一种由香茅醛制备薄荷酮的方法及用于该方法的催化剂体系与流程

本发明涉及薄荷酮的制备领域，具体涉及一种使用非均相催化剂由香茅醛制备薄荷酮的方法及用于该方法的催化剂体系。

背景技术：

作为天然存在的环状萜烯酮的l-薄荷酮是亚洲薄荷、美洲薄荷油的主要成份之一，由于其具有冷却和清凉作用，而大量应用于香精调配和调味品中，在医药上也有广泛应用。消旋薄荷酮在调配清凉型香精也有广泛应用。因此薄荷酮的合成一直受到人们的关注。

合成薄荷酮的方法众多，主要以薄荷醇的氧化为主，采用铬酸盐、高锰酸盐和次氯酸盐等化学计量的氧化体系，例如kazuhikosato等人在j.am.chem.soc.1997,119,12386上发表的文章中，使用双氧水为氧化剂，在催化量的钨酸钠和甲基三辛基硫酸氢铵的酸性溶液中，氧化薄荷醇得到薄荷酮。尽管该种路线工艺成熟，但工艺中涉及的氧化剂本身有毒或是危险品，使用时还需大量的挥发性有机溶剂，所以生产过程中会产生大量废液和副产物盐。

专利us3124614报道利用百里酚在pd催化剂作用下加氢同样可以得到薄荷酮，但原料百里酚不易得到。

专利cn106061933a报道了气相中的异胡薄荷醇与经活化的氧化性铜催化剂接触制备薄荷酮的方法，该工艺能够得到较高纯度的薄荷酮，但反应前需要在较高温度下使用氢气和醇对催化剂进行活化，增加了工艺操作的复杂性。

专利cn104603095a采用含有膦配体的金属络合物作为催化剂。该工艺可以达到85％以上的薄荷酮收率，但无法实现高周转数(ton)，催化剂寿命较短，考虑到催化剂的高成本，此工艺不适合用于工业化合成薄荷酮。

专利cn106068160a描述用于转移氢化反应的钌-酚催化剂，并且该催化剂在转移氢化反应中具有优异的性能，将该催化剂用于由异胡薄荷醇制备薄荷酮，具有较高的转化率和选择性。该工艺的周转数(ton)提高有限，催化剂寿命仍然较短，而且还需使用大量的酚衍生物，这对于后期处理以及环境均会产生不利影响。

专利cn107721833a本发明公开了一种制备薄荷酮的方法，该方法使用负载钯-钌的非均相催化剂，在温和条件下进行非均相催化异胡薄荷醇制备薄荷酮，但制备工艺需要分两步进行：(1)首先利用将钯-钌非均相催化剂将异胡薄荷醇氢化制备薄荷醇；(2)将薄荷醇进一步氧化生成薄荷酮。工艺较为繁琐，并且涉及到氢气和氧气的切换，存在一定的安全风险。

从上可知，以异胡薄荷醇为原料制备薄荷酮，从经济效益的角度来讲不划算，从工艺角度来讲则延长了制备薄荷酮的工艺流程。

专利cn105061175a描述以香茅醛为起始原料，在游离基引发剂作用下，加热产生的酰基自由基与香茅醛分子内的碳碳双键发生游离基加成反应，经分子内环合得到薄荷酮。该工艺简单，绿色环保，但目标产物的选择性低，收率仅为70％，导致原料成本的升高以及增加了后期产物分离得到较高纯度产品的难度。

因此，需要获得制备薄荷酮的改进方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中薄荷酮制备过程中所存在的诸多问题，以香茅醛作为原料，提供一种制备薄荷酮的方法，该方法在使用非均相催化剂可以高选择性、高收率的制备薄荷酮，具有较好的工业化前景。

如果没有另行规定，术语“香茅醛”是指任何可能的立体异构体，包括：

如果没有另行规定，术语“薄荷酮”是指任何可能的立体异构体，包括：

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种制备薄荷酮的方法，该方法包括：使用香茅醛作为起始化合物，在非均相催化剂和助剂的存在下，使香茅醛发生分子内环化反应直接得到薄荷酮。

本发明中所述非均相催化剂至少包含一种选自周期表viii、ib族的金属m1，优选钌。其中，金属m1的负载量占催化剂总质量的0.5～10％，优选1～5％。

本发明中所述非均相催化剂另外可包含至少一种选自周期表iib、vib、viib族的金属m2，优选zn。其中，金属m2负载量占催化剂总质量的0.1～5％，优选0.5～1％。

本发明所述非均相催化剂作为固定床催化剂使用，可通过以下步骤制备：

a)将载体引入水中；

b)同时添加金属m1盐溶液(浓度一般可以为1-20wt％)和金属m2盐溶液(浓度一般可以为1-20wt％)形式的催化活性组分；

c)通过添加碱使催化活性组分共沉淀在载体上；

d)将催化剂与载体悬浮液的水相分离；

e)将d)得到的催化剂干燥后煅烧，煅烧温度在300-800℃，优选400-600℃温度下进行；

f)将e)得到的催化剂装填至固定床反应器中，氢气流中在100℃至300℃，优选150-200℃下还原，还原时间为2-100小时，优选12-24小时。

还原结束后降至或升至反应温度后直接通过泵定量进料进行反应，反应器以下流模式操作。金属m1盐溶液、金属m2盐溶液、载体的各自用量使得金属m1的负载量占催化剂总质量的0.5～10％，优选1～5％；金属m2负载量占催化剂总质量的0.1～5％，优选0.5～1％。碱的添加量应使得体系的ph为碱性，例如8-12，优选约9。步骤a)中，水的量使得形成载体的水分散体即可，例如载体与水的质量比可以为1：0.8-10。

其中，本发明中所述非均相催化剂适合的载体物质包括例如sio2、tio2、zro2、al2o3、石墨、炭黑、活性碳等中的一种或多种，优选al2o3。

本发明中所述非均相催化剂以常用于固定床催化剂的形状使用，例如以挤出物、粉碎材料、丸粒或球体的形式使用。典型的挤出物直径为1-5mm，且挤出物的长度为1-20mm。

本发明中所述助剂选自至少一种式(i)化合物：

其中，基团r1和r2可以是相同或不同的，各自独立地选自c1-c6烷基和c1-c6烷氧基，例如甲基，甲氧基，乙基，乙氧基，丙基，丙氧基，1-甲基乙基，丁基，丁氧基，1-甲基丙基，2-甲基丙基，1，1-二甲基乙基，戊基，1-甲基丁基，2-甲基丁基，3-甲基丁基，2，2-二甲基丙基；c6-c12-芳基，例如苯基；卤素，例如氯，溴。优选丙酮酸甲酯。

本发明中，以起始化合物的质量计算，所述助剂的用量为0.01％～l0％，优选0.1％～1％。

本发明中，反应温度为80～200℃，优选100～120℃；催化剂负荷为0.1-0.6kg反应液/kg催化剂﹒小时，优选0.2-0.4kg反应液/kg催化剂﹒小时。

本发明中，所述反应的转化率可达到90％以上，反应化学选择性为96％以上。

本发明进一步提供了一种由香茅醛反应得到薄荷酮的催化剂体系，其包括：非均相催化剂和助剂，所述非均相催化剂至少包含一种选自周期表viii、ib族的金属m1，优选钌，其中，金属m1的负载量占催化剂总质量的0.5～10％，优选1～5％，

所述助剂选自至少一种式(i)化合物：

其中，基团r1和r2可以是相同或不同的，各自独立地选自c1-c6烷基和c1-c6烷氧基，例如甲基，甲氧基，乙基，乙氧基，丙基，丙氧基，1-甲基乙基，丁基，丁氧基，1-甲基丙基，2-甲基丙基，1，1-二甲基乙基，戊基，1-甲基丁基，2-甲基丁基，3-甲基丁基，2，2-二甲基丙基；c6-c12-芳基，例如苯基；卤素，例如氯，溴。优选丙酮酸甲酯。

以起始化合物香茅醛的质量计算，所述助剂的用量为0.01％～l0％，优选0.1％～1％。

本发明中所述非均相催化剂另外可包含至少一种选自周期表iib、vib、viib族的金属m2，优选zn。其中，金属m2负载量占催化剂总质量的0.1～5％，优选0.5～1％。

本发明的非均相催化剂可以如上所述那样制备。

本发明方法的进步之处在于：以香茅醛为原料，在双金属负载催化剂以及助剂的催化作用下直接合成薄荷酮，简化了工艺流程，同时反应具有较高的目标选择性以及收率，显著改善了产品的品质以及经济效益，具有较好的工业化前景。

附图说明

图1为实施例中所用反应装置的示意图。

1-反应液预配罐2-输送泵3-反应器4-粗产物储罐。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，而不是以任何方式限制它：

分析方法：

气相色谱仪：agilent7890，色谱柱db-5(转化率、选择性测定)，进样口温度：300℃；分流比50：1；载气流量:52.8ml/min；升温程序：120℃下保持15min，以10℃/min的速率升至250℃，保持10min，检测器温度：280℃。

使用药品：

香茅醛99wt％，湖北巨龙堂医药化工有限公司；

氯化钌98wt％，阿拉丁试剂有限公司；

氯化锌99wt％，阿拉丁试剂有限公司；

氢氧化钠99wt％，阿拉丁试剂有限公司；

丙酮酸甲酯99wt％，阿拉丁试剂有限公司。

实施例1

催化剂0.5％zn-1％ru/al2o3制备及还原过程：

步骤a)将50gal2o3载体充分分散在250g水中，并保持高分散的状态；步骤b)中，活性组分钌和锌以其金属盐氯化钌和氯化锌的溶液形式(5wt％水溶液，下同)同时添加，其中氯化钌和氯化锌的添加量分别为1.35g和0.52g；步骤c)为了将催化活性组分沉淀在载体上，缓慢加入0.5mol/lnaoh饱和溶液，当混合溶液的ph稳性在9时，停止滴加碱液；步骤d)待活性组分充分沉淀后，将催化剂与水相分离；e)随后将得到的催化剂滤饼在减压或惰性气体下干燥，然后将干燥的催化剂进行煅烧处理，煅烧温度400℃，煅烧5h，得到催化剂前驱体；f)将e)得到的催化剂称取100g装填至固定床反应器中，氢气流中150℃下还原，还原12小时；g)还原结束后，将固定床反应器降温至反应温度100℃，准备进行反应性能评价。

反应性能评价：

在反应液预配罐1中预先将一定量的香茅醛和丙酮酸甲酯配成反应液，其中丙酮酸甲酯的添加量为香茅醛质量的0.1％，通过输送泵2将反应液以0.02kg反应液/小时的通入固定床反应器3，反应后产物送入粗产物储罐4中。通过校准gc分析测定转化率和薄荷酮产率。结果概括在表1中。

实施例2

催化剂0.6％zn-2％ru/al2o3制备及还原过程：

步骤a)将50gal2o3载体充分分散在250g水中，并保持高分散的状态；步骤b)中，活性组分钌和锌以其金属盐氯化钌和氯化锌的溶液形式同时添加，其中氯化钌和氯化锌的添加量分别为2.7g和0.63g；步骤c)为了将催化活性组分沉淀在载体上，缓慢加入0.5mol/lnaoh饱和溶液，当混合溶液的ph稳性在9时，停止滴加碱液；步骤d)待活性组分充分沉淀后，将催化剂与水相分离；e)随后将得到的催化剂滤饼在减压或惰性气体下干燥，然后将干燥的催化剂进行煅烧处理，煅烧温度450℃，煅烧8h，得到催化剂前驱体；f)将e)得到的催化剂称取100g装填至固定床反应器中，氢气流中170℃下还原，还原15小时；g)还原结束后，将固定床反应器降温至反应温度104℃，准备进行反应性能评价。

反应性能评价：

在反应液预配罐1中预先将一定量的香茅醛和丙酮酸甲酯配成反应液，其中丙酮酸甲酯的添加量为香茅醛质量的0.3％，通过输送泵2将反应液以0.025kg反应液/小时的通入固定床反应器3，反应后产物送入粗产物储罐4中。通过校准gc分析测定转化率和薄荷酮产率。结果概括在表1中。

实施例3

催化剂0.7％zn-3％ru/al2o3制备及还原过程：

步骤a)将50gal2o3载体充分分散在250g水中，并保持高分散的状态；步骤b)中，活性组分钌和锌以其金属盐氯化钌和氯化锌的溶液形式同时添加，其中氯化钌和氯化锌的添加量分别为4.05g和0.73g；步骤c)为了将催化活性组分沉淀在载体上，缓慢加入0.5mol/lnaoh饱和溶液，当混合溶液的ph稳性在9时，停止滴加碱液；步骤d)待活性组分充分沉淀后，将催化剂与水相分离；e)随后将得到的催化剂滤饼在减压或惰性气体下干燥，然后将干燥的催化剂进行煅烧处理，煅烧温度480℃，煅烧18h，得到催化剂前驱体；f)将e)得到的催化剂称取100g装填至固定床反应器中，氢气流中175℃下还原，还原18小时；g)还原结束后，将固定床反应器降温至反应温度110℃，准备进行反应性能评价。

反应性能评价：

在反应液预配罐1中预先将一定量的香茅醛和丙酮酸甲酯配成反应液，其中丙酮酸甲酯的添加量为香茅醛质量的0.5％，通过输送泵2将反应液以0.03kg反应液/小时的通入固定床反应器3，反应后产物送入粗产物储罐4中。通过校准gc分析测定转化率和薄荷酮产率。结果概括在表1中。

实施例4

催化剂0.9％zn-4％ru/al2o3制备及还原过程：

步骤a)将50gal2o3载体充分分散在250g水中，并保持高分散的状态；步骤b)中，活性组分钌和锌以其金属盐氯化钌和氯化锌的溶液形式同时添加，其中氯化钌和氯化锌的添加量分别为5.40g和0.94g；步骤c)为了将催化活性组分沉淀在载体上，缓慢加入0.5mol/lnaoh饱和溶液，当混合溶液的ph稳性在9时，停止滴加碱液；步骤d)待活性组分充分沉淀后，将催化剂与水相分离；e)随后将得到的催化剂滤饼在减压或惰性气体下干燥，然后将干燥的催化剂进行煅烧处理，煅烧温度550℃，煅烧6h，得到催化剂前驱体；f)将e)得到的催化剂称取100g装填至固定床反应器中，氢气流中190℃下还原，还原21小时；g)还原结束后，将固定床反应器降温至反应温度115℃，准备进行反应性能评价。

反应性能评价：

在反应液预配罐1中预先将一定量的香茅醛和丙酮酸甲酯配成反应液，其中丙酮酸甲酯的添加量为香茅醛质量的0.7％，通过输送泵2将反应液以0.035kg反应液/小时的通入固定床反应器3，反应后产物送入粗产物储罐4中。通过校准gc分析测定转化率和薄荷酮产率。结果概括在表1中。

实施例5

催化剂1％zn-5％ru/al2o3制备及还原过程：

步骤a)将50gal2o3载体充分分散在250g水中，并保持高分散的状态；步骤b)中，活性组分钌和锌以其金属盐氯化钌和氯化锌的溶液形式同时添加，其中氯化钌和氯化锌的添加量分别为6.75g和1.04g；步骤c)为了将催化活性组分沉淀在载体上，缓慢加入0.5mol/lnaoh饱和溶液，当混合溶液的ph稳性在9时，停止滴加碱液；步骤d)待活性组分充分沉淀后，将催化剂与水相分离；e)随后将得到的催化剂滤饼在减压或惰性气体下干燥，然后将干燥的催化剂进行煅烧处理，煅烧温度600℃，煅烧20h，得到催化剂前驱体；f)将e)得到的催化剂称取100g装填至固定床反应器中，氢气流中200℃下还原，还原24小时；g)还原结束后，将固定床反应器降温至反应温度120℃，准备进行反应性能评价。

反应性能评价：

在反应液预配罐1中预先将一定量的香茅醛和丙酮酸甲酯配成反应液，其中丙酮酸甲酯的添加量为香茅醛质量的1％，通过输送泵2将反应液以0.04kg反应液/小时的通入固定床反应器3，反应后产物送入粗产物储罐4中。通过校准gc分析测定转化率和薄荷酮产率。结果概括在表1中。

表1