从乙炔和二氧化碳制备乙炔二羧酸的方法
【专利说明】从乙炔和二氧化碳制备乙炔二羧酸的方法
[0001] 描述
[0002] 本发明涉及一种从乙炔和二氧化碳反应制备乙炔二羧酸的方法。
[0003] 根据从前的方法，回溯到1877年，乙炔二羧酸是由间-二溴琥珀酸通过碱消除制 备的。
[0004] 在E. C. Horning, J. Am Chem. Soc. 1945, 67, 1412-1422 中描述了通过碳化二锂与二 氧化碳在醚中反应以34%的产率形成了乙炔二羧酸，其中碳化二锂是从乙烯基溴与丁基锂 的反应得到的，其中二氧化碳作为干冰加入。
[0005] 乙炔二羧酸可以通过炔醇在具有氧化铅电极的阳极上的电化学氧化以约50 %的 产率获得。在V. Wolf, Chem. Ber. 1954,87,668-676中描述了制备乙炔二羧酸的电化学方 法。在此方法中，乙炔二羧酸的脱羧基化反应是作为副反应出现的，同时形成二氧化碳和 乙炔。在 J. Kaulen 和 H. J. SchSfer, Tetrahedron Lett. 1982, 38, 3299-3308 中描述了 α，ω -二醇在氧化镍阳极上向二羧酸的氧化反应。但是，电化学方法是与高能耗和高成本 相关的。
[0006] WO 2012/022801描述了乙炔与5巴CO2在二甲基甲酰胺中在（4, 7-二苯基菲 咯啉）二（三苯基膦）铜（I)和碳酸铯的存在下进行直接羧基化反应。这获得了乙炔单 羧酸和乙炔二羧酸的混合物，它们是在反应混合物中以其正己基酯的形式检测到的。在 60°C下反应2小时之后的转化率对应于关于形成乙炔二羧酸的转换数（TON)为约1.8。WO 2012/022801还公开了末端炔在菲咯啉-膦-铜（I)配合物和碳酸铯的存在下向相应丙炔 酸的羧基化反应。W02011/075087公开了末端炔与CO 2在铜化合物和胺碱存在下的羧基化 反应。
[0007] 已经证明乙炔向乙炔二羧酸的直接羧基化反应是困难的，这是因为乙炔在有机溶 剂中仅仅具有低溶解性，而作为共反应物的CO 2由于其在有机溶剂中的显著较高的溶解性 而另外使得乙炔难以在反应介质中聚集。初始形成的乙炔单羧酸的盐也仅仅具有低溶解 性，这阻碍了得到乙炔二羧酸的第二个羧基化步骤，导致形成乙炔单羧酸和乙炔二羧酸的 产物混合物。此外，乙炔羧酸，特别是乙炔二羧酸，倾向于在溶液中脱羧基化，并且脱羧基化 反应另外被银和铜配合物催化。而且，乙炔倾向于发生聚合或乙烯基化反应，这导致另外降 低了产率。
[0008] 乙炔在铜或银化合物存在下的羧基化反应另外存在的风险是形成爆炸性的铜或 银的炔化物。所以，希望尽可能减少催化剂的用量。当在压力下处理乙炔时总是存在这种 风险。催化剂的用量越小，这种风险就越低。
[0009] 另外，在W02012/022801描述的方法中使用化学计算量的无机碱是不利的，这是 由于在工业规模实施的方法中的盐聚集。为了能将所形成的乙炔二羧酸在随后的步骤中氢 化成有价值的目标化合物丁烷-1，4-二醇，乙炔二羧酸必须从碳酸铯和在反应后存在的其 它铯盐分离出来。
[0010] 本发明的目的是提供一种通过乙炔的直接羧基化反应制备乙炔二羧酸的简单可 行的方法。本发明的一个具体目的是使得这种方法具有基于催化剂用量的高转换。本发明 的另一个目的是使得这种方法能避免必须使用无机碱。
[0011] 此目的是通过一种通过乙炔和二氧化碳反应制备乙炔二羧酸的方法实现，其中此 反应是在银盐或铜盐和胺碱的存在下进行的。
[0012] 惊奇地发现，乙炔在铜盐或银盐存在下向乙炔二羧酸的直接羧基化反应如果在胺 碱的存在下进行的话，此反应也能在不存在无机碱例如碳酸铯的情况下进行。这是尤其令 人惊奇的，因为胺碱非常紧密地与铜或银配位，并且可以封闭对于乙炔和〇) 2的配位点。因 为二氧化碳和尤其乙炔的溶解性在反应条件下非常低，所以会预见到与少量的已经溶解的 乙炔相比，铜或银催化剂被大量过量的胺碱钝化。此外，胺在CO 2的存在下被羧基化以形成 氨基甲酸盐，这降低了它们的碱度。另外惊奇的是，在反应条件下形成的乙炔二羧酸（二氧 化碳的低分压和高温）是稳定的且不会脱羧基化。
[0013] 乙炔向乙炔二羧酸的直接羧基化反应是在银或铜催化剂和胺碱的存在下进行的。 合适的银催化剂是选自元素银；胶态银粒子，其可以任选地含有稳定添加剂例如膦配体、二 甲基亚砜和/或聚乙烯基吡咯烷酮；卤化银（I)，例如AgF、AgCl、AgBr和AgI ;硝酸银，四氟 硼酸银，三氟甲磺酸银，羧酸银（乙酸银），六氟磷酸银，氧化银，硫酸银，六氟锑酸银，对甲 苯磺酸银，以及碳酸银。优选的是碘化银（I)Agl，硝酸银（I)AgNO 3，以及四氟硼酸银AgBF4, 特别优选的是硝酸银（I)。
[0014] 合适的铜催化剂是元素铜和胶态铜粒子，以及选自以下的铜盐：卤化铜（I)，例如 CuF、CuCl、CuBr和CuI ;氰化铜（I)，四氟硼酸铜，三氟甲磺酸铜，乙酸铜，六氟磷酸铜，氧化 铜，硫酸铜，六氟锑酸铜，对甲苯磺酸铜，以及碳酸铜。优选的是碘化铜（I)CuI，以及氰化铜 (1)(^^，特别优选的是&11。
[0015] 在本发明的一个实施方案中，乙炔与二氧化碳的反应是在银盐的存在下进行，特 别是AgNO 3。在本发明的另一个实施方案中，乙炔与二氧化碳的反应是在铜盐的存在下进 行，特别是CuI。
[0016] 合适的胺喊是在反应温度下为液体的胺喊，例如烧基胺，特别是二-C3-C 6;)^基胺， 例如三丙基胺和三丁基胺；链烷醇胺，特别是单_、二-和三_(：2-(；链烷醇胺，例如单乙醇 胺、二乙醇胺和三乙醇胺；尤其是杂环胺碱，例如N-甲基哌啶、N-甲基哌啶酮、N-甲基吗啉、 N-甲基-2-吡咯烷酮，但是最优选二氮杂双环壬烯（DBN)和二氮杂双环^^一碳烯（DBU)。
[0017] 特别优选的胺碱是1，5-二氮杂双环[4. 3. 0]壬-5-烯（DBN)和1，8-二氮杂双环 [5. 4. 0] ^^一碳-7-烯（DBU)。
[0018] 此反应可以在溶剂的存在下进行。合适的溶剂例如是二甲基亚砜（DMSO)，二甲基 甲酰胺（DMF)，水，NMP，二巧恶院，环丁砜，以及醇。银胶体可以通过在DMSO中加热而预先形 成，然后加入反应混合物中。DMSO是一种非常好的溶剂；另外，当在其中加热时银形成了非 常细的胶体。
[0019] 此反应也可以在不存在单独溶剂的情况下进行，在这种情况下银盐或铜盐能溶解 在胺碱中。
[0020] 此反应是通常在1-50巴、优选1-20巴的总压力（乙炔和二氧化碳）和通常 50-120°C、优选50-100°C的温度下进行。二氧化碳与乙炔之间的摩尔比是通常2:1至50:1， 优选5:1至20:1。通过本发明方法实现了高的转换数（TON)。
[0021] 在本发明的一个实施方案中，此反应是在大气压（1巴）下进行。在另一个实施方 案中，总压力保持为1-10巴。
[0022] 所形成的乙炔二羧酸可以随后被氢化成丁烷-1，4-二醇。氢化反应可以在胺碱存 在下在不处理来自乙炔羧基化的反应混合物的情况下进行。
[0023] 下面通过实施例进一步说明本发明。 实施例
[0024] 实施例1-4
[0025] 这些实验是在用于气相色谱的IOOml顶空管形瓶中进行，其用卷曲的铝帽和特氟 龙涂覆的丁基橡胶隔膜密封。
[0026] 为了调节管形瓶的温度，使用8cm高的圆柱形铝块，其直径对应于实验室磁力搅 拌器的热板的直径。铝块配备有7cm深且直径与反应管形瓶相同的多个井以及能容纳温度 探针的井。
[0027] 准备真空分配器用于与Schlenk管线连接，从而允许数个管形瓶的同时排空和填 充。为此目的，直径为3_的真空密封的特氟龙管与接头连接，从而在一端接收螺口注射器 针头，并且在另一端与钢管连接，所述钢管经由真空管与Schlenk管线连接。
[0028] 称量固体反应物并在空气下加入反应管形瓶中。加入20mm磁性追踪器，并且管形 瓶用卷曲工具被隔膜盖密封。随后，将反应管形瓶插入铝块的井中，并且通过隔膜盖经由中 空针头与真空分配器连接。
[0029] 为了在反应管形瓶中建立惰性气体气氛，将这些管形瓶接连排空三次，并用氮气、 随后用二氧化碳重新填充两次。液体试剂是通过注射器经由隔膜盖加入的。
[0030] 实施例1和2是在5巴的压力下进行。为此目的，将真空分配器的针头在0)2的 逆流下取出，并且将反应管形瓶转移到高压釜反应器。随后，使得长的扭转套管穿透反应管 形瓶的隔膜，并且密封高压釜反应器。所述气氛通过三个真空-COJI环经由气体排放口交 换。随后，将高压釜反应器加压到1巴乙炔和4巴CO 2。将其在60°C和约700转/分钟下 搅拌16小时。
[0031] 实施例3和4(反应物：1-辛炔）是在20巴的压力下进行。为此目的，将真空分 配器的针头在CO 2的逆流下取出，并且将反应管形瓶转移到高压釜反应器。随后，使得长的 扭转套管穿透反应管形瓶的隔膜，并且密封高压釜反应器。所述气氛通过三个真空_〇) 2循 环经由气体排放口交换。随后，将高压釜反应器加压到20巴CO2。将其在40°C和约700转 /分钟下搅拌16小时。
[0032] 在反应时间结束并冷却管形瓶之后，（1)加入用于酯化反应的物质（1-溴己烷或 甲基碘）并且将正十四烷作为内标注入，或者（2)产物不再进一步反应。在这种情况下，先 加入1，3, 5-三甲基苯和随后加入NMP作为标准物。在实施例3和4中进行方案（1)，在实 施例1和2中进行方案（2)。
[0033] 在酯化（1)的情况下，在搅拌30分钟之后打开管形瓶，并且在一次性吸液管的帮 助下将0. 25mL的反应混合物样品转移到6mL的卷边管形瓶中，在卷边管形瓶中包含2. OmL 的乙酸乙酯和2. OmL的碳酸氢钠水溶液。这两相先用吸液管混合，然后允许这些相分离。随 后，将I. OmL的各个有机相经由0. 3mL无水硫酸镁过滤到2. OmL玻璃样品管形瓶中，并且各 自用0. 5mL溶剂洗涤。为此，使用配备有棉塞的一次性吸液管作为过滤器。
[0034] 在游离酸的后处理的情况下（2)，先通过过滤除去DMSO溶剂。将固体在同时在冰 浴中冷却的情况下吸收在5. OmL蒸馏水中，并加入50-100 μ L的N-甲基吡咯烷酮（NMP)。 将清澈溶液转移到2. OmL玻璃样品管形瓶中以检测转换数，转换数是通过HPLC相对于内标 并且用相应因子校准来测定的。
[0035] 实验结果列在下表中。
[0036] 使用乙炔的实验
【主权项】
1. 一种通过乙炔和二氧化碳反应制备乙炔二羧酸的方法，其中此反应是在银催化剂或 铜催化剂和胺碱的存在下进行的。
2. 根据权利要求1的方法，其中银催化剂是选自卤化银（I)、硝酸银（I)和四氟硼酸 银。
3. 根据权利要求1的方法，其中铜催化剂是选自碘化铜（I)和氰化铜（I)。
4. 根据权利要求1-3中任一项的方法，其中胺碱是选自1，5-二氮杂双环[4. 3.0] 壬-5-烯（DBN)和 1，8-二氮杂双环[5. 4. 0] ^碳-7-烯（DBU)。
5. 根据权利要求1-4中任一项的方法，其中所述反应是在溶剂中进行。
6. 根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述反应是在1-50巴的总压力和 50-120°C的温度下进行。
7. 根据权利要求1-6中任一项的方法，其中所述反应是在二氧化碳与乙炔之间的摩尔 比为2:1至50:1的情况下进行。
【专利摘要】本发明涉及一种通过乙炔和二氧化碳反应制备乙炔二羧酸的方法，其特征在于此反应是在银盐或铜盐和胺碱的存在下进行的。
【IPC分类】C07C51-15, C07C57-22
【公开号】CN104583170
【申请号】CN201380042820
【发明人】M·阿恩特, L·J·古森
【申请人】巴斯夫欧洲公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年8月15日
【公告号】EP2888221A1, WO2014029689A1