專(zhuān)利名稱(chēng)：制造β－羥基羧酸衍生物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及β-羥基羧酸衍生物的制備。
背景羥基羧酸(HCA)是一類(lèi)特別有趣和有用的化合物。它們自身是雙官能的，因此能發(fā)生多種化學(xué)變化。羥基和羧酸基這兩種官能團(tuán)在一定的條件下，能彼此獨(dú)立地發(fā)生反應(yīng)，因此每種基團(tuán)都能產(chǎn)生經(jīng)典的衍生物，而且在其它情況下還可能互相作用影響它們正常的化學(xué)反應(yīng)性。另一個(gè)使人感興趣的是，兩種官能團(tuán)之間發(fā)生導(dǎo)致生成二聚，低聚，和重要的是聚合物質(zhì)的反應(yīng)的可能性。對(duì)于β-羥基羧酸(β-HCA)而言，還可能通過(guò)失去羥基和相鄰的氫原子而發(fā)生脫水反應(yīng)。這種脫水反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致形成α，β-不飽和羧酸，其本身也是一類(lèi)重要的化合物。
兩種常見(jiàn)和商業(yè)重要的α，β-不飽和羧酸是丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯系。丙烯酸，丙烯酸鹽和丙烯酸酯用于制造聚丙烯酸，聚丙烯酸鹽和聚丙烯酸酯。這些物質(zhì)可以用作表面涂料，粘合劑和密封劑，吸收劑，紡織品和非織造品，以及塑料改性劑。
概述本發(fā)明公開(kāi)了制備β-HCA及其鹽的方法。這些衍生物包括酯(特別是通過(guò)酸與C1-C7的醇反應(yīng)制得的“輕質(zhì)”酯)，α，β-不飽和羧酸和酯(比如，丙烯酸和丙烯酸酯)，和通過(guò)β-HCA與醇的反應(yīng)制得的烷氧基衍生物。然后可以進(jìn)一步處理這些衍生物。比如，可以對(duì)β-HCA酯進(jìn)行氫化形成多元醇。
可以從生物發(fā)酵培養(yǎng)基制得β-HCA。術(shù)語(yǔ)“醇”包括單官能醇(即，具有一個(gè)羥基的醇)和多官能醇(即，具有兩個(gè)或多個(gè)羥基的醇)。
以下詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)或多個(gè)本發(fā)明實(shí)例。通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的其他特征，目的和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。
實(shí)施方式的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明公開(kāi)了制造β-HCA衍生物的方法，這些衍生物包括，比如，β-HCA的酯，丙烯酸，丙烯酸鹽，丙烯酸酯，和烷氧基衍生物?？捎糜谥苽溥@些衍生物的β-HCA包括，比如，3-羥基丙酸，3-羥基-2-甲基丙酸，3-羥基丁酸，3-羥基-2-甲基丁酸，3-羥基-2-甲基戊酸，3-羥基-3-甲基丁酸，2，3-二甲基-3-羥基丁酸，3-羥基-3-苯基丙酸，及其組合。這些β-HCA及其鹽可以從多種來(lái)源獲得。β-HCA及其鹽的用來(lái)源包括發(fā)酵和酶催工藝。生成酸的發(fā)酵反應(yīng)通常包括在微生物的存在下發(fā)酵糖，如2001年4月20日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)60/285478中所述。然后從發(fā)酵培養(yǎng)基中分離β-HCA和/或其鹽。這可以通過(guò)各種技術(shù)完成，包括，比如一種萃取鹽-分離方法，如PCT申請(qǐng)US02/14315(公布號(hào)WO 02/090312)中所述，其名稱(chēng)是“制備羧酸及其衍生物的方法”。該專(zhuān)利申請(qǐng)中所述制備羥基官能羧酸的方法可以使用氨或胺來(lái)中和酸，從而形成酸的銨鹽。然后加入有機(jī)萃取劑并加熱混合物，分離銨鹽并將酸分配入有機(jī)溶劑中，可從發(fā)酵培養(yǎng)基中分離羧酸的銨鹽。因此，制得的有機(jī)組合物中除了其他物質(zhì)之外，還包括酸和有機(jī)萃取劑?？梢詮氖Ｓ嗟乃园l(fā)酵培養(yǎng)基中分離酸-有機(jī)萃取劑混合物，并進(jìn)行反萃取，從酸中分離萃取劑從而制得純(即游離的)酸。
以下討論特定衍生物的制備方法。
β-HCA酯可以用本發(fā)明的某些方法在相對(duì)溫和的條件下制備β-HCA的羧酸酯或其鹽。使β-HCA或其鹽與醇反應(yīng)，促進(jìn)酯化反應(yīng)，可以在酯化催化劑存在下，除醇之外無(wú)其它溶劑的條件下就完成酯化反應(yīng)?；蛘?，可以通過(guò)將β-HCA或其鹽與具有1到7個(gè)碳原子的輕質(zhì)醇在與水不混溶的萃取劑和任選的酯化催化劑存在下反應(yīng)制備羧酸酯。當(dāng)這種β-HCA是從發(fā)酵培養(yǎng)基使用有機(jī)萃取劑通過(guò)萃取鹽分離方法而制備時(shí)，這種技術(shù)是特別有用的。在酯化催化劑存在下，使β-HCA與醇在萃取劑中發(fā)生反應(yīng)，能生成包括酯和萃取劑的混合物。
萃取劑實(shí)例包括酰胺，醚，酮，含磷酯(比如，磷酸三丁酯)，氧化膦，硫化膦，和烷基硫。這些萃取劑可以單獨(dú)使用或者組合使用。
反應(yīng)是在有利于酯化而不利于脫水的條件下進(jìn)行的。當(dāng)反應(yīng)是在基本無(wú)水的條件下，在大氣壓力和低于回流溫度的溫度下發(fā)生時(shí)，就能進(jìn)行酯化形成酯。優(yōu)選反應(yīng)是在室溫下進(jìn)行的。
可用于制備酯的醇能與水混溶或部分混溶。適用醇包括，比如，C1到C26的醇，包括直鏈，支鏈和環(huán)狀有機(jī)部分。這些部分可以是脂肪族的，芳香族的或其組合。從甲醇到庚醇的輕質(zhì)醇或伯醇(比如，含有1到7個(gè)碳原子的醇)是特別有用的。這些醇可以是直鏈或支鏈的并且可以是伯醇，仲醇或叔醇。另外，這些醇可以是單官能團(tuán)的(即，含有單個(gè)羥基)或多官能團(tuán)的(即，含有兩個(gè)或多個(gè)羥基)。多官能團(tuán)醇的實(shí)例包括二元醇和多元醇，比如甘油，1，2-乙二醇(乙二醇)，1，3-丙二醇，1，4-丁二醇，1，2-丙二醇，及其聚氧乙烯(PEO或PEG)衍生物。
在向含有β-HCA的水性組合物中添加醇之后，可以進(jìn)行蒸餾步驟。這可通過(guò)蒸餾出含水餾出液，直至剩余的β-HCA/醇混合物基本上是干的來(lái)進(jìn)行。在一種技術(shù)中，可以用甲苯等有機(jī)溶劑進(jìn)行共沸蒸餾。任選地用于β-HCA酯化的醇也可被用于蒸餾步驟中。
達(dá)到基本無(wú)水的條件之后，可以加入酯化催化劑引發(fā)酯化反應(yīng)。適用于該過(guò)程的酯化催化劑包括酸性樹(shù)脂，酸性無(wú)機(jī)鹽，和無(wú)機(jī)酸。有用的無(wú)機(jī)酸包括，比如硫酸或磷酸。還可以使用無(wú)水硫酸銅等無(wú)機(jī)鹽。酸性樹(shù)脂催化劑的實(shí)例包括如酸性AMBERLYST樹(shù)脂(從Rohm和Haas Co.；Philadelphia，PA獲得)，NAFIONTM樹(shù)脂(從E.I.DuPont de Nemours and Co.；Wilmington DE獲得)，和酸性DOWEXTM樹(shù)脂(從Dow Chemical Co.；Midland，MI獲得)的市售化合物。可用酸性樹(shù)脂的形式能使酸性樹(shù)脂與β-HCA的蒸氣或液體接觸。比如，可以該樹(shù)脂可以呈床或柱的形式。
可以通過(guò)蒸餾對(duì)要求的酯產(chǎn)品進(jìn)行純化。使用本發(fā)明的某些方法所獲得酯的產(chǎn)率可以大于約80％。
α，β-不飽和羧酸及其鹽β-HCA的脫水反應(yīng)能生成α，β-不飽和羧酸產(chǎn)物。在一個(gè)方法實(shí)例中，可通過(guò)加熱含有β-HCA鹽的水溶液，使鹽脫水，生成α，β-不飽和羧酸和/或其鹽來(lái)制備α，β-不飽和羧酸和/或其鹽。從發(fā)酵培養(yǎng)基或通過(guò)其他酶催工藝能制得這種水溶液。這個(gè)工藝的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，雖然β-HCA鹽是水溶性的，但是α，β-不飽和羧酸的相應(yīng)鹽通常不是水溶性的。因此，α，β-不飽和羧酸鹽從溶液中沉淀出來(lái)，從而有利于從原料中分離不飽和酸。
β-HCA鹽可以是任何一種堿金屬鹽，堿土金屬鹽，或其組合。典型的鹽包括，比如，鈉鹽和鈣鹽。因?yàn)棣?HCA是可溶于水溶液中的，所以生成α，β-不飽和羧酸或其鹽的脫水反應(yīng)可以在水介質(zhì)中發(fā)生。
任選地可在加熱時(shí)向水溶液中加入脫水催化劑，來(lái)加強(qiáng)酸或酸的鹽的脫水反應(yīng)，形成α，β-不飽和羧酸或其鹽。可以使用酸性或堿性物質(zhì)來(lái)催化水介質(zhì)中的脫水過(guò)程。脫水催化劑可以是有利于脫水反應(yīng)的中性，酸性，或堿性物質(zhì)。中性催化劑的實(shí)例包括，比如，磷酸鈣，乳酸鈣，和3-羥基丙酸鈣。其他可用催化劑包括氧化鋁，氧化硅，氧化鈦，氧化鋯，沸石，和其他路易斯酸。胺是可用作催化劑的堿性化合物。使用發(fā)酵培養(yǎng)基來(lái)形成β-HCA時(shí)，堿性胺可便于起萃取劑作用，從水性發(fā)酵培養(yǎng)基中分離β-HCA，同時(shí)起脫水催化劑作用。適用于該過(guò)程的胺實(shí)例包括三辛胺(TCA)，三癸胺(TDA)，和三(十二烷基)胺(TDDA)。還可以使用其他外源堿來(lái)進(jìn)行脫水反應(yīng)。尤其是，能加強(qiáng)和幫助脫水反應(yīng)的堿性物質(zhì)是氧化鈣和氫氧化鈣等金屬氧化物和氫氧化物。酸催化劑可以是氣體或液體形式的鹽酸，硫酸，或磷酸等無(wú)機(jī)強(qiáng)酸。還可以用酸性AMBERLYST樹(shù)脂，NAFIONTM樹(shù)脂，和酸性DOWEXTM樹(shù)脂等不溶性酸性樹(shù)脂作為催化劑。特別有用的酸催化劑是磷酸。
還可以通過(guò)蒸氣轉(zhuǎn)化(即氣相反應(yīng))脫水反應(yīng)制備α，β-不飽和羧酸。在這些方法中，可以在相對(duì)較高溫度下蒸發(fā)含有β-HCA的水溶液，優(yōu)選在脫水催化劑的存在下進(jìn)行，將β-HCA轉(zhuǎn)化成α，β-不飽和羧酸。
α，β-不飽和羧酸酯促進(jìn)β-HCA酯化過(guò)程的工藝條件也能使用升高的溫度和酸或堿催化來(lái)促進(jìn)這些物質(zhì)的脫水反應(yīng)。類(lèi)似地，使用升高的溫度，和酸或堿催化，也能酯化α，β-不飽和羧酸。因此，在一個(gè)方法實(shí)例中，α，β-不飽和羧酸的酯化和脫水過(guò)程都可以在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。
可用不同的反應(yīng)路徑來(lái)制備α，β-不飽和羧酸酯。在一個(gè)反應(yīng)路徑中，先通過(guò)與醇的反應(yīng)將β-HCA或其銨鹽酯化。然后進(jìn)行酯的脫水反應(yīng)，生成α，β-不飽和羧酸酯。在另一個(gè)反應(yīng)路徑中，先將β-HCA脫水，然后用醇將制得的α，β不飽和羧酸或其鹽酯化，生成α，β-不飽和羧酸酯。
在水介質(zhì)中，可以先將β-HCA或其鹽轉(zhuǎn)變成酯；然后蒸發(fā)含有酯和脫水催化劑的溶液，將β-HCA酯轉(zhuǎn)化成α，β-不飽和羧酸酯來(lái)制備α，β-不飽和羧酸酯。
烷氧基衍生物在密閉反應(yīng)器中加熱含有β-HCA或其鹽與醇的水溶液，能生成各種衍生物，包括，比如α，β-不飽和羧酸酯，α，β-不飽和羧酸，β-烷氧基羧酸或酯。制備酯時(shí)，宜向溶液中加入酯化催化劑。正如這里所述的其他工藝一樣，β-HCA或其鹽可以存在于例如由發(fā)酵培養(yǎng)基制得的水溶液中。
在Parr反應(yīng)器等密閉反應(yīng)器中，在堿性催化劑存在下，可以通過(guò)使含有β-HCA或其鹽的水溶液與醇反應(yīng)，制備β-HCA的烷氧基衍生物?？梢约訜崛芤菏怪磻?yīng)形成酸的烷氧基衍生物。堿性催化劑可以是Mg(OH)2，Ca(OH)2，NaOH中的任意一種，或者是其組合。
實(shí)施例除非另有說(shuō)明，否則所有百分比都是重量百分比。
用高效液相色譜(HPLC)和氣相色譜(GC)對(duì)以下反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行分析。
HPLC分析中所用的設(shè)備包括配備有Waters 717+自動(dòng)進(jìn)樣器的Waters1525二元HPLC泵，Waters 2410折射率檢測(cè)器和2487雙入吸光度檢測(cè)器。使用Bio-Rad HP87-H柱。流動(dòng)相是0.004N的硫酸。流速是0.6毫升/分，柱溫是60℃。
GC分析中所用的設(shè)備包括J&W DB-WAXETR 30米×32毫米，0.5微米薄膜柱。初始爐溫是90℃，以20℃/分的速度升溫至200℃的最終溫度。將樣品在最終溫度保持約12.5分鐘。注射溫度是200℃。
實(shí)施例1本實(shí)施例說(shuō)明了從3-HP通過(guò)樹(shù)脂酸催化轉(zhuǎn)化成各種烷基酯。3-HP是30％的水溶液。該物質(zhì)中70％是純的3-HP單體。
將20.65克30％的3-HP與甲醇通過(guò)共沸蒸餾而干燥。向干燥的3-HP中加入過(guò)量(56.84克)的無(wú)水甲醇，和5.05克干燥AMBERLYST-15。將混合物在室溫下攪拌18小時(shí)并用GC監(jiān)測(cè)。
色譜中在5.13分鐘和7.89分鐘處具有兩個(gè)主峰，分別對(duì)應(yīng)于3-HP的甲酯和3-HP的醚二聚體的二甲酯。反應(yīng)中所用的3-HP僅是約70％純度的單體，剩余部分是二聚體和痕量的丙烯酸。用GC-MS證實(shí)為3-HP甲酯。
反應(yīng)結(jié)束后，過(guò)濾出固體催化劑，通過(guò)真空蒸餾除去溶劑。對(duì)粗產(chǎn)物進(jìn)行閃式柱色譜操作，獲得純物質(zhì)。在GC上對(duì)酯作出校準(zhǔn)曲線。
用3.18克30％的3-HP，15.88克的干燥甲醇，和1.02克的AMBERLYST-15重復(fù)上述反應(yīng)。將反應(yīng)混合物在室溫下攪拌21小時(shí)，并用GC監(jiān)測(cè)。用上述實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)曲線確定產(chǎn)率。
時(shí)間產(chǎn)率*4小時(shí) 70％21小時(shí) 100％*基于70％純度的3-HP用3.14克30％的3-HP，17.47克的干燥乙醇，和1.12克的干燥AMBERLYST-15重復(fù)上述反應(yīng)，制備3-HP的乙酯。將反應(yīng)混合物在室溫下攪拌19小時(shí)并用GC監(jiān)測(cè)。
時(shí)間產(chǎn)率*2.5小時(shí) 17％19小時(shí) 68％*基于70％純度的3-HP重復(fù)上述反應(yīng)，區(qū)別在于使用丁醇作為醇。19個(gè)小時(shí)之后，丁酯的產(chǎn)率是70％，基于70％純度的3-HP原料。
重復(fù)上述反應(yīng)，區(qū)別在于使用2-乙基己醇作為醇。19個(gè)小時(shí)之后，2-乙基己酯的產(chǎn)率是59％，基于70％純度的3-HP原料。
重復(fù)上述反應(yīng)，區(qū)別在于使用NAFION NR-50而不是AMBERLYST-15作為催化劑。所用醇是乙醇。將混合物在室溫下攪拌21個(gè)小時(shí)，并用GC監(jiān)測(cè)。3-HP乙酯的產(chǎn)率是71％，基于70％純度的3-HP原料。
實(shí)施例2本實(shí)施例說(shuō)明了在室溫下用H2SO4作為催化劑合成3-HP的甲酯。3-HP是30％的水溶液。該物質(zhì)的70％是純的3-HP單體。
用甲醇通過(guò)共沸蒸餾干燥30％的水性3-HP。向干燥的3-HP中加入過(guò)量甲醇和幾滴濃H25O4。將混合物在室溫下攪拌24小時(shí)，同時(shí)用GC監(jiān)測(cè)。攪拌24個(gè)小時(shí)之后，大部分3-HP被轉(zhuǎn)化成酯。
時(shí)間產(chǎn)率*3.5小時(shí) 89％6小時(shí) 92％24小時(shí) 96％*基于70％純度的3-HP實(shí)施例3本實(shí)施例說(shuō)明了使用酸性樹(shù)脂催化劑將3-HP轉(zhuǎn)化成其甲酯。3-HP是14.72％的水溶液。該物質(zhì)的98.7％是純的3-HP單體。
通過(guò)在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上除去水分，干燥16.685克14.72％的水性3-HP(25.7毫摩爾)。向干燥的3-HP(2.371克)中加入16克甲醇和0.548克AMBERLYST-15酸性樹(shù)脂催化劑。將混合物在室溫下攪拌28小時(shí)并用GC監(jiān)測(cè)。然后再加入0.549克AMBERLYST-15酸性樹(shù)脂催化劑，將混合物繼續(xù)攪拌18小時(shí)，制得3-HP的甲酯。
時(shí)間 產(chǎn)率*2小時(shí) 31％4小時(shí) 42％20小時(shí) 81％28小時(shí) 95％46小時(shí) 100％*基于98.7％純度的3-HP實(shí)施例4本實(shí)施例說(shuō)明了使用H2SO4作為催化劑將3-HP轉(zhuǎn)化成其甲酯。3-HP是14.72％的水溶液。該物質(zhì)的98.7％是純的3-HP單體。
通過(guò)在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上除去水分干燥18.524克14.72％的水性3-HP(30.2毫摩爾)。向干燥的3-HP(2.717克)中加入13克甲醇和0.22克濃H2SO4催化劑。將混合物在室溫下攪拌22小時(shí)并用GC監(jiān)測(cè)，制得3-HP的甲酯。
時(shí)間產(chǎn)率*1.5小時(shí) 75％3.5小時(shí) 88％22小時(shí) 95％*基于98.7％純度的3-HP實(shí)施例5本實(shí)施例說(shuō)明了從3-HP的鈣鹽制備丙烯酸鈣。
將從5.22克30％的3-HP和0.65克Ca(OH)2制得的56克3-HP鈣鹽的水溶液置于600毫升的Parr反應(yīng)器中，在220℃下加熱2小時(shí)。冷卻至室溫之后，用GC和HPLC分析溶液中的丙烯酸和3-HP。從3-HP的鈣鹽至丙烯酸鈣的產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率分別是48.7％和47.1％。從3-羥基丙酸的鈣鹽至丙烯酸鈣的選擇性是100％。該反應(yīng)的碳平衡是101.7％。
實(shí)施例6本實(shí)施例說(shuō)明了從3-HP的鈉鹽制備丙烯酸鈉。
將從5.027克30％的3-HP和0.69克NaOH制得的21克3-HP鈉鹽的水溶液置于Parr反應(yīng)器中，在220℃下加熱2小時(shí)。冷卻至室溫之后，用GC和HPLC分析溶液中的丙烯酸和3-HP。從3-HP的鈉鹽至丙烯酸鈉的產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率分別是41.8％和61.3％。從3-HP的鈉鹽至丙烯酸鈉的選擇性是68.2％。該反應(yīng)的碳平衡是80.6％。
實(shí)施例7本實(shí)施例說(shuō)明了使用硫酸催化劑時(shí)從3-HP轉(zhuǎn)化至丙烯酸的氣相轉(zhuǎn)化。
將0.8139克30％的水性3-HP和0.2800克濃H2SO4(大約1∶1摩爾比)混合，并立刻注射入GC中。用校準(zhǔn)曲線確定丙烯酸濃度。丙烯酸的產(chǎn)率是97.8％。重復(fù)該實(shí)驗(yàn)時(shí)，獲得99.97％的丙烯酸產(chǎn)率。改變3-HP與H2SO4的比例進(jìn)行類(lèi)似實(shí)驗(yàn)；結(jié)果列在下表中。
實(shí)施例8本實(shí)施例說(shuō)明了使用磷酸催化劑從3-HP轉(zhuǎn)化至丙烯酸的氣相轉(zhuǎn)化。
將0.5005克7.117％的3-HP和0.3525克85％的H3PO4混合，并立刻注射入GC中。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用0.5041克7.117％的3-HP和0.0505克85％的H3PO4。結(jié)果如下表中所示。
實(shí)施例9本實(shí)施例說(shuō)明了使用Cu-Ba-CrO催化劑從3-HP制備丙烯酸。
將50.0克5.13％的3-HP和0.50克Cu-Ba-CrO催化劑置于Parr反應(yīng)器中。將混合物在310磅/平方英寸的氮?dú)鈮毫ο?，?00℃下加熱22小時(shí)。將反應(yīng)混合物冷卻至室溫并用GC分析。3-HP的轉(zhuǎn)化率是63％，對(duì)丙烯酸的選擇性是100％。
實(shí)施例10本實(shí)施例說(shuō)明了使用硫酸或磷酸催化劑，從3-羥基異丁酸(也稱(chēng)為3-羥基-2-甲基丙酸)轉(zhuǎn)化至甲基丙烯酸的氣相轉(zhuǎn)化。
將15.5％的3-羥基異丁酸(3-HIBA)水溶液與各種量的濃硫酸混合，并注射入GC中。用濃磷酸也進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如下表中所示。
*磷酸實(shí)施例11本實(shí)施例說(shuō)明了使3-羥基丙酸銨轉(zhuǎn)化成丙烯酸丁酯。
將3-羥基丙酸銨與三辛胺/正丁醇(1∶1)溶劑的混合物在160℃下加熱3小時(shí)。反應(yīng)混合物主要是丙烯酸丁酯，和少量丙烯酸，以及3-羥基丙酸丁酯。通過(guò)傳統(tǒng)分餾技術(shù)能很容易地從三辛胺中分離酯。
實(shí)施例12本實(shí)施例說(shuō)明了使3-羥基丙酸的鈣鹽轉(zhuǎn)化成丙烯酸丁酯。
從3-HP和Ca(OH)2制備3-羥基丙酸的鈣鹽。萃取鈣鹽溶液，用少量硫酸中和鈣鹽至游離酸，并使用三辛胺作為溶劑萃取劑。從水相中分離萃取相。向含有3-HP的萃取溶劑中加入丁醇，并加熱混合物，引起酯化和脫水反應(yīng)，制得丙烯酸丁酯。
實(shí)施例13本實(shí)施例說(shuō)明了使用酸性催化劑從3-HP通過(guò)單罐合成丙烯酸丁酯。
將10.0克30％的3-HP，100毫升正丁醇和5滴濃H2SO4在250毫升燒瓶中進(jìn)行混合。用連接的Dean-Stark阱回流混合物除去水分。繼續(xù)回流，至Dean-Stark阱中收集不到水分為止。連接蒸餾裝置，除去大部分正丁醇。接著，降溫并抽真空(0.5乇，80℃)蒸餾剩余液體。制得1.58克丙烯酸丁酯，以及一些丁醇。丙烯酸丁酯的產(chǎn)率是37％。
實(shí)施例14本實(shí)施例說(shuō)明了用堿性催化劑制備3-烷氧基丙酸酯。
將5.12克30％的3-HP水溶液，0.50克Mg(OH)2，和53.58克丁醇加入600毫升的高壓Parr反應(yīng)器中。用50磅/平方英寸的氮?dú)獯祾咧频玫幕旌衔锶危タ諝?，然后將反?yīng)器在220℃下加熱1.6小時(shí)。加熱過(guò)程結(jié)束之后，將反應(yīng)器冷卻至室溫并減壓。離心反應(yīng)器中的物質(zhì)，從溶液中分離固體。除去固體之后，用氣相色譜分析溶液中的3-丁氧基丙酸丁酯，3-羥基丙酸丁酯，和丙烯酸丁酯。3-丁氧基丙酸丁酯的產(chǎn)率是48％，3-羥基丙酸丁酯的產(chǎn)率是5％，丙烯酸丁酯的產(chǎn)率是47％。
用Ca(OH)2和NaOH代替Mg(OH)2催化劑重復(fù)該過(guò)程。不同的3-丁氧基丙酸丁酯產(chǎn)率取決于催化劑性質(zhì)，順序是Mg＞Ca＞Na。
用乙醇代替丁醇，重復(fù)該過(guò)程。反應(yīng)后3-乙氧基丙酸乙酯的產(chǎn)率在5到50％范圍內(nèi)，取決于堿土金屬鹽，順序是Mg＞Ca＞Na。
實(shí)施例15本實(shí)施例說(shuō)明了使用堿性催化劑制備3-烷氧基丙酸酯的另一種方法。
將實(shí)施例10中制備的丙烯酸丁酯與氫氧化鈣和丁醇在約50℃下反應(yīng)，使之轉(zhuǎn)化成丁基3-丁氧基丙酸丁酯。
實(shí)施例16本實(shí)施例說(shuō)明了使用各種催化劑對(duì)3-HP酯進(jìn)行脫水制備各種丙烯酸烷基酯的方法。
將催化劑置于裝備有溫度探針(與催化劑接觸)的3頸燒瓶中。連接蒸餾柱和接收燒瓶，收集反應(yīng)中形成的蒸氣，將催化劑加熱至要求的溫度。使用注射器向催化劑上直接滴加3-羥基丙酸酯的相應(yīng)醇溶液。收集蒸餾出的液體，并用氣相色譜分析。結(jié)果和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件如下表中所示。
使用3-HP作為原料進(jìn)行類(lèi)似的脫水反應(yīng)，用含有加熱催化劑的燒瓶代替GC(a)在180℃的NaH2PO4-硅膠催化劑上將水性3-HP脫水成丙烯酸。根據(jù)GC和HPLC分析，丙烯酸的產(chǎn)率是90-96％。
(b)在180℃的H3PO4-硅膠催化劑上將水性3-HP脫水成丙烯酸。根據(jù)GC和HPLC分析，丙烯酸的產(chǎn)率是85-90％。
(c)在180℃的CuSO4-硅膠催化劑上將水性3-HP脫水成丙烯酸。根據(jù)GC和HPLC分析，丙烯酸的產(chǎn)率是73％。
(d)在沸石H-β粉末和180℃的85％H3PO4催化劑上將水性3-HP脫水成丙烯酸。根據(jù)GC和HPLC分析，丙烯酸的產(chǎn)率是71％。
(e)在270℃的NaH2PO4-硅膠催化劑上將水性3-羥基異丁酸脫水成甲基丙烯酸。根據(jù)GC分析，甲基丙烯酸的產(chǎn)率是79％。
實(shí)施例17本實(shí)施例說(shuō)明了使用Amberlyst-15樹(shù)脂催化劑在酰胺溶劑中制備3-HP的甲酯。
使用約70％純度的3-HP作為原料。向25.02克10.79％3-HP的1-辛基-2-吡咯烷酮中加入14.85克甲醇。在1.26克Amberlyst-15樹(shù)脂存在下，在圓底燒瓶中使溶液在76-78℃下回流22小時(shí)。產(chǎn)物的GC分析表明反應(yīng)生成的3-HP甲酯的產(chǎn)率是76％。
實(shí)施例18本實(shí)施例說(shuō)明了使用Amberlyst-15樹(shù)脂催化劑在磷酸三丁酯(TBP)溶劑中制備3-HP的甲酯。
以約70％純度的3-HP作為原料。向18克8.23％3-HP的TBP中加入30.19克甲醇。在1.80克Amberlyst-15樹(shù)脂存在下，在圓底燒瓶中在70℃下回流溶液17小時(shí)。產(chǎn)物的GC分析表明反應(yīng)生成的3-HP甲酯的產(chǎn)率是75.5％。
實(shí)施例19本實(shí)施例說(shuō)明了使用H2SO4催化劑在酰胺溶劑中制備3-HP的甲酯。
使用約70％純度的3-HP作為原料。向12.03克22.9％3-HP的1-辛基-2-吡咯烷酮中加入2.91克甲醇和0.13克H2SO4(98％)。在圓底燒瓶中在83℃下回流溶液2小時(shí)。產(chǎn)物的GC分析表明，反應(yīng)生成的3-HP甲酯的產(chǎn)率是67.5％。
實(shí)施例20本實(shí)施例說(shuō)明了使用Amberlyst-15樹(shù)脂作為催化劑在酰胺溶劑中制備3-HP的甲酯。
使用約99％純度的3-HP作為原料。向12.02克9.7％3-HP的1-辛基-2-吡咯烷酮中加入6.24克甲醇。在Amberlyst-15樹(shù)脂存在下，在圓底燒瓶中在71℃下回流溶液21小時(shí)。產(chǎn)物的GC分析表明，反應(yīng)生成的3-HP甲酯的產(chǎn)率是99.1％。
已經(jīng)說(shuō)明了本發(fā)明的一些實(shí)例。但是，可以在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下作出各種改進(jìn)。因此，其他實(shí)例也在以下權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制備β-羥基羧酸酯的方法，包括使β-羥基羧酸或其鹽與醇在酯化催化劑的存在下和除了醇不含其他溶劑的條件下反應(yīng)生成酯，反應(yīng)條件基本是無(wú)水的，處于大氣壓力和低于回流溫度的溫度下。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在室溫下制備酯。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸選自3-羥基丙酸，3-羥基-2-甲基丙酸，3-羥基丁酸，3-羥基-2-甲基丁酸，3-羥基-2-甲基戊酸，3-羥基-3-甲基丁酸，2，3-二甲基-3-羥基丁酸，3-羥基-3-苯基丙酸，及其組合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸是3-羥基丙酸。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述醇含有1到7個(gè)碳原子。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述酯化催化劑包括酸催化劑。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述酸性催化劑包括酸性樹(shù)脂催化劑。
8.一種制備β-羥基羧酸酯的方法，包括(a)提供含有β-羥基羧酸或其鹽的發(fā)酵培養(yǎng)基；(b)從該發(fā)酵培養(yǎng)基形成含有該β-羥基羧酸或其鹽的溶液；和(c)使該β-羥基羧酸或其鹽與醇在酯化催化劑的存在下和除了醇不含其他溶劑的條件下反應(yīng)生成酯，反應(yīng)條件基本是無(wú)水的，處于大氣壓力和低于回流溫度的溫度下。
9.一種制備β-羥基羧酸酯的方法，其特征在于，所述方法包括使β-羥基羧酸與含有1到7個(gè)碳原子的醇在酯化催化劑的存在下，在與水不混溶的萃取劑中發(fā)生反應(yīng)，生成含有該酯和該萃取劑的反應(yīng)混合物。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于該β-羥基羧酸選自3-羥基丙酸，3-羥基-2-甲基丙酸，3-羥基丁酸，3-羥基-2-甲基丁酸，3-羥基-2-甲基戊酸，3-羥基-3-甲基丁酸，2，3-二甲基-3-羥基丁酸，3-羥基-3-苯基丙酸，及其組合。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸是3-羥基丙酸。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述與水不混溶的萃取劑選自酰胺，醚，酮，含磷酯，氧化膦，硫化膦，烷基硫，及其組合。
13.一種制備β-羥基羧酸酯的方法，包括(a)提供含有β-羥基羧酸或其鹽的發(fā)酵培養(yǎng)基；(b)用與水不混溶的萃取劑處理培養(yǎng)基，形成含有該β-羥基羧酸和該萃取劑的萃取液；(c)將萃取液與含有1到7個(gè)碳原子的醇以及酯化催化劑混合；和(d)使β-羥基羧酸與醇在萃取劑和催化劑的存在下反應(yīng)生成酯。
14.一種制備α，β-不飽和羧酸或其鹽的方法，包括(a)提供含有β-羥基羧酸鹽的水溶液；和(b)加熱該溶液使鹽脫水并形成α，β-不飽和羧酸或其鹽。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述鹽選自堿金屬鹽，堿土金屬鹽，銨鹽，及其組合。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述鹽包括鈉鹽。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述鹽包括鈣鹽。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸選自3-羥基丙酸，3-羥基-2-甲基丙酸，3-羥基丁酸，3-羥基-2-甲基丁酸，3-羥基-2-甲基戊酸，3-羥基-3-甲基丁酸，2，3-二甲基-3-羥基丁酸，3-羥基-3-苯基丙酸，及其組合。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸是3-羥基丙酸。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述水溶液得自于發(fā)酵培養(yǎng)基。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法包括在脫水催化劑存在下加熱該水溶液，使該鹽脫水形成α，β-不飽和羧酸或其鹽。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使該α，β-不飽和羧酸或其鹽與醇反應(yīng)形成α，β-不飽和羧酸酯。
23.一種制備α，β-不飽和羧酸或其鹽的方法，包括(a)提供含有β-羥基羧酸或其鹽的發(fā)酵培養(yǎng)基；(b)從該發(fā)酵培養(yǎng)基形成含有β-羥基羧酸或其鹽的水溶液；和(c)加熱水溶液，使β-羥基羧酸或其鹽脫水形成α，β-不飽和羧酸或其鹽。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸選自3-羥基丙酸，3-羥基-2-甲基丙酸，3-羥基丁酸，3-羥基-2-甲基丁酸，3-羥基-2-甲基戊酸，3-羥基-3-甲基丁酸，2，3-二甲基-3-羥基丁酸，3-羥基-3-苯基丙酸，及其組合。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸是3-羥基丙酸。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法包括在脫水催化劑存在下加熱該水溶液，使該β-羥基羧酸或其鹽脫水形成α，β-不飽和羧酸或其鹽。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使該α，β-不飽和羧酸或其鹽與醇反應(yīng)，形成α，β-不飽和羧酸酯。
28.一種制備α，β-不飽和羧酸的方法，包括(a)提供含有β-羥基羧酸的發(fā)酵培養(yǎng)基；(b)從該發(fā)酵培養(yǎng)基形成含有該β-羥基羧酸的溶液；和(c)在脫水催化劑存在下蒸發(fā)該溶液，將該β-羥基羧酸轉(zhuǎn)化成α，β-不飽和羧酸。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述方法包括將脫水催化劑加入含有該β-羥基羧酸的溶液中。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述方法包括將該溶液置于加熱表面上使該溶液蒸發(fā)。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述加熱表面包括脫水催化劑。
32.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸選自3-羥基丙酸，3-羥基-2-甲基丙酸，3-羥基丁酸，3-羥基-2-甲基丁酸，3-羥基-2-甲基戊酸，3-羥基-3-甲基丁酸，2，3-二甲基-3-羥基丁酸，3-羥基-3-苯基丙酸，及其組合。
33.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸是3-羥基丙酸。
34.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸是3-羥基-2-甲基丙酸。
35.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述脫水催化劑包括酸催化劑。
36.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將該β-羥基羧酸轉(zhuǎn)化成酯，并在脫水催化劑的存在下蒸發(fā)含有該酯的溶液，將該β-羥基羧酸酯轉(zhuǎn)化成α，β-不飽和羧酸酯。
37.一種制備α，β-不飽和羧酸酯的方法，包括(a)提供含有β-羥基羧酸或其酯，醇和脫水催化劑的水溶液；和(b)加熱該溶液形成α，β-不飽和羧酸酯。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述水溶液得自于發(fā)酵培養(yǎng)基。
39.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述醇含有1到7個(gè)碳原子。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述脫水催化劑包括酸催化劑。
41.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸選自3-羥基丙酸，3-羥基-2-甲基丙酸，3-羥基丁酸，3-羥基-2-甲基丁酸，3-羥基-2-甲基戊酸，3-羥基-3-甲基丁酸，2，3-二甲基-3-羥基丁酸，3-羥基-3-苯基丙酸，及其組合。
42.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸是3-羥基丙酸。
43.一種制備β-羥基羧酸烷氧基衍生物的方法，包括(a)提供密閉反應(yīng)器中的含有β-羥基羧酸或其鹽，醇，和堿性催化劑的水溶液；和(b)加熱該反應(yīng)器，使醇與β-羥基羧酸的羥基反應(yīng)，形成該β-羥基羧酸的烷氧基衍生物。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述催化劑選自堿金屬氫氧化物，堿金屬氧化物，堿土金屬氫氧化物，堿土金屬氧化物，及其組合。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所述催化劑選自Mg(OH)2，Ca(OH)2，NaOH，及其組合。
46.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸選自3-羥基丙酸，3-羥基-2-甲基丙酸，3-羥基丁酸，3-羥基-2-甲基丁酸，3-羥基-2-甲基戊酸，3-羥基-3-甲基丁酸，2，3-二甲基-3-羥基丁酸，3-羥基-3-苯基丙酸，及其組合。
47.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述β-羥基羧酸是3-羥基丙酸。
48.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述水溶液得自于發(fā)酵培養(yǎng)基。
49.一種制備α，β-不飽和羧酸酯的方法，包括加熱含有β-羥基羧酸，含有1到7個(gè)碳原子的醇，和與水不混溶溶劑的溶液，形成該α，β-不飽和羧酸酯。
全文摘要
制備β－羥基羧酸衍生物，包括β－羥基羧酸酯，α，β－不飽和羧酸，α，β－不飽和羧酸酯，和烷氧基衍生物的方法。
文檔編號(hào)C12P7/52GK1642897SQ03807201
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月25日
發(fā)明者P·索巴納基斯, X·蒙, T·W·阿布拉罕 申請(qǐng)人:嘉吉有限公司