本发明涉及通过环烷酮和烯丙醇或其衍生物在有机酸、锰催化剂和氧的存在下的反应来合成氧杂-双环烯烃，特别是用于制备3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14-十二氢-2H-环十二烷并[b]吡喃(3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14-dodecahydro-2H-cyclododeca[b]pyran，BCP)(其为香料工业中广泛使用的化合物)的一步法。
背景技术：
具有12-16个原子的氧化大环是有价值的香料成分，例如，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14-十二氢-2H-环十二烷并[b]吡喃(BCP；也称作13-氧杂双环[10.4.0]十六-1(12)-烯)和环十五烷内酯(Exaltolide)。这些化合物如以下方案1中所示典型地通过共同中间体酮-醇来生产。
方案1.通过共同中间体生产的氧化大环
已经在文献中描述了用于该中间体以及之后两种目标产物的合成的四种不同途径。
第一报道途径采用15-30mol％的量的叔丁基过氧化物在间歇式反应中获得酮-醇中间体，基于加入反应混合物中的起始材料环十二酮的量的收率低于25％。参见US3856815。该方法在高温(＞135℃)下操作以获得合理的收率。另外，必须小心地以使得过氧化物的分解和合成反应良好结合的速率将反应物加入到反应混合物中，由此使得批次之间收率重现性低。
第二途径包括利用氢化铝锂对十二烷环上的亚胺基和相邻烷基酯基之间的环化，收率为50％。参见Mahajan等，Synthesis 1980，1，64-6。氢化铝锂是昂贵的试剂，其对工厂操作人员的健康有害，在使用水的后处理(work-up)期间具有爆炸性，并且产生大量的有害固体废物。如此，铝试剂的使用不是成本有效的，特别是大规模的情况下。
第三途径遵循三步法，其包括(i)酮的缩酮保护，(ii)利用铝还原剂的部分缩酮打开，和(iii)利用强酸的环化以获得氧化大环(macrocyle)产物，收率为10％以下。步骤(iii)参见Gassman等，J.Org.Chem.1993，1449-57。来自该途径的收率低并且铝试剂的使用不是成本有效的。
如以下方案2中所示的第四途径也包括三个步骤：(i)由十二酮和1，3-二醇在催化量的对甲苯磺酸或对甲苯磺酸吡啶盐的存在下制备螺缩醛，(ii)通过脱保护和使用三异丁基铝的螺缩醛的醚裂解而获得羟基乙烯基醚，和(iii)通过羟基乙烯基醚的成环消除而形成氧化大环。参见Hanaki等，Tetrahedron 1996，52(21)，7297-7320。除了低收率之外，该途径不是成本有效的，因为其使用了三异丁基铝。
方案2.通过羟基乙烯基醚的BCP的合成
在上述方法中，仅第一个采用一步合成法来制备目标香料化合物。尽管如此，其需要大量的有害的过氧化二-叔丁基。
存在开发一种有成本效益的、安全的以合理的收率制备氧杂-双环烯烃的方法的需求。
技术实现要素：
本申请公开氧杂-双环烯烃的合成，该合成经由包括环烷酮和烯丙醇化合物之间在有机酸、锰催化剂和氧的存在下在高温的反应的一步法进行。该方法通过使用可重复利用的锰催化剂提供显著的成本节约，以及通过减少大量的工艺废物和避免使用传统途径中的有害且昂贵的铝试剂而提供环境友好且可持续的合成。
在一个方面，本发明提供一种通过如下步骤制备氧杂-双环烯烃的方法：使(i)环烷酮和(ii)烯丙醇化合物在有机酸、锰催化剂和氧的存在下在60至200℃的温度反应1至24小时。
在一个实施方案中，所述氧杂-双环烯烃具有以下式(I)：
其中m是0-11(例如，2-10、6-8、5、6、7和8)；
R1至R13中的每个独立地是H、OH、SH、CN、NO2、NH2、卤素(即，F、Cl、Br和I)、C1-C10烷基、C2-C10烯基、C2-C10炔基、C1-C10杂烷基、C3-C8环烷基、C1-C8杂环烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10烷硫基、Cl-C10酰基、C1-C10酰氧基、芳基、芳氧基、芳基硫基、C1-C10芳基烷基、杂芳基、杂芳氧基、杂芳基硫基、C1-C10杂芳基烷基、C1-C10烷基氨基、C1-C20二烷基氨基、芳基氨基、二芳基氨基、杂芳基氨基、二杂芳基氨基、C1-C10烷基磺酰基、芳基磺酰基、杂芳基磺酰基、C1-C10烷基磺酰胺、芳基磺酰胺、杂芳基磺酰胺、C1-C10烷基巯基或芳基巯基；以及
环烷基、杂环烷基、芳基、芳基烷基、杂芳基和杂芳基烷基中的每个独立地未取代或被C1-C10烷基、C2-C10烯基、C2-C10炔基、C3-C8环烷基、C1-C8杂环烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10烷硫基、芳基、芳氧基、芳基硫基、杂芳基、杂芳氧基、杂芳基硫基、氨基、C1-C10烷基氨基、C1-C20二烷基氨基、芳基氨基、二芳基氨基、杂芳基氨基、二杂芳基氨基、C1-C10烷基磺酰基、芳基磺酰基、杂芳基-磺酰基、C1-C10烷基磺酰胺、芳基磺酰胺、杂芳基磺酰胺、羟基、卤素、巯基、C1-C10烷基巯基、芳基巯基、氰基、硝基、酰基、酰氧基、羧基、酰胺基、氨基甲酰或羧酸酯取代；以及
烷基、烯基、炔基、亚烷基和亚烯基中的每个均未取代或被C3-C8环烷基、C1-C8杂环烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10烷硫基、芳基、芳氧基、芳基硫基、杂芳基、杂芳氧基、杂芳基硫基、氨基、C1-C10烷基氨基、C1-C20二烷基-氨基、芳基氨基、二芳基氨基、杂芳基氨基、二杂芳基氨基、C1-C10烷基磺酰基、芳基磺酰基、杂芳基磺酰基、C1-C10烷基磺酰胺、芳基磺酰胺、杂芳基磺酰胺、羟基、卤素、巯基、C1-C10烷基巯基、芳基巯基、氰基、硝基、酰基、酰氧基、羧基、酰胺基、氨基甲酰或羧酸酯取代。
所述氧杂-双环烯烃的具体实例是具有下式(IV)的3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14-十二氢-2H-环十二烷并[b]吡喃(“BCP”)：
所述环烷酮典型地具有4至16个选自碳、氧、硫和氮的环原子。合适的实例包括式(II)的化合物：
在该式中，m和R1-R8在上文中定义。一个具体实例是CDDK，即，式(V)的环十二酮：
所述烯丙醇化合物可以由下式(III)表示：
R9-R13在上文中定义。R14是H、C1-C10烷基、C2-C10烯基、C2-C10炔基、C1-C10杂烷基、C3-C8环烷基、C3-C8杂环烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10烷硫基、C1-C10酰基、C1-C10酰氧基、芳基、芳氧基、芳基硫基、C1-C10芳基烷基、杂芳基、杂芳氧基、C1-C10杂芳基烷基、C1-C10烷基氨基、C1-C20二烷基氨基、芳基氨基、二芳基氨基、杂芳基-氨基、二杂芳基氨基、C1-C10烷基磺酰基、芳基磺酰基、杂芳基磺酰基、C1-C10烷基磺酰胺、芳基磺酰胺、杂芳基磺酰胺、C1-C10烷基巯基或芳基巯基。
合适的烯丙醇化合物包括烯丙醇(CH2＝CHCH2OH)或者烯丙醇衍生物如酯(乙酸烯丙酯，CH2＝CHCH2OOCCH3)、醚、肟或甲硅烷基化物(silyl)。
所述有机酸可以是乙酸，其是具有至少98％、99％、99.5％或99.8％的纯度(至少17Mol/L或17.4Mol/L的摩尔浓度)的冰乙酸或具有0.1-6.2Mol/L(例如，0.5-6Mol/L，1-5Mol/L，下限为0.1、0.2、0.5、1和2Mol/L并且上限为17.4、15、10、6.3、6和5Mol/L)的摩尔浓度的乙酸水溶液。
合适的锰催化剂包括选自选自由乙酸锰(II)、硫酸锰(II)、氯化锰(II)、溴化锰(II)、碘化锰(II)、氧化锰(II)、三氟甲磺酸锰(II)和高氯酸锰(II)组成的组中的锰(II)化合物。在一个实施方案中，所述锰催化剂负载在沸石、铝磷酸盐、多金属氧酸盐或其组合上。所述氧可以作为空气、富氧空气或氧气以1至24大气压的压力提供。
在一些实施方案中，环烷酮和烯丙醇化合物之间的摩尔比是20∶1至1∶6(例如，18∶1至1∶3，15∶1至1∶2，12∶1至1∶1，和10∶1至2∶1)，有机酸和烯丙醇化合物之间的摩尔比是100∶1至1∶1(例如，50∶1至2∶1，30∶1至3∶1，和20∶1至5∶1)，并且锰催化剂和烯丙醇化合物之间的摩尔比是1∶1000至1∶1(例如，1∶500至1∶2，1∶200至1∶2，和1∶100至1∶4)。
在一些实施方案中，所述反应在不含过氧化物、铝基催化剂或溶剂的反应混合物中进行。
在其他实施方案中，所述反应在过氧乙酸的存在下进行，所述过氧乙酸和所述烯丙醇化合物之间的摩尔比是1∶1至100∶1，并且所述过氧乙酸加入到所述反应中或在所述锰催化剂的存在下由乙酸的反应原位产生。
所述反应可以在容纳有具有所述锰催化剂的固定床催化剂的间歇式反应器或连续式反应系统中进行。连续式反应系统的实例包括单独的连续搅拌釜式反应器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)、串联的多个CSTR、或微型反应器。
根据详述和权利要求可以更好地了解本发明的其他方面和优点。
具体实施方式
本发明基于廉价的锰盐，特别是乙酸锰(II)在通过使环烷酮和烯丙醇化合物反应而合成氧杂-双环烯烃中的多功能用途的惊人发现。该制备香料成分如3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14-十二氢-2H-环十二烷并[b]吡喃(“BCP”)的生产方面特别受关注。
在一些实施方案中，所述制备在以下方案3中示出。
方案3.式(I)的氧杂-双环烯烃的合成
在该方案中，m和R1-R14在上文中定义。方案3中所示的反应典型地以一步法进行而无需分离中间体。通常，将式(II)的环烷酮加入反应容器中并且与式(III)的烯丙醇化合物连同锰催化剂和有机酸一起混合。然后将氧气引入密封反应容器中，然后在0.1至24大气压(例如，1至24大气压和1至12大气压)(下限为0.1、0.5或1大气压并且上限为24、22、20、18、16、15、12、10、9、8、6和5大气压)的压力下进行反应。优选地，在将温度升至预定反应温度并且保持在该温度预定时间段以引起所述环烷酮和所述烯丙醇化合物之间的反应之前，用氧气吹扫所述反应容器。氧杂-双环烯烃的产物可以通过蒸馏或通过柱色谱容易地分离。
式(II)的环烷酮可以具有4至16个原子，优选10至14个原子，例如大环酮。所述环烷酮可以是任选地取代的。即，R1至R8中的每个独立地是在以上发明内容部分中列出的化学基团。优选地，R1至R8中的每个独立地是H，或具有1至6(例如，1至4)个碳原子的低级烷基，比如甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基。另外，两个以上的R1和R8连同它们所连接的一个或多个原子一起可以形成环。这样，所述环烷酮可以是单环、稠合双环状环、稠合三环状环等。在一个优选实施方案中，R1至R8中的每个是H，并且所述环具有10、11、12、13或14个碳原子。基于烯丙醇化合物的质量(即，所述烯丙醇化合物的质量为1当量)，所述环烷酮的质量可以是0.2至10当量(例如，1至10当量，和1至4当量)，下限为0.2、0.5、1或3当量并且上限为4、5、6、7、8或9当量。
该方法的一个具体实例是如以下方案4中所示的由环十二酮(“CDDK”)和乙酸烯丙酯(或烯丙醇)制备BCP。
方案4.BCP的制备
在一些实施方案中，所述锰催化剂是无水或水合形式的锰(II)盐，包括乙酸盐、硫酸盐、氯化物、溴化物、氧化物、三氟甲磺酸盐和高氯酸盐。所述锰催化剂可以负载在固体上如Mn(II)-沸石、Mn(II)-铝磷酸盐(ALPO)和Mn(II)-多金属氧酸盐。优选地，使用水合形式的乙酸锰(II)。基于所述烯丙醇化合物的质量，所述锰催化剂的质量是0.1至100mol％，优选0.5至4mol％。
在一些实施方案中，氧作为空气或纯气体(例如，包含至少80wt％、至少85wt％、至少90wt％、至少95wt％、至少98wt％、至少99wt％、至少99.5wt％或至少99.9wt％的氧)使用。所述氧可以以0.1至24大气压(例如，1至12大气压)的压力加入到反应混合物中。
合适的有机酸包括乙酸(AcOH)、乳酸、琥珀酸、丙酸、丁酸、柠檬酸、苯甲酸、山梨酸、酒石酸、苹果酸、葡糖酸、富马酸及其组合。优选的有机酸是乙酸，例如，冰乙酸。基于所述烯丙醇化合物的质量，所述有机酸典型地以1至100当量(例如，1至5当量)的水平存在于反应混合物中，上限为100、80、50、40、30、25、20、15、12、10、8和5当量。
所述反应在使用溶剂或不使用溶剂的条件下进行。合适的溶剂是乙酸乙酯、乙腈、丙二腈及其组合。
在一些实施方案中，所述反应在不将任何过氧化合物加入到反应混合物的条件下进行以确保生产环境中的安全性。过氧乙酸可以利用锰催化剂、氧和乙酸原位产生。在其他实施方案中，将较安全的过氧化物如过氧乙酸以在水/硫酸中的商品溶液的形式加入到反应混合物中。基于所述烯丙醇化合物的质量，所述过氧乙酸以1至100当量(例如，5至10当量)的水平加入到所述反应中。
在一些实施方案中，当以间歇模式或半连续模式操作时，所述反应在60至200℃(例如，80至200℃，和100至130℃)进行1至24小时(例如，2至20小时和2至10小时)的时间段。如果所述反应在连续式反应系统中进行，则接触时间典型地是0.1至10小时，并且优选0.5至5小时。所述接触时间计算为在连续式反应器中的催化剂的重量(g)除以起始烯丙醇化合物的流速(g/h)。
其中，本申请公开一种便利且操作简单的使用锰催化剂、有机酸和氧以一步实现环烷酮与烯丙醇化合物的环化的手段。
将环十二酮(CDDK)和两种烯丙醇化合物(例如，烯丙醇和乙酸烯丙酯)中的一种偶联获得的结果在以下表1中示出。这些实施例显示出以多种反应温度、反应时间、氧压力、环烷酮和烯丙醇化合物之间的比例、以及基于烯丙醇化合物质量的锰催化剂的摩尔％进行的反应。使用Mn(OAc)2·4H2O作为催化剂。收率基于烯丙醇化合物计算。出人意料地，以高收率(例如，45％)和高选择性(例如，95％)获得BCP。选择性是指与在反应中消耗的烯丙醇化合物的质量相比的BCP的摩尔百分比。
表1.BCP的制备
a得到来自醇氧化的副产物。b AcOH(5M)。c AcOH(2M)。d CDDK/烯丙醇化合物的摩尔比。e在实施例1-6中使用冰AcOH。
反应仅需催化有效量的锰催化剂。另外，锰催化剂的操作比制备BCP的传统方法中使用的过氧化物的操作安全得多。参见US3856815。反应温度保持中等，在80至130℃。
锰催化剂可以重复利用。催化剂Mn(OAc)2·4H2O，如在这些实施例中使用的，可溶解于反应介质。其在反应混合物的蒸馏后或通过利用非极性溶剂(例如，己烷、醚和二氯甲烷)的沉淀而被定量地回收。无需任何另外的处理，如此回收的乙酸锰在反应中重复利用而不失去其催化活性。
另外，Mn(OAc)2·4H2O可以负载在固体上以得到可过滤的催化剂，和/或适合于连续流动方法。优选地，将乙酸Mn(II)水合物通过浸渍并入在γ-Al2O3、二氧化硅、二氧化钛或氧化锆上，或者通过交换方法并入在12R多孔沸石(例如，可作为CBV-720和CBV-740由Zeolyst International，Valley Forge，Pennsylvania商购的H-Y沸石；可作为CP811C-300由Zeolyst International商购的HBeta沸石；和可作为CBV10A和CBV21A由Zeolyst International商购的丝光沸石)上以获得，例如，Mn2+-HBeta沸石。其他固体载体包括ALPO和多金属氧酸盐。这些固体负载的催化剂有效地催化反应并且可以通过简单过滤容易地由反应混合物回收。
术语“烷基”，如本文所使用的，意指包含1至10个碳原子、优选1至8个碳原子、更优选1至6个碳原子(“低级烷基”)、并且甚至更优选1至4个碳原子的直链或支链的饱和烃基，其通过单键与分子部分的剩余部分相连。代表性实例包括但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基等。
术语“烷氧基”，如本文所使用的，意指“-O烷基”基团，其中烷基如本文中所定义。烷氧基的代表性实例包括甲氧基、乙氧基、丙氧基、2-丙氧基、丁氧基、叔丁氧基等。
术语“芳基”，如本文所使用的，意指由6至14个、优选6至10个碳原子组成的芳族烃基。芳基的代表性实例包括苯基和萘基。除非在本申请中明确说明，术语“芳基”可以被一个或多个取代基，如C1-C6烷基、C1-C6卤代烷基、C1-C6烷氧基等取代。
术语“芳基烷基”是指被一个或多个芳基取代的烷基，其中烷基和芳基如本文中所定义。芳基烷基的代表性实例包括但不限于苄基、2-苯基乙基、二苯基甲基和萘-2-基甲基等。
术语“羧基”，如本文所使用的，意指-C(O)O或CO2H基团。
术语“环烷基”，如本文所使用的，意指包含3至24个碳原子(例如，3至20个，和5至18个碳原子)的环状烃基，其中这种基团可以是饱和或不饱和的，但不是芳族的。在某些实施方案中，环烷基优选地是完全饱和的。环烷基的实例包括但不限于环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环己烯基等。
术语“环烷基烷基”，如本文所使用的，意指被一个或多个环烷基取代的烷基，其中烷基和环烷基如本文中所定义。
术语“酰基”或“酰基化的”意指-C(O)R5，其中R5在上文中定义。
术语“卤代”或“卤素”是指F、Cl、Br和I，优选Cl或Br。
术语“卤代烷基”是指被一个或多个卤素原子取代的烷基。
单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代物，反之亦然，除非上下文另外明确地指明。
当在数字前使用时，术语“约”表示数字可以波动±10％，优选在±5％以内。本文公开的值和尺寸不被理解为严格限于所记载的精确数值。而是，除非另外详细说明，每个这种值都旨在意指所记载的值和在该值附近的功能等同范围两者。例如，以“50％”公开的值旨在意指“约50％”。
在本文和在权利要求中提到的所有份、百分比和比例都是以重量计的，除非另外指明。
术语“g”、“mg”和“μg”分别是指“克”、“毫克”和“微克”。术语“L”和“mL”分别是指“升”和“毫升”。术语“Mol”和“mmol”分别是指“摩尔”和“毫摩尔”。
通过以下非限制性实施例更详细地描述本发明。在没有另外的详尽阐述的情况下，认为本领域技术人员基于本文的描述可以以其最大程度使用本发明。
实施例
通用反应程序。将预定量的Mn(II)催化剂和环十二酮(例如，12mmol)加入到配备有磁力搅拌器的6-mL小瓶中。然后加入乙酸(AcOH；1mL)和烯丙醇化合物(烯丙醇或乙酸烯丙酯)并且将小瓶密封并连接至压力计。将氧通过阀门引入以达到预定压力(1至24大气压)并且然后摇动以吹扫小瓶。该操作重复两次以最终留下所需的氧气氛(约1至6mmol)。将小瓶放置在预定温度的油浴中并且搅拌预定时间。之后，将小瓶冷却，摇动剩余的氧，并且在二氯甲烷中稀释后通过气相色谱(“GC”)分析混合物。产物通过蒸馏或通过在硅胶上利用己烷-乙酸乙酯混合物进行洗脱的急骤色谱分离。
将所需的产物BCP分离并且在柱色谱后用GC-MS、1H NMR和13C NMR表征。Rf(己烷-EtOAc，4∶1)＝0.75。GC-MS，m/z 222.2[M]+。1H NMR(CDCl3，300MHz；以ppm计的δ，以Hz计的J)：3.89(t，J＝5.0，2H)，2.16(t，J＝6.7，2H)，2.03(t，J＝7.0，2H)，1.94(t，J＝6.3，2H)，1.83(五重，J＝5.7，2H)，1.45-1.20(多重，16H)。13C NMR(CDCl3，75MHz；以ppm计的δ)：148.5(C)，107.0(C)，65.5(CH2)，37.0(CH2)，30.5-21.8(11xCH2)。
反应的主要杂质是乙酸3-(2-氧代环十二烷基)丙酯，其通过1H NMR和13C NMR分析证实。
实施例1-9
BCP按照通用程序用以上表1，实施例1-9中分别指示的试剂的量制备。
实施例10
表1中所示的实施例10的反应程序。将Mn(OAc)2·4H2O(2.8mg，1mol％)和CDDK(430mg，2.4mmol)加入到配备有磁力搅拌器的6-mL小瓶中。然后加入AcOH(0.5mL)和乙酸烯丙酯(128μL，1.2mmol)并且将小瓶密封并与连接至压力计。将氧通过阀门引入以达到10大气压并且摇动以吹扫小瓶。该操作重复两次以最终以10大气压的压力的氧(约3mmol)填充小瓶。将小瓶放置在130℃的油浴中并且搅拌3.5h。之后，将小瓶冷却，摇动剩余的氧，并且在二氯甲烷中稀释后通过GC分析混合物。
实施例11
表l中所示的实施例11的反应程序。将Mn(OAc)2·4H2O(2.8mg，1mol％)和CDDK(860mg，用于4∶1的4.8mmol)加入到配备有磁力搅拌器的6-mL小瓶中。在加入AcOH(0.5mL)和乙酸烯丙酯(128μL，1.2mmol)后，将小瓶密封，并连接至压力计，并且用氧吹扫两次。之后，将小瓶用10大气压的压力的氧(约3mmol)填充并且在130℃的油浴中加热3.5小时。之后，将小瓶冷却，摇动剩余的氧，并且在二氯甲烷中稀释后通过GC分析混合物。
本文中引用的所有参考文献通过引用以其整体并入。前述实施例和特定优选实施方案的描述应认为是举例说明而不是限制本发明。如本领域技术人员将容易了解的，在不脱离本发明的情况下可以使用上述特征的大量变化和组合，这些变化和组合全部被本发明所涵盖。