专利名称：多羟基醇单酯的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种制备多羟基醇单酯的方法。方法包括通过醇缩醛化的第一步骤及多羟基醇与脂肪酸酯化作用的第二步骤。
现有技术脂肪酸和多羟基醇的酯例如山梨醇酯(SFAE)是作为乳化剂(司盘，吐温)及稳定剂在食品及化妆品工业中广泛使用的非离子型表面活性剂。在化学上，山梨醇酯是得自山梨醇的各种多元醇酯的复合混合物。除山梨醇外，两种已知的多元醇是其酐(1，4-脱水山梨醇)及其二酐(1，4-3，6-异山梨醇)。可通过许多种方法制备山梨醇脂肪酸。这些方法包括a)山梨醇与脂肪酸的直接酯化。可在均相酸催化剂例如对甲苯磺酸存在下，在140℃-180℃之间温度下(Giacometti J.等，React.Kinet.Catal.Lett.59(1996)，235)进行这种反应，可在碱性催化剂例如KOH或NaOH在高温下(200℃-240℃)或酸和碱的混合物特别是NaOH和磷酸的混合物中反应(WO-9804540)；也已经描述了酶催化的酯化。b)山梨醇与脂肪酸的酰氯或酸酐的酰化。c)山梨醇与脂肪酸甲酯、乙酯或甘油酯的酯基转移作用。
通常，上述制备脂肪酸和山梨醇的酯的方法为得到醚的形式促进多元醇脱水，且此过程得到的产物并非真正的山梨醇酯而更准确鉴定为脱水山梨醇酯和/或异山梨醇酯。根据此合成方法，最终混合物含有不同程度的羟基取代及不同比例的山梨醇酐酯。例如，如果使用脂肪酸的酰氯通过山梨醇酰化进行酯化作用则产物含有少量山梨醇酐酯。然而，直接酯化和酯基转移过程造成大量的酐形式的山梨醇酯。在文献中已经描述了生产山梨醇酯的方法，其提供山梨醇酐的形式，尽管这些方法暗示使用高度毒性溶剂例如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或吡啶(US-2997492)。这些溶剂的大量残余物及分解产物留在山梨醇酯中使得这些产物不适于食物应用。
上述方法带来的其他缺陷包括可对有机试剂造成有害作用的高温的使用，溶剂的使用及后来被中和的均相催化剂的使用。在这方面，用异相催化剂代替均相催化剂具有的已知优势不仅在于方法设计中(易于自催化剂分离反应产物从而避免中和和提取过程，且因此降低残余物生成及允许回收催化剂)，而且通过设计适于特定方法的催化剂提高了所需产物的产率和选择性。尽管如此，文献中描述为这种类型方法使用异相催化剂的实例很少，例如异山梨醇与正辛酸酯化生成2，5-二正辛酸异山梨醇中已经使用一种离子交换树脂(Ambelyst 15)作为酸性催化剂所得产率为98％(WO-0183488)。W.M.Rhijn等(Chem.Commun(1998)317)描述了使用在中孔性(mesoporous)物质中起作用的磺酸在112℃下使山梨醇与月桂酸酯化。在这些条件下，单酯(异山梨醇单月桂酸酯)是所得的主要产物，或者在更长反应时间下获得异山梨醇二酯。然而相同的工作描述了使用β沸石作为催化剂，由于其高度亲水特性，脂肪酸的转化无效且仅出现的反应是山梨醇的降解。
羟基的取代程度将决定表面活性剂的最终使用且可或多或少受方法中使用的山梨醇/脂肪酸的摩尔比控制。因此，为了获得高比例的山梨醇单酯，除非强调作为山梨聚糖单酯销售的山梨醇单酯实际上是山梨聚糖单酯、二酯和三酯的混合物，使用等摩尔比的山梨醇和脂肪酸，其含有更高浓度的单酯及在180-200间摆动的羟基值(hydroxyl values)。羟基值与山梨醇酯化程度和醚化程度有关。
在专利US-3579547中，Traxler等描述了在碱性催化剂存在下，通过羧酸或所述羧酸的短链烷基酯与缩醛化(acetalised)甘露醇或山梨醇反应制备多羟基且直链脂肪醇(山梨醇和甘露醇)的羧酸单酯和二酯。然后通过将其溶解在与水不相混溶的溶剂且通过在无机酸水溶液中搅拌分散从而水解由此获得的缩醛化醇的羧酸酯。
本发明目的是通过用于由固体酸催化的多羟基醇的缩醛与脂肪酸反应制备多羟基醇单酯的选择性方法克服前面所述的缺陷。
发明描述用于选择性制备脂肪酸与多羟基醇单酯的方法，其中包括-第一步骤，包括采用缩醛化保护多羟基醇的羟基和-第二步骤，即在一种或多种固体酸催化剂存在下所述缩醛化多羟基醇与脂肪酸的酯化。
第一步骤的多羟基醇的缩醛化具有保护醇羟基的目的。
使用的多相酸性催化剂选自微孔性分子筛及杂多酸盐。
所述杂多酸盐优选化合价+1金属的盐，优选碱金属盐。
杂多酸盐的异相催化剂优选具有分子式H3-xMxPW，其中M为化合价+1金属，P是磷，W是钨且x的值为0.1-2.9。
在一个更优选的方法中，基于杂多酸的异相催化剂为H3-xMxO40PW12的磷钨酸盐，其中M为化合价+1金属且x值为0.1-2.9。所述化合价+1金属优选碱金属，选自Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+。
发现在微孔性分子筛中带有在6-14间的规则孔径。这些分子筛优选酸沸石类。可提及的酸性沸石的实例如Faujasite(FAU)、丝光沸石(MOR)、Omega(MAZ)、Ofretite(OFF)、ZSM-4(MFI)、β(BEA)、SSZ-24(AFI)、MCM-22、SSZ-26和层状(delaminated)沸石，或它们的混合物。在层状沸石中可提及沸石ITQ-2、ITQ-6及此二者混合物。
以其酸形式使用的沸石的Si/TIII比率在6-400范围内，优选在10-200间，其中TIII为三价金属，例如Al、B、Ga、Fe。
根据本发明方法，可用羰基化合物进行多羟基醇缩醛化的第一步骤，且可通过使用固体酸作为催化剂均相催化优选异相催化进行缩醛化。在此过程中通过异相催化进行缩醛化步骤，此方法的两个步骤中催化剂可以相同且如实施例9中描述可根据“一锅法”(“one-pot”)模式进行所述方法。
按照本发明方法，可根据常规方法在选自存在有催化剂的连续搅拌罐式(tank type)反应器、非连续搅拌罐式反应器，或在连续固定式(fixed)反应器或在流化床反应器的反应器中进行多羟基醇缩醛化的第一步骤。
可在惰性气体中，且压力选自大气压或为2-10个大气压之间进行所述缩醛化的第一步骤。优选在25℃-60℃之间，优选在25℃-40℃之间温度内进行缩醛化。
优选使用相对于多羟基醇质量占1％-20％之间的量的催化剂进行所述缩醛化的第一步骤。
在一个甚至更优选的方法中，在大气压，惰性气体例如氮气下，在25℃-60℃优选25℃-40℃的温度下，且在异相催化剂存在下，催化剂的量相对于多羟基醇质量占1％-20％间，进行所述缩醛化保护。
使用选自非取代醛、取代醛、非取代酮及取代酮的羰基化合物进行所述缩醛化步骤。
优选使用低分子量脂肪酮。这些化合物的实例为丙酮、丁酮、2-戊酮、3-戊酮、3-己酮、甲醛、乙醛、丙醛及苯甲醛等。优选使用的羰基化合物为丙酮及丁酮。
羰基化合物∶多羟基醇的摩尔比优选在1∶1-30∶1之间。
缩醛化一旦完成，就使用所得粘稠无色液体作为原料进行与脂肪酸的酯化的第二步骤。
本方法的第二步骤包括多羟基醇缩醛与脂肪酸的酯化。优选在不存在溶剂下完成酯化。此过程中使用的多相酸性催化剂能够缓慢水解多元醇的一些缩醛，生成可与脂肪酸反应的未保护羟基。在酯化期间，释放的水分子导致存在两个偶联反应缩醛的水解及脂肪酸与通过缩醛水解生成的醇的酯化。这种方法的目的是控制游离羟基浓度从而降低二酯、三酯、四酯等形成的比率，也阻止多元醇链的内循环，尤其对于二酐类型(图表)的二环醚的形成。
可根据常规方法在选自存在有催化剂的连续搅拌罐式(tanktype)反应器、非连续搅拌罐式反应器，或在连续固定式反应器或在流化床反应器的反应器中进行第二步骤的酯化作用。
可在惰性气体中，且压力可为大气压或可为2-10个大气压之间进行酯化反应。优选在100℃-200℃之间，优选在100℃-140℃之间温度内进行酯化作用。
在一个特别优选的方法中，在大气压下，在惰性气体例如氮气中，在100℃-200℃之间，优选在100℃-140℃之间温度内进行酯化反应。
在所述酯化步骤中，缩醛化多羟基醇与脂肪酸的摩尔比优选在1∶1-4∶1之间，更优选为1∶1。
在酯化反应中，催化剂的量优选相对于缩醛化多羟基醇总质量占1％-30％之间。
本发明中使用的催化剂能够缓慢水解缩醛化多羟基醇的缩醛基(acetal groups)生成可与脂肪酸反应的未保护羟基且阻碍高分子量酯的生成。在酯化作用中释放的水导致缩醛完全水解而得到主要含有多羟基醇单酯的反应混合物。在此过程中所述醇为山梨醇，这种混合物主要含有山梨醇单酯及山梨聚糖单酯。
根据本发明方法，多羟基醇优选6个碳原子的直链饱和脂肪醇。这种醇的实例为山梨醇、甘露醇、艾杜醇(iditiol)、卫矛醇、木糖醇及塔罗糖醇。在特别优选的方法中，多羟基醇为山梨醇。
本发明中使用的脂肪酸优选含有6-30个碳原子，主要含有8-22个，且也可能使用脂肪酸的混合物。脂肪酸的实例为己酸(羊油酸)、辛酸(羊脂酸)、癸酸(羊蜡酸)、十二烷酸(月桂酸)、十四烷酸(肉豆蔻酸)、十六烷酸(软脂酸)、十八烷酸(硬脂酸)、二十烷酸(花生酸)、十六碳烯酸(棕榈油酸)、十八碳烯酸(油酸)。
缩醛化多元醇及脂肪酸的摩尔比优选在1∶1-4∶1之间，优选1∶1。
根据本发明，也可以“一锅法”进行选择性制备多羟基醇单酯的方法。该方法包括缩醛化步骤，接着通过蒸馏除去羰基化合物且然后向混合物中加入脂肪酸。根据这种实施方案，相同催化剂能够作用于缩醛化步骤和与脂肪酸的酯化作用步骤。
实施例实施例1.沸石ITQ-2的制备自其层状前体物质MCM-22(Si/Al＝15和50)，按照Corma A.，Corell，C.，Llopis，F.，Martínez，A.，和Perez-Pariente，J.，Appl.Catal.A，General 115，121(1994)中描述的方法起始，及按Corma，A.，Fornes，V.，Pergher，S.B.，Maesen，Th.L.M.，和Buglass，J.G.，Nature 376，353(1998)中指示将前体物质分成细层从而合成沸石ITQ-2。
自0.23g的铝酸钠(56％Al2O3、37％Na2O、Carlo Erba)和0.8g的氢氧化钠(98％，Prolabo)溶解在103.45g的蒸馏水中的混合物起始制备层状前体物质。然后以连续方式向此混合物加入6.35g的六亚甲基亚胺(HMI)及7.86g的二氧化硅(Aerosil 200，Degussa)。室温下剧烈搅拌此混合物30分钟，在自生压力下在408°K钢高压消毒锅(PTFE-线纹的不锈钢高压消毒锅)中11天。过滤所得结晶产物，用蒸馏水洗涤到pH＜9，且用水混合由此获得的滤过固体，直到获得固体按重量占20％的混悬液(浆状物)。
在353°K自27g的前述混悬液(浆状物)与105g的按重量占29％的溴化十六烷基三甲基铵水溶液和33g的40％氢氧化四丙基铵水溶液16小时分层固体。可通过X-射线衍射监控分层的完成，薄层间距显示从2.7nm-4.5nm升高。然后通过将混悬液(浆状物)放置在在超声浴(50W，40kHz)中25分钟和1小时使各层移位各自生成ITQ-2-A和ITQ-2-B样品。向固体中滴加入盐酸直至pH小于2后，然后离心收集。然后通过813°K加热固体除去有机物质从而得到沸石ITQ-2。
实施例2.催化剂H0.5Cs2.5PW12O40制备边磁力搅拌边以1ml/min速度向通过混合5.15g的H3O40PW12(FLUKA提供)溶解在19.5ml的水中形成的水溶液缓慢加入Cs2CO3(0.630g在15.6ml H2O中)溶液。添加完成后，在40℃下蒸发水直至获得无水固体。
实施例3.山梨醇与丙酮的缩醛化反应开始前，在大约1mmHg压力下加热至200℃2小时活化催化剂(630mg，相对于山梨醇按重量占7％)。然后，使体系冷却至室温且加入50ml的丙酮及9g(0.05mols)的山梨醇。搅拌下在50℃温度下放置所得混悬液24小时。反应结束后，通过真空蒸馏除去丙酮。带有粘性特征的残留无色物质用作油酸酯化作用的原料。
实施例4.油酸与山梨醇缩醛的酯化作用向前述的活化催化剂(相对于试剂总质量按重量15％)加入与丙酮缩醛化的山梨醇和油酸(摩尔比缩醛∶油酸＝1)的等分子混合物且在135℃磁力搅拌所得混悬液。反应结束后过滤催化剂且用二氯甲烷及然后用甲醇洗涤催化剂。合并有机相，真空下浓缩且称量有机残余物。基于先前称量的溶解在二甲基甲酰胺中样品，向其中加入硬脂酸作为外标分析有机残余物产品的分布。表1显示使用沸石催化剂β，丝光沸石。ITQ-2和H0.5Cs2.5PW12O40获得的结果。
表1
反应条件摩尔比油酸/山梨醇＝1；相对于试剂总量按重量15％的催化剂；温度135℃。
a相对于油酸考虑到化学当量系数计算得到实施例5.丝光沸石作为酸催化剂的油酸与木糖醇缩醛的酯化作用向前述的活化催化剂(相对于试剂总质量按重量15％)加入与丙酮缩醛化的山梨醇和油酸(摩尔比缩醛∶油酸＝2)混合物且在135℃磁力搅拌所得混悬液48小时。反应结束后进行实施例4的步骤且在表2中概括了所得的结果。
表2
a相对于油酸考虑到化学当量系数计算得到实施例6.油酸与甘露醇缩醛的酯化作用在作为酸催化剂的沸石类丝光沸石及沸石β(按重量占15％)存在下，按实施例4进行油酸与用丙酮缩醛化甘露醇在135℃温度下进行酯化作用。表3中概括了反应48小时后获得的结果。
表3
a相对于油酸考虑到化学当量系数计算得到实施例7.使用木糖醇使用H0.5Cs2.5PW12O40的软脂酸与山梨醇缩醛的酯化作用向摩尔比山梨醇/软脂酸＝1的山梨醇缩醛与软脂酸的混合物加入催化剂H0.5Cs2.5PW12O40(相对于试剂总质量按重量15％)。混悬液加热至135℃并磁力搅拌9小时。反应结束后如实施例4处理此混合物。表4给出了混合物中酯的产率及摩尔分布。
表4
a相对于软脂酸考虑到化学当量系数计算得到实施例8.使用丝光沸石作为酸催化剂月桂酸与山梨醇缩醛的酯化作用向摩尔比山梨醇缩醛/酸＝1.2的丙酮缩醛化的山梨醇和月桂酸混合物中加入前述的活化催化剂(相对于试剂总质量按重量15％)。在135℃加热所得混悬液48小时。然后，如实施例4处理反应混合物。表5中概括了所得的结果。
表5
a相对于月桂酸考虑到化学当量系数计算得到实施例9.山梨醇缩醛化及与油酸“一锅法”酯化作用向山梨醇(0.84g，4.6nmol)和丙酮(25ml)的混合物加入先前活化的催化剂(相对于试剂总量占15％)。在60℃磁力搅拌混合物直至其变为同质(homogenous)。真空蒸馏除去丙酮且向135℃加热的所得残余物加入油酸(1.3g，4.6nmol)。反应完成后，加入二氯甲烷，过滤催化剂且用二氯甲烷然后用甲醇洗涤催化剂。合并有机相，真空下浓缩且称量有机残余物。基于先前称量的溶解在二甲基甲酰胺中样品加入硬脂酸作为外标分析有机残余物产品的分布。表6显示使用丝光沸石作为催化剂获得的结果。
表6
a相对于油酸考虑到化学当量系数计算得到。
权利要求
1.一种选择性制备脂肪酸与多羟基醇单酯的方法，其包括第一步骤，由通过缩醛化保护多羟基醇的羟基所构成，及第二步骤，在一种或多种固体酸催化剂存在下所述缩醛化多羟基醇与脂肪酸的酯化作用。
2.权利要求1的方法，其中所述固体酸催化剂选自微孔性分子筛及杂多酸盐。
3.权利要求2的方法，其中所述杂多酸盐为碱金属盐。
4.权利要求2的方法，其中所述杂多酸盐分子式为H3-xMxPW，其中M为+1价金属，P为磷，W为钨且x值在0.1至2.9间。
5.权利要求2的方法，其中所述固体酸催化剂为H3-xMxO40PW12磷钨酸盐，其中M为+1价金属且x值在0.1至2.9间。
6.权利要求5的方法，其中所述+1价金属为选自Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+的碱金属。
7.权利要求2的方法，其中所述微孔性分子筛为酸沸石类。
8.权利要求7的方法，其中所述酸沸石类具有的Si/TIII比率在6至400间，其中TIII代表三价金属。
9.权利要求7的方法，其中所述微孔性分子筛选自类型为Faujasite(FAU)、Mordenite(MOR)、Omega(MAZ)、Ofretite(OFF)、ZSM-4(MFI)、Beta(BEA)、SSZ-24(AFI)、MCM-22、SSZ-26、层状沸石的沸石，或它们的混合物。
10.权利要求9的方法，其中所述层状沸石选自沸石ITQ-2、ITQ-6及二者的混合物。
11.权利要求1的方法，其中所述通过缩醛化保护多羟基醇羟基的第一步骤通过选自使用固体酸作为催化剂的同相催化或者异相催化的催化作用进行。
12.权利要求1的方法，其中所述缩醛化第一步骤在选自存在有催化剂的连续搅拌罐式反应器、非连续搅拌罐式反应器、连续固定式反应器和流化床反应器的反应器中进行。
13.权利要求1的方法，其中所述缩醛化第一步骤在惰性气体中，在选自大气压至2-10个大气压间的压力下进行。
14.权利要求1的方法，其中所述缩醛化第一步骤在25℃-60℃的温度下进行。
15.权利要求1的方法，其中所述缩醛化第一步骤使用相对于多羟基醇质量在1％-20％间的催化剂进行。
16.权利要求1的方法，其中所述缩醛化第一步骤在大气压，氮惰性气体下，在25℃-40℃的温度下，且在异相催化剂存在下进行，催化剂的量相对于多羟基醇的质量在1％-20％间。
17.权利要求1的方法，其中所述缩醛化第一步骤使用选自非取代醛、取代醛、非取代酮和取代酮的羰基化合物进行。
18.权利要求17的方法，其中所述酮为低分子量脂肪酮。
19.权利要求17的方法，其中所述羰基化合物选自丙酮、丁酮、2-戊酮、3-戊酮、3-己酮、甲醛、乙醛、丙醛和苯甲醛。
20.权利要求1的方法，其中所述缩醛化第一步骤使用摩尔比为1∶1-30∶1的羰基化合物多羟基醇进行。
21.权利要求1的方法，其中所述酯化作用的第二步骤在无溶剂下进行。
22.权利要求1的方法，其中所述酯化作用的第二步骤在选自存在有催化剂的连续搅拌罐式反应器、不连续搅拌罐式反应器、连续固定式反应器和流化床反应器的反应器中进行。
23.权利要求1的方法，其中所述酯化作用的第二步骤在惰性气体中，在选自大气压至2-10个大气压间的压力下进行。
24.权利要求1的方法，其中所述酯化作用的第二步骤在100℃-200℃的温度下进行。
25.权利要求1的方法，其中在所述酯化作用的第二步骤中，存在的缩醛化多羟基醇与脂肪酸的摩尔比为1∶1-4∶1。
26.权利要求1的方法，其中在所述酯化作用的第二步骤中，存在的催化剂的量相对于缩醛化多羟基醇的总质量为1％-30％。
27.权利要求1的方法，其中所述脂肪酸含有6-30个碳原子。
28.权利要求1的方法，其中所述脂肪酸选自己酸、辛酸、癸酸、十二烷酸、十四烷酸、十六烷酸、十八烷酸、二十烷酸、十六碳烯酸、十八碳烯酸及其混合物。
29.权利要求1的方法，其中所述多羟基醇为直链饱和脂肪醇。
30.权利要求1的方法，其中所述多羟基醇选自甘露醇、艾杜糖醇、卫矛醇、木糖醇及塔罗糖醇。
31.权利要求1的方法，其中所述多羟基醇为山梨醇。
32.权利要求1的方法，其中所述方法在“一锅法”反应中进行，其中所述的缩醛化的第一步骤及所述的酯化作用的第二步骤不需分离中间产物直接进行，向第一步骤的缩醛化产生的混合物中加入脂肪酸，且相同催化剂在缩醛化步骤中及在与脂肪酸酯化作用步骤中起作用。
33.权利要求31的方法，其中在向缩醛化所得混合物中加入酸和/或脂肪酸以前，通过蒸馏分离出缩醛化步骤中使用的羰基化合物。
全文摘要
本发明涉及一种制备多羟基醇单酯的方法。此发明方法包括通过缩醛化保护多羟基醇的羟基的第一步骤，及包括在一种或多种固体酸催化剂存在下所述缩醛化多羟基醇与脂肪酸的酯化的第二步骤。
文档编号C07H13/06GK1960963SQ200580008636
公开日2007年5月9日 申请日期2005年1月13日 优先权日2004年1月21日
发明者A·科尔马卡诺斯, S·伊波拉乔尔内, A·I·韦尔蒂, S·比阿布德哈米德 申请人:康斯乔最高科学研究公司, 巴伦西亚理工大学, 马来西亚大学