₁₀芳烷基，条件是如果R₁为氢，R₂也为氢。如果n为0，就不存在R₆和R₇，并且有两条碳链连接两个羰基碳。

优选组合物基本上没有相似化合物，其中R₁与R₃不相同，“基本上没有”意思是相似物化合物浓度足够的低，以致于对由组合物热裂生成所需的丙烯酸酯收率产生的负面影响低于5％。

此处使用的术语烷基、芳基和芳烷基也可以包括杂原子如O，N，Si和S，也可以具有取代基如卤素、羟基、磷酸根、硫酸根和羧酸根。在某些优选实施方案中，烷基、芳基和芳烷基为没有杂原子的C₁～C₁₀烃。在某些优选实施方案中，R基团都是氢或C₁～C₆烷基。

尽管结构式III的化合物是参照C₁～C₁₀烷基等介绍的，但是本领域的那些技术员都能理解，此处描述的方法适用于合成无数其它化合物，而且这些化合物中大多数将通过类似的路线热裂解生成相应的产物。

选择合适“上”链(即，n＝0～1的链)链长，才能有利于闭环形成内酯或酸酐。相似地，优选空间体积小的R₄-R₉，以免这些基团妨碍闭环。

某些优选实施方案由以下子集的各种组合构成：n＝0，R₄～R₁₂独立地为氢、甲基、乙基、丙基、丁基或戊基，R₂为氢，和R₃为氢或甲基、乙基、丙基，R₂和R₃独立地为氢、甲基、乙基、丙基、丁基或戊基，R₁为氢，和R₁为甲基、乙基、丙基、丁基或戊基。

在某些优选实施方案中，R₁为氢、甲基、乙基、丙基；R₂和R₃都为氢；n＝0或1；R₄～R₁₂为氢；R₂为氢；以及R₃为氢、甲基、乙基、丙基。在特殊的实施方案中，R₃为氢、甲基、乙基或丙基，n＝0，R₄～R₁₂为氢，R₂为氢，R₃为甲基。

本组合物的特征在于其性质。在优选实施方案中，组合物中结构式III的化合物分解成等摩尔的丙烯酸酯和等摩尔的酸酐。在另一优选实施方案中，结构式III的化合物热裂成酸酐，其中酸酐的沸点在一个大气压下为170℃或更低。如果需要，这些低沸点的产物可以蒸馏出来，回收重新利用于I和II进行反应的合成阶段。

优选组合物的特征也在于其纯度。在优选实施方案中，结构式III化合物与结构式II化合物的摩尔比至少为0.5，更优选至少为2，更加优选超过10。

在结构式I的优选化合物中，R₂为氢。更优选结构式I的化合物为乳酸、乳酸乙酯、乳酸丙酯、乳酸丁酯或其它乳酸酯衍生物。最优选结构式I化合物为乳酸甲酯，因为其使丙烯酸酯的收率最好。

结构式II的优选化合物为琥珀酸酐和戊二酸酐。由于结构式II的化合物在丙烯酸酯生成时能够回收利用，所以能够选用相对较贵的化合物。在某些优选的实施方案中，结构式II化合物沸点在一个大气压下为170℃或更低。如果需要，这些低沸点的产物可以蒸馏出来，回收重新利用于与化合物I进行反应的合成阶段。

本发明的优选实施方案在本领域中还未被认知的另一优点是，对烷基部分的R₁和R₂的控制，确保这些部分相同，这样就阻止了不期望的酯交换反应发生，也就防止其降低丙烯酸酯收率而导致不必要的副反应。

本发明的发现之一是结构式I和II的化合物反应能够生成可分离的结构式III的化合物；特别令人惊讶的是，反应能够在温和条件下进行。优选这些化合物在约150℃或更低的温度下反应，更优选约50～约140℃。可以使用更高的温度；然而，更高的温度是不必要的，而且会降低收率。逐滴滴加也是不必要的，我们相信，逐滴滴加并不能提高收率；因此，在优选实施方案中，不以滴加方式进行I和II的反应。反应优选在酸或碱催化剂存在下进行。我们发现二甲基氨基吡啶是该反应特别有效的催化剂。反应不需要溶剂就能进行；然而，在其它实施方案中，溶剂或混合溶剂可以存在。

如果反应在足够苛刻的条件下进行，结构式III化合物在包括I和II反应的单独步骤中就能够转换为丙烯酸酯。更优选结构式III化合物在其加热生成丙烯酸酯之前被分离出来。这个分离步骤可以降低丙烯酸酯最终产物中的杂质，同时也能为大规模应用提供很大的优势。例如，化合物I和II的初始反应能够在间歇反应釜中进行，而结构式III化合物可转移到连续反应釜中，以得到高产的相对纯的丙烯酸酯和能够再循环到间歇反应釜的内酯或酸酐。因此，在一个优选方法中，化合物I和II在第一个反应釜中反应，然后，在随后步骤中，化合物III转入不同的反应釜。在一些优选实施方案中，含结构式III化合物的组合物同催化剂分离，然后在无催化剂条件下热裂解。

结构式III化合物的分离通过如下方法就能够完成：蒸馏或萃取，或在其热裂解之前通过化合物I和II反应而使产物III积累(浓度大于I的浓度，而且大于II的浓度)简单地进行。例如，这可通过使化合物I和II的反应在第一个更低的温度或多个温度(在此温度下结构式III化合物基本不反应)下进行，然后在更高的温度下热裂解化合物III来完成。

化合物I和II反应得到的羧酸可以用醇酯化。酯化反应有利于稳定和纯化化合物。因此，我们相信，能够达到丙烯酸酯具有更高的收率和/或更高的纯度。

实施例

实施例1：琥珀酸1-甲氧基羰基-乙基酯甲酯(i)的制备

乳酸甲酯(14mL，0.147mol)、琥珀酸酐(14.76g，0.147mol)和2滴浓硫酸混合并加热到70℃并保持5h。冷却反应混合物，取样进行NMR谱分析表明，反应大量转化为琥珀酸(乙基-1-甲氧基羰基)酯。加入甲醇(30mL)和氯仿(20mL)并在接受器中装有硅胶的索格利特萃取器中加热回流3h，用CaCO₃中和，过滤，真空除去挥发性溶剂。(i)分离后的产量为29.56g(98.5％)。

结束语

尽管显示和介绍了本发明的优选实施方案，但是对本领域的技术人员来说，很明显，在本发明广阔范围内无需偏离本发明就能作许多变化和修改。因此附加的权利要求期望包括所有这些变化和修改，使其落入本发明的实质和范围内。

Claims

1.含结构式(III)化合物的组合物：

其中：n为0或1；R₂～R₁₂独立地选自氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、C₁～C₁₀烷氧基、C₁～C₁₀芳氧基、C₁～C₁₀芳烷基；R₁为氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、或C₁～C₁₀芳烷基，条件是如果R₁为氢，R₂也为氢，和

当R₁不是氢，R₁＝R₃，结构式(III)化合物的浓度大于R₁不同于R₃的相似化合物浓度的2倍。

2.权利要求1中含有结构式III化合物的组合物，其中R₂为氢。

3.权利要求2中含有结构式III化合物的组合物，其中n＝0。

4.权利要求1中含有结构式III化合物的组合物，其中R₁和R₃为甲基。

5.权利要求1的组合物，其通过在约150℃或更低温度下含结构式I化合物的组合物：

和结构式II化合物反应来制备：

6.权利要求1中含有结构式III化合物的组合物，其在暴露于超过约200℃的温度之后就分解为丙烯酸酯和内酯或酸酐；

其中内酯或酸酐在一个大气压下的沸点低于170℃。

7.权利要求5的组合物，其中组合物中结构式III化合物与结构式II化合物的摩尔比至少为0.5。

8.含有结构式(III)化合物的组合物：

其中：n为0或1；R₂～R₁₂独立地选自氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、C₁～C₁₀烷氧基、C₁～C₁₀芳氧基、C₁～C₁₀芳烷基；R₁为氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、或C₁～C₁₀芳烷基，

其中结构式(III)化合物的存在浓度大于酸酐浓度，大于组合物中结构式I化合物的存在浓度；当R₁不是氢，则R₁＝R₃，结构式(III)化合物的浓度大于R₁不同于R₃的相似化合物浓度的2倍。

9.权利要求8的组合物，其中R₁是氢。

10.权利要求8的组合物，其中R₂是氢，R₁和R₃是甲基，R₄、R₆和R₇(如果存在)，以及R₈～R₁₂都为氢。

11.权利要求8的组合物，其中R₁和R₃不同的相似化合物的浓度基本为0。

12.权利要求10的组合物，其中n＝0。

13.权利要求9的组合物，其中R₂是氢，n＝0，R₄和R₈～R₁₂都为氢，R₂选自甲基、乙基、丙基和丁基。

14.制备丙烯酸酯的方法，其包括分离含有结构式(III)化合物的组合物的步骤：

其中：n为0或1；R₂～R₁₂独立地选自氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、C₁～C₁₀烷氧基、C₁～C₁₀芳氧基、C₁～C₁₀芳烷基；R₁为氢、C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、或C₁～C₁₀芳烷基；

以及随后加热组合物生成丙烯酸酯的步骤。

15.权利要求14的方法，其中R₂是氢。

16.权利要求14的方法，其中R₁和R₃是甲基，其中分离步骤中包含催化剂和结构式III化合物的分离。

17.制备组合物的方法，其包括：

在约150℃或更低的温度下，将含结构式I化合物的组合物：

与结构式II的化合物反应：

生成含结构式III化合物的组合物：

18.权利要求17的方法，其中在I和II进行反应的同时或在其后，R₁是氢的结构式III化合物与醇反应生成R₁为C₁～C₁₀烷基、C₆～C₁₀芳基、或C₁～C₁₀芳烷基的结构式III化合物。

19.权利要求17的方法，其中组合物是通过进一步包括将结构式III化合物分离的步骤的方法制备。

20.权利要求19的方法，其中R₂是氢，R₁和R₃是甲基，R₄、R₆和R₇(如果存在)，以及R₈～R₁₂都为氢，以及该方法还包括将结构式III化合物热裂解生成丙烯酸酯的步骤。