一种由巴豆醛和甲醛制备酯的方法与流程

本发明涉及一种由生物质基化合物巴豆醛和甲醛制备苯甲酸酯、邻苯二甲酸酯、对苯二甲酸酯和偏苯三甲酸酯的方法。对于生成苯甲酸酯或邻苯二甲酸酯的方法是，第一步为巴豆醛、甲醛和丙烯酸酯(或马来酸酯，或富马酸酯)在碱催化下发生D-A环加成反应生成酯基取代的环己烯甲醛；第二步为所得产物在过渡金属催化剂下，发生脱羰/芳构化生成苯甲酸酯或邻苯二甲酸酯。对于生成对苯二甲酸酯或偏苯三甲酸酯的方法是，第一步为巴豆醛、甲醛和丙烯酸酯(或马来酸酯，或富马酸酯)在碱催化下发生D-A环加成反应生成酯基取代的环己烯甲醛；第二步为产物上的醛基进行选择性氧化生成羧酸；第三步为在酸催化下进行酯化得到酯基取代的环己烯；第四步为在过渡金属催化剂下发生芳构化生成对苯二甲酸酯或偏苯三甲酸酯。本发明中所用原料是生物质基平台化合物，廉价易得，所有反应过程工艺简单。本发明提供了一种由木质纤维素基平台化合物制备精细化学品苯甲酸酯及其衍生物的新方法。

背景技术：

化石能源(石油、煤和天然气)在人们的日常生活和生产中一直占据着不可动摇的地位，并且也深刻影响着世界经济、政策和军事局势。它一方面给整个社会带来了巨大的进步和便利，另一方面也带来了深刻的环境问题，如温室效应、酸雨、土地沙漠化和雾霾等，这些对人们的身体状况和日常出行，尤其是孩子的健康成长，有着很大的影响。因此，开发可替代化石资源的新能源具有重要的战略意义和应用前景。生物质能源作为一种二氧化碳中性、富氧和可再生的有机碳源，已被科学家广泛地用于合成各种含氧精细化学品，来取代化石能源的支配地位。

苯甲酸酯及其衍生物是重要的化工原料，可用作有机合成药物的中间体，工业上用于各种聚氯乙烯材料的增塑剂，如商业化的二甘醇二苯甲酸酯(DEDB)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、偏苯三甲酸三辛酯(TOTM)等。其中，值得重点指出的是，对苯二甲酸酯是重要的大宗有机原料之一，其主要用途是大规模生产对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，从而得到聚酯纤维、聚酯薄膜和聚酯瓶，广泛用于化学纤维、轻工、电子、建筑等国民经济的各个方面，与人民生活水平的高低密切相关。目前，工业上对苯二甲酸酯单体的制备，多是采用对石油衍生的对二甲苯(PX)进行选择性氧化，该方法高度依赖于不可再生的化石能源。因此，探索苯甲酸酯及其衍生物，特别是对苯二甲酸酯的生物质合成路线具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

乙醇作为一种很常见的工业原料，可以从生物质经过微生物发酵得到，即所谓的“生物乙醇”，在美国和巴西等国家已实现工业化。它经过氧化反应可以制备乙醛(J.Am.Chem.Soc.2013,135,14032)，然后继续进行简单的羟醛缩合就可以得到巴豆醛(ACSCatal.2016,6,3193；J.Mol.Catal.A:Chem.2010,333,85)。甲醛属于甲醇工业的下游产品，生产工艺简单，经过简单的甲醇氧化即可得到，世界年产量2500万吨左右。本专利开发出了以巴豆醛和甲醛为生物质基平台化合物制备苯甲酸酯及其衍生物的新方法，所用原料及催化剂廉价易得，所有反应过程工艺简单，具有工业化的应用前景。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一条生物质路线，由巴豆醛和甲醛制备苯甲酸酯及其衍生物的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

以巴豆醛和甲醛为原料制备苯甲酸酯或邻苯二甲酸酯共分为两步反应：

第一步，巴豆醛、甲醛和丙烯酸酯(或马来酸酯，或富马酸酯)在碱催化下发生D-A环加成反应生成酯基取代的环己烯甲醛；第二步，所得产物在过渡金属催化剂下，发生脱羰/芳构化生成苯甲酸酯或邻苯二甲酸酯。

第一步，巴豆醛、甲醛和丙烯酸酯(或马来酸酯，或富马酸酯)在碱催化下发生D-A环加成反应生成酯基取代的环己烯甲醛，所用碱催化剂为下述中的一种或多种：伯胺(丙胺、乙醇胺、苯胺、乙二胺)，仲胺(二乙胺、二异丙基胺、吡咯烷、哌啶、N-乙基乙醇胺)，叔胺(吡啶及衍生物、三乙胺、二异丙基乙基胺、N,N-二甲基乙醇胺、DABCO、DBU)，各种氨基酸及衍生物(脯氨酸、甘氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸)，四甲基胍及衍生物，取代的硫脲，三苯基膦，以及固载化的上述催化剂；其中有机碱催化剂与底物的摩尔比为0.01-1，优选范围为0.05-0.3。

第二步，酯基取代的环己烯甲醛在过渡金属催化剂下，发生脱羰/芳构化生成苯甲酸酯或邻苯二甲酸酯，所用催化剂为下述催化剂中的一种或多种：以活性炭、氧化硅、氧化铝中的一种或多种混合物为载体，负载金属Ni、Cu、Fe、Pd、Pt、Ru、Rh、Ir中的一种或多种的负载型金属催化剂，金属质量负载量为0.01-30％，优选1-10％；其中，加入催化剂的质量与反应底物质量的比值在0.01-0.2之间。

第一步，巴豆醛、甲醛和丙烯酸酯(或马来酸酯，或富马酸酯)发生D-A环加成反应，无溶剂或以乙腈、甲苯、环己烷、四氢呋喃、二氯甲烷、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种为溶剂，底物优选浓度范围0.01-1mol/L，反应温度在60-180℃之间，优选反应时间在2-24h之间。

第二步，酯基取代的环己烯甲醛发生脱羰/芳构化反应，无溶剂或以乙腈、甲苯、环己烷、四氢呋喃、二氯甲烷、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种为溶剂，底物优选浓度范围0.01-1mol/L，反应温度在120-300℃之间，反应时间在8-36h之间。

以巴豆醛和甲醛为原料制备对苯二甲酸酯或偏苯三甲酸酯共分为四步反应：

第一步，巴豆醛、甲醛和丙烯酸酯(或马来酸酯，或富马酸酯)在碱催化下发生D-A环加成反应生成酯基取代的环己烯甲醛；第二步，产物上的醛基进行选择性氧化生成羧酸；第三步，在酸催化下进行酯化得到酯基取代的环己烯(第二步和第三步也可以结合起来，一步发生氧化和酯化)；第四步，在过渡金属催化剂下发生芳构化生成对苯二甲酸酯或偏苯三甲酸酯。

第一步，巴豆醛、甲醛和丙烯酸酯(或马来酸酯，或富马酸酯)在碱催化下发生D-A环加成反应生成酯基取代的环己烯甲醛，所用催化剂为下述中的一种或多种：伯胺(丙胺、乙醇胺、苯胺、乙二胺)，仲胺(二乙胺、二异丙基胺、吡咯烷、哌啶、N-乙基乙醇胺)，叔胺(吡啶及衍生物、三乙胺、二异丙基乙基胺、N,N-二甲基乙醇胺、DABCO、DBU)，各种氨基酸及衍生物(脯氨酸、甘氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸)，四甲基胍及衍生物，取代的硫脲，三苯基膦，以及固载化的上述催化剂；其中有机碱催化剂与底物的摩尔比为0.01-1，优选范围为0.05-0.3。

第二步，酯基取代的环己烯甲醛发生氧化反应得到相应的环己烯甲酸，反应条件是，NaH₂PO₄/NaClO₂/H₂O₂体系，或Co/Mn/NHPI/O₂体系；当用NaH₂PO₄/NaClO₂/H₂O₂体系时，NaH₂PO₄与底物的摩尔比在0.1-1之间，NaClO₂和H₂O₂与底物的摩尔比在1-10之间；当用Co/Mn体系进行氧化反应时，Co(OAc)₂和Mn(OAc)₂与底物的摩尔比在0.01-1之间，N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)与底物的摩尔比在0.01-1之间，氧气压力在0.1-5MPa之间。

第三步，所得产物进行酸催化的酯化反应生成多酯基取代的环己烯，所用催化剂为下述催化剂中的一种或多种：液体酸(37％HCl、H₂SO₄、CF₃COOH、CF₃SO₃H、p-TSA、MeSO₃H)，固体酸(H-Y、H-BEA、H-ZSM-5、H-MOR、Sn-BEA、Zr-BEA、Hf-BEA、Sn-BEA、Amberlyst系列、Nafion树脂、AC-SO₃H、木质素磺酸树脂、ZrP、SO₄^2-/ZrO₂)，杂多酸(硅钨酸、硅钼酸、磷钨酸、磷钼酸)，路易斯酸(ZnCl₂、FeCl₃、AlCl₃、TiCl₄、ZrCl₄)；其中，加入催化剂的质量与反应底物质量的比值在0.01-0.2之间，优选0.05-0.1。

第二步和第三步也可以整合在一起，一步实现氧化和酯化，反应条件是NaCN/MnO₂/HOAc体系，甲醇或乙醇为溶剂，底物浓度范围0.01-0.5mol/L，NaCN和MnO₂与底物的摩尔比在2-50之间，HOAc与底物的摩尔比在0.5-2之间，反应温度在20-100℃之间，反应时间在5-36h之间。

第四步，多酯基取代的环己烯在过渡金属催化剂下，发生芳构化生成对苯二甲酸酯或偏苯三甲酸酯，所用催化剂为下述催化剂中的一种或多种：以活性炭、氧化硅、氧化铝中的一种或多种混合物为载体，负载金属Ni、Cu、Fe、Pd、Pt、Ru、Rh、Ir中的一种或多种的负载型金属催化剂，金属质量负载量为0.01-30％，优选1-10％；其中，加入催化剂的质量与反应底物质量的比值在0.01-0.2之间。

第一步，巴豆醛、甲醛和丙烯酸酯(或马来酸酯，或富马酸酯)发生D-A环加成反应，无溶剂或以乙腈、甲苯、环己烷、四氢呋喃、二氯甲烷、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种为溶剂，底物优选浓度范围0.01-1mol/L，反应温度在60-180℃之间，优选反应时间在2-24h之间。

第二步，酯基取代的环己烯甲醛选择性氧化醛基；当用NaH₂PO₄/NaClO₂/H₂O₂体系氧化时，所用溶剂为乙腈、甲苯、水、环己烷、四氢呋喃、二氯甲烷、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种或多种，底物优选浓度范围为0.1-1mol/L，反应温度在25-80℃之间，反应时间在2-24h之间；当采用Co/Mn体系氧化时，所用溶剂是乙酸、甲酸、水、二甲亚砜中的一种，底物优选浓度范围为0.1-1mol/L，反应温度在60-200℃之间，反应时间在3-24h之间。

第三步，环己烯甲酸的酯化反应；以相应的醇(甲醇、乙醇、异丙醇、辛醇)、甲苯、苯、二氯甲烷、水、乙腈中的一种或多种为溶剂，底物优选浓度范围为0.01-0.5mol/L，反应温度在60-200℃之间，反应时间在3-24h之间。

第四步，多酯基取代的环己烯进行脱氢芳构化反应；无溶剂或以乙腈、甲苯、环己烷、四氢呋喃、二氯甲烷、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种为溶剂，底物优选浓度范围0.01-1mol/L，反应温度在150-280℃之间，反应时间在8-36h之间。

本发明具有如下优点：

本发明所提供的苯甲酸酯及其衍生物合成路线绿色环保，它是以生物质平台化合物巴豆醛和甲醛作为起始原料。D-A反应可以由脯氨酸催化实现，所有反应物和催化剂均可由生物质得到；后续的脱羰/芳构化、氧化/酯化/芳构化反应，条件简单，均采用商业可得的催化剂，简单易得，催化剂成本较低。因此，本专利是一种非常具有工业化前景的生物质路线合成苯甲酸酯及其衍生物的方法。

附图说明

图1.脯氨酸催化巴豆醛、甲醛和丙烯酸乙酯D-A反应的GC谱图(实施例18)；

图2.脯氨酸催化D-A反应，所得产物的¹H-NMR谱图(实施例18)；

图3.脯氨酸催化D-A反应，所得产物的¹³C-NMR谱图(实施例18)；

图4.Pd/C催化脱羰/芳构化反应的GC谱图(实施例22)；

图5.环己烯甲醛选择性氧化，所得产物的¹H-NMR谱图(实施例26)；

图6.环己烯甲醛选择性氧化，所得产物的¹³C-NMR谱图(实施例26)；

图7.环己烯甲酸发生酯化反应，所得产物的¹H-NMR谱图(实施例28)；

图8.环己烯甲酸发生酯化反应，所得产物的¹³C-NMR谱图(实施例28)；

图9.Pd/C催化双酯基取代的环己烯脱氢芳构化反应的GC谱图(实施例32)；

图10.脯氨酸催化巴豆醛、甲醛和富马酸二乙酯D-A反应的GC谱图(实施例36)；

图11.以富马酸二乙酯为原料，D-A产物的¹H-NMR谱图(实施例36)；

图12.以富马酸二乙酯为原料，D-A产物的¹³C-NMR谱图(实施例36)。

具体实施方式

下面将以具体的实施例来对本发明加以说明，但本发明的保护范围不局限于这些实例。

1.巴豆醛、甲醛和丙烯酸乙酯在有机碱催化下实现D-A反应(催化剂、温度的影响)

在30mL反应釜中，加入巴豆醛(10.0mmol,0.85mL)，37％甲醛水溶液(10.0mmol,0.85mL)，丙烯酸乙酯(10.0mmol,1.0mL)，不加催化剂或加入催化剂(10mol％)，在一定温度下12h。

表1.催化剂和温度对反应的影响

由表1结果可以看出，多聚甲醛虽然也可以参与反应，但相比来说，甲醛溶液效果更好。伯胺催化剂收率和选择性较差，仲胺也只有吡咯烷类型的催化剂对反应起到促进效果，但也没有脯氨酸活性高。叔胺只有吡啶能催化反应的进行，和脯氨酸的结果相当，考虑到吡啶的毒性和来源，还是选择脯氨酸作为反应的理想催化剂。通过对温度的筛选，反应在130度条件下，效果最好，收率达到58％，选择性接近100％。因为丙烯酸乙酯总是会有剩余，而且它的毒性还比较大，所以，通过调节加入原料的量，可以实现相对好的结果。

2.酯基取代环己烯甲醛4的脱羰/芳构化反应(催化剂的影响)

在100mL反应釜中，加入酯基取代环己烯甲醛4(0.18g,1.0mmol)和10mL甲苯，然后加入18mg脱氢催化剂(活性金属担载量5％wt)，在Ar氛围下，升高温度至260℃，反应12h，则得到苯甲酸酯5。

表2.不同催化剂对脱羰/芳构化反应的影响

由表2结果可以看出，Ru/C、Rh/C、Ir/C、Ni/C几乎不能促进脱氢反应的进行，其它金属Cu、Pt能够取得中等偏下收率，Pd/C是最好的催化剂，收率可达到78％。

3.酯基取代环己烯甲醛4的氧化反应

100mL三口反应瓶中加入3.6g化合物4(20.0mmol)和20mL乙腈，将0.83g NaH₂PO₄·2H₂O溶于10mL水中，该水溶液也加入反应瓶，再加入2.5mL 30％过氧化氢水溶液(1.05当量)，0℃下缓慢滴加NaClO₂水溶液(3.2g NaClO₂溶于30mL水)，滴加持续1h，然后再10℃反应4h。反应结束后，加入亚硫酸钠饱和溶液，用乙酸乙酯萃取3次，合并有机相，用无水硫酸镁干燥，旋去溶剂，用乙醇进行重结晶就可得到酯基取代环己烯甲酸6(实施例26)。

Co/Mn体系氧化：在60mL反应釜中，分别加入4(5mmol)，Co(OAc)₂·4H₂O(1mol％)，Mn(OAc)₂·4H₂O(1mol％)，N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI，2mol％)和10mL乙酸，在氧气氛围下(0.2MPa)，180℃反应24h，有固体析出，即是产物(实施例27)。

4.酯基取代环己烯甲酸6的酯化反应

在30mL反应釜中，分别加入6(1mmol，0.18g)，Nafion-212(18mg)，10mL乙醇，150℃反应24h，抽滤除去催化剂，旋干溶剂，即可得到酯化产物7(实施例28)。

5.双酯基取代环己烯7的脱氢芳构化

在100mL反应釜中，加入7(0.23g,1.0mmol)和10mL甲苯，然后加入23mg催化剂(活性金属担载量5％wt)，在Ar氛围下，升高温度至260℃，反应24h，则得到对苯二甲酸酯8。

表3.不同催化剂对脱氢反应活性的影响

由表3结果可以看出，Rh/C、Ir/C、Ni/C几乎不能促进脱氢反应的进行，其它金属Ru、Cu、Pt能够取得中等偏下收率，Pd/C是最好的脱氢催化剂，收率可达到76％。

6.以富马酸二乙酯为原料，制备邻苯二甲酸酯和偏苯三甲酸酯

按照以上同样的方法，当以富马酸二乙酯为原料时，制备邻苯二甲酸二乙酯和偏苯三甲酸三乙酯(实施例36)，条件同上文1-5所述。

本发明所提供的苯甲酸酯及其衍生物合成路线绿色环保，它是以生物质平台化合物巴豆醛和甲醛作为起始原料。D-A反应可以由脯氨酸催化实现，所有反应物和催化剂均可由生物质得到；后续的脱羰/芳构化、氧化/酯化/芳构化反应，条件简单，均采用商业可得的催化剂，简单易得，催化剂成本较低。因此，本专利是一种非常简单实用，且具有工业化前景的生物质路线合成苯甲酸酯及其衍生物的方法。