TWI272269B - Process for the epoxidation of olefins - Google Patents

Description

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本發明係關於烯烴之環氧化方法。 烯烴之環氧化方法是化學工業中之非常常見的方法，其 諸多應用亦反映其重要性。 但是’工業規模的環氧化方法有安全問題及與其相關的 危險。另一方面，通常使用相當大量的高度毒性化學品，這 些化學品本身對於人類和環境危害頗大，另一方面，環氧化 方法極高度放熱，在反應以工業規模進行時，提高爆炸的危 險。官方（BimschG，德國空氣污染機構）證實：工業環氧化 6受備含括相當商花費。 因此’本發明的目的是要提出避免前述缺點之烯烴的環 氧化法。特別地，必須能夠以簡單、有再現性並提高人類和 環境安全性及具有良好產率的方式進行此方法，且必須極能 控制反應條件才行。 令人訝異地，藉由根據本發明之用於烯烴的環氧化法達 到此目的，其中，烯烴（液體或溶解形式）與至少一種氧化劑（ 液體或溶解形式）在至少一個微反應器中混合，此混合物反 應一段停留時間，選擇性（optionally)自反應混合物分離形成 的環氧化物。 根據本發明之方法的一個有利實施例述於申請專利附屬 項中。 根據本發明，個別烯烴或至少兩種烯烴之混合物可以藉 所提出的方法反應，儘管在本發明之方法中，以僅使用〜種 烯烴爲佳。 本發明中，微反應器是指體積S 1000微升的反應器，其 請先閱讀背面之注意填寫本頁 -裝. 線 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -4- 1272269 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（2) 中，液體和/或溶液至少經單次充份混合。微反應器體積以 S 100微升爲佳，特別佳者是S 50微升。 此微反應器以製自互連矽薄結構者爲佳。 此微反應器以微小化的連續反應器爲佳，特別佳者是靜 態微混合器（s t a t i c m i c r 〇 m i X e 1·)。極佳的微反應器是靜態 微混合器，此如國際專利案W09 6/301 13中所述者，茲將其 中所述者倂入參考並列爲說明的一部分。這樣的微反應器具 有小通道，化學化合物液體和/或溶液藉流動的液體和/或 溶液動能而混合在一起。 微反應器通道直徑以10至1000微米爲佳，特別佳者是 20至800微米，極佳者是30至400微米。此液體和/或溶 液抽至微反應器中，以0.01微升/分鐘至100毫升/分鐘速 率通過其中爲佳，1微升/分鐘至1毫升/分鐘特別佳。 根據本發明，微反應器以能夠維持於恆溫爲佳。 根據本發明，此微反應器以經由出口連接至至少一個留 滯區爲佳，此留滯區以毛細管爲佳，特別佳者是能夠維持於 恆溫的毛細管。它們在微反應器中充份混合之後，液體和/ 或溶液移至此留滯區或毛細管中以延長它們的停留時間。 本發明中，停留時間是指引出物（educts)完全混合和 所得反應溶液之處理（workup)以供分析或分離所欲產物之 間的時間。 根據本發明之方法所須停留時間視多個參數而定，如： 引出物溫度或反應性。嫻於此技術者能夠視這些參數地採用 停留時間並使反應之過程最適化。 (請先閱讀背面之注意ψ 裝-- ρ填寫本頁) -訂*丨 線 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5- 1272269 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _____B7五、發明説明（3 ) 可以藉由選擇所用液體和/或溶液之流率而調整·反應溶 液於所用系統（由至少一個微反應器和選擇性使用的偵測區 域構成）內之停留時間。 另一較佳程序是使反應混合物通過二或多個串聯的微反 應器。其結果是，即使提高流率，停留時間也會延長，環氧 化反應中所用組份會反應，以使所欲環氧化物的產物產率達 最適情況。 另一實施例中，反應混合物通過並聯的二或多個微反應 器’以提局輸出量。 根據本發明之方法的另一較佳實施例中，改變一或多個 微反應器中通道的數目和排列以延長停留時間，此處，再度 地，藉由提高流率，而使所欲環氧化物的產物產率達最適情 況。 較佳情況中，反應溶液在微反應器中的停留時間，或， 若適當地，在微反應器和留滯區中的停留時間S 1 5小時， 以S 3小時爲佳，S 1小時更佳。 根據本發明之方法可於極寬的溫度範圍內進行，此溫度 範圍基本上受限於構成微反應器（和適當時使用之留滯區）及 其他組件（如：連接器和密封器）所用材料的溫度抗性及所用 溶液和/或液體的物性。較佳情況中，根據本發明之方法的 實施溫度是-100至+250°C，以-78至+150°C爲佳，特別佳的 溫度是0至+40°C。 根據本發明之方法可以連續或批次方式進行，以連續方 式進行爲佳。 -----------批衣—— (請先閲讀背面之注意事ml:填寫本頁) 訂* 線 • in -- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -6 - 1272269 五、發明説明（4) 用於實施根據本發明之烯烴的環氧化方法，環氧化反應 必須儘可能地於不含固體顆粒或固體顆粒非常小的均勻液相 中進行，否則可能會堵塞微反應器中的通道。 可藉嫻於此技術之人士已知的各種分析方法監控本發明 方法中環氧化反應之過程，並選擇性加以調整。以藉層析法 (特別佳者是高效液相層析法）監控反應之過程，並選擇性加 以調整。相較於已知方法，此顯著改善反應之控制。 反應之後，選擇性分離形成的環氧化物。以藉萃取方式 自反應混合物分離出環氧化物爲佳。 嫻於此技術者已知之作爲環氧化反應底質的任何烯烴可 以作爲根據本發明之方法中的烯烴。此烯烴以選自脂族、芳 族和雜芳族烯烴爲佳，特別佳者是使用1 -苯基環己烯、環己 烯或苯乙烯。 嫻於此技術者已知之適合作爲環氧化反應底質的任何脂 族烯烴可以作爲脂族烯烴。這些包括直鏈、支鏈和環狀烯烴 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 嫻於此技術者已知之適合作爲環氧化反應底質的任何芳 族烯烴可以作爲芳族烯烴。本發明中，這些包括具單環和/ 或多環均芳族母結構或相關部分結構（如：取代物形式）的化 合物和/或衍生物。 嫻於此技術者已知之適合作爲環氧化反應底質的任何雜 芳族烯烴並含有至少一個雜原子者可以作爲雜芳族烯烴。本 發明中，這些雜芳族烯烴包括具至少一個單環和/或多環雜 芳族母結構或相關部分結構（如：取代物形式）的雜芳族化合 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1272269 A7 ___B7 五、發明説明（5 ) 物和/或衍生物。特別佳的雜芳族母結構或部分結構包含至 少一個氧、氮和/或硫原子。 (請先閲讀背面之注意事填寫本頁) 嫻於此技術者已知之適用於環氧化反應的任何氧化劑或 這些氧化劑中的至少二者之混合物可以作爲根據本發明之方 法的氧化劑。以僅使用一種氧化劑爲佳。 本發明的另一較佳實施例中，氧化劑是選自下列之至少 一種化合物：無機和有機過氧化物、過氧化氫、鉻醯化合物 、鉻氧化物、鹼金屬次氯酸鹽、鹼土金屬次氯酸鹽、N-溴丁 二醯亞胺、過渡金屬過氧錯合物、過氧化合物和有機酸和/ 或無機酸和/或路易士酸之混合物、有機過酸、無機過酸和 二氧雜環丙烷（dioxiran)或這些氧化劑中之至少二者之混合物 〇 所用之較佳的無機過氧化物是過氧化銨、鹼金屬過氧化 物（特別佳者是過氧化鈉）、過硫酸銨、鹼金屬過硫酸鹽、過 硼酸銨、鹼金屬過硼酸鹽、過碳酸銨、鹼金屬過碳酸鹽、鹼 土金屬過氧化物、過氧化鋅或這些化合物中的至少二者之混 合物。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 所用的過渡金屬過氧錯合物以鐵、錳、釩或鉬的過氧錯 合物或這些過氧錯合物中的至少二者之混合物爲佳。過氧錯 合物亦可含有二或多種相同或不同金屬，以選自鐵、錳、釩 和鉬爲佳。 較佳情況中，過氧二硫酸鉀和硫酸作爲過氧化合物和無 機酸，過氧化氫和三氟化硼作爲過氧化合物和路易士酸。 所用的有機過酸以過氧苯甲酸、間-氯過氧苯甲酸、對- -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1272269 A7 B7 五、發明説明（6 ) 硝基過氧苯甲酸、單過氧基苯二甲酸鎂、過氧醋酸、過氧 順-丁烯二酸、過氧基三氟醋酸、過氧基苯二甲酸、過氧基 月桂酸或這些過酸中的至少二者之混合物爲佳。 較佳的二氧雜環丙烷是二甲基二氧雜環丙烷、甲基（三 氟甲基）二氧雜環丙烷及這些二氧雜環丙烷之混合物。 所用的有機過氧化物以第三丁基過氧化氫、枯烯過氧化 氫、盖基過氧化氫、1-甲基環己院過氧化氫或這些有機過氧 化物中之至少二者之混合物。 此烯烴亦可被光學活性氧化劑或者在有光學活性化合物 存在時被氧化，以得到光學活性環氧化物。烯烴以在有對掌 物劑（以四異丙氧化鈦、（R，R)-酒石酸二乙酯和/或（S，S)-酒 石酸二乙酯爲佳）存在時被第三丁基過氧化氫氧化而得到光 學活性過氧化物爲佳。亦佳的情況中，以光學活性（R，R)_反_ 1，2-雙[(2-羥基-3,5-二第三丁基苯亞甲基）-胺基]環己基二氯 化錳或（S，S)-反-1，2-雙[(2-羥基-3,5-二第三丁基苯亞甲基）-胺 基]環己基二氯化錳（Jacobsen觸媒）和二甲基二氧雜環丙烷和 /或次氯酸鈉將烯烴加以氧化。 根據本發明之方法中，所用烯烴對氧化劑的莫耳比視所 用烯烴和氧化劑的反應性而定。氧化劑和烯烴以等莫耳使用 爲佳。另一較佳實施例中，以烯烴爲基準計，氧化劑係2倍 至20倍過量使用，以3倍至1 5倍過量爲佳，4倍至1 〇倍過 量更佳。 反應本身的選擇率（selectivity)不僅與所用物劑濃度 有關，亦與其他參數（如：溫度、所用烯烴類型或停留時間） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意 意事填寫本頁 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 -9 - 1272269 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（7 ) 有關。嫻於此技術者能夠視特別的環氧化反應地採用不同條 件，以得到所欲環氧化物。 基本上，根據本發明之方法中，所用烯烴和氧化劑是本 身呈液體或以溶解形式存在。若它們本身非爲液體，它們必 須在進行本發明之方法之前溶解於適當溶劑中。所用的較佳 溶劑是鹵化溶劑（特別佳者是二氯甲烷、三氯甲烷、1，2-二氯 乙烷或1，1，2,2-四氯乙烷）、直鏈、支鏈或環狀石蠟（特別佳 者是戊烷、己烷、庚烷、辛烷、環戊烷、環己烷或環辛烷） 、直鏈、支鏈或環狀醚（特別佳者是二乙醚、甲基第三丁基 醚、四氫呋喃或二噁烷）、芳族溶劑（特別佳者是甲苯、二甲 苯、輕石油或苯醚）、含N的雜環狀溶劑（特別佳者是吡啶或 N-甲基吡咯烷酮）或前述溶劑中之至少二者之混合物。 根據本發明之方法中，實質上減少因爲散逸的化學品而 對於人體和環境造成的危險，藉此改善操作危險物質時的安 全性。相較於傳統方法，藉根據本發明之方法進行烯烴之環 氧化反應進一步提供反應條件（如：反應時間和反應溫度）的 更佳控制。此外，本發明之方法中，與極高度放熱環氧化反 應有關的爆炸危險大幅降低。可以個別選擇溫度並在系統中 的各區域維持穩定。能夠非常迅速及準確地調整本發明之方 法的環氧化反應之過程，以極佳和有再現性的產率得到環氧 化物。 亦特別有利的是：本發明之方法可以連續進行。此使其 比傳統方法更迅速且更具成本效益，且可以在不須因測量和 調整而花寳大筆成本的情況下製得任何量的環氧化物。 •裝-- (請先閲讀背面之注意事填寫本頁) 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 1272269 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8) 以下將藉實例說明本發明。此實例僅用以說明本發明， 不欲限制本發明。 實例 卜苯基環己烯轉化成1，2-環氧基· 1 -苯基環己烷之環氧化反應 苯基環己烯在內部尺寸40毫米x25毫米毫米且共有 11個混合階段（每階段體積0.125微升）的靜態微混合器 (T e c h n i s c h e U n i v e r s i t a t 11 m e n a u, F a k u 11 a t M a s c h i n e n b a u, Dr.-Ing. Norbert Schwesinger, Postfach 100565, D-98684, Ilmenau) 中以間-氯過苯甲酸加以環氧化。總壓下降約lOOOPa。 此靜態微混合器經由出口和 Omnifit中壓HPLC連接 器（Omnifit，英國）連接至內徑0.49毫米、長0.5米的鐵弗龍 毛細管。此反應於30°C進行，靜態微混合器和鐵弗龍毛細 管在有恆溫調節護套的槽中維持於此溫度。 2毫升可拋棄式注射針筒中充塡150毫克（1毫莫耳）卜苯 基環己烯於5毫升二氯甲烷中之溶液的部份，另一 2毫升針 筒中充塡2.15克（12.5毫莫耳）間-氯過苯甲酸於25毫升二氯 甲烷中之溶液的部份。之後藉計量幫浦（Harvard Apparatus Inc.，Pump 22，South Natick，美國麻州）將這兩個針筒中的內 容物移至靜態微混合器中。 進行反應之前，先就停留時間與幫浦輸出量的關係校正 實驗設備。將停留時間調整爲4、2和1分鐘。藉Merck Hitachi LaChrom HPLC 儀器和 Hewlett Packard GC-MS 系統 監控反應。結果發現在這三種不同停留時間下均完全轉化成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 裝 I 訂------線 (請先閲讀背面之注意事填寫本頁) 1272269 A7 B7 五、發明説明（9 ) 環氧化產物（1，2-環氧基-卜苯基環己烷） -裝-- (請先閲讀背面之注意填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12-

Claims (1)

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 · 一種烯烴之環氧化方法，其特徵在於：至少一種烯烴（ 液體或溶解形式）與至少一種氧化劑（液體或溶解形式）在至少 一個微反應器中混合，此混合物反應一段停留時間，及選擇 性自反應混合物中分離出形成的環氧化物，其中：微反應器 體積S 1 00微升；微反應器能夠維持於恆溫，微反應器具有 直徑是10至1000微米之通道；反應混合物流過微反應器的 速率是0.01微升/分鐘至1〇〇毫升/分鐘；此方法係於_1〇〇 至+250°C之溫度·下進行；所用氧化劑是選自下列之至少一種 氧化劑：無機和有機過氧化物、過氧化氫、鉻醯化合物、鉻 氧化物、鹼金屬次氯酸鹽、鹼土金屬次氯酸鹽、N-溴丁二醯 亞胺、過渡金屬過氧錯合物、過氧化合物和有機酸和/或無 機酸和/或路易士酸之混合物、有機過酸、無機過酸和二氧 雜環丙院（dioxirans).，或這些氧化劑中至少二者之混合物； 所用烯烴是脂族、環脂族、芳族或雜芳族烯烴；而烯烴對氧 化劑之莫耳比是等莫耳，或者，以烯烴爲基準計，氧化劑用 量是2倍至20倍過量。 2_如申請專利範圍第1項之方法，其中，微反應器是微 小化的連續反應器。 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，微反應器是靜 態微混合器。 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中，該微反應器經 由出口連接至毛細管。 5 .如申請專利範圍第4項之方法，其中，·該毛細管 爲能夠維持於恆溫的毛細管。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

8 8 88 ABCD 1272269 々、申請專利範圍 6.如申請專利範圍第1項之方法，其中，微反應器 體積$ 50微升。 7 .如申請專利範圍第1項之方法，其中，微反應器 具有直徑是20至800微米之通道。 8 .如申請專利範圍第7項之方法，其中，微反應器 具有直徑是30至400微米之通道。 9 .如申請專利範圍第1項之方法，其中，反應混合 物流過微反應器的速率是1微升/分鐘至1毫升/分鐘 〇 10·如申請專利範圍第1至4項中任何一項之方法，其 中’所用化合物在微反應器中的停留時間，或，適當時，在 微反應器和毛細管中的停留時間^ 1 5小時，。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之方法，其中，所用化 合物在微反應器中的停留時間，或，適當時，在微反應 器和毛細管中的停留時間^ 3小時。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之方法，其中，所用化 合物在微反應器中的停留時間，或，適當時，在微反應 器和毛細管中的停留時間$ 1小時。 13.如申請專利範圍第1項之方法，其係於-78至 + 1 5 0 °C之溫度下進行。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其係於〇至+ 4 〇 °C之溫度下進行。 15.如申請專利範圍第1項之方法，其中，藉層析法監 控反應之過程，並選擇性加以調整。 本紙張尺度適财關家轉（CNS ) Α4· ( 210X297公釐） (請先閲讀背面之注意士 ?填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -14~- ABCD 1272269 六、申請專利範圍 i 6 .如申請專利範圍第i 5項之方法，其中，該層析 法爲高效液相層析法。 I I I m I I J— I 1/ I I (請先閲讀背面之注意^^^^^填寫本頁) 1 7 ·如申請專利範圍第丨項之方法，其中，藉萃取或沉 澱方式自反應混合物分離出形成的環氧化物。 1 8 ·如申g靑專利範圍第1項之方法，其中，所用無機過 氧化物是過氧化銨、鹼金屬過氧化物、過硫酸銨、驗金屬過 硫酸鹽、過硼酸銨、鹼金屬過硼酸鹽、過碳酸鏡、驗金屬過 碳酸鹽、鹼土金‘屬過氧化物、過氧化鋅或這些化合物中至少 二者之混合物。 19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中，該驗金 屬過氧化物爲過氧化鈉。 20. 如申請專利範圍第丨項之方法，其中，所用過渡金 屬過氧錯合物是鐵、.錳、釩或鉬的過氧錯合物或這些過氧錯 合物中至少二者之混合物。 線 2 1 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，以過氧二硫 酸鉀和硫酸作爲該過氧化合物和無機酸，以過氧化氫和三氟 化硼作爲該過氧化合物和路易士酸。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 22.如申請專利範圍第丨項之方法，其中，所用有機過 6¾:疋:過氧本甲酸、間-氯過氧苯甲酸、對-硝基過氧苯甲酸、 單過氧基苯二甲酸鎂、過氧醋酸、過氧順丁烯二酸、過氧基 三氟醋酸、過氧基苯二甲酸、過氧基月桂酸或這些過酸中至 少二者之混合物。 23·如申請專利範圍第丨項之方法，其中，所用二氧雜 環丙ί兀疋:一甲基一氧雜環丙j：完、甲基（三氟甲基）二氧雜環丙 本紙張尺度適财關家辟（CNS ) Α4· ( 21{}><297公^·) 1272269 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 烷或這些二氧雜環丙烷之混合物。 24.如申請專利範圍第1項之方法，其中，所用有機過 氧化物是第三丁基過氧化氫、枯烯過氧化氫、篕基過氧化氫 、1-甲基環己院過氧化氫或這些化合物中至少二者之混合物 2 5 ·如申請專利範圍第24項之方法甘 w % 其中，在有對掌性 劑存在下，使用第三丁基過氧化氫。 26·如申請專利範圍第25項之方 ^•万法，其中，該對掌 性劑爲四異丙氧化鈦、（R，R)·-酒石酸〜 %〜2酯或（S，S)-酒石 酸二乙酯。 27. 如申請專利範圍第1項之方法 i 依’其中，所用烯烴 是1-苯基環己烯、環己烯和/或苯乙Μ。 28. 如申請專利範圍第1項之方法， ^ β & ’其中，以烯烴爲 基準計，氧化劑用量是3倍至1 5倍毚贫❿β 4過星。 29. 如申請專利範圍第28項之方法 r , ^ ^ 力〗去，其中，以烯烴 爲基準計，氧化劑用量是4倍至1 〇倍 h夷耳過量。 (請先閲讀背面之注意ΐ V填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 張 一紙 本 準 標 家 國 國 中 一用 I適 附件2:第 90109681號專利申請案中文說明書替換頁 民國94年11月15 申請曰期 90 ^ 4 日 π A 案 號 QOIOQR^I 類 別

m 霉|專利説明書 中 文 發明 新型 名稱 烯烴之環氧化方法 英 文 Process fot the epoxidation of olefins SSS 名 姓 漢斯·巫玆格Wurziger, Hanns 葛多•彼桕 Pieper，Guido 諾伯特•史威辛格khwesinger, Norbert 國 籍 發明 創作 人 住、居所 ⑴德國 （2)德國 （3 德國 (1) 德國達木士塔法蘭克福特路二五〇號 Frankfurter Strasse 250, 64293 Darmstadt, Germany (2) 德國達木士塔法蘭克福特路二五〇號 Frankfurter Strasse 250, 64293 Darmstadt, Germany (3) 德國逹木士塔法蘭克福特路二五O號 Frankfurter Strasse 250, 64293 Darmstadt, Germany 裝 訂 姓 名 (名稱） (1)麥克專利有限公司 Merck Patent GmbH 線 人 請 中_^_ 經濟部智慧工消費合作社印製 國 籍 住、居所 (事務所） 代表人 姓名 (1)德國 (1)德國達木士塔法蘭克福特路二五〇號 Frankfurter Strasse 250, D-64293 Darmstadt Germany (1)俄曼 Eiennann， 史卡特勒Schuttler， 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）