制备羧酸巯基烷基酯的方法
【专利摘要】通过巯基烷基醇和羧酸的酸催化酯化反应制备羧酸巯基烷基酯的方法一般导致形成不需要的、通常微溶性的副产物。本发明方法在不存在酸催化剂的情况下进行，避免了形成这些副产物。尤其在本发明酯化方法作为反应性蒸馏进行和使用反应塔和停留容器的情况下，即使在不使用酸催化剂的情况下也获得优良的转化率，并且同时显著避免了副产物的形成。
【专利说明】制备羧酸巯基烷基酯的方法
[0001]描述
[0002]将2011年8月24日递交的在先美国申请61/526，714引入本申请中以供参考。
[0003]本发明涉及一种通过羧酸与巯基烷基醇的自动催化反应制备羧酸巯基烷基酯的方法。
[0004]在工业上制备羧酸酯的最重要的方法是用醇将羧酸直接酯化。所用的羧酸仅仅非常缓慢地反应，这是因为其酸度低。所以，在现有技术中加入强酸(例如硫酸、对甲苯磺酸、酸性离子交换剂和烷氧基化钛)作为用于酯化反应的催化剂。酯化反应是平衡反应。所以为了使反应平衡向反应产物那侧移动，通常先加入过量的原料或者在反应期间从反应混合物除去产物。因此，例如，从反应混合物中以气态形式除去反应水，从而使得酯化反应平衡向酯那侧移动。这通常使用夹带剂实现。
[0005]在共沸蒸馏中，作为原料的羧酸和醇通常与夹带剂和催化剂一起放置在反应容器中。然后通过蒸馏，反应水与夹带剂一起被除去，通常同时循环夹带剂，直到达到满意的反应转化率，并且酯可以从反应混合物分离出来。
[0006]在反应性蒸馏的情况下，羧酸通常与醇在装有催化剂的反应区中反应。所形成的产物(反应水和羧酸酯)然后作为塔顶产物或作为塔底产物从塔分离出来。[0007]羧酸酯一般也可以通过酯交换或醇与活化的羧酸衍生物(例如酰氯或酸酐)反应制备。这尤其在热敏性基质的反应中或在制备敏感性产物中使用。但是，从活化的羧酸衍生物开始的酯化方法通常是昂贵和不经济的。
[0008]羧酸和巯基烷基醇的酯，即羧酸巯基烷基酯，尤其是丙酸巯基乙基酯，适合用作聚合反应中的摩尔质量调节剂，代替其它常规、但环境不友好的长链硫醇(W02010/094641)。
[0009]但是，在间歇工艺中羧酸与巯基烷基醇的均相酸催化酯化反应(酸催化的共沸酯化)中，例如使用对甲苯磺酸(US5，916，987)作为均相催化剂，不需要的高沸点物的形成增加(巯基烷基醇的低聚物或聚合物和/或0，S-酰基化化合物)。为了避免形成这些副产物，反应必须在高度稀释下进行。这进而增加了制备酯的成本，因为所加入的溶剂必须在反应后通过蒸馏以复杂的方式除去。另外，催化剂的复杂除去操作在均相催化酯化的情况下是必需的。W02008/069904描述了从酸酐作为活化羧酸衍生物开始以酸催化的方式制备羧酸疏基烷基酯。Seliger 和 GdrtZ (Synthetic Communications (1980)，10:175-182)描述
了即使在没有添加催化剂的情况下使特定的羧酸与特定的巯基烷基醇进行共沸酯化反应。Barco 等(Synthetic Organic Chemistry (2004), 34; 2849-2855)描述了在氟化|丐作为催化剂的情况下进行这种共沸酯化。Nahmany和Melman (Synthesis, (2006), 17, 2841-2844)描述了另一方面通过添加二环己基碳二酰亚胺进行酯化。
[0010]其中以均相催化方式进行酯化反应的方法(Firouzabadi等，J MolecularCatalysis A: Chemical (2008), 289:61-68; Tayebee 等,Monatshefte Chemie (2006), 137:1063-1069;Pandey 等，J Molecular Catalysis A:Chemical(2006)，245:255-259;Kumar 等，Synlett (2001), 2:206-209, US4, 615，836)也已经用于制备羧酸巯基烷基酯。当使用酸性多相催化剂时，从产物混合物分离催化剂的操作是显著更简单的，与使用均相酸催化剂的情况相比不太复杂。但是，使用活化的羧酸衍生物、例如羧酸酐通常是必要的，或者大量的催化剂或大量过量的酸是必要的。但是，在多相酸催化酯化中也形成不需要的副产物，例如巯基烷基醇的低聚物或聚合物和/或O，S-酰基化化合物。所以，以此方式获得的酯通常必须通过蒸馏提纯。副产物有时以固体的形式获得，这从工艺工程的角度来看是特别不利的。
[0011]所以，本发明的目的是通过羧酸与巯基烷基醇的酯化反应制备羧酸巯基烷基酯，且同时避免现有技术的缺点，尤其是避免形成在均相或多相酸催化酯化中观察到的不需要的副产物。此目的通过所要求保护的和下文中描述的实施方案实现。
[0012]因此,本发明提供一种制备竣酸疏基烷基酷的方法，其中竣酸与疏基烷基醇通过反应性蒸馏在不存在额外的活性酸催化剂(均相或多相的)的情况下进行自动催化酯化反应。
[0013]对于本发明的目的而言，额外的活性酸催化剂(均相或多相的)是与要酯化的羧酸不同的酸(路易斯酸或布朗斯台德酸)，并且与在不添加酸(除了要酯化的羧酸之外)的情况下对于其它相同的酯化混合物相比，在给定的酯化条件下和在基于全部酯化混合物平均计加入的量或比例的情况下，实现了羧酸与巯基烷基醇的酯化速率提高至少50%、至少100%或至少200%。酯化条件尤其是通过作为原料所用的羧酸和巯基烷基醇的类型和用量或比例、温度和压力以及所用任选溶剂的类型和用量或比例来表征。酯化速率是在反应开始时形成酯化产物、即羧酸巯基烷基酯的速率的限度。这可以在检测酯浓度中的正切梯度随着酯化反应开始后的时间而变化来确定。酯化速率因此是对应于酯浓度随着酯化反应开始后的时间而变化的时间函数获得的。为了本发明目的，不存在额外的活性酸催化剂(均相或多相的)则是其中尽管额外酸已被加入反应混合物中、但不会引起酯化速率在反应条件下增加到上述程度的情况，或是加入的量或比例过小以致不会引起酯化速率增加。
[0014]所以，本发明尤其提供一种制备羧酸巯基烷基酯的方法，其中从作为原料的羧酸与巯基烷基醇进行酯化反应，其中酯化反应是在不存在额外的活性酸催化剂的情况下进行，其中所述额外的活性酸催化剂是这样用量的酸，其使得与羧酸和巯基烷基醇在不添加额外酸的情况下进行酯化相比，在``其它相同的酯化条件下，基于全部酯化混合物平均计，所述酯化反应的速率提高至少50%、至少100%或至少200%，并且其中酯化反应是作为反应性蒸馏进行的，其中
[0015]a)原料羧酸和巯基烷基醇作为连续料流加入精馏塔的反应区中，
[0016]b)这些原料在精馏塔中反应形成作为反应产物的羧酸巯基烷基酯和反应水，
[0017]c)反应混合物在精馏塔中进行分馏，和
[0018]d)含有羧酸巯基烷基酯的馏分在精馏塔的塔底排出，并且含有反应水的馏分在精馏塔的塔顶取出。
[0019]在酯化反应期间形成的羧酸巯基烷基酯的量或比例可以对于酯化反应的原料和产物进行通过GC或HPLC分析测定，尤其是使用内标或外标。
[0020]原则上，酯化反应可以作为共沸蒸馏以不连续的方式进行(间歇方法)。本发明方法是作为反应性蒸馏进行的。在这种情况下，原料、即巯基烷基醇和羧酸，通常按照基本上化学计算量比率连续地加入塔中(带有反应区的精馏塔)，例如巯基烷基醇的摩尔量与羧酸的摩尔量之比是0.8-1.2。所形成的反应水在塔顶分离出去，所形成的羧酸巯基烷基酯在塔底取出。通过作为反应性蒸馏、连续地进行且连续地除去反应水和反应产物进行此方法，使得可以获得有利的总反应转化率。
[0021]因此，在一个优选实施方案中，本发明的制备羧酸巯基烷基酯的方法是作为反应性蒸馏进行的，其中:
[0022]a)原料羧酸和巯基烷基醇作为连续料流加入精馏塔的反应区中，
[0023]b)这些原料在精馏塔中反应形成作为反应产物的羧酸巯基烷基酯和反应水，
[0024]c)反应混合物在精馏塔中进行分馏，和
[0025]d)含有羧酸巯基烷基酯的馏分在精馏塔的塔底排出，并且含有反应水的馏分在精馏塔的塔顶取出。
[0026]本发明方法的所有步骤优选连续地进行。
[0027]在本发明的一个实施方案中，酯化反应在停留容器中进行到部分转化率。优选选择停留时间以使得平衡反应的初始快反应速率被覆盖。优选设置停留时间以使得在给定的反应条件下(尤其是设置反应温度和所选择的原料)形成5-50%、优选10-30%，特别优选15-25%的平衡酯浓度。停留时间是作为总反应空间的体积除以加入总反应空间的料流的总流速得到的商给出的，所述料流即新加入的羧酸和新加入的巯基烷基醇和任何加入的额外溶剂和/或夹带剂。总反应空间是其中原料可以酯化形成产物的装置的反应空间；其是由停留容器的反应空间和精馏塔的反应区以及在停留容器和精馏塔之间的连接管线形成的。停留容器的反应空间通常占总反应空间的主要部分，优选至少60%，特别优选至少80%，尤其是至少90%。所以 ，停留时间可以通常非常好地作为用停留容器的反应空间的体积除以加入总反应空间的料流的总流速得到的商来确定。因此，停留时间可以尤其经由停留容器的尺寸与所需产量之间的比率来设定。停留容器优选具有搅拌器、泵循环和/或温度控制设施。在停留容器中的反应优选在80-200°C的温度下进行，特别优选100-160°C，尤其是100-140°C。在停留容器中的绝对压力优选是0.5-16巴，特别优选0.9-6巴。在停留容器中的压力是至少等于反应混合物在所选择温度下的蒸气压。在停留容器中的温度优选选择以使得其对应于或稍微高于进入塔的入口的温度、但对应于不超过塔底的温度。停留容器的反应空间是在与具有汽提段和富集段的精馏塔的反应区进行的体积交换中。在精馏塔中，产物在塔顶或塔底分离出来。已贫化产物的料流是作为侧出口料流从塔获得的。在优选的方案中，此料流被循环到停留容器。当进行本发明反应性蒸馏时使用停留容器，使得较大量的原料可以进行酯化反应，同时产物(酯和反应水)的去除可以在对于给定产量而言较小的精馏塔中进行，因此是有利的。停留容器的使用使得不是必须在精馏塔的反应区中达到合适的停留时间，这使得精馏塔可以以较小的规模制造。
[0028]在一个优选实施方案中，本发明的制备羧酸巯基烷基酯的方法因此作为反应性蒸馏和在使用停留容器的情况下进行，其中:
[0029]a)原料、即羧酸和巯基烷基醇作为连续料流加入整个反应空间中，所述反应空间包括停留容器的反应空间和精馏塔的反应区，
[0030]b)这些原料在整个反应空间中反应以将它们部分转化成羧酸巯基烷基酯和反应水，
[0031]c)将来自步骤b)的反应混合物从停留容器加入精馏塔中，所述反应混合物含有作为酯化产物的羧酸巯基烷基酯和反应水以及未反应的原料，
[0032]d)通过在精馏塔中蒸馏从反应混合物分离出羧酸巯基烷基酯和反应水，并且在精馏塔的塔底或塔顶排出，同时已贫化产物的反应混合物作为侧出口料流从精馏塔排出，和
[0033]e)将在步骤d)中从精馏塔作为侧出口料流排出的已贫化产物的反应混合物循环到停留容器。
[0034]在这里，一种或多种已贫化产物的馏分可以作为一种或多种侧出口料流从精馏塔排出，这取决于原料和产物在蒸馏条件下的相应沸点。优选连续地进行所有工艺步骤。尤其是，将反应混合物从停留容器引入精馏塔的操作(步骤c)和将作为一种或多种侧出口料流从精馏塔排出的一种或多种已贫化产物的馏分从精馏塔循环到停留容器的操作(步骤e)是作为连续料流进行的。在精馏塔中的分馏优选在减压下进行，例如在1-800毫巴的绝对压力下，通常在10-500毫巴的绝对压力下。在这些条件下，蒸馏可以在塔底在较低的温度下进行，由此可以另外减少不需要的副产物的形成。但是，分馏也可以在大气压或超过大气压的压力下进行。
[0035]根据原料的选择，要在塔顶取出的反应水可以带有与之共沸结合的原料。在一个优选方案中，来自塔的塔顶产物在这些情况下与合适的助剂(例如环己烷、甲苯)混合，并加入相分离容器中，从而将混合物分离成主要含有助剂和原料的上层液相以及主要含有水的下层相。水相被排出，助剂/原料相被循环到塔顶。
[0036]本发明的酯化方法是例如使用支化或未支化的具有2-8个碳原子的羧酸进行，优选具有2-5个碳原子。合适的羧酸例如是乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸、庚酸或辛酸。
[0037]此外，本发明的酯化方法是使用例如支化或未支化的具有2-4个碳原子的巯基烷基醇进行。合适的疏基烷基醇例如是2_疏基乙醇、2_疏基丙醇、3_疏基丙醇、1_疏基-2-丙醇、2-巯基丁醇、3-巯基丁醇、4-巯基丁醇、1-巯基-2- 丁醇、1-巯基-3- 丁醇、2-巯基-3- 丁醇或巯基异丁醇。
[0038]在具有2-8个碳原子的羧酸、尤其具有2-5个碳原子的羧酸与具有2_4个碳原子的巯基烷基醇在反应性蒸馏中进行的酯化反应中，形成的产物(酯和反应水)可以有利地从未反应的原料(巯基烷基醇和羧酸)分离出来，这是因为反应水、原料和酯具有不同的沸点。
[0039]本发明方法的一个优选实施方案提供用2-巯基乙醇将丙酸酯化以形成丙酸巯基乙基酯的方法。
[0040]本发明的羧酸与巯基烷基醇的酯化反应优选在80-200°C的温度下进行，优选100-160°C，尤其是100-140°C，压力是0.5-16巴绝对压力，优选0.9-6巴。
[0041 ] 本发明的羧酸与巯基烷基醇的酯化反应可以在夹带剂的存在下进行。为了本发明目的，夹带剂不包括任何酸。优选的夹带剂是芳族和/或脂族的烃，例如甲苯、二甲苯、环己烷和/或环庚烷，尤其是甲苯。在这种情况下，本发明的酯化反应优选在不超过5重量％的夹带剂的存在下进行，基于原料(羧酸和巯基烷基醇)的总量计。本发明的酯化反应也可以在溶剂的存在下进行。为了本发明目的，溶剂不包括任何酸。溶液也可以用作夹带剂，反之亦可。在这种情况下，本发明的酯化反应优选在不超过5重量％的溶剂和/或夹带剂的存在下进行，基于原料(羧酸和巯基烷基醇)的总量计。在一个实施方案中，本发明的酯化反应是作为反应蒸馏且在不添加溶剂和/或夹带剂的情况下进行。
[0042]已经观察到在本发明的羧酸与巯基烷基醇在不添加额外活性酸催化剂(均相或多相的)下进行的酯化反应中能显著地减少不需要的副产物的形成。副产物尤其是巯基烷基醇的O，S-酰基化化合物或低聚化合物。因为这些副产物通常作为不溶性固体沉淀，所以它们对于在工业上进行此工艺而言是尤其存在问题的。与不添加活性酸催化剂相关的反应速率的降低可以根据本发明通过以反应性蒸馏方式进行酯化反应来补偿，尤其是对于反应使用停留容器。即使当反应温度和反应时间(停留时间)增加时，也达到了与巯基烷基醇和羧酸的催化反应相比相当的转化率，避免了在催化反应中观察到的副产物的形成。本发明方法提供了对于巯基烷基醇与羧酸的催化酯化反应的有效替代方法，同时避免或至少减少了在催化反应中出现的副产物的形成。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1显示了本发明的反应性蒸馏方法的例子，其中丙酸(PA)用巯基乙醇(ME)酯化以形成作为酯的丙酸巯基乙基酯(MEP)。将原料丙酸(PA)和巯基乙醇(ME)加入停留容器(V)中。停留容器可以保持在酯化温度下并配备搅拌器。在此容器中，醇和羧酸反应得到酯，同时形成反应水(H20)。根据停留时间，可以或多或少地完全达到酯化产物的平衡浓度。停留时间是从原料的流速(包括循环的原料)和停留容器的体积获得的。然后将来自停留容器(V)的反应混合物(？么，1^，1^?，!120)加入用于反应性蒸馏的塔(K)中。在塔(K)中，分离反应混合物的各组分。酯化产物、即丙酸巯基乙基酯(MEP)在塔底被分离出来，反应水(H2O)在塔顶被分离出来，已贫化产物的料流(PS，ME, (MEP, H2O))作为侧出口料流从塔(K)取出并循环到在停留容器(V)中的反应混合物中。在使用停留容器的情况下连续地进行反应性蒸馏，允许在不存在酸催化剂下的酯化反应的反应速率较低的缺点得到补偿。
[0044]图2显示了在用巯基乙醇酯化丙酸的反应中的产率随着时间的变化。丙酸巯基乙基酯的比例由重量％ (y轴)表示，是通过气相色谱分析(GC分析)作为反应时间(分钟，X轴)的函数检测的。在不添加催化剂情况下的酯化反应的产率(实施例1 _)和在添加多相酸催化剂情况下的酯化反应的产率(对比实施例1随着时间的变化而显示。
实施例
[0045]下面通过以下非限制性实施例说明本发明。
[0046]实施例1
[0047]在不添加酸催化剂和不添加夹带剂的情况下用巯基乙醇酯化丙酸
[0048]在250ml四颈烧瓶中，合并78.1g巯基乙醇(Imol)和74.1g丙酸(Imol)并加热到140°C。由于所形成的反应水，在反应期间的内部温度降低到120°C。在反应过程中的丙酸巯基乙基酯的产率通过在反应期间用GC检测来监控，并显示在图2中。在480分钟之后，将反应混合物冷却。在冷却之后，反应混合物是透明的无色液体。粗产物的GC分析显示组成为26.6重量％的丙酸(对应于37.6g)、30.2重量％的巯基乙醇(对应于42.6g)、37.1重量％的丙酸巯基乙基酯(对应于52.3g，理论产率的39.0%)和0.64面积％的高沸点物(面积％是在GC色谱中的峰面积的百分比)。
[0049]对比实施例1
[0050]在添加多相酸催化剂、但不添加夹带剂的情况下用巯基乙醇酯化丙酸
[0051]在250ml四颈烧瓶中，合并78.1g巯基乙醇(Imol)和74.1g丙酸(Imol),并加入5重量％的多相催化剂Amberlyst⑧15 (来自Rohm and Hass公司)。将此混合物加热到80°C。在反应过程中的丙酸巯基乙基酯的产率通过在反应期间用GC检测来监控，并显示在图2中。在反应期间形成低聚副产物，其作为固体沉淀出来。此固体的形成也是导致在反应约120分钟之后酯产率降低的原因，如图2所示。
[0052]尽管与不添加额外催化剂的批料(实施例1)相比，添加多相酸催化剂显著提高了酯化反应速率，但是不需要的副产物的形成也增加(形成固体)。
[0053]对比实施例2
[0054]在酸性催化剂和夹带剂(甲苯)的存在下用巯基乙醇酯化丙酸
[0055]在500ml的磨口法兰反应器中加入如表1所示的反应混合物A、B和C。在每种情况下将反应混合物加热到回流，并且在相分离器上分离出所形成的反应水(在方案A和B的情况下回流90分钟，在方案C的情况下回流150分钟)。在方案A和B中使用对甲苯磺酸作为均相酸催化剂，在方案C中使用多相气体催化剂Amberlystl5。在所有三个方案中，原料用大量的夹带剂(甲苯)稀释(在方案A中是基于原料总量计的25重量％，在方案B和C中是基于原料总量计的150重量％)。
[0056]表1
[0057]
【权利要求】
1.一种制备羧酸巯基烷基酯的方法，其中从作为原料的羧酸和巯基烷基醇在不存在额外的活性酸催化剂的情况下进行酯化反应，其中所述额外的活性酸催化剂是这样用量的酸，其使得与羧酸和巯基烷基醇在不添加额外酸的情况下进行酯化相比，在其它相同的酯化条件下，基于全部酯化混合物平均计，所述酯化反应的速率提高至少200%，并且其中酯化反应是作为反应性蒸馏进行的，其中 a)原料羧酸和巯基烷基醇作为连续料流加入精馏塔的反应区中， b)这些原料在精馏塔中反应形成作为反应产物的羧酸巯基烷基酯和反应水， c)反应混合物在精馏塔中进行分馏，和 d)含有羧酸巯基烷基酯的馏分在精馏塔的塔底排出，并且含有反应水的馏分在精馏塔的塔顶取出。
2.一种制备羧酸巯基烷基酯的方法，其中从作为原料的羧酸与巯基烷基醇在不存在额外的活性酸催化剂的情况下进行酯化反应，其中所述额外的活性酸催化剂是这样用量的酸，其使得与羧酸和巯基烷基醇在不添加额外酸的情况下进行酯化相比，在其它相同的酯化条件下，基于全部酯化混合物平均计，所述酯化反应的速率提高至少200%，并且其中酯化反应是作为反应性蒸馏且在使用停留容器的情况下进行，其中: a)原料、即羧酸和巯基烷基醇作为连续料流加入整个反应空间中，所述反应空间包括停留容器的反应空间和精馏塔的反应区， b)这些原料在整个反应空间中反应以将它们部分转化成羧酸巯基烷基酯和反应水， c)将来自步骤b)的反应混合物从停留容器加入精馏塔中，所述反应混合物含有作为酯化产物的羧酸巯基烷基酯和反应水以及未反应的原料， d)通过在精馏塔中蒸馏从反应混合物分离出羧酸巯基烷基酯和反应水，并且在精馏塔的塔底或塔顶排出，同时已贫化产物的反应混合物作为侧出口料流从精馏塔排出，和 e)将在步骤d)中从精馏塔作为侧出口料流排出的已贫化产物的反应混合物循环到停留容器。
3.权利要求1或2的方法，其中酯化反应在不超过5重量％的夹带剂的存在下进行，基于作为原料的羧酸和巯基烷基醇的总量计。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中酯化反应在80-200°C的温度下进行。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中用作原料的羧酸具有2-8个碳原子和单个羧酸基团。
6.权利要求1-5中任一项的方法，其中用作原料的巯基烷基醇具有2-4个碳原子、单个醇基团和单个硫醇基团。
【文档编号】C07C323/12GK103748072SQ201280040728
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年8月24日
【发明者】F·加尔利希斯, J·巴尔达姆斯, G·凯贝尔 申请人:巴斯夫欧洲公司