專利名稱：烷基3,3-二烷氧基丙酸酯的制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及制備式(RO) 2CHCH2C02R的烷基3，3_ 二烷氧基-丙酸酯的連續工藝，其 中R為Cp6烷基。
背景技術：
烷基3，3- 二烷氧基丙酸酯是重要的C-3砌塊，其自身是各種產物(例如嘧啶、喹 啉、尿嘧啶、氟伐他丁、維生素A以及農用化學品如除草劑1-甲基-5-羥基吡唑)的中間 體。烷基3，3- 二烷氧基丙酸酯的一種可能的合成路線是由相應原甲酸酯在酸性催化劑存 在下與乙烯酮的反應進行制備。因此，例如，G. BUchi在-70°C的反應溫度下以19%的產率 制備了甲基 3，3-二 甲氧基丙酸酯(BUchi 等人，JAm. Chem. Soc. 1973，95，540-545)。乙基 3， 3-二乙氧基丙酸酯的制備描述于，例如，US 2，449，471 (產率為52% )和D. Crosby等人，J Org. Chem. 1962，27，3083-3085 (產率為54% )。在此處引用的參考文獻中所用的酸性催化 劑為三氟化硼和二乙醚的加合物，且該反應伙伴采用分批式反應。由于該反應高度放熱，且 大量的乙烯酮很難處理，因此這種分批式反應僅可能在實驗室規模的批次上實現。
發明內容
相應地，本發明的一個目標是提供適于以良好的產率和純度制備大量烷基3， 3_ 二烷氧基丙酸酯的改良工藝，該工藝沒有任何風險且易于實施。根據本發明，該目標可通過權利要求1所主張的工藝實現。所主張的是通過在酸性催化劑存在下將乙烯酮(CH2 = C = 0)與式(RO)3CH的原 甲酸酯反應實現的用于制備式(RO)2CHCH2CO2R的烷基3，3-二烷氧基丙酸酯的連續工藝，其 中R為Cp6烷基，其特征在于該反應在環式反應器中進行。此處和下文的術語“Cu烷基”應理解為表示包含1至6個碳原子的線性或支鏈化 烷基基團。Cp6烷基的范例為甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基、異丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、 異戊基(3-甲基丁基)、新戊基、(2，2_ 二甲基丙基)、己基、異己基(4-甲基戊基)等。在優選的實施方式中，該原甲酸酯選自原甲酸三甲酯、原甲酸三乙酯、原甲酸三丙 酯和原甲酸三丁酯。更優選地，該原甲酸酯為原甲酸三甲酯。“連續操作”表示反應伙伴和反應產物都分別為連續添加和去除。根據本發明，乙 烯酮氣體、原甲酸酯和酸性催化劑在環式反應器中彼此連續反應。此處，術語“環式反應器”并非指特定的設計，而僅是指操作的原理。在最簡單的 情況下，該環式反應器由配備了循環泵的循環閉管(環式)組成。該環具有至少一個用于 取出產物的連接點，以及至少兩個用于投放起始原料的連接點。該反應可在溶劑中進行，或 者在溶劑缺失下進行。該酸性催化劑可被直接添加入該反應器，或者可以預先與原甲酸酯 和/或該溶劑混合。投料連接點的數量和位置需要相應進行選擇。優選地，原甲酸酯首先 與酸性催化劑混合，任選地與該溶劑混合，從而使該催化劑進入溶液或形成懸浮液。然后將 所得的混合物投入該環式反應器。在特別優選的工藝中該反應在沒有溶劑的情況下進行。
乙烯酮氣體可通過任意合適的氣體分配系統投入該反應混合物，例如，可使用任 選地具有裂縫或噴嘴的分布器。優選地，使用氣體-液體噴射器導入該氣體乙烯酮和由原 甲酸酯、催化劑和任選的溶劑組成的液體混合物。下文描述了由不同單元組成的氣體-液 體噴射器。液體流通過噴嘴，其產生了高速噴射液，從而吸入乙烯酮，并將其攜帶進入該噴 射器。該加速的液體-氣體噴射可有利地與鄰近的混合管的壁碰撞，從而使動能迅速消散。 這形成了強化混合沖擊區域，該區域中的高度湍流使得泡沫被細微分散。這種生成極小乙 烯酮泡沫并最終將其分散進入液體混合物的能力可產生，例如，介于0. 5和2. 0的有利氣 體_液體比例，使得乙烯酮在液體中更好地分散。由此獲得的兩相混合物最后被注入該反 應器中的液相，從而得到了后續化學反應的最佳效率。此外，這種氣體分配的方式允許均勻 的、無壓的乙烯酮流進入該氣體_液體噴射器，這是特別有利的，因為乙烯酮在受壓狀態下 易于聚合。任選地，在該液流通過該噴嘴前，以漩渦裝置引導、定位和穩定該泵送的液流。一 類上述反應器也被稱為BUSS Loop 反應器。該反應成分基本上以同時和連續的方式投入該環式反應器中。這意味著在該反應 混合物中反應劑的摩爾比例沒有大的干擾或變化。環內的循環確保了良好的甚至是理想的 混合。然而，實施理想混合并非必須。當同時加入該反應劑時，從該環式反應器中取出產物流，產物流的體積對應于加 入的反應劑的體積，以進行后續的處理步驟。這可通過，例如，簡單的溢流管或通過泵抽取 來實現，而該泵抽取可采用液平檢測器來控制。根據投料速率，由于高度放熱反應而需要有效冷卻。這可通過已知的方式實現，例 如通過使用覆蓋了大部分管長的冷卻夾套或通過與該環結合的常規構造的熱交換器實現。該反應可有利地在介于-40°C和50°C的溫度下進行。任選地，該反應劑可在投入 該環式反應器之前預先冷卻。優選地，該反應溫度介于_30°C和30°C，更優選地介于-10°C 和 IO0C0所用的乙烯酮可基本上是純的或者可包含惰性氣體(例如氮氣)、一氧化碳和二 氧化碳，其可有利地通過合適的放氣口從該環式反應器去除，從而防止壓力累積過高。原甲酸酯和乙烯酮的摩爾比優選介于0.9和1.2，更優選介于1.0和1.1。這些值 表示投入的數量。在反應混合物中實際存在的比例與這些值存在著或多或少的差異。 原則上，任意可充分溶解原甲酸酯并且不與乙烯酮或任意其它成分反應的有機溶 劑均可用作溶劑。合適的溶劑為，例如，脂肪族或芳香族烴和醚。然而，當所用的原甲酸酯 為液體時，還可能不用溶劑。在優選的實施方式中，原甲酸三甲酯在酸性催化劑的存在下直 接與乙烯酮反應，即，無溶劑下。該反應可以所有合適的酸性催化劑進行催化。合適的酸性催化劑為“經典 的” Lewis酸和“經典的”紀i/酸兩者，也可以是酸性聚硅酸鹽。有利地，所用的“經 典的” Lewis酸為氯化鋅(II)、氯化鐵(III)、氯化鋁、三氟化硼及其與醚、酯的加合物以及 類似的化合物。三氟化硼的優選加合物是二乙醚加合物。“經典的”對ei/酸的優選范 例為硫酸、磷酸、甲磺酸和苯磺酸。酸性聚硅酸鹽具有Lewis和/或酸的特性，因此同樣適于本發明的 工藝。該酸性聚硅酸鹽還可采用修飾形式或混合物。以下的式僅用于說明該聚硅酸鹽， 并不應解釋為進行限制。合適的聚硅酸鹽為，例如，水鋁英石類的酸性、無定形聚硅酸鹽；hormite類的酸性、鏈式聚硅酸鹽，例如“坡縷石”；高嶺土類的酸性、雙層聚硅酸鹽，例如 “高嶺土”Al2(0H)4[Si205]和“多水高嶺土”Al2(0H)4[Si205]x 2 H2O ；蒙脫石類的酸性、三 層聚硅酸鹽，例如“鋅蒙脫石”Na(1.3Zn3(Si，AD4O10(OH)2X 4 H2O,“皂石”(Ca，Na)0.3(Mg, Fe11) 3(SiAl)4O10(OH)2X 4 H2O, “蒙脫土”Ma3 (Al，Mg)2Si401(1 (OH)2χηΗ205，其中天然蒙脫 土中的M指一當量的Na+、K+、Mg2+和Ca2+中的一種或多種陽離子，“鋰蒙脫石”Naa3(Mg， LD3S14Oltl(F，0H)2 ；伊利石類的酸性、三層聚硅酸鹽；綠泥石類的酸性、可變層聚硅酸鹽；以 及構造聚硅酸鹽(tectopolysilicates)，例如沸石，優選其H型中的Y類。根據需要，本發明的工藝中的酸性聚硅酸鹽可通過以酸處理和/或通過金屬鹽溶 液處理和/或通過干燥進行活化，對于沸石，優選通過離子交換和/或加熱進行活化。
在優選的實施方式中，所用的催化劑為蒙脫石類的酸性聚硅酸鹽和沸石。特別優 選的蒙脫石類的酸性聚硅酸鹽為蒙脫土，特別地，該類別可由，例如，SUd-Chemie公司以“蒙 脫土 K 10”和“蒙脫土 KSF/0”的名稱提供。在本發明的工藝中，該酸性催化劑有利地以介于0.1% (重量)和20% (重量)， 優選介于0.5和10% (重量)(基于原甲酸酯)的量使用。然而，該用量取決于該催化劑的 活性和反應溫度。在進行該反應時，應當確保水含量盡可能低，因為乙烯酮和原甲酸酯可能以不想 要的方式與水反應。處理可通過本領域公知的方式進行，并基本取決于所形成的烷基3，3- 二烷氧基 丙酸酯和反應混合物中的其它成分的物理屬性。如果使用固體酸性催化劑，則可有利地通 過過濾去除，然后對濾出液進行處理，而當使用液體酸性催化劑時，則首先在反應混合物中 對其進行中和。該中和可通過，例如，添加堿金屬鹽(例如氫氧化鈉和碳酸鉀)或添加堿金 屬烷氧化物(例如甲醇鈉和乙醇鉀)或添加類似的堿性試劑(無水氨)進行。任意沉淀物 可隨后通過過濾去除，并根據需要純化該濾出液。在優選的實施方式中，使用固體酸催化劑，其在第一處理步驟中被濾走。由此獲得 的殘留物可被丟棄，或者在純化和根據需要任選的重新活化后作為酸性催化劑重新用于該 反應混合物中。去除酸性催化劑后，以已知的方式處理濾出液(優選通過蒸餾)，從而獲得純形式 的形成的烷基3，3-二烷氧基丙酸酯。在特別優選的實施方式中，未反應的原甲酸酯(通常 具有比所需產物更低的沸點)可在過濾后蒸餾去除，然后重新循環進入該反應混合物，這 明顯提高了該反應的總體轉化率。本發明的另一方面是由根據本發明制備的式(RO)2CHCH2CO2R的烷基3，3_ 二烷氧 基丙酸酯來制備式ROCH = CHCO2R的烷基3-烷氧基丙_2_烯酸酯。烷基3-烷氧基丙-2-烯酸酯同樣是重要的C-3砌塊，并被用于，例如，制備烷基2， 2，3-三氯-3-烷氧基丙酸酯、吡唑、呋喃酮、噻吩、氨基噻唑、異噁唑和維生素A。根據本發明，在后續的步驟中按照如上所述形成的烷基3，3_ 二烷氧基丙酸酯在 作為催化劑的酸的存在下通過供熱的方式通過去除一份子的相應醇(ROH)轉化為相應的 式ROCH = CHCO2R的烷基3-烷氧基丙_2_烯酸酯，其中R如上文定義。合適的酸為液體酸 和固體酸兩者，如酸性鹽、酸化活化的硅膠、酸性粘土礦物、酸化活化的碳、酸性沸石以及H 型的陽離子交換樹脂。任選地，這些鹽可附著在載體材料上，或可被修飾。
合適的酸為，例如，硫酸、原硼酸、正磷酸、甲磺酸、對甲苯磺酸、硫酸氫鈉、磷酸酐、 磷酸鋁、氯化鋅、氯化鋁和酸性沸石。特別優選硫酸、正磷酸、甲磺酸、對甲苯磺酸、磺胺酸、 硫酸氫鈉、磷酸酐、磷酸鋁和酸性沸石。優選地，所用的酸的量介于0.05% (重量)和15% (重量)(基于烷基3，3- 二烷氧基丙酸酯)，特別優選介于0. 1 % (重量)和10 % (重量)。
所用的溶劑可以是不與反應成分反應的任意溶劑，例如，石油英。然而，也可不用 溶劑進行該種去除。優選地，該反應在無溶劑情況下進行。優選地，該去除在介于50°C和250°C的溫度下進行，更優選在介于80°C和200°C的 溫度下進行，而該反應時間有利地介于1小時和15小時，優選地介于1小時和10小時。任 選地，該反應還可在減壓下進行。在去除過程中，優選形成烷基3-烷氧基丙-2-烯酸酯的 E-異構體。所形成的醇(ROH)可在反應過程中方便地直接蒸餾除去。去除后，所得的烷基3-烷氧基丙-2-烯酸酯可通過已知的方式(例如通過精餾) 純化。
隨附的示意圖和實施例僅用于闡述本發明的主題，而非將其限制在所披露的內容。圖1示意性地顯示了連續制備烷基3，3-二烷氧基-丙酸酯的裝置。標號的具體 含義如下所示1.投入原酸酯和酸性催化劑的混合物2.投入乙烯酮3.噴射反應器4.循環泵5.去除產物6.熱交換器7.投入氮氣8.排放惰性氣體
實施例以下的實施例說明了本發明的實施方式。然而，這不應解釋為進行限制。實施例1 甲基3，3-二甲氧基丙酸酯的制備將150kg/h(l. 413kmol/h)包含 1. 5% (重量)的蒙脫土 KlO (Siid-Chemie)的三甲 基原甲酸酯(Fluka)以及84kg/h乙烯酮(乙烯酮含量約70%，剩余為惰性氣體，例如N2、 CO和CO2,即，凈乙烯酮約59kg/h，相當于約1. 4kmol/h)同時但單獨地投入620L噴射反應 器(見圖1)，其被惰性化并冷卻至內部溫度為0°C。在氮氣氛圍下，將反應混合物保持在約 0°C的溫度，通過循環泵在環中循環。連續地使與所添加的起始原料的量對應的反應混合物 的相應部分流入收集槽。過濾后，通過GC測得濾出液的純度為80%甲基3，3- 二甲氧基丙 酸酯、8%未反應的原甲酸三甲酯、4%甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯以及4%乙酸甲酯。由于其低沸點，很容易通過蒸餾除去原甲酸三甲酯。所回收的起始原料然后被重 新循環進入反應混合物。
甲基3，3_ 二甲氧基丙酸酯的產率為82% (基于轉化)。實施例2 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制備在氮氣氣氛下，將0. 2g(2mmol)甲磺酸(Fluka)加入具有圓底燒瓶的蒸餾裝置中 以實施例1所述類似的方式獲得的150g濾出液中(約85%，0.86mol甲基3，3_ 二甲氧基 丙酸酯)。在恒定的氮氣流下，將混合物緩慢加熱至160°C，直接蒸餾去除形成的甲醇。6 小時后，停止供熱。以該方式獲得的甲基3-甲氧基-丙-2-烯酸酯為88%純(GC)，并可在 IOkPa下通過精餾純化。甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的產率為85g(85% ) (Klokpa = 95°C )， 純度為99% (GC)。實施例3 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制備該反應采用5g(含量99%，34mmol)純化蒸餾的甲基3，3_ 二甲氧基丙酸酯和 25mg(0. 13mmol)對甲苯磺酸一水合物(Fluka)通過與實施例2類似的方式進行。所得的粗 產物含有91% (GC)的甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯。實施例4 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制備該反應采用5g(含量99%，34mmol)純化蒸餾的甲基3，3_ 二甲氧基丙酸酯和 47mg(0. 27mmol)對磺胺酸(Fluka)通過與實施例2類似的方式進行。所得的粗產物含有 92% (GC)的甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯。實施例5 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制備該反應采用5g(含量99%，34mmol)純化蒸餾的甲基3，3_ 二甲氧基丙酸酯和 31mg(0. 31mmol)正磷酸(Fluka)通過與實施例2類似的方式進行。所得的粗產物含有88% (GC)的甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯。實施例6 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制備從實施例1蒸餾去除未反應的三甲基原甲酸酯后, 將由此獲得的4.4t(30kmol)甲 基3，3_ 二甲氧基丙酸酯在氮氣氣氛下與6kg(62mol)甲磺酸以類似于實施例2的方式反應。IOkPa下精餾得到純度為93% (GC)的2. 4t (21kmol，基于所用的原甲酸三甲酯為 69% )甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯(Kltlkpa = 95°C )。
權利要求
通過在酸性催化劑存在下將乙烯酮與式(RO)3CH的原甲酸酯反應實現的用于制備式(RO)2CHCH2CO2R的烷基3，3-二烷氧基丙酸酯的連續工藝，其中R為C1-6烷基，其特征在于該反應在環式反應器中進行。
2.如權利要求1所述的工藝，其中該原甲酸酯選自原甲酸三甲酯、原甲酸三乙酯、原甲 酸三丙酯和原甲酸三丁酯。
3.如權利要求1或2所述的工藝，其中該原甲酸酯首先與該酸性催化劑混合，且僅在此 之后投入該環式反應器。
4.如權利要求1-3任意一項所述的工藝，其中該環式反應器包含氣-液噴射器(噴射 反應器)。
5.如權利要求1-4任意一項所述的工藝，其中該反應在-40°C至50°C之間的溫度下進行。
6.如權利要求1-5任意一項所述的工藝，其中原甲酸酯和乙烯酮的摩爾比介于0.9至1.2。
7.如權利要求1-6任意一項所述的工藝，其中該工藝在溶劑缺失的情況下進行。
8.如權利要求1-7任意一項所述的工藝，其中該酸性催化劑為Lewis酸、5功>2對ed酸 或酸性聚硅酸鹽。
9.如權利要求8所述的工藝，其中該Lewis酸選自氯化鋅(II)、氯化鐵(III)、氯化鋁、 三氟化硼及其與醚和酯的加合物。
10.如權利要求8所述的工藝，其中該萬酸選自硫酸、磷酸、甲磺酸和苯磺酸。
11.如權利要求8所述的工藝，其中該酸性聚硅酸鹽選自水鋁英石類的酸性、無定形聚 硅酸鹽；hormite類的酸性、鏈式聚硅酸鹽；高嶺土類的酸性、雙層聚硅酸鹽；蒙脫石類的酸 性、三層聚硅酸鹽；伊利石類的酸性、三層聚硅酸鹽；綠泥石類的酸性、可變層聚硅酸鹽；以 及酸性構造聚硅酸鹽。
12.如權利要求11所述的工藝，其中該蒙脫石類的酸性、三層聚硅酸鹽選自鋅蒙脫石、 皂石、蒙脫土、蛭石、綠脫石和鋰蒙脫石。
13.如權利要求1-12任意一項所述的工藝，其中該原甲酸酯為原甲酸三甲酯，而該酸 性催化劑為蒙脫土。
14.如權利要求1-13任意一項所述的工藝，其中該酸性催化劑的用量(基于該原甲酸 酯)介于0. (重量)和20% (重量)。
15.如權利要求1-14任意一項所述的工藝，其中在后續的步驟中，所形成的烷基3， 3_ 二烷氧基丙酸酯通過在酸存在下供熱的方式通過去除相應的醇(R0H)轉化為相應的式 R0CH = CHC02R的烷基3-烷氧基丙-2-烯酸酯，其中R如上文定義。
16.如權利要求15所述的工藝，其中該酸選自硫酸、正磷酸、甲磺酸、對甲苯磺酸、磺胺 酸、硫酸氫鈉、磷酸酐、磷酸鋁和酸性沸石。
17.如權利要求16所述的工藝，其中該酸為甲磺酸。
18.如權利要求15-17任意一項所述的工藝，其中該酸的用量(基于烷基3，3-二烷氧 基_丙酸酯)介于0. 05% (重量)和15% (重量)。
19.如權利要求15-18任意一項所述的工藝，其中該工藝在溶劑缺失的情況下進行。
20.如權利要求15-19任意一項所述的工藝，其中該反應在50°C至250°C之間的溫度下進行。
21.如權利要求15-20任意一項所述的工藝，其中該反應時間在1小時和15小時之間。
22.根據權利要求1-14任意一項獲得的烷基3，3-二烷氧基丙酸酯在制備相應烷基 3-烷氧基丙-2-烯酸酯中的用途。
全文摘要
本發明涉及通過在酸性催化劑存在下將乙烯酮與式(RO)3CH的原甲酸酯反應實現的用于制備式(RO)2CHCH2CO2R的烷基3，3-二烷氧基-丙酸酯的連續工藝，其特征在于該反應在環式反應器中進行。
文檔編號C07C67/327GK101842344SQ200880114018
公開日2010年9月22日 申請日期2008年10月29日 優先權日2007年10月29日
發明者丹尼爾·佐林格, 沃爾夫岡·溫格, 科妮莉亞·至代斯勒 申請人:隆薩股份公司