CN103012131A - 一种4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法 - Google Patents

一种4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法,包括:1-乙酰氧基-4-氯-3-甲基-2-丁烯经甲酯化反应、酯交换反应、氧化反应得到产物4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯-1-醇。本发明综合考虑到了原料成本和环保的问题,采用三步条件温和、高收率的反应由氯酯合成4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛,每一步的反应都采用了易回收的有机溶剂,极大限度地减少了污染的排放,通过合成路线的改良,有效避免了污染问题,提高了收率,降低原料成本,实现了资源化有效处理,适合工业化生产。

Description

一种4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法
技术领域
本发明属于有机化学领域,涉及一种4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法。
背景技术
4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛又称五碳醛(C5)或γ-乙酰氧基惕各醛,是重要的医药中间体。五碳醛具有异戊烯结构,一端是酯基,另一端是醛基,酯基可转化成多种官能团,更重要的是可以制备成磷酸酯化合物,通过wittig反应实现与另一五碳醛(如十五碳膦酸酯)的醛基对接,合成多聚异戊二烯链,是合成维生素A乙酸酯和各种类胡萝卜素的重要中间体。
合成4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的路线较多,其中主要以异戊二烯为原料的合成路线最具备经济前景(《4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛合成新工艺》,杨泽慧,阎海英,奚力,陈新志),从异戊二烯为原料,制备得到氯酯后,再制备4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛。由异戊二烯为原料制备氯酯,常用方法为次氯酸和异戊二烯加成,但收率不高,现有一种方法是采用次氯酸叔丁酯在乙酸中和异戊二烯进行加成(William Oroshnik, Robert A. Mallory, The Reaction of Isoprene with t-Butyl Hypochlorite in Hydroxylic Solvents, 1950),由于解决了溶解度的问题,所以收率大大提高。
现有技术中由氯酯制备4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的方法主要有以下几种:
(1)DMSO氧化(kornblum反应)
Figure 561871DEST_PATH_IMAGE001
该方法得到的4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛经过在实验室多次试验,发现产率普遍较低,收率为40~50%,需要除去甲硫醚,重复性差,而且该方法所使用的试剂DMSO毒性较大,后处理过程中产生大量的废水,不利于环保。《4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛合成新工艺》中对该反应进行了改进,能够得到97%的收率,可是经过文献调查,有专利指出该改进方法的收率难以达到,而通过重复试验,证实确实很难达到,而且操作复杂,增加生产成本;产生甲硫醚,对空气污染较大,且不可避免产生大量废水;没有回收催化剂TEMPO,成本昂贵(见CN200710029071.4反式-4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法)。
(2)乌洛托品氧化(Sommelt反应)
Figure 2012104765465100002DEST_PATH_IMAGE002
该方法适用于苄卤类化合物氧化成醛,产率为60~70%,对于脂肪卤代烃类化合物,得率较低,一般只有20%左右。所以,该方法对于合成4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛收率不高,因为合成4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的原料1-乙酰氧基-4-氯-3-甲基-2-丁烯是属于烯丙基卤类化合物,其产率难以突破70%,而且废水量也较大,不利于环保。所以该方法还有不足的地方。
由氯酯制备4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的方法中,还有些会用到溶剂DMF和催化剂TEMPO,但溶剂DMF难以回收,最后会以污水的形式排放到环境当中,昂贵的催化剂TEMPO也没有回收。如今在这个建设资源节约型、环境友好型的社会,产物高回收率的同时,又能减少对环境的污染排放,节约成本的有机合成路线才符合国家和社会需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法。
本发明所采取的技术方案为:
一种4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法,包括以下步骤:
1)      在铵盐类化合物催化作用下,氯酯与甲酸盐在有机溶剂中进行甲酯化反应,得双酯; 
Figure 354377DEST_PATH_IMAGE003
2)      于室温下,用烷基羧酸盐催化双酯与甲醇进行酯交换反应,得醇酯;
Figure DEST_PATH_IMAGE004
3)      于氧气氛围下,溶于极性非质子溶剂的醇酯在四甲基哌啶氧化物和氯化亚铜催化下进行氧化反应,得4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛;
Figure 570333DEST_PATH_IMAGE005
所述氯酯为1-乙酰氧基-4-氯-3-甲基-2-丁烯,双酯为4-乙酰氧基-2-甲基-丁烯-1-醇甲酸酯,醇酯为4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯-1-醇。
优选的,该制备方法,包括以下步骤:
1)  将氯酯溶于丙酮或乙腈中,加入甲酸钾、铵盐类化合物,升温至回流反应7~12h,冷却至室温后,过滤,蒸馏回收溶剂,加入乙酸乙酯,水洗,浓缩,得到双酯;
2)  向双酯中依次加入甲醇、烷基羧酸盐,于室温下反应2~3h,减压蒸馏回收甲醇,加入乙酸乙酯溶解,滤去催化剂,浓缩,得醇酯;
3)  将醇酯溶解于极性非质子溶剂中,加入四甲基哌啶氧化物、氯化亚铜,反应于氧气氛围下升温至回流反应2~6h,冷却至常温后,过滤回收氯化亚铜,蒸馏回收溶剂后,加入甲醇,并用石油醚萃出其中的氮氧自由基化合物,浓缩回收氮氧自由基化合物,将甲醇蒸馏回收后,在5mmHg的压力下蒸馏,得4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛。
优选的,四甲基哌啶氧化物为4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物、4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物、4-甲氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物或4-乙酰氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。
优选的,烷基羧酸盐为醋酸钠。
优选的,甲酸盐为甲酸钾、甲酸钠或甲酸钙。
优选的,步骤1)有机溶剂为丙酮或乙腈。
优选的,步骤3)极性非质子溶剂为丙酮或乙腈。
优选的,步骤1)氯酯与甲酸盐、铵盐类化合物的摩尔比为1:1~2:0.01~0.10,氯酯在有机溶剂中的浓度为1.5~3mol/L。
优选的,步骤2)双酯与烷基羧酸盐的摩尔比为1:0.01~0.10,双酯在甲醇中的浓度为1.5~3mol/L。
优选的,步骤3)醇酯与四甲基哌啶氧化物、氯化亚铜的摩尔比为1:0.01~0.05:0.01~0.10,醇酯在极性非质子溶剂中的浓度为1.5~3mol/L。
优选的,本发明中氯酯的制备方法:在酸性催化剂下,以异戊二烯为原料与次氯酸叔丁酯在酸酐溶剂中进行加成反应,得氯酯。优选的,酸酐溶剂为乙酸、乙酸酐中的至少一种。
优选的,氯酯的制备方法:向乙酸、乙酸酐混合液中加入异戊二烯,搅拌,冷却,将次氯酸叔丁酯慢慢滴加进去,加入酸性催化剂, 60~90℃反应9~15h,减压蒸馏回收含有叔丁醇的乙酸,加入冰水,并用正己烷从冰水中萃取出产物氯酯,减压浓缩,最后在5mmHg的压力下蒸馏,得氯酯。反应方程式如下: 
Figure DEST_PATH_IMAGE006
氯酯制备方法的改进在于加成反应的后处理,常规的方法是用大量的水除去乙酸,但会产生废酸水溶液,本方法通过减压回收,再精馏分离回收,避免了废液的产生。
优选的,酸性催化剂为硫酸、苯磺酸或对甲苯磺酸。
优选的,异戊二烯与乙酸、乙酸酐、酸性催化剂的摩尔比为1:2:1:0.01~0.10。
本发明方法中氯酯的甲酯化反应中,采用了丙酮或乙腈这种易回收的有机溶剂,优化了反应条件,能够得到95~98%的高收率,避免了废液的产生。
本发明方法中双酯的酯交换反应的难点在于,要求在双酯中的甲酸酯和乙酸酯间选择性,仅解离甲酸酯,这对催化剂的选择和反应温度的控制有相当高的要求,一般双酯中的两个酯都会不同程度地解离,很难做到仅甲酸酯解离,如常用的催化剂碳酸氢钠,而本发明方法通过多次的试验,找到了一种廉价的,温度控制范围较大的催化剂烷基羧酸盐醋酸钠,能做到仅甲酸酯解离,而乙酸酯不受影响,该步反应收率高达98%,纯度高。
本发明方法中醇酯的氧化方法中,采用氧气氧化,四甲基哌啶氧化物/CuCl为催化剂的方法氧化。大多数文献上,都是采用DMF为溶剂进行反应,DMF回收较难,一般都是用水除去,这样不仅增加了生产成本,还产生污水,而且不能回收TEMPO和CuCl。本发明通过对该反应的改良,使用丙酮、乙腈等容易回收的极性非质子试剂,能够达到90%以上的高收率,而且也实现了溶剂的回收,催化剂本身也能够通过各种后处理手段进行回收,继续使用。
本发明的有益效果是:
本发明综合考虑到了原料成本和环保的问题,采用三步条件温和、高收率的反应由氯酯合成4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛,每一步的反应都采用了易回收的有机溶剂,极大限度地减少了污染的排放,通过合成路线的改良,有效避免了污染问题,提高了收率,降低原料成本,实现了资源化有效处理,适合工业化生产。
本发明工艺路线在保证高产率和高品质下,通过对有机溶剂和催化剂的回收再利用,减少了对环境的污染,节约了环保成本和原料成本,在往后的长期生产中,能够逐步显现出该工艺的经济和环保优势。
附图说明
图1是实施例1制备得到的醇酯的气相色谱谱图;
图2是对比例1制备得到的醇酯的气相色谱谱图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明,但并不局限如此。
实施例1
将6.8g异戊二烯(0.1mol)溶解于12.0g乙酸和10.2g乙酸酐的混合液中,搅拌,冷却至15℃,将与异戊二烯等物质的量的次氯酸叔丁酯(14.0g,77%,0.1mol)慢慢滴加进去,保持恒温,滴加完毕后,用淀粉碘化钾试纸检测没有过氧化物后,加入1.7g的对甲苯磺酸(0.01mol),升温至60℃,反应10小时后,减压蒸馏回收含有叔丁醇的乙酸溶液(可精馏分离回收),加入20g冰水,并用180mL的正己烷分三次从冰水中萃取出产物氯酯,用5%的碳酸氢钠洗至中性后,减压浓缩,最后在5mmHg的压力下,蒸馏得到氯酯(1-乙酰氧基-4-氯-3-甲基-2-丁烯)14.0g,含量93%,产率80.1%。
将18.1g氯酯(93%,0.1mol)加入50mL丙酮中,加入12.6g甲酸钾(0.15mol),和1.61g正丁基溴化铵(0.005mol),升温至回流,反应10小时,冷至室温后,过滤,蒸馏回收溶剂,加入50mL乙酸乙酯,水洗一次后,浓缩得到双酯(4-乙酰氧基-2-甲基-丁烯-1-醇甲酸酯)18.5g,含量91%,产率97.9%。
将18.9g双酯(91%,0.1mol)加入50mL甲醇中,加入0.82g醋酸钠(0.01mol),于室温下反应2小时,减压蒸馏回收甲醇,加入50mL乙酸乙酯溶解,滤去醋酸钠,浓缩后得到醇酯(4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯-1-醇)14.4g,含量91%,产率为98.0%。
将15.8g醇酯(91%,0.1mol)溶解于50mL丙酮中,加入0.78gTEMPO(0.005mol)和0.99g氯化亚铜(0.01mol),反应于氧气氛围下升温至回流反应2小时,冷却至常温后,过滤回收氯化亚铜,蒸馏回收丙酮后,加入50mL甲醇,并用60mL石油醚分三次萃出其中的TEMPO,浓缩回收TEMPO,把甲醇蒸馏回收后,得到粗产品4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛,于5mmHg下蒸馏纯化得到13.7g,含量95%,产率91.7%。
实施例2
将68g异戊二烯(1mol)溶解于120g乙酸和102g乙酸酐的混合溶液中,搅拌,冷却至15℃,将与异戊二烯等物质的量的次氯酸叔丁酯(140.3g,77%,1mol)慢慢滴加进去,保持恒温,滴加完毕后,用淀粉碘化钾试纸检测没有过氧化物后,加入17g的对甲苯磺酸(0.1mol),升温至60℃,反应10小时后,减压蒸馏回收叔丁醇和乙酸(精馏分离回收),加入200g冰水,并用600mL的正己烷分三次从冰水中萃取出产物氯酯,用5%的碳酸氢钠洗至中性后,减压浓缩,最后在5mmHg的压力下,蒸馏得到氯酯144g,含量93%,产率82.4%。
将144g氯酯(93%,0.82mol)加入500mL丙酮中,加入103.5g甲酸钾(1.23mol),和13.2g正丁基溴化铵(0.041mol),升温至回流,反应10小时,冷至室温后,过滤,蒸馏回收溶剂,加入300mL乙酸乙酯,水洗一次后,浓缩得到双酯151.9g,含量91%,产率98%。
将151.9g双酯(91%,0.8mol)加入500mL甲醇中,加入6.56g醋酸钠(0.08mol),于室温下反应2.5小时,减压蒸馏回收甲醇,加入300mL乙酸乙酯溶解,滤去醋酸钠,浓缩后得到醇酯125.3g,含量91%,产率99.0%。
将125.3g醇酯(91%,0.79mol)溶解于500mL丙酮中,加入6.17gTEMPO(0.04mol)和7.82g氯化亚铜(0.079mol),反应于氧气氛围下升温至回流反应2小时,冷却至常温后,过滤回收氯化亚铜,蒸馏回收丙酮后,加入300mL甲醇,并用150mL石油醚分三次萃出其中的TEMPO,浓缩回收TEMPO,把甲醇蒸馏回收后,得到粗产品4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛,于5mmHg下蒸馏纯化得到108g,含量95%,产率91.5%。
实施例3
重复实施例1制备氯酯的方法,得到14.3g氯酯,纯度93%,产率81.8%。
将18.0g氯酯(93%,0.1mol)加入50mL乙腈中,加入12.6g甲酸钾(0.15mol),和1.61g正丁基溴化铵(0.005mol),升温至回流,反应7小时,冷至0℃,过滤,蒸馏回收溶剂,加入50mL乙酸乙酯,水洗一次后,浓缩得到双酯18.1g,含量91%,产率95.8%。
将19g双酯(91%,0.11mol)加入50mL甲醇中,加入0.42g醋酸钠(0.005mol),于室温下反应3小时,减压蒸馏回收甲醇,加入50mL乙酸乙酯溶解,滤去醋酸钠,浓缩后得到醇酯17.2g,含量90%,产率97.7%。
将16g醇酯(91%,0.11mol)溶解于50mL乙腈中,加入0.85gTEMPO(0.0055mol)和1.1g氯化亚铜(0.011mol),反应于氧气氛围下升温至回流反应3小时,冷却至0℃后,过滤回收氯化亚铜,蒸馏回收丙酮后,加入50mL甲醇,并用60mL石油醚分三次萃出其中的TEMPO,浓缩回收TEMPO,把甲醇蒸馏回收后,得到粗产品4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛,于5mmHg下蒸馏纯化得到15.1g,含量95%,产率91.8%。
实施例4
重复实施例2制备氯酯的方法,得到氯酯146g,含量93%,产率83.6%。
将146g氯酯(93%,0.84mol)加入500mL丙酮中,加入98g甲酸钾(1.17mol),和13.5g正丁基溴化铵(0.042mol),升温至回流,反应12小时,冷至室温后,过滤,蒸馏回收溶剂,加入300mL乙酸乙酯,水洗一次后,浓缩得到双酯153.9g,含量92%,产率98%。
将153.9g双酯(92%,0.82mol)加入500mL甲醇中,加入6.89g醋酸钠(0.082mol),于室温下反应2小时,减压蒸馏回收甲醇,加入300mL乙酸乙酯溶解,滤去醋酸钠,浓缩后得到醇酯127.6g,含量91%,产率98.3%。
将127.6g醇酯(91%,0.81mol)溶解于500mL乙腈中,加入6.17gTEMPO(0.04mol)和8.0g氯化亚铜(0.081mol),反应于氧气氛围下升温至回流反应6小时,冷却至0℃后,过滤回收氯化亚铜,蒸馏回收丙酮后,加入300mL甲醇,并用150mL石油醚分三次萃出其中的TEMPO,浓缩回收TEMPO,把甲醇蒸馏回收后,得到粗产品4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛,于5mmHg下蒸馏纯化得到116.24g,含量94%,产率95%。
对比例1
由双酯制备醇酯的过程中,将本发明实施例所用的醋酸钠替换为常规催化剂碳酸氢钠。
将8.6g双酯(实施例1制备的)加入40mL甲醇中,加入0.42g碳酸氢钠,于室温下反应2小时,减压蒸馏回收甲醇,将反应液倒入冰水和乙酸乙酯的混合物中,用1moL/L的盐酸将水层PH调至5~6,分离出乙酸乙酯层,水层用乙酸乙酯萃取两次,合并乙酸乙酯层,用无水硫酸钠干燥,浓缩后得到醇酯8.7g,含量65%,用气相色谱分析其主要成分,峰图见图2,由图可知,出峰时间1.870min,为产物醇酯,而前面1.57min出峰的为副产物,是醇酯再继续醇解的产物,1.25min的为残留的溶剂。可见,碳酸氢钠的选择性较差,难以避免乙酸酯侧的醇解。
实施例1由双酯制备得到的醇酯,测得的气相色谱谱图见图1,图1是主要是产物醇酯的峰,由图1可知,使用醋酸钠作催化剂,能够避免生成的醇酯再继续反应,由图1和图2对比可知,使用醋酸钠作催化剂用于双酯的醇解反应(醇解甲酸酯侧),具有更好的反应选择性,大大减少了副产物的生成,提高了产物的纯度。

Claims (10)

1.一种4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛的制备方法,包括以下步骤:
1)在铵盐类化合物催化作用下,氯酯与甲酸盐在有机溶剂中进行甲酯化反应,得双酯;
2)于室温下,用烷基羧酸盐催化双酯与甲醇进行酯交换反应,得醇酯;
3)于氧气氛围下,溶于极性非质子溶剂的醇酯在四甲基哌啶氧化物和氯化亚铜催化下进行氧化反应,得4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛;
所述氯酯为1-乙酰氧基-4-氯-3-甲基-2-丁烯,双酯为4-乙酰氧基-2-甲基-丁烯-1-醇甲酸酯,醇酯为4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯-1-醇。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:该制备方法,包括以下步骤:
1)将氯酯溶于丙酮或乙腈中,加入甲酸钾、铵盐类化合物,升温至回流反应7~12h,冷却至室温后,过滤,蒸馏回收溶剂,加入乙酸乙酯,水洗,浓缩,得到双酯;
2)向双酯中依次加入甲醇、烷基羧酸盐,于室温下反应2~3h,减压蒸馏回收甲醇,加入乙酸乙酯溶解,滤去催化剂,浓缩,得醇酯;
3)将醇酯溶解于极性非质子溶剂中,加入四甲基哌啶氧化物、氯化亚铜,反应于氧气氛围下升温至回流反应2~6h,冷却至常温后,过滤回收氯化亚铜,蒸馏回收溶剂后,加入甲醇,并用石油醚萃出其中的氮氧自由基化合物,浓缩回收氮氧自由基化合物,将甲醇蒸馏回收后,在5mmHg的压力下蒸馏,得4-乙酰氧基-2-甲基-2-丁烯醛。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:四甲基哌啶氧化物为4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物、4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物、4-甲氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物或4-乙酰氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:烷基羧酸盐为醋酸钠。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:甲酸盐为甲酸钾、甲酸钠或甲酸钙。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤1)有机溶剂为丙酮或乙腈。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤3)极性非质子溶剂为丙酮或乙腈。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤1)氯酯与甲酸盐、铵盐类化合物的摩尔比为1:1~2:0.01~0.10,氯酯在有机溶剂中的浓度为1.5~3mol/L。
9.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤2)双酯与烷基羧酸盐的摩尔比为1:0.01~0.10,双酯在甲醇中的浓度为1.5~3mol/L。
10.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:步骤3)醇酯与四甲基哌啶氧化物、氯化亚铜的摩尔比为1:0.01~0.05:0.01~0.10,醇酯在极性非质子溶剂中的浓度为1.5~3mol/L。
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