6－甲基庚－2－酮的制備方法及其用途的制作方法

專利名稱：6－甲基庚－2－酮的制備方法及其用途的制作方法
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本發明涉及由異丁烯制備6-甲基庚-2-酮的三步法以及這樣制備的產物的用途。
6-甲基庚酮是制備異植醇(合成維生素E的結構單元)的中間產物。此外，它是合成四氫化芳樟醇、二氫香葉醇和其它香料的起始原料。
從文獻中可知有制備6-甲基庚-2-酮的多種合成途徑。
3-甲基丁基鹵化物與乙酰乙酸酯在堿的存在下的反應形成了中間產物，其水解和脫羧獲得了6-甲基庚-2-酮(Wagner等人，SyntheticOrganic Chemistry，327頁，John Wiley & Sons，Inc.)。該合成具有許多缺點尤其由于乙酰乙酸酯的價格而使原料成本高。要使用至少等摩爾量的堿。形成了副產物鹵化物，并且不得不進行處理。
標題化合物還可以通過6-甲基-5-庚烯-2-酮或6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮在鎳或其它催化劑上的氫化來獲得(Izv.Akad.Nauk SSSR，Ser.Khim(5)(1972)1052)。因為這兩種起始原料是昂貴的，所以用這種方法不能經濟地制備目標產物。
EP 0 816 321A公開了制備6-甲基庚-2-酮的兩步法。在第一步中，3-甲基丁醛是與丙酮進行羥醛縮合。在第二步中，粗產物氫化為目標產物。該羥醛縮合在高壓釜內在1.9巴的壓力和72℃的溫度下間歇進行。最先將丙酮投入，再經175分鐘的時間滴加3-甲基丁醛和2％氫氧化鈉水溶液。在冷卻到室溫之后，分離出有機相。該有機相在5％Pd/活性炭上在120℃和5-9巴的壓力下氫化7小時。過濾出催化劑后，氫化產物通過蒸餾進行加工。經兩個步驟的目標產物的收率為62％，以3-甲基丁醛為基準計。該方法具有缺點兩個步驟間歇進行，具有相對長的循環時間，這進而導致了低的空時收率。
EP 0 765 853描述了制備2-甲基庚-2-酮的另一兩步法。在第一步中，3-甲基丁醛與丙酮反應，形成4-羥基-6-甲基庚-2-酮和產量較少的6-甲基-3-庚烯-2-酮。為了增加選擇性，該方法通過使用相對于醛為0.1-20％摩爾比的堿，讓醛與丙酮以1∶3到1∶10的摩爾比反應來進行。
少量添加的堿目的是增加選擇性，即避免醛或丙酮的自縮合。然而，在工業方法中以這種方式進行反應的缺點是非常低的空時收率。
在第二步中，該混合物進行氫化，同時消去了水。在第一步中，堿金屬氫氧化物或堿土金屬氫氧化物水溶液用作催化劑。在反應完成之后，用乙酸進行中和，過濾出沉淀的乙酸鹽，再通過蒸餾分離兩種中間產物。餾出物在酸(對甲苯磺酸)的存在下在100℃和8巴的壓力下在包括5％Pd/活性炭的催化劑上氫化。從氫化產物中過濾出催化劑，分離有機相和通過蒸餾從中分離出目標產物。兩個步驟后的6-甲基庚-2-酮的收率是65％，以3-甲基丁醛為基準計。該方法具有一些缺點在第一步中使用的堿用乙酸中和。結果，該方法增添了另外的原料成本。所形成的乙酸鹽必須進行處理，這招致了另外的成本。
從經濟的角度來看，已知方法還沒有滿足由以工業規模進行的方法構成的所有要求，這要么是因為起始原料不能以充足的量和/或低成本效益獲得，要么是因為起始原料向6-甲基庚-2-酮的轉化與太復雜的方法相關。
因此，本發明的目的是開發以廉價和容易獲得的原料為基礎來工業制備6-甲基庚-2-酮的更經濟的方法。
已經發現，6-甲基庚-2-酮可以通過異丁烯加氫甲酰化形成戊醛，后者與丙酮進行羥醛縮合，隨后羥醛縮合產物氫化而大量獲得。
本發明因此提供了制備6-甲基庚-2-酮的方法，該方法的特征在于a)異丁烯加氫甲酰化，形成3-甲基丁醛，b)3-甲基丁醛與丙酮進行堿催化的羥醛縮合，形成6-甲基庚-3-烯-2-酮，其中3-甲基丁醛與所使用的堿的摩爾比高于1∶0.3，和c)6-甲基庚-3-烯-2-酮氫化，獲得6-甲基庚-2-酮。
根據本發明制備的6-甲基庚-2-酮可以用于制備異植醇、四氫化芳樟醇或二氫香葉醇。
用作通過本發明的方法制備6-甲基庚-2-酮的起始原料的異丁烯可以來自許多來源。異丁烯可以作為純物質或作為含異丁烯的混合物例如與其它C4烴類的混合物使用。含異丁烯的工業混合物是FCC的C4級分，蒸汽裂化器的C4級分，通過丁二烯萃取得自蒸汽裂化器的C4級分的萃余液I，或蒸汽裂化器的氫化C4級分，其中丁二烯的大部分已選擇性氫化為線性丁烯類。其它含異丁烯的料流是通過含異丁烯的烴料流的脫氫獲得的混合物。
此外，富含異丁烯的料流還可通過包括線性丁烯類的C4料流的骨架異構化來制備。
異丁烯與C4級分的分離一般通過兩種后處理方法來進行。兩種后處理變型方案共有的第一步是去除大部分的丁二烯。如果丁二烯便于出售或內部消費，它通過萃取或萃取蒸餾來分離。此外，可將它選擇性氫化成線性丁烯類，致使剩至大約2000ppm的殘留濃度。在兩種情況下，余下的是包括飽和烴類正丁烷和異丁烷與烯烴異丁烯、1-丁烯和2-丁烯的烴混合物(萃余液I或氫化裂化器C4)。
異丁烯通過與甲醇反應，形成甲基叔丁基醚(MTBE)來從該烴混合物中分離。MTBE的再離解獲得了甲醇和異丁烯的混合物，該混合物能夠容易地分離為該兩種組分。異丁烯能夠類似地通過與水反應，形成中間產物叔丁醇和再離解后者來進行分離。
作為選擇方案，基本上不含丁二烯的C4級分(來自FCC的C4料流，萃余液I或氫化裂化器C4)能夠在反應塔內進行加氫異構化。這樣獲得了包括異丁烷和異丁烯的塔頂產物。
加氫甲酰化(步驟a)異丁烯用合成氣加氫甲酰化為3-甲基丁醛是已知的。在該反應中可以使用鈷或銠催化劑。對于鈷催化(DE 39 02 892 A1)，收率為至多74％。另外，形成了2，2-二甲基丙醛和異丁烷。在有機亞磷酸酯配體的存在下使用銠催化劑的加氫甲酰化獲得了更好的收率。異丁烯使用包括銠和雙亞磷酸酯的催化劑體系加氫甲酰化為3-甲基丁醛的方法例如公開在US 4 668 651，US 4 769 498和WO 85-03702中。US 4 467116尤其描述了在2-位上二烷基化的α-烯烴的端部加氫甲酰化。為此使用包括銠和其中至少一個芳基在鄰位上攜帶龐大取代基的三芳基膦的催化劑體系。
在本發明方法的步驟a)(加氫甲酰化)中，可以使用包括銠和結構通式I的亞磷酸酯的催化劑體系。
在這里，Ar1、Ar2和Ar3是可以相同或不同的取代或未取代的芳族基團。適合的芳族基團例如是苯基、萘基、菲基或蒽基。芳族基團中至少一個在亞磷酸酯氧的鄰位上攜帶基團R1和在間位或對位上攜帶另一取代基X1。R1進而可以是脂族、環脂族、芳族或雜環基團。純脂族基團具有結構通式II。
Ra、Rb和Rc可以是相同或不同的，并且是具有1-6個碳原子的烴基。R1優選是苯基或叔丁基。X1是分別具有1-6個碳原子的烴基或醚基。
在步驟a)中，異丁烯或包含異丁烯作為唯一的不飽和化合物的烴混合物的加氫甲酰化優選使用包括銠和亞磷酸三芳基酯的上述催化劑體系以均相反應(一個液相)進行。在此，反應在60-180℃，優選90-150℃的溫度范圍內進行。反應壓力是10-200巴，優選20-100巴。作為加氫甲酰化劑，使用摩爾比為1/10到10/1的一氧化碳和氫的混合物。銠濃度是5-500ppm(重量)，優選10-200ppm(重量)。每mol的銠使用1-50mol，優選5-30mol的亞磷酸三芳基酯。反應可以間歇進行，但優選的是連續工藝。
有利地是通過蒸餾將反應產物分離為未反應的異丁烯，3-甲基丁醛，其中包括催化劑的高沸點化合物和副產物。未反應的異丁烯和催化劑返回到加氫甲酰化反應器中。
羥醛縮合(步驟b)3-甲基丁醛與丙酮羥醛縮合為6-甲基庚-3-烯-2-酮優選作為兩相反應進行。在步驟b)中的反應可以連續或間歇地在管式反應器、流動管或攪拌容器內進行。
羥醛縮合用堿催化，優選的堿是具有0.1-15重量％的堿濃度的無機含水體系。有用的堿是堿金屬氫氧化物如NaOH、KOH，K2O，Na2O或NaHCO3，Na2CO3，K2CO3，乙酸鹽，甲酸鹽或三乙胺。
在羥醛縮合中不僅形成了所需產物6-甲基庚-3-烯-2-酮，而且還形成了副產物4-甲基-2-戊烯-2-酮(4-MP)，3-甲基-2-異丙基-2-丁烯醛(3-MiPB)，5-甲基-2-異丙基-2-己烯醛(5-MiPH)，4-羥基-6-甲基庚-2-酮(6-HMH)。這些化合物例如還作為烯醇互變異構體存在，對于本發明來說，所需產物包括了6-甲基庚-3-烯-2-酮的所有互變異構形式。
3-甲基丁醛與所使用的堿的摩爾比是在0.3以上，優選為1∶1到1∶2，更尤其優選1∶1到1∶5。
在一個特定工藝變型中，步驟b)通過使含甲基丁醛的有機相在包含催化劑的連續相中的分散來進行。
該反應可如在專利申請DE 101 06 186.2中所述(進行多相反應的方法，尤其醛與酮類的縮合)在管式反應器內進行，其中催化劑存在于連續相中，起始原料存在于有機分散相中，并且反應器的負荷系數B等于或大于0.8，連續相與分散相的質量比大于2。(負荷系數B被定義如下B＝PD/PS·PD[Pa/m]是在操作條件下在反應器中的縱向型壓降，PS[Pa/m]是具有縱向型壓力的量綱的數學參數，定義為所有組分在操作條件下的質量流率M[kg/s]的比率乘以g＝9.81[m/s2]，即PS-(M/V)*g。)作為催化劑相，在該方法的所有變型中優選使用的是堿金屬或堿土金屬化合物形式的氫氧化物、碳酸氫鹽、碳酸鹽或羧酸鹽的水溶液，尤其氫氧化鈉和氫氧化鉀的水溶液。催化劑在催化劑溶液中的濃度為0.1-15質量％，尤其0.1-5質量％。在DE 101 06186的公開物中給出了反應器的其它細節和其操作模式。
適宜的是，將3-甲基丁醛、丙酮和任選性的溶劑在各反應器的上游進給催化劑相。
3-甲基丁醛與丙酮的摩爾比是5/1到1/10，優選1/1到1/5。反應在40-150℃，優選50-120℃的溫度范圍內進行。反應時間是0.1-20分鐘，優選0.2-5分鐘。
任選地，從反應產物中分離催化劑相，再返回到反應器中。未反應的起始原料、一些產物、水和任何溶劑優選在所述相分離之前蒸餾出來。在冷凝之后，餾出物分離為水相和有機相，后者能夠返回到反應器中。水相優選在通過蒸餾分離出起始原料，尤其丙酮之后部分丟棄，以便排放反應水，以及部分在任選作為洗滌液使用之后返回到工藝中。
已與催化劑分離的產物相視需要在用水洗滌之后能夠通過蒸餾來后處理，以獲得純2-甲基庚-3-烯-2-酮。另一可能性是在下一步驟使用與催化劑分離的粗產物。該工序使得可以以95％的選擇性(按3-甲基丁醛計)制備所需的α，β-不飽和酮。
在步驟b)的所有變型中，可以使用溶劑。溶劑的使用常常導致羥醛縮合選擇性的增加，對催化劑溶液中水損失的控制和水與羥醛縮合物分離的簡化。
優選使用3-甲基丁醛、丙酮和6-甲基庚-3-烯酮在其中可溶，且堿或連續相在其中不溶的溶劑。
這種溶劑應該具有以下性能它溶解產物和起始原料，本身在催化劑相中極少溶解。它在羥醛縮合中和任選地在氫化中是惰性的。它可以通過蒸餾與目標產物6-甲基庚-3-烯-2-酮和/或6-甲基庚-2-酮分離。適合的溶劑例如是醚類或烴類如甲苯或環己烷。尤其，優選的是與水形成最低非均相共沸混合物的溶劑，使得水能夠以特別簡單的方式與羥醛縮合物分離。為此，環己烷或甲苯優選作為溶劑。
氫化(步驟c)通過交叉的羥醛縮合獲得的6-甲基庚-3-烯-2-酮以純形式或作為可以包括丙酮，3-甲基丁醛，水，溶劑和高沸點化合物的混合物被選擇性氫化為6-甲基庚-2-酮。這優選在固定床催化劑和/或酸催化劑上進行。酸催化劑常常包括酸性載體材料或用酸性物質浸漬的載體材料。
氫化使用可以包括鈀、鉑、銠和/或鎳作為氫化活性組分的催化劑來進行。這些金屬能夠以純形式、作為與氧的化合物或作為合金來使用。優選的催化劑是其中氫化活性金屬擔載于載體上的那些。適合的載體材料是氧化鋁，氧化鎂，氧化硅，二氧化鈦和它們的混合氧化物以及活性炭。在這些催化劑當中，尤其優選的催化劑是活性炭載鈀和氧化鋁載鈀。
在包括鈀和載體的催化劑的情況下，鈀含量是0.1-5質量％，優選0.2-1質量％。氫化能夠連續或間歇和在氣相或液相中進行。在液相中的氫化是優選的，因為氣相方法由于需要循環大量的氣體而消耗更多的能量。對于連續液相氫化，能夠選擇各種工藝變型。它能夠絕熱或幾乎等溫(即溫度升高低于10℃)地按一個或多個步驟進行。在后一種情況下，各反應器能夠均為絕熱或幾乎等溫進行，或一個反應器絕熱操作和另一個幾乎等溫地操作。此外，可以進行單程選擇性氫化，或讓產物再循環。氫化在液/氣混合相中或在三相反應器中在同向流動的液相中進行，其中氫以本身已知的方式精細分散在所要氫化的液體中。為了在高選擇性下的均勻液體分布、改進的反應熱脫除和高空時收率，反應器優選在15-300m3/m2，尤其25-500m3/m2的空反應器截面/小時的高液體通量下操作。如在US 5 831 135中所述，制備6-甲基庚-2-酮的一種氫化方法例如是在兩個或多個反應器中的液相氫化，它們全部是在讓產物再循環的情況下操作。
在本發明的方法中，6-甲基庚-3-烯-2-酮選擇性氫化為6-甲基庚-2-酮是在0-200℃，尤其40-150℃的溫度范圍內進行。反應壓力是1-200巴，優選1-30巴，尤其1-15巴。
選擇性氫化提供了優點目標產物在幾乎100％轉化率下以99％以上的收率獲得。任選地存在于起始原料中的飽和羰基化合物如3-甲基丁醛或丙酮沒有幾乎未被氫化。
如果純6-甲基庚-3-烯-2-酮被氫化，即如在氫化之前進行適當的純化步驟(例如蒸餾)，則目標產物以優良的質量獲得，使得進一步純化是多余的。
相反，如果將粗羥醛縮合混合物進給氫化步驟，則氫化產物必須通過蒸餾來后處理。除了目標產物以外，丙酮和3-甲基丁醛也被分離出。后兩種物質返回到羥醛縮合步驟中。
用本發明的方法制備的6-甲基庚-2-酮是制備異植醇(合成維生素E的結構單元)的中間產物。該化合物還用于制備四氫化芳樟醇，二氫香葉醇和其它香料。
以下實施例舉例說明本發明，但不限制其范圍，其范圍用權利要求來限定。
實施例1(加氫甲酰化)實驗在包括泡罩塔反應器、薄膜蒸發器和蒸餾裝置的實驗設備中進行。異丁烯與過量合成氣和含催化劑的高沸點溶劑一起從下面引入到泡罩塔。在反應器的頂部，分離出未反應的合成氣。液體部分(殘留烯烴，醛類，副產物，高沸點溶劑，催化劑)進入在減壓下操作的薄膜蒸發器，使得所形成的醛與未反應的烯烴一起從溶解了催化劑的高沸點組分中分離出來。作為高沸點溶劑，使用以20wt％的比例存在于反應器中的鄰苯二甲酸二辛酯，因為在實驗開始時不存在由該方法獲得的高沸點化合物且在實驗期間只形成了少量的高沸點化合物。在反應器中的銠濃度是30ppm的銠，再添加作為配體的亞磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯。P/Rh比率是20/1。泡罩塔通過經雙壁外部冷卻而保持在恒定的115℃。操作壓力是50巴的合成氣。
在上述反應條件下，設定2kg/h異丁烯的進料速度，泡罩塔具有2.1L的體積。均衡的物流獲得了異丁烯和下游產物的以下產物分布
在99％的對3-甲基丁醛的選擇性下(按異丁烯計)，異丁烯的轉化率是92％。
實施例2(羥醛縮合)羥醛縮合在如

圖1所示的實驗裝置中進行。在該裝置中，連續催化劑相2用泵1循環。醛和酮一起通過管道3或分別通過管道3和4混入到催化劑中。在本實施例中，起始原料專門通過管道3混合。多相混合物5通過具有3m長度和17.3mm直徑且配備具有2mm的液力直徑的靜態混合元件的管式反應器6泵送。包括反應產物、未反應的起始原料和催化劑的所得混合物7能夠通過排入管道9而在氣體分離器8中脫除揮發性成分。在本實施例中，該管道是封閉的。在脫氣8之后獲得的液體料流10導入相分離容器11。在這里，分離含水催化劑相2，再回進給環路。在溢流堰上流出并包括反應產物的有機相從管道12排出。
反應熱能夠通過位于反應器外部的換熱器13、14和15去除。
使用水和丙酮作為催化劑的溶劑。實施例中的第一個附表首先報道了催化劑組成(質量％)，然后是起始原料的量及其根據氣相色譜法分析獲得的組成(質量％)。
在第二個表的下部，列舉了產物組成(質量％)，同樣是根據氣相色譜法分析獲得的。
在第二個表的上部，給出了空時收率(RZA)，醛的轉化率(U)，對所需羥醛縮合產物的選擇性(S)和負荷系數(B)。在所述的催化劑組成情況下，應該注意的是，在實施例中給出的值是初始值。NaOH的比例被羥醛縮合的反應水稍微稀釋。此外，與羥醛縮合平行進行的坎尼扎羅反應導致了堿性催化劑的中和。然而，兩種效應在整個觀測期內都是非常小的，因此它們對于實驗和實驗結果的描述不是很重要的。
本實施例描述了丙酮(Ac)和3-甲基丁醛(3-MBA)在環己烷(CH)中根據本發明進行羥醛縮合，形成6-甲基-3-庚烯-2-酮(6-MH)的方法。副產物4-甲基-3-戊烯-2-酮(4-MP)，3-甲基-2-異丙基-2-丁烯醛(3-MiPB)，5-甲基-2-異丙基-2-己烯醛(5-MiPH)和4-羥基-6-甲基庚-2-酮(6-HMH)以及其它高沸點化合物(HB)按重量％在下表中報道。
反應劑在80℃的溫度和反應劑的自生壓力下以400kg/h的催化劑通量通入反應器。
獲得了以下結果(不用環己烷分析)
可以明顯看出，6-甲基-3-甲基庚烯-2-酮能夠用本發明的方法在高空時收率下以高選擇性制備。
實施例3(氫化)在本實施例中的6-甲基-3-庚烯-2-酮(6-MH)氫化為6-甲基庚-2-酮(6-MHa)是在等溫和等壓條件下在差示循環反應器(Differenzialkreislaufreaktor)內進行。使用70g的Pd/Al2O3催化劑作為催化劑。固定床具有4mm的直徑。所用催化劑預先在80℃和15巴的氫氣壓力下還原18小時。在環路中的反應混合物的體積流量為451/h。這對應于35m3/m2/h的橫截面載荷。
下表報道了在5小時的反應時間之后的反應混合物的產物分析(按重量％計)。除了起始原料和產物以外，還對6-甲基庚-2-醇(6-MHO)和高沸點化合物(HS)進行分析。
在99％的對6-甲基庚-2-酮的選擇性下，6-甲基庚-3-烯-2-酮的轉化率是99.5％。
權利要求
1.制備6-甲基庚-2-酮的方法，該方法的特征在于a)異丁烯加氫甲酰化，形成3-甲基丁醛，b)3-甲基丁醛與丙酮進行堿催化的羥醛縮合，形成6-甲基庚-3-烯-2-酮，其中3-甲基丁醛與所使用的堿的摩爾比高于1∶0.3，和c)6-甲基庚-3-烯-2-酮氫化，獲得6-甲基庚-2-酮。
2.如權利要求1所要求的方法，其特征在于，在步驟a)中的加氫甲酰化在鈷或銠催化劑的存在下進行。
3.如權利要求1或2所要求的方法，其特征在于，在步驟a)中的加氫甲酰化在銠催化劑和有機亞磷酸酯配體的存在下進行。
4.如權利要求1-4之一所要求的方法，其特征在于，在步驟b)中使用的堿是濃度為0.1-15重量％的含水無機堿。
5.如權利要求4所要求的方法，其特征在于，所使用的堿是氫氧化鈉。
6.如權利要求1-5之一所要求的方法，其特征在于，步驟b)在管式反應器內進行。
7.如權利要求6所要求的方法，其特征在于，管式反應器的負荷系數大于0.8。
8.如權利要求6或7所要求的方法，其特征在于，步驟b)通過包含甲基丁醛的有機相在包含催化劑的連續相中的分散來進行。
9.如權利要求8所要求的方法，其特征在于，連續相與分散有機相的質量比大于2。
10.如權利要求1-9之一所要求的方法，其特征在于，步驟b)使用3-甲基丁醛、丙酮和6-甲基庚-3-烯-2-酮的溶劑，在該溶劑中堿或連續相不溶。
11.如權利要求10所要求的方法，其特征在于，溶劑與水形成最低共沸物。
12.如權利要求1-11之一所要求的方法，其特征在于，氫化在設置于固定床中的催化劑上進行。
13.如權利要求12所要求的方法，其特征在于，氫化在酸催化劑上進行。
14.如權利要求12或13所要求的方法，其特征在于，氫化在鈀催化劑上進行。
15.按權利要求1-14之一所制備的6-甲基庚-2-酮用于制備異植醇、四氫化芳樟醇或二氫香葉醇的用途。
全文摘要
本發明涉及制備6－甲基庚－2－酮的方法，特征在于a)異丁烯加氫甲酰化，形成3－甲基丁醛，b)3－甲基丁醛與丙酮進行堿催化的羥醛縮合，形成6－甲基庚－3－烯－2－酮，其中3－甲基丁醛與所使用的堿的摩爾比高于1∶0.3，和c)6－甲基庚－3－烯－2－酮氫化，獲得6－甲基庚－2－酮。本發明還涉及根據所述方法獲得的6－甲基庚－2－酮用于制備異植醇，四氫化芳樟醇或二氫香葉醇的用途。
文檔編號C07C45/62GK1564797SQ02819785
公開日2005年1月12日 申請日期2002年9月27日 優先權日2001年10月6日
發明者K·-D·維澤, G·普羅茨曼 申請人:奧克森諾奧勒芬化學股份有限公司