CN1304405A - 丁内酯的制备 - Google Patents
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Abstract
一种制备通式Ⅰ丁内酯的工艺,其中取代基R1和R2分别为氢、烷基、羟烷基、取代或未取代的芳基和三烷基甲硅烷基,通过通式Ⅱ为R1－C≡C－R2的炔烃,其中R1和R2分别同上定义,与一氧化碳和水在铑催化剂存在下于压力20～300bar的反应并使尚未氢化的2(5H)－呋喃酮中间体发生氢化,其包含:a)羰基化反应混合物与氢在150—250℃和100—300bar下发生反应,b)分离沉淀的催化剂并循环到羰基化反应中去,并且c)对不含催化剂的反应混合物进行蒸馏以回收丁内酯。
Description
本发明涉及一种通过炔烃与一氧化碳在水存在下于铑催化剂上进行羰基化反应制备丁内酯的工艺，并通过羰基化反应混合物的立即氢化而使铑催化剂沉淀、分离并循环使用催化剂，同时从滤液中回收丁内酯。
WO 97/07111公开了炔烃与一氧化碳和水在过渡金属催化剂，特别是铑存在下发生反应制备丁内酯。根据Takaski Joh et al.在Inorganica Chi.Acta,220(1994)45中的所述，形成了2(5H)-呋喃酮中间体。2(5H)-呋喃酮可通过原位或再行氢化而转化成丁内酯。通过在水存在下经由水煤气平衡生成氢的羰基化反应加剧、在羰基化反应过程中添加氢或者随后对分离出来的2(5H)-呋喃酮进行氢化，就可达到完全氢化成丁内酯的目的。
但是，WO 97/07111丁内酯制造工艺的明显缺点在于催化剂的分离和循环利用不令人满意。合成出料物在经过处理，即丁内酯经蒸馏而回收后，的确能循环利用残留在蒸馏残渣中的可溶性催化剂。但此法有缺点，一方面催化剂无法从蒸馏残渣中分离出来并因而会在多次循环之后造成高沸点物质的积累，而另一方面，催化剂在多次循环之后对所需的丁内酯转化反应而言其选择性和活性会显著下降。
因此，所需要的是一种在活性不损失的情况下能理想地分离所有铑羰基化催化剂以将其循环到反应中去的简单工艺。
在羰基化反应领域中已报道过无数的铑分离工艺。在U.S.No.4,400,547中，羰基合成粗产物在反应后与配位化合物如三苯基膦接触并蒸馏出产物醛。然后以氧处理蒸馏残渣使配体从配位化合物中再***出来并回收活化态铑。但并没有给出如何分离铑与蒸馏残渣的方法。
U.S.No.3,547,964也描述了从高沸点的羰基化反应残渣中分离铑的方法。以过氧化氢在酸如甲酸、硝酸或硫酸的存在下处理残渣，将铑转化成水溶形式。但是，过氧化氢的成本及其操作安全性限制了这种方法在工业上的用途。
EP-A 584 720 B1公开了一种可选两阶段的萃取工艺，其中以配合物的形式从羰基合成产物的蒸馏残渣中回收铑。在第一阶段中，在一元羧酸和碱金属一元羧酸盐的存在下以氧或含氧气体处理残渣。然后以水萃取残渣，而以水溶性化合物形式存在的铑则转移到水相中。此工艺在现有条件下不适用，因为发现很难从丁内酯合成反应器出料物中定量萃取出含铑配合物。
比如DE-A 43 26 076所述的其它工艺，涉及通过灰化，即灼烧有机成份的方法回收铑。此法所回收的铑无法立即循环利用，得经过一个进一步的处理步骤。
因此，不存在用现有技术中的工艺以经济的方式解决上述问题的可能性。
令人惊奇地发现，可通过一种制造通式Ⅰ丁内酯的工艺，可简单地回收活性的和可直接循环形式的催化剂，其中取代基R1和R2分别是氢、烷基、羟烷基、带或不带惰性取代基的芳基和三烷基甲硅烷基，通过通式Ⅱ炔烃
R1-C≡C-R2 Ⅱ，其中R1和R2分别同上定义，与优选不少于4当量的一氧化碳和优选不少于2当量的水在铑催化剂存在下于压力20～300bar的反应并使2(5H)-呋喃酮中间体发生氢化，其包含a)羰基化反应混合物与氢立即(即，不分离2(5H)-呋喃酮目标产物或其与丁内酯的混合物)在150～250℃，优选180～230℃，和100～300bar，优选150～200bar下发生反应，b)分离沉淀的催化剂并循环到羰基化反应中去，并且c)从不含催化剂的反应混合物通过蒸馏回收丁内酯。
令人惊奇的是，所用的催化剂回收超过99％，而且即使是在操作多次重复或连续工作时间延长的情况下都不对催化剂的选择性和活性造成不利影响。
WO 97/07111在第7页第5段中的确说，它只能用于制造丁内酯占主要量的混合物。这些混合物然后可“直接”进料到氢化反应中或者分离成各个成份，丁内酯和呋喃酮。但是所述文献中并没有提到反应混合物在仍含有催化剂的情况下进行氢化反应时会在某些情况下使催化剂沉淀，然后再分离之并循环到反应中去。相反地，在仅有的与此有关的实施例(8)中采用了一种特殊的氢化催化剂，实际上是一种钯催化剂，仅在分离出催化剂后才在常压和室温下使2(5H)-呋喃酮氢化。
就本发明工艺的步骤(a)而言，在排除掉CO残压后立即以压力20～300bar、优选150～250bar、特别是180～220bar的氢对羰基化反应混合物进行氢化，并不事先分离所生成的2(5H)-呋喃酮中间体或已生成的丁内酯。氢化反应将铑羰基催化剂转化成不溶的形式(可能是脱掉了一些羰基以及形成了铑簇)而2(5H)-呋喃酮则转化成相应的丁内酯。氢化反应温度一般为0～300℃，优选50～150℃，氢化反应时间一般为0.1～24h，优选0.5～5h。
反应得到含有催化剂的固体物质，并且可通过普通方法如过滤、离心分离或沉淀法分离之。同时，所有所含的2(5H)-呋喃酮都完全且高选择性地氢化成了丁内酯。沉淀出的催化剂可在活性或选择性不明显下降的情况下用于新一轮的丁内酯合成反应。羰基化反应/催化剂沉淀/催化剂分离/羰基化反应，此次序可重复多次。实际上催化剂每次都能定量沉淀；均匀溶解在反应器出料物中的只剩下少于1％最初所用的铑。
本发明工艺对所有适于所述丁内酯合成反应的催化剂都适用。优选的催化剂是Rh6(CO)16、Rh4(CO)12、Rh(CO)2acac、[codRhCl]2、RhCl3·3H2O和Rh(OAc)3。
催化剂的用量一般每摩尔炔烃为0.01～10mmol。沉淀、分离且循环利用的催化剂是结构未知的化合物；但是它们能在羰基化反应步骤中再行溶解并恢复其原有的活性。按照分离所遗漏的百分比量向反应溶液中添加新催化剂。
在WO 97/07111所详述的优选的连续羰基化反应工艺中，可通过将乙炔溶解在处于饱和器内的溶剂中的方法实现与乙炔的反应。同法溶解催化剂、水和添加剂。溶液被压缩至反应压力并泵送到反应器中。通过气体阀门向反应器中引入CO和进一步的乙炔。解除反应器出料物的压力并将气相循环到反应器中去，如果需要的话在经过纯化处理之后。按照本发明，羰基化反应器的出料物压缩至氢化反应压力并泵送到耐压反应器如搅拌式、管束式或环式反应器中去。通过气体阀门向反应器中引入氢并在离开反应器时解除氢化反应出料物的压力。可借助普通方法如过滤、交叉流式过滤、沉淀或离心分离法而连续或分次地分离出氢化反应过程中形成的铑沉淀物。然后固体可重新用作催化剂。氢气相可循环到氢化反应器中去，如果需要的话在经过纯化处理之后。
炔烃在水存在下的羰基化反应可按常法进行，具体参见WO97/07111。
结构式Ⅱ炔烃可带有相同或不同的取代基。不同的取代基可分别键合在反应产物的3位和4位上。因此可能会是异构体的混合物。基于此，结构式Ⅰ中在3位上可能的取代基也适合于在4位上带有取代基R1或R2的化合物。
烷基取代的炔烃Ⅱ可带有例如C1-C9-烷基等烷基，如在丙炔、1-丁炔、2-丁炔、1-己炔和1-辛炔中。
炔烃上的羟烷基取代基优选羟基C1-C4-烷基，比如1-丁炔-3-醇、1,4-丁炔二醇和炔丙醇。在带芳基的炔烃中，优选苯基炔烃如苯乙炔和二苯乙炔。芳基可带有非反应性取代基，比如卤素，特别是氯，烷氧基，特别是甲氧基，以及烷基，特别是C1-C4-烷基。适宜的炔烃进一步包括带有三烷基甲硅烷基的炔烃，比如三甲基甲硅烷基乙炔。
优选R1和R2中至少有一个是氢的炔烃。特别优选乙炔。
炔烃转化成丁内酯的反应是在CO和水的存在下进行的：
每当量炔烃优选采用2～50当量的水。每当量炔烃最好采用至少4当量的CO。CO也可过量采用，但在此情况下，所用的CO其过量的幅度一般不应高于炔烃的50倍，因为过量再多也于技术无任何媲益。
羰基化反应可在WO 97/07111所述的温度和压力条件下进行。但是已发现，在实施本发明工艺时最好采用比这高得多的压力。因此，羰基化反应一般在50～250℃，优选80～150℃，特别是100～140℃，和20～300，优选100～250，特别是170～230bar下进行。
本发明所用的催化剂是能按如下方程式达到水煤气平衡的水煤气转换催化剂(见Parshall et al.,Homogeneous Catalysis,Wiley,2nd Ed.1992,Chp.5.7)：
所释放的氢因此能将首先形成的2(5H)-呋喃酮中间体氢化成丁内酯。
可借助添加剂来提高所用催化剂的活性。适宜的添加剂包括胺。适宜的胺包括伯、仲和叔烷基胺以及环烷胺，还有含氮杂环。特定例子是甲基胺、乙基胺、苯胺、二乙基胺、三乙基胺、三丁基胺、三辛基胺、吡啶、喹啉、异喹啉和二甲基氨基吡啶。铵盐比如三乙基氯化铵、四乙基氯化铵、四丁基醋酸铵、四丁基硝酸铵和四丁基氢氧化铵也有效。
适宜的添加剂进一步包括卤化物。可用的卤化物的例子是碱金属和碱土金属卤化物，比如NaCl、NaBr、NaI、KCl、KI、CaCl2、CaBr2、CaI2以及有机阳离子卤化物比如四甲基氯化铵、四甲基溴化铵、四甲基碘化铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵和四丁基碘化铵。碘化物是优选的卤化物。
适宜的添加剂进一步包括烯型不饱和有机化合物的阻聚剂，比如氢醌单甲醚、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和吩噻嗪。
这些添加剂都不影响催化剂的回收。
添加剂的用量可在很宽的范围内变化并且可能的范围是每摩尔催化剂配0.1～10,000mol的添加剂。每摩尔催化剂优选采用0.5～5mol添加剂。在一个反应中可采用一种或多种添加剂。本发明工艺优选使用胺，特别是叔胺。
本发明工艺可连续或批量进行，优选在液相中并优选在对反应条件惰性的有机溶剂中，比如在醚如***、甲基叔丁基醚、四氢呋喃和1,4-二噁烷，烷醇如甲醇、乙醇和异丙醇，烃如戊烷、己烷和环己烷，以及氯代烃如二氯甲烷、氯仿和二氯乙烷的存在下。溶剂的用量一般是溶剂占反应批量的5～95wt.％。本发明工艺可在耐压反应器如搅拌式、管束式或环式反应器中连续或批量进行。
因此，本发明工艺使铑配合物，它是从炔烃和CO合成γ-丁内酯时所用的催化剂，简单地通过在氢化反应条件下从反应出料物中沉淀出来的方式，反复多次且每次基本上都能定量的回收成为可能，并以几乎不变的活性和选择性重复使用。实施例
实施例1(对比)
首先向400ml二噁烷中添加672mg(2.6mmol)Rh(CO)2acac、2.25g(22.3mmol)三乙基胺和32.8g(1.8mol)水。于室温在搅拌下向其中注入8.21(0.31mol)乙炔，压力达到3.6bar。然后添加一氧化碳使压力升至200bar。将反应批料加热到120℃，升压至248bar，并随后搅拌2h。在冷却和反应器解除压力之后，通过蒸馏处理出料物。基于乙炔的用量，生成52％的2(5H)-呋喃酮和22％的丁内酯。将含有催化剂的蒸馏釜底产物作为初始物料添加到400ml二噁烷中并与2.25g(22.3mmol)三乙基铵和32.8g(1.8mol)水混合。于室温向其中注入8.21(0.31mol)乙炔，压力达到3.6bar。然后添加一氧化碳使压力升至200bar。将反应批料加热到120℃，升压至248bar，并随后搅拌2h。在冷却和反应器解除压力之后，通过蒸馏处理反应器的出料物并循环利用含有催化剂的蒸馏釜底产物。此步骤在不添加新催化剂的情况下共重复了三次，表1给出了各次的目标产物产率(以2(5H)-呋喃酮和丁内酯的总量为计)。
表1：蒸馏处理后催化剂的循环使用
实施例2
| 催化剂的循环次数 | 初始 | 第一次 | 第二次 | 第三次 |
| 目标产物的产率[％] | 74 | 56 | 43 | 21 |
首先向400ml二噁烷中添加672mg(2.6mmol)Rh(CO)2acac、2.25g(22.3mmol)三乙基胺和32.8g(1.8mol)水。于室温在搅拌下向其中注入8.2l(0.31mol)乙炔，压力达到3.6bar。然后添加一氧化碳使压力升至200bar。将反应批料加热到120℃，压力升至248bar，并随后搅拌2h。在冷却和反应器解除压力之后，取样并采用内标法经气相色谱进行分析。基于乙炔的用量，生成59％的2(5H)-呋喃酮和24％的丁内酯。然后于室温注入50bar氢并在高压釜中将反应批料加热到200℃。在此，压力调到89bar。通过氢使压力升至200bar，随后搅拌1h。在冷却和高压釜解除压力之后，过滤高压釜的出料物。滤液经检测只含有所用铑的约1％。固体滤渣可重新用作催化剂。在蒸馏处理之后分离出丁内酯，产率为81％，基于乙炔的用量。
实施例3
重复实施例2，除了对氢化反应的出料物进行离心分离。离心液经蒸馏处理。分离出的固体作为初始物料添加到400ml二噁烷中并与2.25g(22.3mmol)三乙基胺和32.8g(1.8mol)水混合。于室温在搅拌下注入8.21(0.31mol)乙炔，压力达到3.6bar。然后添加一氧化碳使压力升至200bar。将反应批料加热到120℃，升压至248bar，并随后搅拌2h。在冷却和反应器解除压力之后，取样并采用内标法经气相色谱进行分析。
然后于室温向其中注入50bar氢并在高压釜中将反应批料加热到200℃，升压至89bar。然后添加氢使压力升至200bar，随后搅拌1h。在冷却和高压釜解除压力之后，再次离心分离高压釜的出料物以分离并循环利用催化剂。离心液经蒸馏处理。按羰基化反应/氢化反应/催化剂分离/羰基化反应的次序，在不添加新催化剂的情况下共重复五次。每次循环之后所得到的丁内酯其蒸馏产率见表2，在每种情况下基于乙炔的用量。
| 催化剂的循环次数 | 初始 | 第一次 | 第二次 | 第三次 | 第四次 | 第五次 |
| 目标产物的产率[％] | 81 | 79 | 82 | 83 | 78 | 81 |
Claims (10)
1．一种制备通式Ⅰ丁内酯的工艺其中取代基R1和R2分别为氢、烷基、羟烷基、取代或未取代的芳基和三烷基甲硅烷基，通过通式Ⅱ炔烃R1-C≡C-R2 Ⅱ，其中R1和R2分别同上定义，与一氧化碳和水在铑催化剂存在下于压力20～300bar的反应并使尚未氢化的2(5H)-呋喃酮中间体发生氢化，其包含a)羰基化反应混合物与氢在150～250℃和100～300bar下发生反应，b)分离沉淀的催化剂并循环到羰基化反应中去，并且c)对不含催化剂的反应混合物进行蒸馏以回收丁内酯。
2．权利要求1的工艺，其中氢化反应(a)在180～230℃和150～250bar下进行。
3．权利要求1的工艺，其中通过过滤、滗析或离心分离操作来实现步骤(b)中催化剂的回收。
4．权利要求1的工艺，其中步骤(a)～(c)是连续进行的。
5．权利要求1的工艺，其中在CO当量不少于4而水当量不少于2的情况下进行羰基化反应。
6．权利要求1的工艺，其中羰基化反应在胺或铵盐的存在下进行。
7．权利要求1的工艺，其中羰基化反应在卤化物的存在下进行。
8．权利要求1的工艺，其中羰基化反应在阻聚剂的存在下进行。
9．权利要求1的工艺，其中所用的炔烃是乙炔。
10．权利要求1的工艺，其中在170～230bar进行与一氧化碳和水的反应。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20031231 |