光学纯的丙烷-1,2-二醇的生产的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于生产光学纯的丙烷-1,2-二醇的方法，该方法包括以下方法步骤：a.丙交酯类的氢化，其中在氢气存在的情况下进行一种金属催化的非均相催化，生产出一种包含丙烷-1,2-二醇的粗产物，以及b.动态动力学外消旋拆分，其中在≥99%的对映异构体过量值的范围内生产出光学纯的丙烷-1,2-二醇。
【专利说明】光学纯的丙烷-1, 2- 二醇的生产
[0001]本发明涉及一种用于由丙交酯类生产光学纯的丙烷-1，2- 二醇的方法。
[0002]在工业规模上通过环氧丙烷的水解或由甘油来生产丙烷-1，2-二醇。它主要用在化妆品产品中，如护肤膏以及牙膏。它改善了不同活性成分的吸收并且显示出抗微生物功效。此外，它在欧盟是一种经批准的食品添加剂。它还用作着色剂、抗氧化剂以及乳化剂的载体和载体溶剂。
[0003]在这种情况下，丙交酯类是乳酸的环状二酯类。在乳酸聚合过程中，例如，会存在不同类型的丙交酯。这些可以是纯L，L-丙交酯或纯D，D-丙交酯。由于普遍存在的对于快速反应工艺所需的高温，并且归因于乳酸或反应容器中的阳离子型污染物(例如，由腐蚀引起的)，出现了外消旋化的问题，由此形成了内消旋丙交酯作为副产物。和L，L-丙交酯一样，内消旋丙交酯是一种在环中具有两个光学活性的碳原子的环状二酯。它具有一个光学的R以及一个S中心，并且因此是无光学活性的。内消旋丙交酯类对于相关的乳酸聚合具有负面影响，必须将其分离出来。因此它们是作为乳酸聚合的副产物产生的。
[0004]此外，例如，存在外消旋丙交酯类，这些是由同样数量的D，D-丙交酯和L，L-丙交酯通过融熔生产的。单独的丙交酯可由其熔融温度来区分。L, L-丙交酯和D-D-丙交酯具有970C的熔融温度，而内消旋丙交酯具有54°C的熔融温度，并且L，L/D, D-丙交酯具有129°C的溶融温度。
[0005]通过来自乳酸的烷基酯类的氢化以形成丙烷-1，2-二醇是已知的。这种转化用非均相催化剂和均相催化剂都有可能发生。
[0006]例如，(H.Adkins 等人，美国化学会志(J.Am.Chem.Soc.) 1948，70，3121-3125)描述了在125°C以及345bar的H2压力下使用一种氧化铜-氧化铬催化剂在乙醇中进行乳酸乙酯的氢化。在250°C以及300bar氢气压力下使用一种氧化铜-氧化铬-钡催化剂也是成功的(K.Folkers 等人，美国化学会志(J.Am.Chem.Soc.) 1932,54，1145-1154)。就在最近，W02011036189A1以及W02009 103682A1中描述了在气相中使用硅酸铜类进行的乳酸酯类的氢化。在W02005023737A1中还建议将氧化铝上的铜用于乳酸甲酯类的还原。
[0007]此外，还已经研究了各种非均相钌催化剂。例如，负载在氧化钛上的Ru-B是一种活性催化剂，用于在90°C以及40bar H2下在作为溶剂的水中进行的乳酸乙酯类的氢化(G.-Y.Fan等人，化学快报(Chem.Lett.) 2008，37，852-853)。该催化剂通过使用NaBH4将RuCl3还原来制备。锡改性的SBA-15分子筛上的RuB(G.Luo等人，应用催化A:概览(Appl.Catal.,A:General) 2007, 332, 79-88)以及 Y-氧化铝上的 Ru-B (G.Luo 等人，分子催化杂志 A:化学(J.Mol.Catal.A: Chemical) 2005，230，69-77 以及 G.Luo 等人，应用催化 A:概览(Appl.Catal.,AiGeneral) 2004, 275，95-102)在乳酸乙酯类的还原中也产生了一般到良好的收率。不幸的是，Ru-B催化剂类不是化学选择性的。一种Nishimura催化剂(Rh/Pt氧化物)证实了其自身在25°C以及IOObar氢气压力下在MeOH中进行的乳酸乙酯类的氢化中是有效的(M.Studer 等人,高等合成催化(Adv.Synth.Catal.) 2001, 343, 802-808)。具有改性 P, N-配体(EP2161251A1 ;ff.Kuriyama 等人，高等合成催化(Adv.Synth.Catal.)2010，352，92-96)或P，P-配体(EP1970360A1)的均相钌催化剂类非常成功地用于乳酸酯类的氢化，其中这些反应在80°C _90°C的温度以及30-50bar H2的H2压力下发生。
[0008]只是最近才在机理研究的背景下使用氘化锂铝成功地由丙交酯类的还原得到丙二醇-d2(R.M.Painter 等人,应用化学国际版(Angew.Chem.1nt.Ed.)2010, 49, 9456-9459)。
[0009]W02006/124899描述了丙交酯类的催化氢化以得到丙二醇。在这种情况下，例如，氢化在脂肪醇类存在的情况下在气相或液相中进行。这样做的话，以20°C至250°C以及1.4至275bar的反应条件为基础,反应时间为I至10小时。通过这种反应，不管该起始产物是对映异构体之一还是其混合物，都没有差别。然而，可以假定的是，在反应过程中发生了外消旋化，因此不是以光学纯的形式得到丙二醇。
[0010]这对许多应用是不利的，这是因为，尽管对映异构体都有相同的物理性能，但它们都在涉及另一种对映体纯的反应伙伴的化学反应中不同地进行反应。同样地，当用于药理学领域以及农业化学、臭气和香料领域中的应用时，对映异构体的物质产生彼此不同的效
果O
[0011]为了由外消旋混合物得到以其光学纯形式的一种对映异构体，已知的是动态动力学外消旋拆分(DKR)。只需要非常少量的一种Ru催化剂(达按摩尔计0.05%)来实现醇类的外消旋拆分(K.Bogar等人，贝尔施坦有机化学杂志(Beilstein J.0rg.Chem)2007,3(50))，这是一种带有底物的原位外消旋化的动力学外消旋拆分。该外消旋拆分通过生物催化而酶促地发生，并且通过金属催化剂类，而且还通过有机催化剂类、碱类、加热、使用酶类、路易斯酸类、以及氧化还原和自由基反应来实现外消旋化。然而，用于由丙交酯类生产光学纯形式的丙烷-1，2- 二醇的方法的应用还是未知的。
[0012]由于这个原因，优选的是提供一种方法，该方法允许以光学纯的形式产生丙烷-1，2-二醇。此外，这种方法应开始于丙交酯类，特别是当内消旋丙交酯作为一种废物在乳酸聚合中得到并且因此可以用于其他用途时。然而，以上提及的其他丙交酯形式也可以有利地转化成光学纯的丙烷-1，2- 二醇。
`[0013]因此，本发明的目的是提供一种方法，该方法使得可以在>99%的对映异构体过量值(e.e.)的范围内由丙交酯类生产光学纯的丙烷-1，2- 二醇。
[0014]本发明通过一种用于生产光学纯的丙烷-1，2-二醇的方法实现这个目的，该方法包括以下方法步骤:
a.丙交酯类的氢化，其中在氢气存在的情况下进行一种金属催化的非均相催化，生产出一种包含丙烷-1，2- 二醇的粗产物，以及
b.动态动力学外消旋拆分，其中在>99%的对映异构体过量值的范围内生产出光学纯的丙烷-1.2-二醇。
[0015]在该方法中，步骤a)中发生以下反应:
\.0^0催化虬H2OH
0ΛΑ -^ 2 A/OH
KJ醇
酸外消旋的丙烷-1，2-二醇
[0016]该醇既起溶剂又起反应物的作用，该醇中的丙交酯浓度就所得到的收率而言是不重要的。优选该醇应是过量地可供使用的。
[0017]用于动态动力学外消旋拆分的体系包括一种调节上游外消旋化平衡的催化剂，以及一种通过酯化从该外消旋化平衡中提取对映异构体之一的酶。
[0018]在本申请的背景下，术语“光学纯的”意思是对映体纯的丙烷-1，2-二醇。这意味着，在主权利要求中规定的对映异构体过量值>99%的光学纯的丙烷-1，2-二醇的生产可以等同于99%的对映体纯度。生产(R)-对映异构体还是(S)-对映异构体并不重要。
[0019]在根据本发明的方法的一个实施方案中，使用选自包括以下各项的组的丙交酯类:D, D-丙交酯、L, L-丙交酯、内消旋丙交酯以及L，L/D, D-丙交酯。丙交酯类是乳酸的环状酯类，该乳酸的环状酯类能以对映异构体的形式，即D或L形式存在。L，L-丙交酯描述了一种包括两个L-乳酸分子的酯，在专业文献中也被称为S，S-丙交酯。同样的情况适用于D，D-丙交酯，它也被称为R，R-丙交酯。L，L/D, D-丙交酯被理解为指包括D，D-丙交酯和L，L-丙交酯的等摩尔的混合物的外消旋体(在专业文献中也被称为外消旋丙交酯或R，S-丙交酯)。与此相反，内消旋丙交酯描述了一种包括D-和L-乳酸的丙交酯。因此，权利要求2说明了可以对所有可能的丙交酯类进行根据本发明的方法。这还包括具有不同的乳酸对映异构体组合物的寡聚丙交酯类，并且优选二丙交酯类。
[0020]有利的是，在步骤a)中在液相中进行该金属催化的非均相催化。这样做的话，优选从包括以下各项的溶剂的组中选择该液相:水、具有高达10个C原子的链长的脂肪族或芳香族烃类、以及它们的混合物，其中该脂肪族烃类优选是醇类，特别优选所使用的是甲醇和/或乙醇。
[0021]在根据本发明的方法的一个优选实施方案中，步骤a)中的非均相催化是通过一种来自于金属族的催化剂进行的，其中该金属选自于包括以下各项的组:钌、铑、铼、钯、钼、镍、钴、钥、鹤、钛、错、银、银、铬、猛、锇、铱、铁、铜、锌、银、金、锁以及它们的混合物，优选亚铬酸铜催化剂类和/或添加有钡的亚铬酸铜催化剂类。
[0022]在该方法的另外的实施方案中，步骤a)中的非均相催化是在小于20至300bar的氢气压力、优选小于130至170bar的氢气压力、并且特别优选小于140至160bar的氢气压力下进行的。
[0023]优选地，步骤a)中的非均相催化是在20°C至250°C的温度范围内、优选在130°C至170°C的温度范围内、特别优选在145°C至155°C的温度范围内进行的。
[0024]作为一种选择，在步骤a)中进行该非均相催化之前，用氢气将该压力容器冲洗I至5次，优选3次。
[0025]在该方法的一个进一步的实施方案中，该非均相催化在步骤a)中进行5至20小时的时间，优选10至18小时的时间，特别优选12至16小时的时间。
[0026]有利的是，在步骤a)中的非均相催化过程中进行搅拌。还有利的是，在步骤a)中的非均相催化过程中连续地推动氢气通过。
[0027]在这种方法的优选实施方案中，在步骤a)中的非均相催化完成之后，从该粗产物中分离出该催化剂。
[0028]在一个进一步的实施方案中，对步骤a)所获得的粗产物进行一个浓缩步骤和/或一个蒸馏步骤，其中产生了一种包含丙烷-1，2-二醇的馏分以及一种包含溶剂的馏分。
[0029]优选的是，将步骤a)中的非均相催化所使用的溶剂送回到该方法中。[0030]在该方法的一个进一步的设计变体中，以一个保护基团对由步骤a)所得到的丙烷-1，2-二醇进行修饰，并且生产出1-0-取代的丙二醇。有利的是，该保护基团是一种可回收利用的、非手性的保护基团，并且选自包括以下各项的组:叔丁基、苯基、甲基、乙酰基、苯甲酰基、三苯甲基、甲硅烷基以及苄基。这意味着可以使用新戊酸酯类、对甲氧苄基、三甲基甲娃烷基、二乙基甲娃烷基、二异丙基甲娃烷基、二苯甲基甲娃烷基或二叔丁基甲基甲娃烷基。原则上可以使用任何非手性的保护基团(T.w.Green等人，有机合成中的保护基团，威立国际科学，纽约，1999 (T.W.Green et al, Protective Groups in Organic Synthesis,ffiley-1nterscience, New York, 1999))。特别优选的是由步骤a)得到的丙烷-1, 2_ 二醇的伯羟基的保护基团叔丁基。
[0031]在一个进一步的实施方案中，在步骤b)过程中，在一种金属催化剂存在的情况下将一种酶法外消旋拆分用于该动态动力学外消旋拆分。优选使用脂肪酶类。钌催化剂类是优选的金属催化剂类。特别优选的是具有固定化的脂肪酶类的钌催化剂类。
[0032]优选地，步骤b)中的动态动力学外消旋拆分在60°C至90°C的温度范围内进行。这样做的话，反应时间为30至200小时，优选40至60小时。
[0033]在一个进一步的实施方案中，步骤b)中的动态动力学外消旋拆分是在Na2CO3存在的情况下进行的，相对每33mg的酶(对应于330单位)加入0.4mmol至5mmol量的Na2CO30 Na2CO3几乎不溶于该反应介 质并且充当一种非均相添加剂。对此最有利的酶是Novozym435。
[0034]以下用几个实施例更详细地对本发明进行说明。
[0035]实例1:利用Cu/Cr催化剂进行的外消旋丙交酯的氢化
将L，L/D，D-丙交酯(1.00g，6.9mmol)以及亚铬酸酮(1.33g，按重量计133%)悬浮在IOml的高压釜内的5ml无水MeOH中。用H2将该高压釜冲洗三次。然后施加150bar的氢气压力。将该反应混合物在150°C下搅拌15小时。将氢气连续地推动通过，保持148和153bar之间的压力。在已对该高压釜进行冷却和通风后，用5ml MeOH将该反应混合物稀释，并且从该催化剂离心分离出该反应混合物(75min, 4，500rpm)。倾析蓝绿色的反应溶液,用3mlMeOH洗涤残渣，并且在真空中40°C和40mbar下进行浓缩。粗产物(2.06g)为深蓝色，并且包括被大致5%Me0H污染的丙烷-1，2- 二醇(13C-NMR谱)。在101°C至102°C和8mbar下进行蒸馏后得到作为无色液体的纯产物(0.68g，68%)。蒸馏后无机残渣总计为大致30mg。
[0036]实例2:利用Cu/Cr/Ba催化剂进行的外消旋丙交酯的氢化
将L, L/D, D-丙交酯(1.00g, 6.9mmol)以及钡掺杂的亚铬酸酮(1.33g，按重量计133%)悬浮在IOml的高压釜内的5ml无水MeOH或EtOH中。用H2将该高压釜冲洗三次。然后施加150bar的氢气压力。将该反应混合物在150°C下搅拌12小时。将氢气连续地推动通过，保持148和153bar之间的压力。在已对该高压釜进行冷却和通风后，用5ml MeOH将该反应混合物稀释，并且离心分离出该催化剂(15min, 4, 500rpm)。在真空中40°C和40mbar下对该反应溶液进行浓缩。粗产物为浅蓝色，并且包括仍然被大致5%Me0H污染的丙烷-1，2- 二醇。这是通过13C-NMR谱(未示出)测定的。通过在lore至102°C和Smbar下进行蒸馏得到作为无色液体的纯产物(0.8g，82%)。用EtOH进行的反应以比在MeOH中慢得多的速度发生。
[0037]Cu/Cr/Ba催化剂的优点在于，与Cu/Cr催化剂相比，反应发生更迅速。这是通过在测试过程中记录的耗氢曲线测定的。由此得出结论，使用Cu/Cr/Ba催化剂，氢化的发生快大致20%。此外，当使用Cu/Cr/Ba催化剂时，实际上没有催化剂溶解在反应溶液中，这意味着该反应是完全非均相的。相比之下，在一个氢化试验之后，1.3g总量的Cu/Cr催化剂中有高达30mg包含在反应溶液中。
[0038]实例3:利用Cu/Cr/Ba催化剂进行的另外的丙交酯形式的氢化
该方法对应于实例2中所描述的在5ml MeOH存在的情况下在150bar H2下利用Cu/Cr/Ba催化剂进行的方法。确切的反应条件显示在表1中。
表1:
【权利要求】
1.用于生产光学纯的丙烷-1，2-二醇的方法，该方法包括以下方法步骤: a.丙交酯类的氢化，其中在氢气存在的情况下进行一种金属催化的非均相催化，生产出一种包含丙烷-1，2- 二醇的粗产物，以及 b.动态动力学外消旋拆分，其中在>99%的对映异构体过量值的范围内生产出光学纯的丙烷-1，2-二醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该丙交酯类选自包括以下各项的组:D, D-丙交酯、L, L-丙交酯、内消旋丙交酯以及L, L/D, D-丙交酯。
3.根据权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，步骤a)中的金属催化的非均相催化是在液相中进行的。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该液相选自包括以下溶剂的组:水、具有最高达10个C原子的链长的脂肪族或芳香族烃类、以及它们的混合物，其中该脂肪族烃类优选是醇类，特别优选所使用的是甲醇和/或乙醇。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，步骤a)中的非均相催化是使用一种来自于金属族的催化剂进行的，其中该金属选自于包括以下各项的组:钌、铑、铼、钯、钼、镍、钴、钥、鹤、钛、错、银、银、铬、猛、锇、铱、铁、铜、锌、银、金、钡以及它们的混合物，优选使用亚铬酸铜催化剂类和/或添加有钡的亚铬酸铜催化剂类。
6.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，步骤a)中的非均相催化是在小于20至300bar的氢气压力、优选小于130至170bar的氢气压力、并且特别优选140至160bar的氢气压力下进行的。
7.根据以上权利要求之一所`述的方法，其特征在于，步骤a)中的非均相催化是在20°C至250°C之间的温度范围内、优选在130°C至170°C的温度范围内、特别优选在145°C至155°C的温度范围内进行的。
8.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在进行步骤a)中的非均相催化之前，用氢气将该压力容器冲洗I至5次，优选3次。
9.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，该非均相催化在步骤a)中进行5至20小时的时间，优选10至18小时的时间，特别优选12至16小时的时间。
10.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤a)中的非均相催化的过程中进行搅拌。
11.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤a)中的非均相催化的过程中，连续地推动氢气通过。
12.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤a)中的非均相催化完成之后，从该粗产物中分离出该催化剂。
13.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，对由步骤a)所获得的粗产物进行一个浓缩步骤和/或一个蒸馏步骤，其中产生了一种包含丙烷-1，2- 二醇的馏分以及一种包含溶剂的馏分。
14.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，将步骤a)中的非均相催化所使用的溶剂送回到该方法中。
15.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，以一个保护基团对由步骤a)所得到的丙烷-1，2- 二醇进行修饰，并且生产出1-0-取代的丙二醇。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，该保护基团是一种可回收利用的、非手性的保护基团，并且选自包括以下各项的组:叔丁基、苯基、甲基、乙酰基、苯甲酰基、三苯甲基、甲娃烷基以及苄基。
17.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤b)过程中，在一种金属催化剂存在的情况下将一种酶法外消旋拆分用于该动态动力学外消旋拆分。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在该酶法外消旋拆分过程中使用脂肪酶类。
19.根据权利要求17或18之一所述的方法，其特征在于，使用钌催化剂类作为金属催化剂类。
20.根据权利要求17至19之一所述的方法，其特征在于，该动态动力学外消旋拆分是使用具有固定化的脂肪酶类的钌催化剂类来进行的。
21.根据以上权利 要求之一所述的方法，其特征在于，步骤b)中的该动态动力学外消旋拆分是在从60 V至90 V的温度范围内进行的。
22.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，步骤b)中的该动态动力学外消旋拆分进行30至200小时的时间，优选在40至60小时的时间内。
23.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，步骤b)中的该动态动力学外消旋拆分是在Na2CO3存在的情况下进行的,其中，相对每33mg的酶加入0.4mmol至5mmol量的 Na2CO3。
【文档编号】C07C29/149GK103781745SQ201280035474
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年7月20日
【发明者】沃尔夫冈·蒂策, 约阿希姆·舒尔策, 阿明·伯尔纳, 伊凡·舒克洛夫, 克劳斯·库雷恩 申请人:蒂森克虏伯工业解决方案有限公司