專利名稱：2-羥基-4-甲硫基丁酸的制備方法
技術領域：
本發明涉及2-羥基-4-甲硫基丁酸的制備方法，該化合物可用作例如家畜的飼料填加劑。
制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法是已知的，該方法包括由丙烯醛、甲硫醇和氰化氫制備2-羥基-4-甲硫基丁腈，并在過量硫酸存在下使所述2-羥基-4-甲硫基丁腈水合。由于其中所涉及的反應可以比較容易的方式進行，并以高產率得到產物，因此，該方法可以在工業規模上應用。
然而，上述方法產生大量的廢物硫酸和硫酸銨。這樣對這些副產物的處理步驟便是必需的，而且在這些步驟中需消耗很多能量，因此增加了制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的成本。從環境保護的角度講，向自然界排放大量硫酸銨或其他硫酸鹽是不合乎要求的。
因此，本發明的目的是提供有效且低成本而在不產生大量廢物的情況下制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法。
可引用下列文獻作為本發明的其他現有技術。日本專利公開7925/1971公開了由丙烯醛氰醇制備2-羥基-4-甲硫基丁腈的方法。日本專利公開28943/1987公開了通過甲酸酯與羧酸酰胺反應制備羧酸酯的方法。日本專利公開290653/1989公開了用丙酮和甲酸甲酯作起始原料制備異丁烯酸甲酯的方法。此外，日本專利公開235846/1990公開了通過使甲醇脫氫制備甲酸甲酯的方法。
然而，這些文獻中均未公開制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法。該方法包括水合2-羥基-4-甲硫基丁腈，使所得到的2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯反應生成2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯，并將所述2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯水解得到2-羥基-4-甲硫基丁酸。
為了實現上述目的，本發明者進行了深入的研究，結果發現，當2-羥基-4-甲硫基丁腈被水合，然后使得到的2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯反應，如此形成的2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯再經過水解時，可以非常有效地制得2-羥基-4-甲硫基丁酸，而不形成大量廢物，從而使副產物再循環成為可能，并基本上避免了使用硫酸。基于這一發現，已完成了本發明。
因此本發明提供了制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，該方法包括(1)第一步使2-羥基-4-甲硫基丁腈水合形成2-羥基-4-甲硫基丁酰胺，(2)第二步使上述第一步所得的2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯反應形成2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯和甲酰胺，(3)第三步水解上述第二步所得的2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯形成2-羥基-4-甲硫基丁酸和甲醇。
本發明方法的反應圖解如下
在上述第一步中用作起始原料的2-羥基-4-甲硫基丁腈可以通過常規方法由氰化氫、丙烯醛和甲硫醇來制備。
因此，例如在催化劑存在下，丙烯醛與甲硫醇反應得到3-甲硫基丙醛。所述催化劑可以是例如堿金屬醇鹽如甲醇鈉，乙酸鹽如乙酸銅和乙酸鈷，有機堿如吡啶、哌啶和三乙胺。
使如此得到的3-甲硫基丙醛在催化劑存在下與氰化氫反應，由此可以高產率很容易地制得2-羥基-4-甲硫基丁腈。所述催化劑可以是例如，堿金屬氫氧化物如氫氧化鈉、堿金屬碳酸鹽如碳酸鈉、堿金屬碳酸氫鹽如碳酸氫鈉、堿金屬亞硫酸鹽如亞硫酸鈉、堿金屬亞硫酸氫鹽如亞硫酸氫鈉，和有機堿如吡啶和三乙胺。
也可以通過丙烯醛與氰化氫反應，然后使所得到的丙烯醛氰醇與甲硫醇反應來制備2-羥基-4-甲硫基丁腈。此外，也可以通過丙烯醛與氰化氫及甲硫醇在催化劑如碳酸銨的存在下一步反應來制備所述2-羥基-4-甲硫基丁腈。
上述第一步的水合反應可以通過2-羥基-4-甲硫基丁腈與水在催化劑存在下接觸來進行。
所述催化劑可以是對腈的水合有效的催化劑，例如，強酸如硫酸，弱堿如弱酸的堿金屬鹽或堿土金屬鹽，金屬如錳、銅和鎳，以及這類金屬的氧化物。弱堿可以是例如堿金屬硼酸鹽，如四硼酸鈉、四硼酸鉀、偏硼酸鈉及偏硼酸鉀;堿土金屬硼酸鹽，如原硼酸鎂;堿金屬磷酸鹽如磷酸鋰、磷酸鈉和磷酸鉀;堿土金屬磷酸鹽如磷酸鎂和磷酸鈣;堿金屬硅酸鹽如硅酸鈉;堿土金屬硅酸鹽如硅酸鈣;堿金屬碳酸鹽如碳酸鈉、碳酸鉀及碳酸氫鈉;堿土金屬碳酸鹽如碳酸鎂和碳酸鈣。其中優選弱堿如堿金屬硼酸鹽，例如四硼酸鈉，及金屬氧化物如氧化錳。即使使用硫酸，其所需量是非常小的，因此，該方法基本沒有硫酸銨形成。從工業化角度講這是非常有利的。
在上述水合反應中所用水的量并非關鍵。然而通常水的用量為每摩爾2-羥基-4-甲硫基丁腈約0.1至300摩爾，優選約1至150摩爾。為促使該反應順利進行，可以將水溶性有機溶劑如丙酮或甲醇加到該反應體系中。
反應溫度通常為約20℃至150℃，優選約40℃至120℃。反應時間可以隨所用催化劑及反應溫度的不同而變化，但對該反應來說一般約0.4至12小時便足夠了。如果反應溫度太高或反應時間太長，部分產物2-羥基-4-甲硫基丁酰胺可能進一步與水反應得到2-羥基-4-甲硫基丁酸和/或得到聚合副產物，致使目的產物的收率降低。
該反應混合物本身可被提供給第二步，或必要時可以使該反應混合物經過常規的分離方法分離并回收產物2-羥基-4-甲硫基丁酰胺。將如此回收得到的2-羥基-4-甲硫基丁酰胺提供給第二步。
在第二步中的2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯的反應通常在催化劑存在下進行，不過該反應可以通過加熱例如在約100℃至300℃在沒有任何催化劑的條件下進行。
上述催化劑的實例有無機酸如鹽酸、硫酸和硝酸，堿如氫氧化鈉，金屬鹽如醋酸鈉、環烷酸錳、氯化鋁、硝酸鉛和乙酰丙酮酸鐵，金屬醇鹽如甲醇鈉、乙醇鈉、丁醇鈉、四異丙醇鈦、四丁醇鈦和四異丙醇鋁，和固態酸如二氧化硅、沸石和固體磷酸。其中優選使用金屬鹽如醋酸銅和金屬醇鹽如甲醇鈉。
為了以高收率制備2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯，最好使用甲酸甲酯的量不小于化學計量，優選約1至20倍，更優選約1至8倍于化學計量，因為2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯間的反應是平衡反應。甲酸甲酯也被用作溶劑。
上述反應優選在溶劑存在下進行，以使反應能夠順利進行，不過該反應也可以在沒有任何溶劑的條件下進行。所述溶劑并不限于任何特定種類，但可以是對此反應呈隋性的任何溶劑，例如，芳香烴如苯、甲苯、二甲苯或乙基苯，脂族烴如戊烷、己烷、庚烷或辛烷，脂環烴如環己烷或甲基環己烷，丙酮，甲醇等。優選的是，反應物在其中易于溶解的溶劑，如甲醇、丙酮等，特別是甲醇。
該反應一般在約0℃至250℃，優選約20℃至100℃下進行，不過反應溫度可以隨所用催化劑及其量以及其他因素而變化。可以根據反應速率來選擇反應時間，通常在約0.1至6小時范圍內。
必要時，使反應混合物經過常規的分離步驟可以分離并回收產物2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯和甲酰胺及未反應的起始原料。在大多數情況下，分離和回收可以通過象蒸餾這樣簡單且容易的方法來完成。
將上述2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯提供給下面第三步，而未反應的甲酸甲酯及其他物質可被再循環作為上述第三步的原料。
在本發明的優選方案中，使第二步形成的甲酰胺副產物通過脫水轉化為氰化氫。此氰化氫被用作第一步制備2-羥基-4-甲硫基丁腈的原料。
上述甲酰胺的脫水反應可以氣相催化反應方式在脫水催化劑存在下進行，例如常用的固體催化劑如氧化鋁、二氧化硅-氧化鋁，鐵-二氧化硅、磷酸鐵或磷酸鋁。反應溫度一般為約200℃至600℃，優選約300℃至550℃。反應幾乎定量地進行。
上述第三步中的2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯的水解優選用酸催化劑以酸解方式進行，不過所述水解反應也可以堿解方式進行。采用酸解時廢物排放例如鹽排放量最小，此外，象聚合和脫水之類的副反應得到最大限度地抑制。
上述酸催化劑可以是無機酸如硫酸和鹽酸，磺酸如苯磺酸、對甲苯磺酸和萘磺酸，陽離子交換樹脂等。其中優選陽離子交換樹脂，特別是強酸性陽離子交換樹脂，更優選為多孔強酸性陽離子交換樹脂。因為它們易被分離和回收。上述多孔強酸性陽離子交換樹脂可以是例如，Amberlyst15、Amberlite200(兩者均由Rohm和HassCo.得到)及DiaionHPK(由MitsubishiKaseiCo.，Ltd.得到)。
由于上述水解反應為平衡反應，所以水的用量優選不小于化學計量，更優選約1至100倍于化學計量，以便能以高收率得到2-羥基-4-甲硫基丁酸。
該反應通常在約0℃至100℃的溫度下進行，不過反應溫度可以隨著所用催化劑及其量的不同而變化。可以根據反應速率適宜地選擇反應時間，通常在約0.5至12小時范圍內。該反應基本上定量地進行。
反應完成后，若需要的話，反應混合物經過常規的分離步驟，從而分離并回收得到目的產物2-羥基-4-甲硫基丁酸。
在本發明的優選方案中，使第三步形成的甲醇副產物通過脫水或與例如一氧化碳的羰基化作用轉化為甲酸甲酯，該甲酸甲酯可用作上述第二步的原料。
上述甲醇的脫水反應可以例如氣相催化反應方式在脫氫催化劑存在下進行，所述的脫氫催化劑例如固體催化劑如氧化銅-氧化鋅-氧化鋁或亞鉻酸銅。反應溫度一般為約100℃至500℃，優選約100℃至400℃。
上述甲醇的羧基化反應優選在催化劑如金屬醇鹽的存在下進行。
因此，根據本發明，可以限制使用硫酸作為反應物，從而可以避免大量排放廢物硫酸或硫酸銨，并且不再需要對這些物質的處理步驟。此外，由于本發明方法的第二步中形成的甲酰胺副產物可以用于第一步作為制備2-羥基-4-甲硫基丁腈的原料，以及第三步中形成的甲醇副產物可以用于第二步作為制備甲酸甲酯的原料，因此使碳和氮的收率很高，且可以非常有效地制備目的化合物2-羥基-4-甲硫基丁酸。
用本發明方法得到的產物2-羥基-4-甲硫基丁酸可用作例如家畜的飼料填加劑。
下列實施例更詳細地說明了本發明，但它們決不是對本發明范圍的限制。
實施例(A)2-羥基-4-甲硫基丁腈的制備在安有攪拌器和溫度計的2升燒瓶中裝入280g丙烯醛、1g對苯二酚和2.2g醋酸銅。在攪拌下于1小時內向此混合物滴加280g甲硫醇，同時將反應溫度保持在20℃。再將反應混合物攪拌1小時，然后減壓蒸出未反應的甲硫醇，得到464g3-甲硫基丙醛(收率88.5%)。
在安有攪拌器、溫度計和滴液漏斗的2升燒瓶中裝入208g如此得到的3-甲硫基丙醛、800g甲醇和0.05g氫氧化鈉。在攪拌下于20分鐘內向此混合物中滴加59.5g氰化氫，同時將反應溫度保持在20℃。該反應混合物在20℃下再攪拌2小時，向反應混合物中加入50%硫酸水溶液，調節PH為3。減壓蒸出未反應的氰化氫，得到255g2-羥基-4-甲硫基丁腈(收率96.1%)。
(B)2-羥基-4-甲硫基丁酰胺的制備(第一步)(1)在安有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的2升燒瓶中，裝入197g上述步驟中得到的2-羥基-4-甲硫基丁腈、450g水、150g丙酮和65g二氧化錳。混合物在60℃下攪拌6小時。將反應混合物冷卻后，通過吸濾除去催化劑。濾液在減壓下濃縮，所得固體用丙酮重結晶，得到199g2-羥基-4-甲硫基丁酰胺(收率89.0%)，mp98℃。
(C)2-羥基-4-甲硫基丁酰胺的制備(第一步)(2)在安有攪拌器、溫度計和回流冷凝器的2升燒瓶中，將49.3g上述步驟中得到的2-羥基-4-甲硫基丁腈、750g水和15g四硼酸鈉在75℃下攪拌2小時。反應混合物在減壓下濃縮，所得固體用丙酮重結晶，得到44.2g2-羥基-4-甲硫基丁酰胺(收率79.2%)，mp98.5℃。
(D)2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯的制備(第二步)在安有攪拌器的高壓釜中裝入224g上述步驟中得到的2-羥基-4-甲硫基丁酰胺，450g甲酸甲酯、240g甲醇和1.2g甲醇鈉，混合物在60℃下攪拌2小時。
對反應混合物的分析結果是，2-羥基-4-甲硫基丁酰胺的轉化率為64%，分別基于2-羥基-4-甲硫基丁酰胺，2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯的選擇性為91.5%，甲酰胺的選擇性為86.4%。
反應混合物中的甲醇鈉用鹽酸中和，所得物按常規方法蒸餾，得到141g2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯和35.3g甲酰胺。
(E)2-羥基-4-甲硫基丁酸的制備(第三步)在安有攪拌器、溫度計和蒸餾管的2升燒瓶中，向131g上述步驟所得的2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯中加入432g水和8g“Amberlyst15”(由Rohm&Haas，Co.生產)。混合物在95℃下加熱5小時，同時蒸出產生的甲醇。這樣蒸出的甲醇量為30.2g。
對反應混合物和餾出液的分析結果為，2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯的轉化率為98.8%，2-羥基-4-甲硫基丁酸的選擇性為97.1%，甲醇的選擇性為98.8%。
從反應混合物中濾出催化劑后，濾液在減壓下濃縮，得到127g88%2-羥基-4-甲硫基丁酸(112g)水溶液。
(F)通過甲酰胺脫水制備氰化氫將氧化鋁催化劑[“N-612”，由NikkiKagakuCo.，Ltd.生產](50g)填充到不銹鋼的反應管(直徑28mm，長30cm)中，分別以0.67g/min和50ml/min的速率向其中通入在制備2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯步驟中得到的甲酰胺和氮氣稀釋劑。將得到的氣體鼓泡通入水以便吸收氰化氫。
對吸收溶液的分析結果為，甲酰胺的轉化率是97.4%，氰化氫的選擇性是93.3%。
以常規方法從吸收溶液回收氰化氫，將其用作制備2-羥基-4-甲硫基丁腈的反應物。
(G)由甲醇制備甲酸甲酯將硝酸銅(210g)溶于水(400g)中，并將此溶液在70℃下加熱。將23g鉻酸銨單獨溶于100g水中，然后將所得溶液在70℃下加熱。攪拌下將硝酸銅溶液加到鉻酸銨溶液中。向混合溶液中加入氨水溶液，以調節PH為9.5。過濾產生的沉淀，用水充分洗滌，于90℃下干燥1天并在450℃下焙燒。將如此得到的粉末模壓成3mm(直徑)×3mm(長度)柱型，便得到催化劑。
將如此得到的催化劑(50ml)填充到如不銹鋼反應管(直徑28mm，長30cm)中，在200℃下以每小時5000的空間速度向其中通入氫氣8小時，使催化劑還原。
催化劑的還原完成后，在180℃以每小時2500的空間速度向其中加入在制備2-羥基-4-甲硫基丁酸步驟中得到的甲醇。
對所得氣體的分析結果為，甲醇轉化率是36.4%，甲酸甲酯選擇性是91.0%。
以常規方法回收甲酸甲酯，將其用作制備2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯的反應物。
權利要求
1.一種制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，該方法包括(1)第一步使2-羥基-4-甲硫基丁腈水合形成2-羥基-4-甲硫基丁酰胺，(2)第二步使上述第一步所得到的2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯反應形成2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯和甲酰胺，(3)第三步使上述第二步得到的2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯水解形成2-羥基-4-甲硫基丁酸和甲醇。
2.根據權利要求1的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，該方法進一步包括預備步驟，即丙烯醛與氰化氫和甲硫醇反應形成用作第一步反應物的2-羥基-4-甲硫基丁腈，并且其中在第二步得到的甲酰胺被脫水形成氰化氫，將其用于所述預備步驟中。
3.根據權利要求1的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中在第三步得到的甲醇被轉化為甲酸甲酯，且如此得到的甲酸甲酯被用于第二步中。
4.根據權利要求1的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，該方法進一步包括預備步驟，即丙烯醛與氰化氫和甲硫醇反應形成用作第一步反應物的2-羥基-4-甲硫基丁腈，并且其中在第二步得到的甲酰胺被脫水形成氰化氫，將其用于所述預備步驟中，在第三步得到的甲醇被轉化為甲酸甲酯，將其用于第二步中。
5.根據權利要求2的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中甲酰胺脫水是在固體催化劑存在下于200℃至600℃下進行。
6.根據權利要求3的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中甲醇轉化為甲酸甲酯是用固體催化劑以脫水方式或用一氧化碳的羰基化作用來進行。
7.根據權利要求1的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中第三步的水解反應是在酸催化劑存在下進行。
8.根據權利要求7的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中陽離子交換樹脂用作酸催化劑。
9.根據權利要求8的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中多孔強酸性陽離子交換樹脂用作陽離子交換樹脂。
10.根據權利要求4的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中第一步水合反應是在弱酸或金屬氧化物催化劑存在下進行，第二步反應是在金屬鹽或金屬醇鹽催化劑存在下進行，且第三步水解反應是在酸催化劑存在下進行。
11.一種制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，該方法包括使丙烯醛與氰化氫和甲硫醇反應形成2-羥基-4-甲硫基丁腈的步驟;使所述2-羥基-4-甲硫基丁腈水合形成2-羥基-4-甲硫基丁酰胺的步驟;使所述2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯反應形成2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯和甲酰胺的步驟;使所述2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯在酸催化劑存在下水解形成2-羥基-4-甲硫基丁酸和甲醇的步驟;使所述甲酰胺脫水形成氰化氫的步驟，該氰化氫用于所述形成2-羥基-4-甲硫基丁腈的步驟;通過用固體催化劑的脫氫作用或用一氧化碳的羰基化作用，使所述甲醇轉化為甲酸甲酯的步驟，該甲酸甲酯用于所述形成2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯和甲酰胺的步驟。
12.根據權利要求11的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中2-羥基-4-甲硫基丁腈的水合是在弱堿或金屬氧化物催化劑存在下進行，2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯的反應是在金屬鹽或金屬醇鹽催化劑存在下進行，且甲酰胺的脫水是在脫水催化劑存在下進行。
13.根據權利要求11的制備2-羥基-4-甲硫基丁酸的方法，其中2-羥基-4-甲硫基丁腈的水合是在弱堿或金屬氧化物催化劑的存在下進行，2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯的反應是在金屬鹽或金屬醇鹽催化劑的存在下進行，2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯的水解是在陽離子交換樹脂的存在下進行，甲酰胺的脫水是在脫水催化劑的存在下進行，且甲醇轉化為甲酸甲酯是用脫氫固化催化劑通過脫氫作用來進行。
全文摘要
由2-羥基-4-甲硫基丁腈水合成得到的2-羥基-4-甲硫基丁酰胺與甲酸甲酯反應制備2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯和甲酰胺。將所述2-羥基-4-甲硫基丁酸甲酯水解得到2-羥基-4-甲硫基丁酸和甲醇。不用硫酸作反應劑，因此避免了大量硫酸銨的排放。產生的甲酰胺和甲醇可被再循環用作反應物。
文檔編號C07C319/18GK1084511SQ93107598
公開日1994年3月30日 申請日期1993年5月21日 優先權日1992年5月21日
發明者松岡一之 申請人:大世呂化學工業株式會社