CN1840519A - 水解环丙烷甲酸酯生成游离酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改进的制备环丙烷甲酸和醇的方法。
Description
本发明涉及环丙烷甲酸和醇的制备方法。
通过酸催化水解甲基或乙基酯来制备环丙烷甲酸按如下反应进行：
环丙烷甲酸是制备化学品、医药产品和植物保护剂的一种重要的中间体。
通过已知方法制备环丙烷甲酸酯，例如，EP 0577949 A1中所述的，采用甲醇钠环化4-氯丁酸甲酯得到甲基酯。
环丙烷甲酸酯可以按照例如，Stanley Bruce和Ronald Kent在OrganicPreparations and Procedures International，1974年，第6卷第4期，第193-196页中所述的采用碱金属氢氧化物水溶液进行水解。
该方法的缺点在于不可避免地形成盐的水溶液，由此产物必须要从中分离出来，仅用溶剂进行萃取就可以实现；其复杂之处在于环丙烷甲酸的高饱和浓度；例如，即便是饱和的硫酸钠溶液仍然具有3％的浓度。
如Lambert，Napoli，Johnson和Taba在Journal of Organic Chemistry，1985年，第50卷，第8期，第1291-1295页中所述，由于酸例如盐酸(3)加入到环丙烷甲酸及其衍生物中生成，例如，4-氯丁酸衍生物，导致环丙烷甲酸酯的酸催化水解的催化剂损失且选择性降低。
Kaufhold在EP 0879813 A1中，在作为催化剂的甲苯磺酸存在下，通过环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯与其他羧酸优选甲酸进行酯交换，然后，例如，通过蒸馏从混合物中除去甲酸甲酯，克服了产率损失并避免了盐的生成。在比较实施例中，采用硫酸催化，也产生了少量的产率损失。这种方法的缺点在于需要使用酸，且不可避免地生成该酸的酯。
采用水(4)水解环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)并生成环丙烷甲酸和基本上纯的醇作为唯一产物的简单的工业方法是未曾报道和合乎需要的。
因此，本发明的一个目标是提供一种制备环丙烷甲酸和醇的方法，与现有技术相比该方法节能并且更加环境友好，且可以连续生产，并可高收率地制备得到具有高纯度的唯一产物环丙烷甲酸和醇。
该目标通过一种制备环丙烷甲酸(5)的方法实现，其特征在于将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)，还有水(4)混合，以及，如果合适的话，与盐酸(3)混合，进行水解，其中，
a)将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)，还有水(4)混合，以及，如果合适的话，与盐酸(3)混合，单独或共同进料到装有容器(D)的装置中，该容器(D)可装有自动搅拌器，并与带有冷凝器的第一塔(A)连接，从柱(A)顶部取出醇或醇(2)，并且：
1)将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)，还有水(4)混合，以及，如果合适的话，与盐酸(3)混合，单独或共同加入到带有冷凝器的第一塔(A)中，或
2)将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)，还有水(4)混合，以及，如果合适的话，与盐酸(3)混合，单独或共同加入到容器(D)中，或
3)将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)混合加入到带有冷凝器的第一塔(A)，同时将水(4)，以及，如果合适的话，盐酸(3)，单独或共同加入到容器(D)中，
b)全部或部分地、直接地或者以a)1)和a)3)的步骤经由第一塔(A)进入容器(D)的反应混合物随后进料到带有冷凝器的第二塔(B)中，将环丙烷甲酸(5)从柱(B)的底部取出，同时剩余的反应混合物重新循环到容器(D)中，且如果没有使用盐酸(3)，容器(D)中最初应放置至少一种酸性固体(9)。
变种a)1)在图中用——→线表示。
变种a)2)在图中用
线表示。
变种a)3)在图中用
线表示。
如果使用了盐酸(3)，在步骤b)中将容器(D)中的反应混合物在加入到第二塔(B)之前，如果合适的话在冷却(F)后进行相分离(E)，得到有机相和水相(7)，将水相(7)加入到容器(D)中，并将有机相(8)加入到带有冷凝器的第二塔(B)中。
来自第二塔(B)的残余物优选全部或部分冷凝，或以气相形式重新循环回容器(D)。容器(D)优选进行加热。
第一塔(A)中的回流比(R/R)优选为10/1至1/5，特别优选5/1至1/1。
第二塔(B)中的回流比(R/R)优选为2/1至1/100，特别优选1/1至1/50，且更特别优选1/2至1/30。
为了排放有机相，在相分离(E)之前，所述混合物优选冷却(F)至20至90℃，优选40至70℃，特别优选50至60℃。
环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)和醇(2)的混合物优选通过计量加入到第一塔(A)中，优选以某点或接近某点的比例，在该点上第一塔(A)中环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)与醇(2)的比例相当于起始物料混合物中两者的比例。
如果环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)和醇(2)通过计量加入，加料点优选在放在上面的第一塔(A)的较低部分。
第一塔(A)优选在40至130℃，特别是60至110℃的温度，和0.1至2.0巴，特别是0.5至1.2巴的压力下运行。
第一塔(A)优选具有2至300，特别是5至50块塔板。
第二塔(B)优选在40至200℃，特别是80至180℃的温度，和0.01至2.0巴，特别是0.1至1.2巴的压力下运行。
第二塔(B)优选具有1至100，特别是3至30块塔板。
用第三塔(C)代替第一塔(A)和第二塔(B)
优选用连接到容器(D)上的第三塔(C)代替第一塔(A)和第二塔(B)。
第三塔(C)优选连接到容器(D)的液体一侧，如果合适的话连接到气体一侧。
第三塔(C)优选在40至200℃，特别是60至180℃的温度，和0.01至2.0巴，特别是0.1至1.2巴的压力下运行。
第三塔(C)具有5至300，特别是30至60块塔板。
第三塔(C)中的回流比(R/R)优选为10/1至1/1，特别优选5/1至2/1。
第三塔(C)优选具有象容器(D)一样的连接反应容器。反应容器中的物质(优选仅为有机相(8))优选加入到第2至第30塔板中，特别优选加入到第3至第15塔板，最优选加入到第6至第10塔板。第三塔(C)中向下的液流优选在1至10塔板，特别优选1至5塔板，更特别优选1至2塔板的点上全部或部分取出，在将反应混合物注入该塔中并引入所述反应容器中的点的上方。
环丙烷甲酸酯(1)，如果合适的话与相应的醇(2)、盐酸(3)和水混合，计量加入到反应容器，即容器(D)中。如果环丙烷甲酸酯(1)与醇(2)混合计量加入，优选加入到第三塔(C)中位于反应容器，即容器(D)的排出点之上方的部分。
优选向反应容器如容器(D)中引入热量，以生成蒸汽(H)，并与排出的有机相一起进入到第三塔(C)中。
总体说明：
来自容器(D)的混合物优选在加入到第二塔(B)或第三塔(C)之前通过附加换热器被加热并部分汽化(G)。
容器(D)优选维持起始物料的温度为92至110℃，特别是96至100℃。
在将样品冷却到室温后，水相中的盐酸浓度(3)优选为4至20％，特别优选7至14％，最优选9至12％。
盐酸的浓度(3)可以通过现有技术中所述的检测器进行测量，且可以控制盐酸(3)的加入。优选通过容器(D)中第二相的出现与否(浊点)来进行控制。当浑浊消失时，增加计量加入的量直至又出现浑浊，然后减少计量加入的量直至浑浊再次消失。
盐酸(3)同样可以以恒定的速率计量加入；然后盐酸(3)的浓度通过甲基氯的生成来确定，浓度越高，生成的甲基氯越多。
水的计量加入通过冷却后的相比例来控制。
如果省去盐酸(3)，在混合物的腐蚀性方面具有优势，优选使用酸性固体(9)，特别优选磺酸离子交换树脂，例如Lewatit或Nafions。这些酸性固体(9)或者加入到容器(D)中并通过过滤装置或者作为填充物(例如来自Montz的Multipack)留在那里，或容器(D)为混合物可以通过其注入的固定床。
在该方法中，水含量不能高到出现第二相，因此不必进行相分离(E)。由此计量加入的水可以例如根据混合物的沸点进行调节。
该方法优选连续地，似连续地或间歇地进行。
环丙烷甲酸(5)的纯度基于起始物料优选大于96％，特别是大于98％。
醇(2)的纯度基于起始物料优选大于98.5％，特别是大于99.5％。
醇(2)优选为甲醇和/或乙醇。
下面借助表示大多数实施例的附图阐述了装置。这里，由附图和说明书中可以获知本发明更进一步的特点和优点。
在附图中：
图1：使用盐酸(3)制备环丙烷甲酸(5)和醇(2)的装置。这里，容器(D)、第一塔(A)、第二塔(B)、相分离器(E)、冷却器(F)和部分汽化器(G)相互连接。
图2：使用酸性固体(9)(Lewatit)制备环丙烷甲酸(5)和醇(2)的装置。这里，容器(D)、第一塔(A)、第二塔(B)和部分汽化器(G)相互连接。
图3：使用盐酸(3)制备环丙烷甲酸(5)和醇(2)的装置。这里，容器(D)、第三塔(C)、相分离器(E)、冷却器(F)和部分汽化器(G)相互连接。
图4：使用酸性固体(9)(Lewatit)制备环丙烷甲酸(5)和醇(2)的装置。这里，容器(D)、第三塔(C)和部分汽化器(G)相互连接。
本发明的发明范围不仅仅由各个权利要求的主题限定，还由各个权利要求之间的组合限定。这一点也同样适用于本说明书中公开的所有参数及其任意的组合。
本发明通过下述实施例进行阐释，但不局限于这些实施例。
附图图例：
1.环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯
2.醇
3.盐酸
4.水
5.环丙烷甲酸
6.甲基氯
7.水相
8.有机相
9.酸性固体
A.第一塔
B.第二塔
C.第三塔
D.容器
E.相分离器
F.冷却器
G.部分汽化器
H.汽化器
实施例
测试方法：
根据现有技术，通过气相色谱分析确定混合物的组成。使用带有标准玻璃毛细管柱的HP 6890色谱仪。采用火焰离子检测器(FID)进行检测。检测极限为±0.1标准％(即重量百分数但不包括不可检测的组分)。
通过滴定检测盐酸的浓度，痕量的情况下使用X射线荧光检测。检测极限为±10ppm。
通过卡-菲二氏法检测水含量。检测极限为相对±2％(即在纯水情况下为2％，水含量为100ppm时为2ppm)。
实施例1(盐酸(3)法)
装置如图1所示，但在汽提段的上游不带有部分汽化器(G)。该装置包括带有搅拌器的油热10升法兰釜作为容器(D)、具有约25块塔板和冷凝器以及回流分流器的重叠柱作为第一塔(A)和具有约15块塔板和冷凝器以及回流分流器的重叠柱作为第二塔(B)。向作为容器(D)的该法兰釜内加入约550g/h的环丙烷甲酸甲酯(1)和111g/h10％浓的盐酸(3)。
在作为容器(D)的法兰釜中，约7升包含作为醇(2)的甲醇、环丙烷甲酸甲酯(1)、环丙烷甲酸(5)、盐酸(3)和水(4)的混合物在94-95℃的沸点沸腾。当温度为64℃且回流比R/R＝2时，将纯度大于99％且混有0.17％甲基氯(6)和0.73％环丙烷甲酸甲酯(1)的甲醇从第一塔(A)的顶部取出。蒸馏物中存在着浓度低于检测极限10ppm的游离盐酸(3)。除了180g/h甲醇之外，还游离出15g/h甲基氯(6)，但后者的大部分都仅在下游的冷却器中被冷凝。通过在第一塔(A)中部的温度测量来控制回流分流器，使得回流分流器在温度高于76℃时开始完全回流。
将来自容器(D)的混合物进行相分离(E)。将约1800g/h的有机相(8)冷却至60℃并分离(E)，然后进料到作为第二塔(B)的具有15块塔板的塔上部，该塔安装在带有横流装置的油热10升法兰釜上，以收集产品环丙烷甲酸甲酯(1)。该法兰釜中装有约6升沸点为182℃的液体。带有分馏器的冷凝器叠置于第二塔(B)上面，该分馏器作用于全体排出物。在80℃得到的塔顶产物由两相组成，其中大部分为环丙烷甲酸甲酯(1)和水(4)，并含有约10％的甲醇和3.6％的环丙烷甲酸(5)。将约480g/h除了含有2.1％的环丙烷甲酸酐之外不含其他组分的环丙烷甲酸(5)从法兰釜中分离出来。
根据滴定的结果，反应器中的水相(7)含有约11％的(3)。
当注入浓度为17％的盐酸(3)时，盐酸(3)的含量增至12％。当注入浓度为37％的盐酸(3)时，导致盐酸(3)的含量为14.5％。达到该含量时，可以从环丙烷甲酸(5)中检测到0.08％的丁内酯。当将由水和氯化氢气体(3)混合得到浓度为50％的盐酸(3)注入时，水相中盐酸(3)的含量上升至15％，且环丙烷甲酸(5)中含0.14％的丁内酯。当通过在浊点在99.5℃，轮流加入浓度为15％的盐酸(3)和浓度为7％的盐酸(3)或浓度为20％的盐酸(3)和水(4)进行该方法时，室温时水相(7)中含有约10％的盐酸(3)。
实施例2(酸性固体(9)-Lewatit法)
装置如图2所示，但在汽提段的上游不带有部分汽化器(G)。将容器(D)中的混合物通过筛管从反应器中抽出，使得所述Lewatit留在反应器中。所述的第一和第二塔(A和B)及法兰釜与实施例1中的相同。向反应器中加入500克可购得的潮湿的磺酸Lewatit(K2431)作为酸性固体(9)。将280g/h环丙烷甲酸甲酯(1)和50克水(4)注入反应器中。通过加入水保持沸点为99℃。当温度升高时，加入的水量也增加；当温度下降时，加入的水量也减少。65℃时在第一塔(A)顶部得到95g/h含有约0.2％环丙烷甲酸甲酯(1)的甲醇。将约700g/h的反应混合物注入汽提段。根据气相色谱分析的结果，约240g/h的含有3.5％环丙烷甲酸酐的环丙烷甲酸(5)从汽提段的法兰釜中分离出来。即使1000小时以后，作为酸性固体(9)的Lewatit的活性仍然没有下降。
Claims (17)
1.一种制备环丙烷甲酸(5)的方法，其特征在于将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)，还有水(4)混合，以及，如果合适的话，与盐酸(3)混合，进行水解，其中，
a)将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)，还有水(4)混合，以及，如果合适的话，与盐酸(3)混合，单独或共同进料到装有容器(D)的装置中，该容器(D)可装有自动搅拌器，并与带有冷凝器的第一塔(A)连接，从塔(A顶部取出醇或醇类(2)，并且：
1)环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)，还有水(4)混合，以及，如果合适的话，与盐酸(3)混合，单独或共同加入到带有冷凝器的第一塔(A)中，或
2)将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)，还有水(4)混合，以及，如果合适的话，与盐酸(3)混合，单独或共同加入到容器(D)中，或
3)将环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)，如果合适的话与一种或多种醇(2)混合，加入到带有冷凝器的第一塔(A)，同时将水(4)，以及，如果合适的话，盐酸(3)单独或共同加入到容器(D)中，
b)全部或部分地、直接地或者以a)1)和a)3)的步骤经由第一塔(A)进入容器(D)的反应混合物随后进料到带有冷凝器的第二塔(B)中，将环丙烷甲酸(5)从塔(B)的底部取出，同时剩余的反应混合物重新循环到容器(D)中，且如果不使用盐酸(3)，容器(D)中最初应放置至少一种酸性固体(9)。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于如果使用盐酸(3)，步骤b)中在将容器(D)中的反应混合物加入到第二塔(B)之前，如果合适的话在冷却(F)后，进行相分离(E)，得到有机相和水相(7)，将水相(7)加入到容器(D)中，并将有机相(8)加入到带有冷凝器的第二塔(B)中。
3.权利要求1和2中一项或多项所述的方法，其特征在于环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)和醇(2)的混合物通过计量加入到第一塔(A)中，优选以某点或接近某点的比例，在该点上第一塔(A)中环丙烷甲酸甲酯或环丙烷甲酸乙酯(1)与醇(2)的比例相当于起始物料混合物中两者的比例。
4.权利要求1至3中一项或多项所述的方法，其特征在于第一塔(A)在40至130℃，特别是60至110℃的温度，和0.1到2.0巴，特别是0.5至1.2巴的压力下运行。
5.权利要求1至3中一项或多项所述的方法，其特征在于第一塔(A)具有2至300，特别是5至50块塔板。
6.权利要求1至3中一项或多项所述的方法，其特征在于第二塔(B)在40至200℃，特别是80至180℃的温度，和0.01至2.0巴，特别是0.1至1.2巴的压力下运行。
7.权利要求1至3中一项或多项所述的方法，其特征在于第二塔(B)具有1至100，特别是3至30块塔板。
8.权利要求1至3中一项或多项所述的方法，其特征在于用第三塔(C)代替第一塔(A)和第二塔(B)，且该第三塔(C)连接到容器(D)上。
9.权利要求4所述的方法，其特征在于第三塔(C)连接到容器(D)的液体一侧，且如果合适的话连接到气体一侧。
10.权利要求8和9一项或多项所述的方法，其特征在于第三塔(C)在40至200℃，特别是60至180℃的温度，和0.01至2.0巴，特别是0.1至1.2巴的压力下运行。
11.权利要求8和9中一项或多项所述的方法，其特征在于第三塔(C)具有5至300，特别是30至60块塔板。
12.权利要求1至11中一项或多项所述的方法，其特征在于容器(D)维持起始物料的温度为92至110℃，特别是96至100℃。
13.权利要求1至12中一项或多项所述的方法，其特征在于采用磺酸离子交换树脂如Lewatit作为酸性固体(9)。
14.权利要求1至13中一项或多项所述的方法，其特征在于该方法连续地，似连续地或间歇地进行。
15.权利要求1至14中一项或多项所述的方法，其特征在于环丙烷甲酸(5)的纯度基于起始物料大于96％，特别是大于98％。
16.权利要求1至15任何一项所述的方法，其特征在于醇(2)的纯度基于起始物料大于98.5％，特别是大于99.5％。
17.权利要求1至16任何一项所述的方法，其特征在于醇(2)为甲醇。
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