专利名称：烷基3,3-二烷氧基丙酸酯的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及制备式(RO) 2CHCH2C02R的烷基3，3_ 二烷氧基-丙酸酯的连续工艺，其 中R为Cp6烷基。
背景技术：
烷基3，3- 二烷氧基丙酸酯是重要的C-3砌块，其自身是各种产物(例如嘧啶、喹 啉、尿嘧啶、氟伐他丁、维生素A以及农用化学品如除草剂1-甲基-5-羟基吡唑)的中间 体。烷基3，3- 二烷氧基丙酸酯的一种可能的合成路线是由相应原甲酸酯在酸性催化剂存 在下与乙烯酮的反应进行制备。因此，例如，G. BUchi在-70°C的反应温度下以19%的产率 制备了甲基 3，3-二 甲氧基丙酸酯(BUchi 等人，JAm. Chem. Soc. 1973，95，540-545)。乙基 3， 3-二乙氧基丙酸酯的制备描述于，例如，US 2，449，471 (产率为52% )和D. Crosby等人，J Org. Chem. 1962，27，3083-3085 (产率为54% )。在此处引用的参考文献中所用的酸性催化 剂为三氟化硼和二乙醚的加合物，且该反应伙伴采用分批式反应。由于该反应高度放热，且 大量的乙烯酮很难处理，因此这种分批式反应仅可能在实验室规模的批次上实现。
发明内容
相应地，本发明的一个目标是提供适于以良好的产率和纯度制备大量烷基3， 3_ 二烷氧基丙酸酯的改良工艺，该工艺没有任何风险且易于实施。根据本发明，该目标可通过权利要求1所主张的工艺实现。所主张的是通过在酸性催化剂存在下将乙烯酮(CH2 = C = 0)与式(RO)3CH的原 甲酸酯反应实现的用于制备式(RO)2CHCH2CO2R的烷基3，3-二烷氧基丙酸酯的连续工艺，其 中R为Cp6烷基，其特征在于该反应在环式反应器中进行。此处和下文的术语“Cu烷基”应理解为表示包含1至6个碳原子的线性或支链化 烷基基团。Cp6烷基的范例为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、 异戊基(3-甲基丁基)、新戊基、(2，2_ 二甲基丙基)、己基、异己基(4-甲基戊基)等。在优选的实施方式中，该原甲酸酯选自原甲酸三甲酯、原甲酸三乙酯、原甲酸三丙 酯和原甲酸三丁酯。更优选地，该原甲酸酯为原甲酸三甲酯。“连续操作”表示反应伙伴和反应产物都分别为连续添加和去除。根据本发明，乙 烯酮气体、原甲酸酯和酸性催化剂在环式反应器中彼此连续反应。此处，术语“环式反应器”并非指特定的设计，而仅是指操作的原理。在最简单的 情况下，该环式反应器由配备了循环泵的循环闭管(环式)组成。该环具有至少一个用于 取出产物的连接点，以及至少两个用于投放起始原料的连接点。该反应可在溶剂中进行，或 者在溶剂缺失下进行。该酸性催化剂可被直接添加入该反应器，或者可以预先与原甲酸酯 和/或该溶剂混合。投料连接点的数量和位置需要相应进行选择。优选地，原甲酸酯首先 与酸性催化剂混合，任选地与该溶剂混合，从而使该催化剂进入溶液或形成悬浮液。然后将 所得的混合物投入该环式反应器。在特别优选的工艺中该反应在没有溶剂的情况下进行。
乙烯酮气体可通过任意合适的气体分配系统投入该反应混合物，例如，可使用任 选地具有裂缝或喷嘴的分布器。优选地，使用气体-液体喷射器导入该气体乙烯酮和由原 甲酸酯、催化剂和任选的溶剂组成的液体混合物。下文描述了由不同单元组成的气体-液 体喷射器。液体流通过喷嘴，其产生了高速喷射液，从而吸入乙烯酮，并将其携带进入该喷 射器。该加速的液体-气体喷射可有利地与邻近的混合管的壁碰撞，从而使动能迅速消散。 这形成了强化混合冲击区域，该区域中的高度湍流使得泡沫被细微分散。这种生成极小乙 烯酮泡沫并最终将其分散进入液体混合物的能力可产生，例如，介于0. 5和2. 0的有利气 体_液体比例，使得乙烯酮在液体中更好地分散。由此获得的两相混合物最后被注入该反 应器中的液相，从而得到了后续化学反应的最佳效率。此外，这种气体分配的方式允许均勻 的、无压的乙烯酮流进入该气体_液体喷射器，这是特别有利的，因为乙烯酮在受压状态下 易于聚合。任选地，在该液流通过该喷嘴前，以漩涡装置引导、定位和稳定该泵送的液流。一 类上述反应器也被称为BUSS Loop 反应器。该反应成分基本上以同时和连续的方式投入该环式反应器中。这意味着在该反应 混合物中反应剂的摩尔比例没有大的干扰或变化。环内的循环确保了良好的甚至是理想的 混合。然而，实施理想混合并非必须。当同时加入该反应剂时，从该环式反应器中取出产物流，产物流的体积对应于加 入的反应剂的体积，以进行后续的处理步骤。这可通过，例如，简单的溢流管或通过泵抽取 来实现，而该泵抽取可采用液平检测器来控制。根据投料速率，由于高度放热反应而需要有效冷却。这可通过已知的方式实现，例 如通过使用覆盖了大部分管长的冷却夹套或通过与该环结合的常规构造的热交换器实现。该反应可有利地在介于-40°C和50°C的温度下进行。任选地，该反应剂可在投入 该环式反应器之前预先冷却。优选地，该反应温度介于_30°C和30°C，更优选地介于-10°C 和 IO0C0所用的乙烯酮可基本上是纯的或者可包含惰性气体(例如氮气)、一氧化碳和二 氧化碳，其可有利地通过合适的放气口从该环式反应器去除，从而防止压力累积过高。原甲酸酯和乙烯酮的摩尔比优选介于0.9和1.2，更优选介于1.0和1.1。这些值 表示投入的数量。在反应混合物中实际存在的比例与这些值存在着或多或少的差异。 原则上，任意可充分溶解原甲酸酯并且不与乙烯酮或任意其它成分反应的有机溶 剂均可用作溶剂。合适的溶剂为，例如，脂肪族或芳香族烃和醚。然而，当所用的原甲酸酯 为液体时，还可能不用溶剂。在优选的实施方式中，原甲酸三甲酯在酸性催化剂的存在下直 接与乙烯酮反应，即，无溶剂下。该反应可以所有合适的酸性催化剂进行催化。合适的酸性催化剂为“经典 的” Lewis酸和“经典的”紀i/酸两者，也可以是酸性聚硅酸盐。有利地，所用的“经 典的” Lewis酸为氯化锌(II)、氯化铁(III)、氯化铝、三氟化硼及其与醚、酯的加合物以及 类似的化合物。三氟化硼的优选加合物是二乙醚加合物。“经典的”对ei/酸的优选范 例为硫酸、磷酸、甲磺酸和苯磺酸。酸性聚硅酸盐具有Lewis和/或酸的特性，因此同样适于本发明的 工艺。该酸性聚硅酸盐还可采用修饰形式或混合物。以下的式仅用于说明该聚硅酸盐， 并不应解释为进行限制。合适的聚硅酸盐为，例如，水铝英石类的酸性、无定形聚硅酸盐；hormite类的酸性、链式聚硅酸盐，例如“坡缕石”；高岭土类的酸性、双层聚硅酸盐，例如 “高岭土”Al2(0H)4[Si205]和“多水高岭土”Al2(0H)4[Si205]x 2 H2O ；蒙脱石类的酸性、三 层聚硅酸盐，例如“锌蒙脱石”Na(1.3Zn3(Si，AD4O10(OH)2X 4 H2O,“皂石”(Ca，Na)0.3(Mg, Fe11) 3(SiAl)4O10(OH)2X 4 H2O, “蒙脱土”Ma3 (Al，Mg)2Si401(1 (OH)2χηΗ205，其中天然蒙脱 土中的M指一当量的Na+、K+、Mg2+和Ca2+中的一种或多种阳离子，“锂蒙脱石”Naa3(Mg， LD3S14Oltl(F，0H)2 ；伊利石类的酸性、三层聚硅酸盐；绿泥石类的酸性、可变层聚硅酸盐；以 及构造聚硅酸盐(tectopolysilicates)，例如沸石，优选其H型中的Y类。根据需要，本发明的工艺中的酸性聚硅酸盐可通过以酸处理和/或通过金属盐溶 液处理和/或通过干燥进行活化，对于沸石，优选通过离子交换和/或加热进行活化。
在优选的实施方式中，所用的催化剂为蒙脱石类的酸性聚硅酸盐和沸石。特别优 选的蒙脱石类的酸性聚硅酸盐为蒙脱土，特别地，该类别可由，例如，SUd-Chemie公司以“蒙 脱土 K 10”和“蒙脱土 KSF/0”的名称提供。在本发明的工艺中，该酸性催化剂有利地以介于0.1% (重量)和20% (重量)， 优选介于0.5和10% (重量)(基于原甲酸酯)的量使用。然而，该用量取决于该催化剂的 活性和反应温度。在进行该反应时，应当确保水含量尽可能低，因为乙烯酮和原甲酸酯可能以不想 要的方式与水反应。处理可通过本领域公知的方式进行，并基本取决于所形成的烷基3，3- 二烷氧基 丙酸酯和反应混合物中的其它成分的物理属性。如果使用固体酸性催化剂，则可有利地通 过过滤去除，然后对滤出液进行处理，而当使用液体酸性催化剂时，则首先在反应混合物中 对其进行中和。该中和可通过，例如，添加碱金属盐(例如氢氧化钠和碳酸钾)或添加碱金 属烷氧化物(例如甲醇钠和乙醇钾)或添加类似的碱性试剂(无水氨)进行。任意沉淀物 可随后通过过滤去除，并根据需要纯化该滤出液。在优选的实施方式中，使用固体酸催化剂，其在第一处理步骤中被滤走。由此获得 的残留物可被丢弃，或者在纯化和根据需要任选的重新活化后作为酸性催化剂重新用于该 反应混合物中。去除酸性催化剂后，以已知的方式处理滤出液(优选通过蒸馏)，从而获得纯形式 的形成的烷基3，3-二烷氧基丙酸酯。在特别优选的实施方式中，未反应的原甲酸酯(通常 具有比所需产物更低的沸点)可在过滤后蒸馏去除，然后重新循环进入该反应混合物，这 明显提高了该反应的总体转化率。本发明的另一方面是由根据本发明制备的式(RO)2CHCH2CO2R的烷基3，3_ 二烷氧 基丙酸酯来制备式ROCH = CHCO2R的烷基3-烷氧基丙_2_烯酸酯。烷基3-烷氧基丙-2-烯酸酯同样是重要的C-3砌块，并被用于，例如，制备烷基2， 2，3-三氯-3-烷氧基丙酸酯、吡唑、呋喃酮、噻吩、氨基噻唑、异噁唑和维生素A。根据本发明，在后续的步骤中按照如上所述形成的烷基3，3_ 二烷氧基丙酸酯在 作为催化剂的酸的存在下通过供热的方式通过去除一份子的相应醇(ROH)转化为相应的 式ROCH = CHCO2R的烷基3-烷氧基丙_2_烯酸酯，其中R如上文定义。合适的酸为液体酸 和固体酸两者，如酸性盐、酸化活化的硅胶、酸性粘土矿物、酸化活化的碳、酸性沸石以及H 型的阳离子交换树脂。任选地，这些盐可附着在载体材料上，或可被修饰。
合适的酸为，例如，硫酸、原硼酸、正磷酸、甲磺酸、对甲苯磺酸、硫酸氢钠、磷酸酐、 磷酸铝、氯化锌、氯化铝和酸性沸石。特别优选硫酸、正磷酸、甲磺酸、对甲苯磺酸、磺胺酸、 硫酸氢钠、磷酸酐、磷酸铝和酸性沸石。优选地，所用的酸的量介于0.05% (重量)和15% (重量)(基于烷基3，3- 二烷氧基丙酸酯)，特别优选介于0. 1 % (重量)和10 % (重量)。
所用的溶剂可以是不与反应成分反应的任意溶剂，例如，石油英。然而，也可不用 溶剂进行该种去除。优选地，该反应在无溶剂情况下进行。优选地，该去除在介于50°C和250°C的温度下进行，更优选在介于80°C和200°C的 温度下进行，而该反应时间有利地介于1小时和15小时，优选地介于1小时和10小时。任 选地，该反应还可在减压下进行。在去除过程中，优选形成烷基3-烷氧基丙-2-烯酸酯的 E-异构体。所形成的醇(ROH)可在反应过程中方便地直接蒸馏除去。去除后，所得的烷基3-烷氧基丙-2-烯酸酯可通过已知的方式(例如通过精馏) 纯化。
随附的示意图和实施例仅用于阐述本发明的主题，而非将其限制在所披露的内容。图1示意性地显示了连续制备烷基3，3-二烷氧基-丙酸酯的装置。标号的具体 含义如下所示1.投入原酸酯和酸性催化剂的混合物2.投入乙烯酮3.喷射反应器4.循环泵5.去除产物6.热交换器7.投入氮气8.排放惰性气体
实施例以下的实施例说明了本发明的实施方式。然而，这不应解释为进行限制。实施例1 甲基3，3-二甲氧基丙酸酯的制备将150kg/h(l. 413kmol/h)包含 1. 5% (重量)的蒙脱土 KlO (Siid-Chemie)的三甲 基原甲酸酯(Fluka)以及84kg/h乙烯酮(乙烯酮含量约70%，剩余为惰性气体，例如N2、 CO和CO2,即，净乙烯酮约59kg/h，相当于约1. 4kmol/h)同时但单独地投入620L喷射反应 器(见图1)，其被惰性化并冷却至内部温度为0°C。在氮气氛围下，将反应混合物保持在约 0°C的温度，通过循环泵在环中循环。连续地使与所添加的起始原料的量对应的反应混合物 的相应部分流入收集槽。过滤后，通过GC测得滤出液的纯度为80%甲基3，3- 二甲氧基丙 酸酯、8%未反应的原甲酸三甲酯、4%甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯以及4%乙酸甲酯。由于其低沸点，很容易通过蒸馏除去原甲酸三甲酯。所回收的起始原料然后被重 新循环进入反应混合物。
甲基3，3_ 二甲氧基丙酸酯的产率为82% (基于转化)。实施例2 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制备在氮气气氛下，将0. 2g(2mmol)甲磺酸(Fluka)加入具有圆底烧瓶的蒸馏装置中 以实施例1所述类似的方式获得的150g滤出液中(约85%，0.86mol甲基3，3_ 二甲氧基 丙酸酯)。在恒定的氮气流下，将混合物缓慢加热至160°C，直接蒸馏去除形成的甲醇。6 小时后，停止供热。以该方式获得的甲基3-甲氧基-丙-2-烯酸酯为88%纯(GC)，并可在 IOkPa下通过精馏纯化。甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的产率为85g(85% ) (Klokpa = 95°C )， 纯度为99% (GC)。实施例3 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制备该反应采用5g(含量99%，34mmol)纯化蒸馏的甲基3，3_ 二甲氧基丙酸酯和 25mg(0. 13mmol)对甲苯磺酸一水合物(Fluka)通过与实施例2类似的方式进行。所得的粗 产物含有91% (GC)的甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯。实施例4 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制备该反应采用5g(含量99%，34mmol)纯化蒸馏的甲基3，3_ 二甲氧基丙酸酯和 47mg(0. 27mmol)对磺胺酸(Fluka)通过与实施例2类似的方式进行。所得的粗产物含有 92% (GC)的甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯。实施例5 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制备该反应采用5g(含量99%，34mmol)纯化蒸馏的甲基3，3_ 二甲氧基丙酸酯和 31mg(0. 31mmol)正磷酸(Fluka)通过与实施例2类似的方式进行。所得的粗产物含有88% (GC)的甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯。实施例6 甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯的制备从实施例1蒸馏去除未反应的三甲基原甲酸酯后, 将由此获得的4.4t(30kmol)甲 基3，3_ 二甲氧基丙酸酯在氮气气氛下与6kg(62mol)甲磺酸以类似于实施例2的方式反应。IOkPa下精馏得到纯度为93% (GC)的2. 4t (21kmol，基于所用的原甲酸三甲酯为 69% )甲基3-甲氧基丙-2-烯酸酯(Kltlkpa = 95°C )。
权利要求
通过在酸性催化剂存在下将乙烯酮与式(RO)3CH的原甲酸酯反应实现的用于制备式(RO)2CHCH2CO2R的烷基3，3-二烷氧基丙酸酯的连续工艺，其中R为C1-6烷基，其特征在于该反应在环式反应器中进行。
2.如权利要求1所述的工艺，其中该原甲酸酯选自原甲酸三甲酯、原甲酸三乙酯、原甲 酸三丙酯和原甲酸三丁酯。
3.如权利要求1或2所述的工艺，其中该原甲酸酯首先与该酸性催化剂混合，且仅在此 之后投入该环式反应器。
4.如权利要求1-3任意一项所述的工艺，其中该环式反应器包含气-液喷射器(喷射 反应器)。
5.如权利要求1-4任意一项所述的工艺，其中该反应在-40°C至50°C之间的温度下进行。
6.如权利要求1-5任意一项所述的工艺，其中原甲酸酯和乙烯酮的摩尔比介于0.9至1.2。
7.如权利要求1-6任意一项所述的工艺，其中该工艺在溶剂缺失的情况下进行。
8.如权利要求1-7任意一项所述的工艺，其中该酸性催化剂为Lewis酸、5功>2对ed酸 或酸性聚硅酸盐。
9.如权利要求8所述的工艺，其中该Lewis酸选自氯化锌(II)、氯化铁(III)、氯化铝、 三氟化硼及其与醚和酯的加合物。
10.如权利要求8所述的工艺，其中该万酸选自硫酸、磷酸、甲磺酸和苯磺酸。
11.如权利要求8所述的工艺，其中该酸性聚硅酸盐选自水铝英石类的酸性、无定形聚 硅酸盐；hormite类的酸性、链式聚硅酸盐；高岭土类的酸性、双层聚硅酸盐；蒙脱石类的酸 性、三层聚硅酸盐；伊利石类的酸性、三层聚硅酸盐；绿泥石类的酸性、可变层聚硅酸盐；以 及酸性构造聚硅酸盐。
12.如权利要求11所述的工艺，其中该蒙脱石类的酸性、三层聚硅酸盐选自锌蒙脱石、 皂石、蒙脱土、蛭石、绿脱石和锂蒙脱石。
13.如权利要求1-12任意一项所述的工艺，其中该原甲酸酯为原甲酸三甲酯，而该酸 性催化剂为蒙脱土。
14.如权利要求1-13任意一项所述的工艺，其中该酸性催化剂的用量(基于该原甲酸 酯)介于0. (重量)和20% (重量)。
15.如权利要求1-14任意一项所述的工艺，其中在后续的步骤中，所形成的烷基3， 3_ 二烷氧基丙酸酯通过在酸存在下供热的方式通过去除相应的醇(R0H)转化为相应的式 R0CH = CHC02R的烷基3-烷氧基丙-2-烯酸酯，其中R如上文定义。
16.如权利要求15所述的工艺，其中该酸选自硫酸、正磷酸、甲磺酸、对甲苯磺酸、磺胺 酸、硫酸氢钠、磷酸酐、磷酸铝和酸性沸石。
17.如权利要求16所述的工艺，其中该酸为甲磺酸。
18.如权利要求15-17任意一项所述的工艺，其中该酸的用量(基于烷基3，3-二烷氧 基_丙酸酯)介于0. 05% (重量)和15% (重量)。
19.如权利要求15-18任意一项所述的工艺，其中该工艺在溶剂缺失的情况下进行。
20.如权利要求15-19任意一项所述的工艺，其中该反应在50°C至250°C之间的温度下进行。
21.如权利要求15-20任意一项所述的工艺，其中该反应时间在1小时和15小时之间。
22.根据权利要求1-14任意一项获得的烷基3，3-二烷氧基丙酸酯在制备相应烷基 3-烷氧基丙-2-烯酸酯中的用途。
全文摘要
本发明涉及通过在酸性催化剂存在下将乙烯酮与式(RO)3CH的原甲酸酯反应实现的用于制备式(RO)2CHCH2CO2R的烷基3，3-二烷氧基-丙酸酯的连续工艺，其特征在于该反应在环式反应器中进行。
文档编号C07C67/327GK101842344SQ200880114018
公开日2010年9月22日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年10月29日
发明者丹尼尔·佐林格, 沃尔夫冈·温格, 科妮莉亚·至代斯勒 申请人:隆萨股份公司