一种反式2-甲基-2-戊烯酸的合成方法

摘要

本发明采用Reppe合成法制备草莓酸，首先以间戊二烯、一氧化碳和水为原料，以贵金属铑盐和有机膦配体为催化剂，得到2‑甲基‑3‑戊烯酸的顺反异构中间体，然后所得中间产物经异构化反应生成反式2‑甲基2‑戊烯酸，即反式草莓酸。

权利要求

1.一种反式2‑甲基‑2‑戊烯酸的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）以间戊二烯、一氧化碳和水为原料，在催化剂1和溶剂的作用下，在一定的反应温度和压力下，催化得到2‑甲基‑3‑戊烯酸的顺反异构体；（2）在催化剂2的作用下，将2‑甲基‑3‑戊烯酸的顺式异构体发生异构反应得到反式2‑甲基‑2‑戊烯酸；

所述催化剂1为铑盐与有机膦配体，所述铑盐为Rh(CO)2(acac)、Rh2(CO)4Cl2、RhCl3·

3H2O、Rh(NO3)3中的一种或多种；

所述有机膦配体为以下螺环类磷配体中的一种（Ligands 1‑4）；

所述催化剂2为氯化锌/乙酸溶液。

2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述有机膦配体与铑盐的摩尔比为 (1.0‑1.3):1。

3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述铑盐与间戊二烯的摩尔比为(0.02‑0.04):1。

4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述间戊二烯和水的摩尔比为1:(1‑

1.5)。

5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述一氧化碳的压力为2.0‑3.5 Mpa。

6.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述步骤（1）的反应温度为90‑140℃。

7.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述溶剂为DMI或HMPA中的一种。

8.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述催化剂2中，氯化锌的质量浓度为

40‑50%，氯化锌/乙酸溶液的投料量为2‑甲基‑3‑戊烯酸顺反异构体总质量的8‑13%。

说明书

一种反式2‑甲基‑2‑戊烯酸的合成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种以烯烃为原料，合成酸的反应，具体地说，涉及一种反式2‑甲基2‑戊烯酸的合成方法，属于精细化工和香精香料领域。

背景技术

[0002] 草莓酸又称2‑甲基‑2‑戊烯酸，天然存在于草莓中，多为反式体，是国标《GB 2760‑1996》中规定允许使用的食用香料，不仅具有新鲜草莓香气，且带有甜润的浆果样香气和酸味，且风味醇厚浓郁而又持久。主要用于调配食用草莓、山楂、乳酪、覆盆子和热带水果等香精；还可以用于制造柑橘香味食品香料，直接用于饮料和食品加工。除应用于食用香精外，草莓酸还应用于日化香精配方中。

[0003] 目前，2‑甲基2‑戊烯酸主要有6种合成方法：

[0004] 1、以2‑戊酮为起始原料，与氰化钠亲核加成，经氰基水解、顺反异构等4步反应合成草莓酸。此法使用剧毒氰化物，对环境与生命危害极大；且2‑甲基‑2‑羟基戊羧脱水产物为(Z)‑2‑甲基‑2‑戊烯酸，其热异构转化率不理想。

[0005]

[0006] 2、以2‑甲基戊酸为起始原料，经α‑溴代、酯化、水解脱水、皂化和酸化等5步反应合成了草莓酸，此法反应步骤多，收率不高，工业应用效益不明显。

[0007]

[0008] 3、以α‑二乙基膦酰基丙酸乙酯为起始原料，经与NaH作用和皂化继而酸化等2步处理获得了反式2‑甲基‑2‑戊烯酸。此法原料难得，且要用到 NaH，未见有工业化生产报道。

[0009]

[0010] 4、丙醛和丁酮在硫酸催化下缩合制得3‑甲基‑3‑己烯‑2‑酮；后经卤仿反应得到草莓酸，此法收率不高。

[0011]

[0012] 5、以2‑溴丙酸乙酯为原料，先和Zn反应，乙醚溶剂中，再在酸性条件下与丙醛反应，生成3‑羟基‑2‑甲基戊酸乙酯，然后加热，脱水生成2‑ 甲基‑2‑烯丙基乙酸乙酯；再经水解、酸化生成2‑甲基‑2‑戊烯酸。

[0013]

[0014] 6、丙醛经羟醛缩合反应得到2‑甲基‑2‑戊烯醛，烯醛经选择性氧化可生成相应的2‑甲基‑2‑戊烯酸，最后经分离可方便地获得草莓酸。该法具有原料价廉易得、反应条件温和的优点，适合于大规模工业化生产。

[0015]

[0016] 此外，2‑甲基‑2‑戊烯醛还可通过肟化、脱水成腈、水解等3步反应来合成草莓酸，反应步骤多、副产物复杂，产品分离难度大，不适用于工业化生产。

[0017]

[0018] 在以上的草莓酸合成方法中，工艺6为当前草莓酸制备的主流工业化生产方法，即：首先以丙醛为起始原料，在碱催化剂作用下发生羟醛缩合反应生成反式2‑甲基‑2‑戊烯醛；随后反式2‑甲基‑2‑戊烯醛在氧化剂的作用下发生氧化反应制备得到反式2‑甲基‑2‑戊烯酸，即反式草莓酸。该工艺的重难点主要集中于氧化反应步骤上，根据文献报道，应用最广泛的氧化工艺主要有硝酸银/氧化银工艺、亚氯酸钠工艺以及催化氧化工艺。

[0019] 1988年《香精香料化妆品》第一期和美国专利US3162682分别报道了以硝酸银和氧化银为氧化剂的反应。该工艺虽然路线较成熟，但所用氧化剂价格昂贵、供应困难，工艺生产成本高、三废量大，不符合现代化生产的要求。

[0020] 亚氯酸钠工艺是目前市场上生产草莓酸的主要方法，中国专利 CN1270951A、CN1089085C、CN102653510A、CN104402701B、 CN104892402A均报道了以亚氯酸钠为氧化剂制备反式草莓酸的反应，并取得了令人满意的结果。但该工艺缺点同样明显，需要消耗至少一当量的氧化剂，生产中会产生大量的废盐和含氯废水等，安全环保压力较大。

[0021] 催化氧化工艺则是以氧气或空气为氧化剂，工艺一般以钴、锰、镍的金属盐为催化剂。但该工艺装置复杂、工艺难控制且易发生深度氧化，反应收率不高。

[0022] Reppe合成法是由烯烃或炔烃、一氧化碳与一个亲核试剂如H2O、 ROH、RNH2等在均相催化剂作用下形成羰基酸及其衍生物的反应。该反应具有良好的原子经济性和环境友好性，符合绿色化学的发展趋势。

[0023] 本发明拟采用Reppe合成法制备反式草莓酸以解决现有草莓酸制备工艺的缺陷，即以间戊二烯、一氧化碳和水为原料首先发生Reppe反应制备羰基酸化合物，随后经双键的异构化得到反式草莓酸。在现有技术中，涉及以共轭二烯烃与一氧化碳和水为原料制备羰基酸化合物的反应比较少见，主要为国际壳牌公司的几篇专利，如CN101137610、CN101142162、 US4927892等。在这些专利中反应采用钯盐为催化剂，但主要得到的是2‑、3‑和4‑戊烯酸的混合物，选择性较差。催化剂对于Reppe反应的选择性和产率起着决定性的作用，采用合适的催化剂得到高选择性和产率的草莓酸是目前需要解决的技术问题。

发明内容

[0024] 为解决现有技术中存在的问题，本发明采用Reppe合成法制备草莓酸，首先以间戊二烯、一氧化碳和水为原料，以贵金属铑盐和有机膦配体为催化剂，得到2‑甲基‑3‑戊烯酸的顺反异构中间体，然后所得中间产物经异构化反应生成反式2‑甲基2‑戊烯酸，即反式草莓酸。

[0025] 具体的，采用技术方案如下：

[0026] 本发明提供一种反式2‑甲基‑2‑戊烯酸的合成方法：

[0027] 本发明的合成方法，优选地，包括以下步骤：

[0028] (1)将间戊二烯、一氧化碳和水在催化剂1作用下反应，从所得反应液中分离得到2‑甲基‑3‑戊烯酸的顺反异构体；

[0029] (2)将上述2‑甲基‑3‑戊烯酸的顺反异构体在酸性催化剂2作用下进行异构化反应，从所得反应液中即可分离得到反式2‑甲基‑2‑戊烯酸，即反式草莓酸。

[0030] 其中，步骤(1)中所述反应的催化剂对产物的转化率和选择性起着重要的作用。Reppe反应中，许多过渡金属如Ni、Co、Fe、Rh、Ru、Pd 等的盐和络合物均可作催化剂，但是不同的催化剂对于特定的反应具有完全不同的效果。因此，对于Reppe合成法制备草莓酸的反应，开发得到合适的催化剂，是具有技术难度的。

[0031] 本申请的发明人经过多年的技术研发，开发得到了高选择性和产率的催化剂，并且，本申请相关的研究得到了“山东省博士后创新人才支持计划”资助。

[0032] 具体的，催化剂1包括贵金属催化剂和有机膦配体。贵金属催化剂和有机膦配体可以更好地催化反应，获得更高的收率。

[0033] 所述贵金属催化剂，为铑盐中的一种，铑催化剂在该反应中具有优良的催化活性，反应转化率高、选择性好。所述铑盐可以为Rh(CO)2(acac)、 Rh2(CO)4Cl2、RhCl3·3H2O、Rh(NO3)3中的一种，优选为Rh2(CO)4Cl2。铑盐与间戊二烯的摩尔比优选为(0.02‑0.04):1。

[0034] 所述有机膦配体，为螺环类磷配体中的一种，可以是单齿配体也可以是双齿配体，优选以下螺环类磷配体中的一种(Ligands 1‑4)。

[0035]

[0036] 进一步优选为双齿配体Ligand 2和Ligand4，它们具有更大空间位阻，与使用单齿配体时相比，具有更好的选择性。

[0037] 单齿或双齿螺环磷配体相比较其他类型配体，与金属配位形成的配合物具有更大的圆锥角或咬角，而且形成的螺环配合物骨架也具有更大的刚性，从而导致了反应具有较高的选择性。

[0038] 步骤(1)中所述有机磷配体与贵金属铑盐的摩尔比优选为(1.0‑1.3):1。

[0039] 所述步骤(1)中反应可以使用溶剂，所述溶剂为与水互溶的极性非质子性溶剂中的一种，可以是N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)、1,3‑二甲基‑2‑ 咪唑啉酮(DMI)、二甲基亚砜(DMSO)、N‑甲基‑2‑吡咯烷酮(NMP)、六甲基磷酰三胺(HMPA)，优选为DMI和HMPA。

[0040] 步骤(1)中原料间戊二烯和水的摩尔比可以是1:(1‑1.5)，优选范围为 1:(1.1‑1.2)。

[0041] 所述步骤(1)反应的反应温度为90‑140℃，优选为100‑130℃。

[0042] 步骤(1)中一氧化碳的压力为2.0‑3.5Mpa，优选为2.0‑3.0Mpa。

[0043] 进一步，步骤(1)所述分离方式为减压精馏。可以通过调节回流比分离出中间体2‑甲基‑3‑戊烯酸的顺反异构体和溶剂。

[0044] 溶剂可套用至下一批次，釜底为催化剂和少量的脚料，可直接套用至下一批次。

[0045] 所述步骤(2)中的异构反应催化剂2为酸性催化剂。

[0046] 所述酸性催化剂为氯化锌的乙酸溶液，氯化锌的质量浓度为35‑60％，优选为40‑50％。

[0047] 采用氯化锌/乙酸溶液为催化剂时，产物几乎定量生成其反式构型，采用单纯的氯化锌为催化剂时，会有20‑30％的顺式2‑甲基‑2‑戊烯酸生成，从而造成顺式异构体的存在导致产品反式2‑甲基‑2戊烯酸纯化更加困难的问题。

[0048] 反应过程中，氯化锌通过活化羰基增强了2‑位C‑H键的酸性使该C‑H 键更容易断裂，而乙酸则通过活化双键形成碳正离子中间体。无论是2‑ 甲基‑3‑戊烯酸的顺式异构体还是反式异构体，在该催化体系下会形成相同的碳正离子中间体，随后经过重排生成以反式异构体为主的草莓酸。而单纯使用氯化锌时反应经历的可能不是碳正离子中间体的过程，因此重排时顺反异构体选择性不好。

[0049] 所述氯化锌/乙酸溶液的投料量为2‑甲基‑3‑戊烯酸顺反异构体总质量的5‑15％，优选为8‑13％。

[0050] 所述步骤(2)的反应温度为50‑80℃，优选为60‑70℃。

[0051] 进一步，步骤(2)中分离方法可以采用洗涤、分层后精馏的方式。具体步骤可以是首先用蒸馏水洗涤反应后的反应液两次，经过分液得到上层油相，随后上层油相经过减压精馏即可得反式2‑甲基‑2‑戊烯酸。

[0052] 为了便于理解本发明的合成路线，下面列举一种具体实施方式中的主要反应路线，此处仅为一种示例，并非对本发明的局限：

[0053]

[0054] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0055] 本发明开发了合适的催化剂，采用Reppe反应制备反式2‑甲基‑2‑戊烯酸，避免了现有路线步骤长、收率低、生产成本高、产生三废多的问题，可以高收率、环境友好、高原子经济性的获得目标产物，进而为反式2‑ 甲基‑2‑戊烯酸的合成提供了新的路线选择，具有以下优势：

[0056] 1、反应收率更高，原子利用率好，两步反应收率分别可达82％和94％以上。

[0057] 2、反应过程中三废较少，环境友好。对原料全部利用，不产生废气。

[0058] 3、反应采用价格低廉的间戊二烯、一氧化碳和水为原料，且所采用的贵金属催化剂可循环套用，操作工序简单、对仪器设备要求低，生产成本较低。

[0059] 4、本发明的合成方法可以降低反应杂质，清洁环保，具有较高的经济和环保效益，利于草莓酸的生产，并为其他相似结构的酸性化合物提供了参考。

具体实施方式

[0060] 下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

[0061] 以下实施例中的产品含量，如无特别说明，为分离收率。

[0062] 实施例1‑25

[0063] 将催化剂1(铑盐和配体)加入到高压反应釜中，加入溶剂搅拌使铑盐和配体配位溶解，随后加入间戊二烯和水。关闭反应釜，先用氮气置换釜内空气三次，随后用一氧化碳置换三次，升温至设定温度，并用一氧化碳补压至设定压力。开始反应，气相检测反应终点，随后反应液移至精馏塔中减压精馏分离得到2‑甲基‑3‑戊烯酸的顺反异构体。具体实验结果见下表1。

[0064] 表1 步骤(1)实验结果

[0065]

[0066]

[0067] 根据上表中的结果，我们可以得出以下结论：对比实施例1‑4，铑盐优选为Rh2(CO)4Cl2；对比实施例2,8‑12，空间位阻更大的双齿配体是优选的，配体与铑盐的摩尔比优选为(1.0‑1.3):1，而铑盐与间戊二烯的摩尔比则优选为(0.02‑0.04):1；对比实施例12‑21则发现，水的用量优选为(1.1‑1.2):1 (水与间戊二烯的摩尔比)，一氧化碳的压力优选为2.0‑
3.0MPa，反应温度则优选为100‑130℃；最后通过溶剂筛选发现，DMI和HMPA是优选的。

[0068] 实施例26‑36

[0069] 向步骤(1)中得到的2‑甲基‑3‑戊烯酸顺反异构体中加入一定量催化剂2(氯化锌/乙酸溶液)，升温至设定温度进行异构化反应。气相检测反应终点，反应结束后用蒸馏水洗涤反应两次，分液得上层油相，随后反应液移至精馏塔中减压精馏分离得到反式草莓酸。具体实验结果见下表2。

[0070] 表2 步骤(2)实验结果

[0071]

[0072] 根据上表中的结果，我们可以得出以下结论：氯化锌/乙酸催化剂的投料量优选为8‑13％(与顺反异构体的质量比)，氯化锌/乙酸溶液中氯化锌的质量浓度优选为40‑50％，反应温度则优选为60‑70℃。

[0073] 对比例1‑7

[0074] 对比例1‑7是以实施例25为基础进行对比，将实施例25中的贵金属催化剂铑盐改为乙酸钯等其他金属催化剂，或将配体改为三苯基磷等其他磷配体。实验结果如下表3所示。

[0075] 表3 对比实验结果

[0076]

[0077] 从上述对比结果可以看出，采用钯、钌、钴、铁作为催化剂时，反应的选择性较差(对比例1‑4)，而将螺环配体改用其他磷配体时收率同样下降明显(对比例5‑7)。

[0078] 对比例8

[0079] 对比例8是以实施例34为基础进行对比，将实施例34中的氯化锌/ 乙酸催化剂改为纯的氯化锌催化剂，反应中不额外加乙酸。实验结果如下表4所示。

[0080] 表4 对比实验结果

[0081]

[0082] 从实验结果中得知，催化剂采用纯的氯化锌而非氯化锌/乙酸溶液为催化剂，虽然反应同样具有较高的转化率，但是反式草莓酸的选择性较低。在得到的草莓酸混合物中，反式草莓酸约占70％，顺式草莓酸约为25％。

[0083] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0084] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。