专利名称：生产羧酸烷基酯的方法
技术领域：
本发明涉及利用羧酸和醇生产羧酸烷基酯的方法。本发明特别适合于采用链烷双酸作为羧酸来生产链烷双酸二烷基酯，这些链烷双酸二烷基酯适于用作药物、农用化学品、香料、染料、液晶材料，高分子材料等的中间体。
背景技术：
有关在酸催化剂存在下生产链烷双酸二烷基酯的方法，已知的有在硫酸存在下酯化链烷双酸和一元醇(日本专利公开昭63-243060)。此外，至于采用固体酸催化剂生产酯的方法，已知的有采用离子交换树脂作为催化剂来酯化羧酸和醇(日本专利公开昭63-297340)。
然而，按照日本专利公开昭63-243060的生产方法，链烷双酸二烷基酯的总产率则低至约85至95％，且纯度也低至约90至98％。而且所产生的链烷双酸二烷基酯的分离和纯化还需要采用碱中和酸催化剂的步骤，以及在约13至53Pa(0.1-0.4Torr)高真空下和117-201℃高温下进行蒸馏的步骤，此方法不能以高收率经济地得到高纯度的链烷双酸二烷基酯。
发明公开为解决这些难题，本发明人进行了广泛研究，结果发现通过下述方式能够得到大于或等于99％高纯度的链烷双酸二烷基酯，且所用醇的量保持较少在酯化反应中间进行脱水步骤除去反应体系中所产生的水，并重新开始酯化反应，以完成酯化反应。
此外，它们还发现，如果采用固体酸催化剂作为酸催化剂，所产生的链烷双酸二烷基酯能够很容易与酸催化剂分离开。这样就完成了本发明。
本发明涉及在酸催化剂存在下，通过酯化羧酸和一元醇生产羧酸烷基酯的方法，该方法包括下述步骤在反应溶液与酸催化剂分离的情况下，在酯化反应中间进行脱水步骤除去反应体系中所产生的水，并重新开始酯化反应，以完成酯化反应。
最优选的实施方案在本发明中，优选在反应溶液不与酸催化剂接触的情形下进行脱水步骤。如果脱水步骤在反应溶液与酸催化剂接触的情形下进行，则会发生酯分解反应，从而降低收率。
在本发明中，在酯化反应中途使反应溶液不与酯化反应中催化剂接触的方法没有特别限制，且可采用中和或过滤等方法。
在本发明中，酯化反应中间所进行的脱水步骤的次数没有特别限制，但鉴于工作效率，优选脱水步骤的次数为1至3次。如果脱水步骤的次数等于或大于4次，工作效率则往往会降低。
在本发明中，至于酯化反应中间进行脱水步骤的时间选择，当酯化反应中间进行的脱水步骤的次数为1次时，为减少所用醇的量，优选当链烷双酸中有85至95％，尤其是有90至94％转化成链烷双酸二烷基酯时开始进行。
在本发明中，脱水步骤中所采用的脱水方法没有特别限制，且可以采用减压蒸馏，分离，离心，或与脱水剂(如分子筛或硫酸镁)接触等方法。
在本发明中，至于脱水步骤中所进行的脱水程度，当再进行酯化反应时，优选脱水至反应混合物中的水分小于等于0.5％，特别是小于等于0.1％，这是由于所用醇的量能够保持更低。
本发明中所用的酸催化剂优选为固体酸催化剂。这里可使用的固体酸催化剂包括硅胶，氧化铝，沸石，杂多酸，弱酸性离子交换树脂和强酸性离子交换树脂。特别优选强酸性离子交换树脂。
本发明中特别优选使用的强酸性离子交换树脂为苯磺酸型离子交换树脂。这类强酸性离子交换树脂包括但不限于，“Diaion”SK系列(商品名，Mitsubishi Kagaku生产)，“Diaion”PK系列(商品名，Mitsubishi Kagaku生产)，“Amberlite”IR-120B(商品名，Organo生产)，“Amberlist”15E(商品名，Organo生产)，“Dowex”50W系列(商品名，Dow Chemical生产)等。其中，优选“Diaion”PK系列，并且特别优选“Diaion”PK-220-H。这些强酸性离子交换树脂也可以混合物形式使用。
如果需要的话，本发明优选使用的强酸性离子交换树脂可以用无机酸如硫酸，盐酸或硝酸再生。
本发明优选使用的羧酸是通式HOOC-X-COOH所示的链烷双酸(其中X代表含有6至14个碳原子的直链，支链或环烷基链)。这类链烷双酸包括直链链烷双酸如辛二酸，壬二酸，癸二酸，十一烷二酸，十二烷双酸，十三烷二酸，十四烷二酸，十五烷二酸和十六烷二酸；支链链烷双酸如甲基辛二酸，乙基辛二酸，甲基壬二酸，乙基壬二酸，甲基癸二酸，乙基癸二酸，甲基十一烷二酸，乙基十一烷二酸，甲基十二双酸，乙基十二双酸，甲基十三烷二酸，乙基十三烷二酸，甲基十四烷二酸，乙基十四烷二酸和甲基十五烷二酸；以及环烷烃二羧酸如环丁烷二乙酸，环己烷二羧酸，环己烷二乙酸和二环己烷二羧酸。其中，优选癸二酸，十一烷二酸，十二双酸，十三烷二酸和十四烷二酸。
优选本发明中所用的一元醇为含有1至4个碳原子的直链或支链一元醇。这些优选的一元醇包括甲醇，乙醇，1-丙醇，2-丙醇，1-丁醇，2-丁醇，2-甲基-1-丙醇和2-甲基-2-丙醇。其中更优选甲醇和乙醇。
本发明的反应温度通常为50至100℃，但优选60至80℃。如果反应温度低于50℃，则反应不能充分进行，从而减低收率。如果反应温度高于100℃，则酸催化剂可能会失活。
本发明的反应压力在0.05至0.5Mpa(0.5-5大气压)下变化，但优选在0.1至0.2MPa(1-2大气压)间变化本发明反应可以通过分批法或连续法进行。
当本发明的反应采用分批法进行时，链烷双酸的重量∶一元醇的重量∶酸催化剂的体积之比取决于酯化反应中间所进行的脱水步骤的次数，进行它们的时间的选择以及链烷双酸二烷基酯的最终收率。如果在酯化反应中间当转化成链烷双酸二烷基酯的转化率达到93％时仅进行一次脱水步骤，为获得99％链烷双酸二烷基酯最终收率，第一步反应中链烷二酸的重量∶一元醇的重量∶酸催化剂的体积之比优选在1∶(0.8-4)∶(0.5-10)[g/ml]范围内，且反应第二步中链烷双酸的重量∶一元醇的重量∶酸催化剂的体积之比优选在1∶(0.8-2)∶(0.5-10)[g/ml]范围内。如果一元醇的量小于上述范围，链烷双酸二烷基酯的收率则非常低，但如果大于上述范围，则当纯化链烷双酸二烷基酯时必须除去过量的一元醇，需要更长的时间和更大型的设备。如果酸催化剂的量小于上述范围，则反应进行的非常缓慢，因而降低了链烷双酸二烷基酯的收率，但如果大于上述范围，则每单位催化剂量产生的链烷双酸二烷基酯的量的效率降低。
在反应的第一步中，链烷双酸的重量∶一元醇的重量∶酸催化剂的体积之比更优选在1∶(1-2)∶(2-5)[g/ml]范围之内，而在反应的第二步中，链烷双酸的重量∶一元醇的重量∶酸催化剂的体积之比则更优选在1∶(1-1.5)∶(1-3)[g/ml]范围之内。
当本发明反应采用连续法进行时，链烷双酸与一元醇的重量比取决于酯化反应中间欲进行的脱水步骤的次数，进行它们的时间和链烷双酸二烷基酯的最终收率。如果在酯化反应中间当转化成链烷双酸二烷基酯的转化率达到93％时仅进行一次脱水步骤，为获得99％链烷双酸二烷基酯最终收率，在反应的第一步中，链烷双酸∶一元醇的重量比优选在1∶(2-4)范围内，而在反应的第二步中，链烷双酸∶一元醇的重量比优选在1∶(0.8-2)范围内。在这种情况下，表明反应溶液流量的SV值依赖于链烷双酸与一元醇的重量比，但在反应的第一步和第二步中都优选SV在0.3至0.8/h范围内。如果一元醇的量低于上述范围，链烷双酸二烷基酯的收率就降低，而且链烷双酸二烷基酯的溶解性也低得使连续法难以完成；但如果大于上述范围，则当纯化链烷双酸二烷基酯时必须除去过量的一元醇，这样就需要较长时间和较大设备。如果SV值大于上述范围，则反应不能充分进行，从而降低了收率；但如果SV值小于上述范围，则每单位时间产生的链烷双酸二烷基酯的量的效率变得较低。
在反应的第一步中，链烷双酸∶一元醇的重量比更优选在1∶(3-4)范围之内，且在反应的第二步中，链烷双酸∶一元醇的重量比更优选在1∶(1-1.2)范围之内。在反应的第一步和第二步中，SV值都更优选在0.4至0.6/h范围内。
当本发明反应按照分批法进行时，固体酸催化剂可以在酯化反应完成之后通过过滤分离，并可以通过常压或减压蒸馏从所得滤液中蒸除未反应的一元醇和所产生的水，以分离链烷双酸二烷基酯。
当本发明反应按照连续法进行时，未反应的一元醇和所产生的水可通过常压或减压蒸馏从已经过固体酸催化剂容器的反应溶液中蒸出，以分离链烷双酸二烷基酯。
本发明所制得的链烷双酸二烷基酯适于用作药物、农用化学品、香料、染料、液晶材料，高分子材料等的中间体，一般优选用作制备用于香料的大环内酯的原料。
实施例本发明借助下面的发明实施例和对比实施例具体说明，但并不局限于此或受它们限制。
用2N盐酸将市售的离子交换树脂“Diaion”PK-220再生成酸型。
在配有回流冷凝器的200ml三口烧瓶内放入10g十二双酸，10g甲醇和20ml再生“Diaion”PK-220，混合物用磁力搅拌器搅拌，同时回流(64℃)6小时。用气相色谱法分析反应溶液，发现十二双酸转化成十二双酸二甲酯的转化率为90.12％。过滤反应溶液，所得滤液用旋转蒸发仪减压浓缩，得到11.10g无色固体残留物。残留物中的水分为0.1％。
将如此得到的残留物放入到配有回流冷凝器且装有10g甲醇和20ml再生PK-220的200ml三口烧瓶内，并用磁力搅拌器搅拌该混合物，同时回流(64℃)6小时。用气相色谱法分析反应溶液，发现十二双酸转化成十二双酸二甲酯的转化率为99.23％。过滤反应溶液，利用旋转蒸发仪减压浓缩所得滤液，并在真空干燥器中干燥4小时，得到11.22g无色固体残留物。残留物用气相色谱法分析，发现十二双酸二甲酯的纯度为99.19％。根据纯度，计算出十二双酸二甲酯的收率为99.20％。
在直径12mm和长200mm的两端敞口的不锈钢管内装入17ml如上实施例1中所述再生的“Diaion”PK-220，并将不锈钢管放入到60℃恒温加热炉内。
利用固定给料泵，以8.5ml/小时的速率(SV＝0.5/h)，将溶在40g甲醇中的10g十二双酸溶液通过不锈钢管。收集从不锈钢管中流出的液体，气相色谱分析，发现十二双酸转化成十二双酸二甲酯的转化率为93.17％。减压浓缩液体，得到11.14g无色固体残留物。残留物中的水分为0.1％。
将如上所得的残留物溶于10g甲醇中，并利用固定给料泵，以每小时8.5ml的速率(SV＝0.5/h)，将此溶液再通过不锈钢管。收集从不锈钢中流出的液体，气相色谱发现，发现十二双酸转化成十二双酸二甲酯的转化率为99.21％。利用旋转蒸发仪减压浓缩液体并用真空干燥器干燥4小时，得到11.21g无色固体残留物。用气相色谱法分析此残留物，发现十二双酸二甲酯的纯度为99.25％。根据纯度计算得到的十二双酸二甲酯的收率为99.17％。
在配有回流冷凝器的200ml三口烧瓶内放入10g十二双酸，80g甲醇和50ml再生“Diaion”PK-220，用磁力搅拌器搅拌此混合物，并回流(64℃)6小时。用气相色谱法分析反应溶液，发现十二双酸转化成十二双酸二甲酯的转化率为99.17％。过滤反应溶液，所得滤液利用旋转蒸发仪减压浓缩，并用真空干燥器干燥4小时，得到11.21g无色固体残留物。用气相色谱法分析所得残留物，发现十二双酸二甲酯的纯度为99.16％。根据纯度计算得到的十二双酸二甲酯的收率为99.08％。
在直径12mm和长200mm的两端敞口的不锈钢管内装入17ml再生“Diaion”PK-220，并将不锈钢管放入到60℃恒温加热炉内。
以每小时7ml速率(SV＝0.41/h)，将溶在80g甲醇中的10g十二双酸溶液通过不锈钢管。收集从不锈钢管中流出的液体，气相色谱分析，发现十二双酸转化成十二双酸二甲酯的转化率为99.11％。利用旋转蒸发仪减压浓缩液体并在真空干燥器中干燥4小时，得到11.21g无色固体残留物。用气相色谱法分析此残留物，发现十二双酸二甲酯的纯度为99.07％。根据纯度计算得到的十二双酸二甲酯的收率为98.99％。
工业实用性根据本发明，可以降低醇的用量，并能够以高收率生产高纯度链烷双酸二烷基酯。按照本发明生产的链烷双酸二烷基酯适于用作药物、农用化学品、香料、染料、液晶材料，高分子材料等的中间体。
权利要求
1.在酸催化剂存在下通过羧酸和醇酯化反应生产羧酸烷基酯的方法，该方法包括下述步骤在采用固体酸催化剂作为酸催化剂的酯化反应中间进行脱水步骤除去反应体系中的水，并重新开始酯化反应以完成酯化反应。
2.在酸催化剂存在下通过羧酸和醇酯化反应生产羧酸烷基酯的方法，该方法包括下述步骤在采用链烷二酸作为羧酸的酯化反应中间进行脱水步骤除去反应体系中的水，并重新开始酯化反应以完成酯化反应。
3.根据权利要求1或2生产羧酸烷基酯的方法，其中脱水步骤是在反应溶液不与酸催化剂接触的情形下进行。
4.根据权利要求1或2生产羧酸烷基酯的方法，其中脱水步骤仅进行一次或再进行一次或多次另外的脱水步骤。
5.根据权利要求1或2生产羧酸烷基酯的方法，其中在脱水步骤中，脱水至反应混合物中的水分等于或小于0.5％，再重新开始酯化反应。
6.根据权利要求2生产羧酸烷基酯的方法，其中的酸催化剂为固体酸催化剂。
7.根据权利要求1或6生产羧酸烷基酯的方法，其中的固体酸催化剂为强酸性离子交换树脂。
8.根据权利要求2生产羧酸烷基酯的方法，其中链烷双酸用通式HOOC-X-COOH表示(其中X代表含有6至14个碳原子的直链、支链或环烷基链)。
9.根据权利要求1或2生产羧酸烷基酯的方法，其中的醇为一元醇。
10.根据权利要求9生产羧酸烷基酯的方法，其中的一元醇为含有1至4个碳原子的直链或支链一元醇。
11.根据权利要求9生产羧酸烷基酯的方法，其中的一元醇为沸点低于水沸点的一元醇。
全文摘要
本发明涉及有效生产高纯净羧酸烷基酯的方法。更准确地讲,本发明涉及在酸催化剂存在下通过羧酸和醇酯化反应生产羧酸烷基酯的方法,该方法包括下述步骤:在采用固体酸催化剂作为酸催化剂的酯化反应中间进行脱水步骤除去反应体系中的水,并重新开始酯化反应以完成酯化反应。按照本发明生产的链烷双酸二烷基酯适于用作药物、农用化学品、香料、染料、液晶材料,高分子材料等的中间体。
文档编号C07C67/08GK1200721SQ9719121
公开日1998年12月2日 申请日期1997年7月17日 优先权日1996年7月18日
发明者丹羽淳, 今村伸三, 长谷部昭雄, 伊藤信彦 申请人:东丽株式会社, 曾田香料株式会社