制備3-甲基-3-戊烯-2-酮的綠色方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)3-甲基-3-戊烯-2-酮的改進(jìn)且可持續(xù)的方法，該3-甲基-3-戊烯-2-酮用于香水應(yīng)用中香料成分的合成。
【專利說明】制備3-甲基-3-戊烯-2-酮的綠色方法
[0001] 相關(guān)申請的狀態(tài)
[0002] 本申請要求2013年5月21日提交的美國臨時專利申請系列號No. 61/825,661的 優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容在此通過引用并入本文。
[0003] 發(fā)明的【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004] 本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的"更綠色的"3-甲基-3-戊烯-2-酮合成方法，所述3-甲 基-3-戊烯-2-酮為用于香水應(yīng)用的木本香料成分合成的關(guān)鍵中間體。
[0005] 發(fā)明的【背景技術(shù)】
[0006] 3-甲基-3-戊烯-2-酮（3M3P)的合成涉及使用酸催化劑在乙醛和甲基乙基 酮之間進(jìn)行羥醛縮合反應(yīng)。在文獻(xiàn)中關(guān)于該特定反應(yīng)可獲得的信息有限。Heiba和 Anderson (1959)在該反應(yīng)中使用四氯化碳，并報道32%乙醛轉(zhuǎn)化且乙醛聚合物顯著形成。 美國專利4, 234, 518描述在該反應(yīng)中使用乙酸鋅作為催化劑，得到4-己烯-3-酮和3M3P 比例為31 : 69的混合物，總產(chǎn)率為38%。
[0007] 制備3M3P的工業(yè)化方法一般使用無機(jī)酸催化劑例如硫酸促進(jìn)反應(yīng)，且通常在攪 拌釜反應(yīng)器中以半批式或分批式模式進(jìn)行。在這種反應(yīng)器系統(tǒng)中，反應(yīng)介質(zhì)需要被劇烈攪 拌以克服有機(jī)反應(yīng)物和水態(tài)酸相之間的傳質(zhì)限制，從而嘗試和最大化產(chǎn)物產(chǎn)率并縮短反應(yīng) 時間。在生產(chǎn)規(guī)模分比式反應(yīng)器中，混合的強(qiáng)度通常是限制因素，因此導(dǎo)致反應(yīng)器生產(chǎn)能力 和產(chǎn)物產(chǎn)率較低。此外，使用無機(jī)酸的方法產(chǎn)生需要處理的大量含水廢物流。進(jìn)一步，由于 相對高的水溶性，大量的產(chǎn)物和反應(yīng)物損失在水態(tài)流中，因此進(jìn)一步降低了產(chǎn)物產(chǎn)率并且 增加環(huán)境問題。
[0008] 處理這些問題中的部分的一個方法是在這種化學(xué)轉(zhuǎn)化中使用固態(tài)酸催化劑而非 無機(jī)酸。Mahajan等（2007)研究了一種固態(tài)酸催化劑Amberlystl5的用途并開發(fā)了動力 學(xué)模式，Mahajan等（2009)在計算機(jī)模擬練習(xí)中使用該模型提出3M3P的反應(yīng)-蒸餾系 統(tǒng)。然而，基于模擬結(jié)果的高停留時間（70_75°C下60小時）對工業(yè)化應(yīng)用無任何實用價 值。通常，使用較高溫度以提高反應(yīng)速度和降低停留時間，然而，在這種情況下較高溫度 (> KKTC )對于Amberlystl5催化劑是不利的，其降低催化劑壽命并且提高成本，造成該 方法不經(jīng)濟(jì)。Snell等（2010)已經(jīng)報道使用固態(tài)磷酸鋁催化劑，但是他們獲得的3M3P產(chǎn)率 (< 6% )對于實用價值而言太低。
[0009] 對于固態(tài)酸催化劑的實際工業(yè)化應(yīng)用而言，具有長久壽命的優(yōu)良催化劑、在合理 的反應(yīng)時間內(nèi)實現(xiàn)3M3P的高產(chǎn)量的方法和操作條件以及合適的反應(yīng)器設(shè)計均起到至關(guān)重 要的作用。本發(fā)明公開了一種實用的3M3P方法，其使用連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)以及具有良好活性 和長久壽命的固態(tài)酸催化劑，所述方法獲得高產(chǎn)物產(chǎn)率，同時停留時間低并且基本無廢料。
[0010] 發(fā)明概述
[0011] 本發(fā)明公開了一種合成3-甲基-3-戊烯-2-酮（3M3P)的改進(jìn)且可持續(xù)的方法。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，3M3P的改進(jìn)的方法涉及在連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)中使用固態(tài)酸催化劑以用 于乙醛和甲基乙基酮的羥醛縮合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 附圖1 :該附圖顯示使用預(yù)混合的反應(yīng)物和/或溶劑的3M3P生產(chǎn)方案，圖1示出 了使用預(yù)混合的反應(yīng)物/溶劑生產(chǎn)3M3P的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。
[0014] 附圖2 :該附圖顯示使用在線混合反應(yīng)物和/或溶劑的3M3P生產(chǎn)方案，圖2示出 了使用在線混合反應(yīng)物/溶劑生產(chǎn)3M3P的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。
[0015] 附圖3 :該附圖顯示使用反應(yīng)物和/或溶劑的多個給料點的3M3P生產(chǎn)方案，圖3示 出了使用多個給料點生產(chǎn)3M3P的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。
[0016] 發(fā)明詳述
[0017] 根據(jù)本發(fā)明，生產(chǎn)3M3P的方法包括在連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)中在固態(tài)酸催化劑存在下 使乙醛和甲基乙基酮的混合物發(fā)生反應(yīng)。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，所述連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)可以是單一連續(xù)攪拌釜式反應(yīng) 器（CSTR)或多級串聯(lián) CSTR(multiple CSTRs in series)。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，所述連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)可能是包括微反應(yīng)器的連續(xù)流 體反應(yīng)器。
[0020] 本文中使用的短語"反應(yīng)器"指的是反應(yīng)實際發(fā)生的設(shè)備。本文中使用的術(shù)語"微 反應(yīng)器，和"微通道反應(yīng)器"指的是包含其中至少一個橫向尺寸是亞毫米或毫米范圍的反 應(yīng)通道的設(shè)備或相關(guān)設(shè)備的組裝件。在一些實施方案中，反應(yīng)器包括內(nèi)徑（ID)范圍從0.2 至3mm的通道。
[0021] 在本發(fā)明的一些實施方案中，流體反應(yīng)器可以是填充床反應(yīng)器，其中反應(yīng)器使用 例如催化劑、玻璃珠（約10 μ m至約100 μ m粒徑）的物料填充。本文中使用的術(shù)語"已填 充的"和"正在填充"意思是用允許有效生產(chǎn)預(yù)定量3M3P的量的物料進(jìn)行填充，且物料的量 經(jīng)常需要考慮如反應(yīng)容器的大小、物料類型以及3M3P的預(yù)定量。
[0022] 在本發(fā)明的一些實施方案中，生產(chǎn)3M3P的催化劑是固態(tài)酸，該固態(tài)酸可能是天然 粘土礦物質(zhì)，包括但不限于高嶺石、膨潤土、沸石和合成粘土。在本發(fā)明的一些實施方案中， 生產(chǎn)3M3P的催化劑是金屬氧化物和硫化物，包括但不限于Zn0、Cd0、Al 203、Ce02、Ti02、Zr02、 Sn02、PbO、As203、，Bi20 3、Sb205、V205、Cr 203、M〇03、W03、CdS、ZnS。在本發(fā)明的一些實施方案 中，生產(chǎn)3M3P的催化劑是金屬鹽，包括但不限于MgS0 4、CaS04、SrS04、BaS04、CuS0 4、ZnS04、 Ca (NO3) 241(：13、11(：13、1%((：104) 2。在本發(fā)明的一些實施方案中，生產(chǎn)31〇?的催化劑是混合 氧化物，包括但不限于 Si02、Al203、Sn02、Zr0 2、Mg0、Ca0、Fe203、W03、Cr20 3、Sn02 的混合物。在 本發(fā)明的一些實施方案中，生產(chǎn)3M3P的催化劑是陽離子交換樹脂或聚全氟磺酸樹脂，包括 但不限于amberlyst、dowex。在本發(fā)明的一些實施方案中，生產(chǎn)3M3P的固態(tài)酸催化劑可以 在室內(nèi)通過吸收無機(jī)酸或除此以外在固體支持物上沉積酸組分而制得。
[0023] 在本發(fā)明的一些實施方案中，生產(chǎn)3M3P的方法通過但不限于下述實驗性步驟和 所附的附圖進(jìn)行闡明。在本發(fā)明的一些實施方案中，包含反應(yīng)物乙醛和甲基乙基酮的液體 流被預(yù)混合，并被泵入包含催化劑的反應(yīng)器系統(tǒng)中，如附圖1所示。在本發(fā)明的一些實施方 案中，反應(yīng)物和/或溶劑在進(jìn)入反應(yīng)器系統(tǒng)之前使用靜態(tài)混合器在線混合，如附圖2所示。 在本發(fā)明的一些實施方案中，反應(yīng)物和/或溶劑單獨加入到反應(yīng)器系統(tǒng)，如附圖3所示。在 本發(fā)明的一些實施方案中，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)可以是附圖1、2和/或3的組合。在一些實施方案 中，反應(yīng)器系統(tǒng)可能包括催化劑保持架以防止催化劑從反應(yīng)器脫離。在一些實施方案中，使 用熱循環(huán)油浴或電子加熱器加熱反應(yīng)器系統(tǒng)。反應(yīng)混合物從反應(yīng)器系統(tǒng)收被集到產(chǎn)物收集 器中。用氣相色譜（GC)分析反應(yīng)混合物。
[0024] 在本發(fā)明的一些實施方案中，反應(yīng)器系統(tǒng)中催化劑的體積可從20變化至90%。
[0025] 在本發(fā)明的一些實施方案中，反應(yīng)在在約25至200°C的溫度下進(jìn)行。
[0026] 在本發(fā)明的一些實施方案中，反應(yīng)壓力可從Opsig變化至lOOpsig。
[0027] 在本發(fā)明的一些實施方案中，液體流可包括兩種反應(yīng)物的混合物：乙醛、甲基乙基 酮和/或溶劑。在這些實施方案中，液體流中甲基乙基酮的濃度可從10變化至90重量％。 在這些實施方案中，甲基乙基酮對乙醛的摩爾比可從1變化至10。
[0028] 在本發(fā)明的一些實施方案中，液體流可包括溶劑，該溶劑包含但不限于烴，例如己 烷、癸烷、環(huán)己烷、萘烷；烴混合物例如isopars ;醇類如甲醇、乙醇、異丙醇；酮類例如丙酮、 甲基乙基酮；水。在這些實施方案中，液體流中溶劑的濃度可從0變化到75重量％。
[0029] 以下是作為本發(fā)明具體實施方案提供。本發(fā)明其他修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說 將是顯而易見的。這些修改被理解為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。所有的反應(yīng)物和溶劑從西格瑪 奧德里奇公司（Sigma Aldrich)獲得。本文中所用的L被理解為升，mL被理解為毫升，m3 被理解為立方米，kW被理解為千瓦，mol被理解為摩爾，psig被理解為磅每平方英寸表壓，g 被理解為克，kg被理解為千克，min被理解為分鐘而hr則為小時。此處所用的IFF被理解 為美國紐約州紐約的國際香料和香精公司（International Flavors&Fragrances Inc.，New York, NY, USA) 〇
[0030] 用產(chǎn)率表示的3M3P產(chǎn)量計算如下：
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種在連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)中在固態(tài)酸催化劑存在下生產(chǎn)3-甲基-3-戊烯-2-酮 (3M3P)的方法。
2. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)是單一 CSTR或多級串聯(lián)CSTR。
3. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)是包括微反應(yīng)器的連續(xù)流體反應(yīng) 器。
4. 權(quán)利要求3所述的方法，其中所述連續(xù)反應(yīng)器系統(tǒng)是填充床反應(yīng)器，該填充床反應(yīng) 器包含選自玻璃珠、固態(tài)酸催化劑及其混合物的填充材料。
5. 權(quán)利要求4所述的方法，其中所述固態(tài)酸催化劑是離子交換樹脂或粘土負(fù)載的酸。
6. 權(quán)利要求1所述的方法，其中甲基乙基酮對乙醛的摩爾比是從約1至約10。
7. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法使用溶劑進(jìn)行。
8. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述催化劑在反應(yīng)器系統(tǒng)中的體積范圍從20至90%。
9. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法具有約25至約200°C的溫度。
10. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法在從約〇至約200psig的壓力下進(jìn)行。
【文檔編號】C07C45/74GK104311406SQ201410336419
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】S·R·塔德帕利, G·K·坦派, J·史蒂文斯 申請人:國際香料和香精公司