一种C5糖醇合成2,4-戊二烯-1-醇的方法 |
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| 申请号 | CN202311807661.0 | 申请日 | 2023-12-26 | 公开(公告)号 | CN117776871A | 公开(公告)日 | 2024-03-29 |
| 申请人 | 南京工业大学; | 发明人 | 郭凯; 徐梦雨; 孙睿岩; 方正; 李振江; 黄金; 孙戒; 朱宁; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于精细化学品合成领域，涉及一种C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的方法。一种C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的方法，C5糖醇与原 甲酸 酯类化合物在第一酸性催化剂的作用下发生酯化反应，再经过脱 氧 脱 水 反应，即得2,4‑戊二烯‑1‑醇。本 申请 提供了一种由 生物 质 原料高效合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的新方法，C5糖醇与原甲酸酯类化合物在酸性催化剂的作用下发生酯化反应，再经过脱氧脱水反应高选择性合成2,4‑戊二烯‑1‑醇，该反应方法简单，合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的选择性高，反应效率高，2,4‑戊二烯‑1‑醇的摩尔收率可达85％左右。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的方法，其特征在于，C5糖醇与原甲酸酯类化合物在第一酸性催化剂的作用下发生酯化反应，再经过脱氧脱水反应，即得2,4‑戊二烯‑1‑醇。 |
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| 说明书全文 | 一种C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的方法技术领域[0001] 本发明属于精细化学品合成领域，涉及一种C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的方法。 背景技术[0002] 2,4‑戊二烯‑1‑醇是一种特殊结构的烯醇类化合物，由于存在可聚合的共轭双键和羟基，使其成为一种新型聚合单体，在高分子材料领域有重要应用价值，主要用来制备高附加值的生物医用材料(如生物兼容性水凝胶、弹性体)和改性橡胶。另外，2,4‑戊二烯‑1‑醇还是重要的有机合中间体，在药物分子合成方面有重要应用，也是制备食品香料2,4‑戊二烯醛的关键原料。 [0003] 目前2,4‑戊二烯‑1‑醇的制备主要通过有机合成方法[J.Am.Chem.Soc.1980,102,6114–6116；Journal of Asian Natural Products Research,2003,5(3),165–169]，以丙二酸和丙烯醛为原料，在吡啶溶剂中经过碳碳偶联反应生成中间体2,4‑戊二烯酸，再用氢化铝锂选择性还原羧基，即可获得2,4‑戊二烯‑1‑醇。由于反应步骤复杂，该方法获得的2, 4‑戊二烯‑1‑醇收率较低(12％)，而且需要使用剧毒的丙烯醛和吡啶。该反应路线中还要用到大量的无机酸来分离2,4‑戊二烯酸以及过量的氢化铝锂来还原羧基，因此会产生大量的废液和固体废弃物。 [0004] 用生物质衍生的绿色原料替代化石基剧毒的丙烯醛和丙二酸来制备2,4‑戊二烯‑1‑醇具有重要意义。最近，Nicholas团队报道了以半纤维素衍生的木糖醇为原料来制备2, 4‑戊二烯‑1‑醇的技术途径[Organometallics,2015,34,1985‑1990]，该方法采用甲基三氧化铼(MeReO3)为催化剂，以二氢吲哚为还原剂，将木糖醇选择性脱氧为2,4‑戊二烯‑1‑醇，收率为56％。该方法采用的甲基三氧化铼催化剂价格昂贵，难以从反应体系中分离，限制了该方法实用性，另外反应时间较长(24h)，反应效率低。因此，急需开发一种绿色、低碳、可持续的合成方法。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的新方法。 [0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下： [0007] 本发明公开了一种C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的方法，C5糖醇与原甲酸酯类化合物在第一酸性催化剂的作用下发生酯化反应，再经过脱氧脱水反应，即得2,4‑戊二烯‑1‑醇。 [0008] 在一些实施例中，所述C5糖醇为木糖醇或阿拉伯糖醇；所述原甲酸酯类化合物为原甲酸三甲酯、原甲酸三乙酯、原甲酸三丙酯或原甲酸三异丙酯；所述第一酸性催化剂为乙酸、甲酸、氯乙酸、溴乙酸、甲氧基乙酸和苯甲酸中的任意一种或几种的组合。 [0009] 在一些实施例中，优选地，所述C5糖醇为木糖醇；所述原甲酸酯类化合物为原甲酸三乙酯；所述第一酸性催化剂为乙酸。 [0010] 在一些实施例中，所述原甲酸酯类化合物的摩尔量为所述C5糖醇的1～5倍；所述C5糖醇与第一酸性催化剂的摩尔比为5～40：1。 [0011] 在一些实施例中，优选地，所述原甲酸酯类化合物的摩尔量为所述C5糖醇的1～3倍，进一步优选为1.5～2.5倍。 [0012] 在一些实施例中，优选地，所述C5糖醇与第一酸性催化剂的摩尔比为5～20：1，进一步优选为5～15：1，更进一步优选为8～12：1。 [0014] 在一些实施例中，优选地，所述酯化反应，反应温度为80～160℃，反应时间为1～10h，进一步优选地，反应温度为120～140℃，反应时间为2～8h。 [0015] 在一些实施例中，优选地，所述脱氧脱水反应，反应温度为200～300℃，反应压力为0.1MPa～3.0MPa，进一步优选地，反应温度为205～240℃，反应压力为0.3MPa～3.0MPa。 [0016] 在一些实施例中，所述的脱氧脱水反应在有机溶剂和/或第二酸性催化剂的作用下进行。 [0017] 具体地，所述有机溶剂为四乙二醇二甲醚、二甘醇二甲醚、二乙二醇丁醚、三乙二醇二甲醚、二甘醇、二苯醚和1,3‑二甲基丙撑脲中的任意一种或几种的组合；所述第二酸性催化剂为乙酸、甲酸、氯乙酸、溴乙酸、甲氧基乙酸和苯甲酸中的任意一种或几种的组合；优选地，所述C5糖醇与第二酸性催化剂的摩尔比为0.6～14.0：1。 [0018] 具体地，优选地，所述有机溶剂为四乙二醇二甲醚。 [0019] 具体地，优选地，当脱氧脱水反应中使用第二酸性催化剂时，所述C5糖醇与第二酸性催化剂的摩尔比为0.8～12.0：1。 [0020] 在一些实施例中，所述酯化反应在常规反应器或微通道连续流反应装置中进行；所述脱氧脱水反应在常规反应器或微通道连续流反应装置中进行。 [0021] 在一些实施例中，优选地，当所述酯化反应在常规反应器中进行，所述脱氧脱水反应在微通道连续流反应装置中进行时，C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的步骤如下： [0022] (1)将C5糖醇与原甲酸酯类化合物、第一酸性催化剂混合进行酯化反应，反应结束后将反应液后处理，得到第一混合液； [0023] (2)将第一混合液泵入微通道连续流反应装置的微通道反应器中进行脱氧脱水反应，即得2,4‑戊二烯‑1‑醇； [0024] 具体地，步骤(2)中，所述微通道反应器的管道为盘管管道，由加热反应段管道和冷却段管道构成，管道的内径为0.2～15mm；所述脱氧脱水反应在加热反应段管道中进行；所述微通道连续流反应装置中设有背压阀，控制微通道反应器的反应压力。 [0025] 其中，所述加热反应段管道的加热由金属砂浴锅加热控制；所述冷却段管道的冷却由冰浴冷却。 [0026] 其中，所述冷却段管道的出料口设有接收器。 [0027] 具体地，步骤(2)中，控制微通道反应器的流速为0.01～0.5mL/min，停留时间为0.02～1.7h。 [0028] 具体地，优选地，步骤(2)中，控制微通道反应器的流速为0.01～0.06mL/min，停留时间为0.2～1.2h。 [0029] 或者， [0030] 在一些实施例中，优选地，当所述酯化反应在常规反应器中进行，所述脱氧脱水反应在微通道连续流反应装置中进行时，C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的步骤如下： [0031] (1)将C5糖醇与原甲酸酯类化合物、第一酸性催化剂混合进行酯化反应，反应结束后将反应液后处理，得到第一混合液； [0032] (2)将第一混合液与辅助物料混匀后，得到第二混合液；将第二混合液泵入微通道连续流反应装置的微通道反应器中进行脱氧脱水反应，即得2,4‑戊二烯‑1‑醇；所述的辅助物料为有机溶剂和/或第二酸性催化剂。 [0033] 具体地，所述第二混合液中第二酸性催化剂的浓度为0～2mol/L。 [0034] 具体地，步骤(2)中，所述微通道反应器的管道为盘管管道，由加热反应段管道和冷却段管道构成，管道的内径为0.2～15mm；所述脱氧脱水反应在加热反应段管道中进行；所述微通道连续流反应装置中设有背压阀，控制微通道反应器的反应压力。 [0035] 具体地，步骤(2)中，控制微通道反应器的流速为0.01～0.5mL/min，停留时间为0.02～1.7h。 [0036] 具体地，优选地，步骤(2)中，控制微通道反应器的流速为0.01～0.06mL/min，停留时间为0.2～1.2h。 [0037] 其中，所述加热反应段管道的加热由金属砂浴锅加热控制；所述冷却段管道的冷却由冰浴冷却。 [0038] 其中，所述冷却段管道的出料口设有接收器。 [0039] 有益效果： [0040] (1)本申请提供了一种由生物质原料高效合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的新方法，C5糖醇与原甲酸酯类化合物在酸性催化剂的作用下发生酯化反应，再经过脱氧脱水反应高选择性合成2,4‑戊二烯‑1‑醇，该反应方法简单，合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的选择性高，反应效率高，2,4‑戊二烯‑1‑醇的摩尔收率可达85％左右。 [0042] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。 [0043] 图1为实施例中所用的微通道连续流反应装置图。 [0044] 图2为C5糖醇脱氧脱水反应产物2,4‑戊二烯‑1‑醇和1,4‑戊二烯‑3‑醇的典型1H‑NMR谱图(以均三甲苯为内标计算收率)。 [0045] 图3为原甲酸酯类化合物介导的C5糖醇脱水脱氧合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的反应方程式；其中，R为甲酰基、乙酰基、丙酰基或异丙酰基。 具体实施方式[0046] 为了进一步理解本发明，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0047] 如无特殊说明，本发明实施例中所涉及的试剂均为市售产品，均可以通过商业渠道购买获得。 [0048] 实施例中所用的微通道连续流反应装置图如图1所示，微通道反应器的管道为盘管管道，由加热反应段管道(内径*长度为0.5mm*3.3m)和冷却段管道(内径*长度为0.58mm*2.5m)构成；脱氧脱水反应在加热反应段管道中进行；微通道连续流反应装置上设有备压阀，控制脱氧脱水反应体系压力。 [0049] 其中，所述加热反应段管道的加热由金属砂浴锅加热控制；所述冷却段管道的冷却由冰浴冷却。 [0050] 其中，所述冷却段管道的出料口设有接收器。 [0051] 本发明实施例中原甲酸酯类化合物介导的C5糖醇脱水脱氧合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的反应方程式如图3所示；其中，R为甲酰基、乙酰基、丙酰基或异丙酰基。 [0052] 实施例1‑4：脱氧脱水反应温度对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0053] (1)酯化反应：将木糖醇(24g，0.158mol，Mw＝152.146)、原甲酸三乙酯(50g，0.337mol，Mw＝148.20)和乙酸(1g，0.017mol，Mw＝60.052)混合于反应瓶中，在130℃下搅拌进行酯化反应4h，反应结束后将反应液在53℃、65mbar下旋蒸1h，除去挥发性组分，得到第一混合液； [0054] (2)脱氧脱水反应：将步骤(1)中得到的第一混合液与四乙二醇二甲醚混合，得到物料溶液，浓度为1.5mol/L(以初始原料木糖醇计)。取16mL物料溶液(以初始原料木糖醇计，0.024mol)，向其中加入乙酸(1.2mL，0.021mol，Mw＝60.052)，在25℃下超声5min，超声频率为53kHz，混合后，得到第二混合液；将第二混合液以0.02mL/min流速泵入微通道连续流反应装置的微通道反应器中，在不同温度下(205℃、215℃、225℃、235℃)进行脱氧脱水反应，背压阀压力为0.5MPa；其中，微通道反应器的加热反应段管道0.5mm*3.3m(反应停留1 时间为0.54h)，产物冷却段管道0.58mm*2.5m。反应结束后将反应液进行核磁分析，根据 H‑NMR结果，以均三甲苯为内标计算出2,4‑戊二烯‑1‑醇与异构体1,4‑戊二烯‑3‑醇的收率，典 1 型的H‑NMR谱图如图2所示。实验结果如表1所示。 [0055] 表1不同脱氧脱水反应温度对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0056] 反应温度(℃) 2,4‑戊二烯‑1‑醇产率(％) 1,4‑戊二烯‑3‑醇产率(％)实施例1 205 76.4 4.3实施例2 215 85 6.7 实施例3 225 77.8 7.9 实施例4 235 73.3 9.8 [0057] 由表1可以看出，随着脱氧脱水反应温度从205℃升高到235℃，2,4‑戊二烯‑1‑醇产率先升高后降低，最佳的脱氧脱水反应温度为215℃，收率可达到85％。 [0058] 实施例5‑10：脱氧脱水反应中乙酸的使用量对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响[0059] (1)本步骤的实验方法同实施例1步骤(1)的实验方法。 [0060] (2)本步骤的实验方法同实施例1步骤(2)的实验方法，不同的是，反应温度为225℃，乙酸的使用量分别为0mL、0.2mL、0.4mL、0.8mL、1.2mL、1.6mL。 [0061] 反应结束后将反应液进行核磁分析，根据1H‑NMR结果，以均三甲苯为内标计算出2,4‑戊二烯‑1‑醇与异构体1,4‑戊二烯‑3‑醇的收率，实验结果如表2所示。 [0062] 表2脱氧脱水反应中乙酸的不同用量对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响[0063] [0064] 由表2可以看出，随着乙酸用量增加，2,4‑戊二烯‑1‑醇产率逐渐升高，当乙酸用量大于等于1.2mL时，2,4‑戊二烯‑1‑醇产率变化不大，乙酸的最佳用量为1.2mL。 [0065] 实施例11‑15：脱氧脱水反应中甲酸的使用量对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响[0066] (1)本步骤的实验方法同实施例1步骤(1)的实验方法，所用的酸为乙酸。 [0067] (2)本步骤的实验方法同实施例1步骤(2)的实验方法，不同的是，所用的酸为甲酸，甲酸的用量分别为0.1mL(0.0027mol)、0.2mL(0.0053mol)、0.3mL(0.008mol)、0.4mL(0.011mol)、0.6mL(0.016mol)，反应温度为215℃。 [0068] 反应结束后将反应液进行核磁分析，根据1H‑NMR结果，以均三甲苯为内标计算出2,4‑戊二烯‑1‑醇与异构体1,4‑戊二烯‑3‑醇的收率，实验结果如表3所示。 [0069] 表3脱氧脱水反应中甲酸的用量对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0070] [0071] 由表3可以看出，随着甲酸用量增加，2,4‑戊二烯‑1‑醇产率先升高后渐低，甲酸的最佳用量为0.2mL。 [0072] 实施例16‑21：脱氧脱水反应中不同的酸对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响[0073] (1)本步骤的实验方法同实施例1步骤(1)的实验方法，所用的酸为乙酸。 [0074] (2)本步骤的实验方法同实施例1步骤(2)的实验方法，不同的是，所用的酸分别为乙酸、甲酸、甲氧基乙酸、苯甲酸、溴乙酸、氯乙酸，酸的使用量均为3.2mmol，反应温度为215℃。 [0075] 反应结束后将反应液进行核磁分析，根据1H‑NMR结果，以均三甲苯为内标计算出2,4‑戊二烯‑1‑醇与异构体1,4‑戊二烯‑3‑醇的收率，实验结果如表4所示。 [0076] 表4脱氧脱水反应中不同的酸对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0077] [0078] [0079] 由表4可以看出，使用3.2mmol不同类型的质子酸，使用甲氧基乙酸时2,4‑戊二烯‑1‑醇的产率最好，但是效果仍低于表1中使用乙酸(用量为1.2mL)在215℃下催化合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的产率(85％)。 [0080] 实施例22‑24：第二混合液以不同的流速泵入微通道反应器中对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0081] (1)本步骤的实验方法同实施例1步骤(1)的实验方法。 [0082] (2)本步骤的实验方法同实施例1步骤(2)的实验方法，不同的是，反应温度为215℃，1.2mL乙酸，第二混合液泵入微通道反应器中的流速分别为0.01mL/min、0.02mL/min、0.04mL/min。 [0083] 反应结束后将反应液进行核磁分析，根据1H‑NMR结果，以均三甲苯为内标计算出2,4‑戊二烯‑1‑醇与异构体1,4‑戊二烯‑3‑醇的收率，实验结果如表5所示。 [0084] 表5第二混合液以不同的流速泵入微通道反应器中对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0085] 泵速(mL/min) 2,4‑戊二烯‑1‑醇产率(％) 1,4‑戊二烯‑3‑醇产率(％)实施例22 0.01 75 13实施例23 0.02 85 6.7 实施例24 0.04 61.9 9.7 [0086] 由表5可以看出，随着第二混合液泵入微通道反应器中的流速提高，2,4‑戊二烯‑1‑醇的产率先升高后降低，最佳泵入的流速为0.02mL/min。 [0087] 实施例25‑28：不同原甲酸酯类化合物对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响[0088] (1)本步骤的实验方法同实施例1步骤(1)的实验方法，不同的是，原甲酸酯类化合物分别为原甲酸三异丙酯、原甲酸三丙酯、原甲酸三甲酯、原甲酸三乙酯。 [0089] (2)本步骤的实验方法同实施例1步骤(2)的实验方法，不同的是，将步骤(1)中得到的第一混合液与四乙二醇二甲醚混合，得到物料溶液，浓度为0.7mol/L(以初始原料木糖醇计)；0.6mL乙酸；将第二混合液以0.03mL/min流速泵入微通道连续流反应装置的微通道反应器中；反应温度为225℃。 [0090] 反应结束后将反应液进行核磁分析，根据1H‑NMR结果，以均三甲苯为内标计算出2,4‑戊二烯‑1‑醇与异构体1,4‑戊二烯‑3‑醇的收率，实验结果如表6所示。 [0091] 表6不同原甲酸酯类化合物对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0092] [0093] 由表6可以看出，不同结构的原甲酸酯类化合物对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率有较大影响，结构最简单的原甲酸三甲酯获得的2,4‑戊二烯‑1‑醇产率最低，原甲酸三异丙酯和原甲酸三丙酯获得的产率与原甲酸三乙酯比较接近，综合考虑原甲酸酯类化合物的价格和反应性能，原甲酸三乙酯是最佳选择。 [0094] 实施例29‑30：C5糖醇种类对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0095] (1)本步骤的实验方法同实施例1步骤(1)的实验方法，不同的是，C5糖醇分别为阿拉伯糖醇、木糖醇。 [0096] (2)本步骤的实验方法同实施例1步骤(2)的实验方法，不同的是，反应温度为215℃。 [0097] 表7C5糖醇种类对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0098] C5糖醇种类 2,4‑戊二烯‑1‑醇产率(％) 1,4‑戊二烯‑3‑醇产率(％)实施例29 阿拉伯糖醇 52.4 21.2实施例30 木糖醇 85 6.7 [0099] 由表7可以看出，使用木糖醇获得的2,4‑戊二烯‑1‑醇的收率明显高于阿拉伯糖醇，木糖醇是最佳C5糖醇选择。 [0100] 实施例31‑33：脱氧脱水反应中不同反应压力对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响[0101] (1)本步骤的实验方法同实施例1步骤(1)的实验方法。 [0102] (2)本步骤的实验方法同实施例1步骤(2)的实验方法，不同的是，反应压力分别为0.5MPa、1.5MPa、2.9MPa，反应温度为215℃。 [0103] 表8脱氧脱水反应中不同反应压力对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响 [0104] 压力(MPa) 2,4‑戊二烯‑1‑醇产率(％) 1,4‑戊二烯‑3‑醇产率(％) 实施例31 0.5 85 6.7 实施例32 1.5 65.3 10.4 实施例33 2.9 59.3 10.8 [0105] 由表8可以看出，随着微通道反应器中的反应压力提高，2,4‑戊二烯‑1‑醇的产率逐渐降低，最佳反应压力为0.5Mpa。 [0106] 实施例34‑37：无有机溶剂脱氧脱水反应中不同酸对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响[0107] (1)酯化反应：本步骤的实验方法同实施例1步骤(1)的实验方法。 [0108] (2)脱氧脱水反应：取步骤(1)中得到的第一混合液16mL与15mmol酸(分别为乙酸、甲酸、甲氧基乙酸、溴乙酸)混合，在25℃下超声5min，超声频率为53kHz，得到第二混合液；将第二混合液以0.03mL/min流速泵入微通道连续流反应装置的微通道反应器中，微通道反应器的加热反应段管道0.5mm*3.3m，产物冷却段管道0.58mm*2.5m，在215℃下进行脱氧脱水反应，背压阀压力为0.5MPa。 [0109] 反应结束后将反应液进行核磁分析，根据1H‑NMR结果，以均三甲苯为内标计算出2,4‑戊二烯‑1‑醇与异构体1,4‑戊二烯‑3‑醇的收率，实验结果如表9所示。 [0110] 表9无有机溶剂脱氧脱水反应中不同酸对2,4‑戊二烯‑1‑醇产率的影响[0111] [0112] 由表9可以看出，不添加有机溶剂情况下，保持一样的酸用量(15mmol)，使用乙酸时2,4‑戊二烯‑1‑醇的产率最好。 [0113] 综上所述，本申请提供的合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的新方法，反应过程简单，反应效率高，2,4‑戊二烯‑1‑醇的产率高达85％，与现有技术相比，本发明使用的原料绿色、可再生、且来源广泛。 [0114] 本发明提供了一种C5糖醇合成2,4‑戊二烯‑1‑醇的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。 |
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