專利名稱：四[3－(3,5－二叔丁基－4－羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間位阻羥基苯基羧酸酯四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷的制備方法。
更具體地說，本發(fā)明涉及一種通過(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯與季戊四醇在催化劑體系存在下的反應(yīng)制備四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷的方法。
四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷是一種重要的商業(yè)抗氧化劑。例如，它保護(hù)有機(jī)材料(比如，塑料和潤滑劑)以抵制熱、氧化和/或光化的降解。仍然持續(xù)需要四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷用作抗氧化劑和其改進(jìn)的制備方法。
由于對毒性的關(guān)注，強(qiáng)烈需要消除一般用于普通類型的空間位阻羥基苯基羧酸酯(例如，四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷(其由Great Lakes Chemi cal Corporation制造，商標(biāo)名Anox20))的酚類抗氧化劑制造中的錫和特別是有機(jī)錫催化劑殘余物。在該制備方法中使用鋰化合物作為催化劑也是公知的，但是遭受大量的問題，即(i)活性鋰催化劑隨著時間而去活化，(ii)反應(yīng)速率低，特別是當(dāng)接近反應(yīng)結(jié)束時，和(iii)反應(yīng)混合物變色。為改進(jìn)轉(zhuǎn)化速率而使用較強(qiáng)堿性的活性催化劑導(dǎo)致顏色較差，然而較弱堿性的催化劑的使用雖然獲得了較好的顏色，但是轉(zhuǎn)化速率慢。去活化可以通過計量加入催化劑而部分地被補(bǔ)償，但是這要求額外的工藝步驟、更高的催化劑負(fù)載量并產(chǎn)生更多顏色和其它副產(chǎn)物的風(fēng)險。
本領(lǐng)域也已知路易斯酸催化劑(比如，鋅鹽)可成功地用于從簡單的醇制備空間位阻羥基苯基羧酸酯，比如，十八烷基醇以獲得3-(3’，5’-二叔丁基-4’-羥基苯基)丙酸十八烷基酯，但是其與如四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷制造中使用的多元醇如季戊四醇的反應(yīng)則或者徹底失敗或非常緩慢。在季戊四醇的情況下反應(yīng)慢的原因?qū)⒃诒菊f明書下文中詳細(xì)解釋。
我們已發(fā)現(xiàn)使用(a)某些堿性和中性催化劑與(b)某些路易斯酸催化劑的協(xié)同催化劑結(jié)合物，通過(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯與季戊四醇的反應(yīng)制造四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷可以克服現(xiàn)有技術(shù)中單獨使用堿性催化劑和路易斯酸催化劑的上述缺點。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種通過(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯與季戊四醇的反應(yīng)而制備四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷的酯交換方法，其中該反應(yīng)在由(a)至少一種堿性或中性催化劑和(b)至少一種能夠起路易斯酸作用的金屬化合物組成的酯交換催化劑結(jié)合物的存在下進(jìn)行，和其中該反應(yīng)通過以下階段進(jìn)行其中僅有堿性或中性催化劑存在于反應(yīng)混合物中的第一階段，和隨后當(dāng)反應(yīng)混合物內(nèi)含有的雙取代中間產(chǎn)物的量由HPLC分析低于20面積％時，隨著將路易斯酸催化劑加入到反應(yīng)混合物中而開始的第二階段。
優(yōu)選，當(dāng)反應(yīng)混合物內(nèi)含有的雙取代中間產(chǎn)物的量低于10面積％、優(yōu)選5～7面積％時，將路易斯酸加入到中間反應(yīng)混合物中。
優(yōu)選，該堿性或中性催化劑是氫氧化鋰、氫氧化鋰一水合物、甲醇鋰、氫化鋰、乙酸鋰或氨基化鋰，最優(yōu)選氫氧化鋰和氫氧化鋰一水合物。
優(yōu)選，該能夠起路易斯酸催化劑作用的金屬化合物是I b族金屬、IIa族金屬、IIb族金屬、IIIb族金屬、IVb族金屬、Vb族金屬、過渡金屬、鑭系元素或錒系元素的化合物。
進(jìn)一步優(yōu)選，該路易斯酸催化劑是辛酸鋅、乙酰丙酮化鋅水合物、乙酸鋅、硬脂酸鋅或二乙基二硫代氨基甲酸鋅，最優(yōu)選辛酸鋅。
由丙烯酸甲酯與2，6-二叔丁基苯酚反應(yīng)獲得的未蒸餾的粗反應(yīng)混合物(PP堿)可未經(jīng)中和或者采用羧酸部分中和而直接使用(氣提揮發(fā)性組分之后)。
酯交換反應(yīng)的副產(chǎn)物甲醇可以通過溶劑(例如，環(huán)己烷)噴射、氮氣噴射和/或應(yīng)用真空而除去。因為本文中描述的酯交換反應(yīng)是平衡反應(yīng)，為了限制逆反應(yīng)，有效地除去副產(chǎn)物甲醇是重要的。
本發(fā)明還涉及由本文描述和請求保護(hù)的方法制備或生產(chǎn)的四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個變化方案，除了(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯之外的C2～C4烷基(優(yōu)選乙基)酯用作酯交換反應(yīng)的起始原料。
設(shè)計本發(fā)明的新型催化劑體系以避免有機(jī)錫催化劑的使用和與它們相關(guān)的問題。
以下實施例用于舉例說明本發(fā)明。
實施例1將PP堿(277g，過量15％)、季戊四醇(28g)和氫氧化鋰一水合物(0.15g，1.7mol％/Penta)進(jìn)料到一個500ml的四頸燒瓶中，該燒瓶裝備有攪拌器、溫度計、泵入口和安裝到冷凝器上的蒸餾頭，該冷凝器再接到裝有水和環(huán)己烷的液-液交換器上。泵用于將環(huán)己烷以約0.4克環(huán)己烷/克PP堿/小時的速度從交換器中循環(huán)回反應(yīng)器中，從而使得環(huán)己烷+副產(chǎn)物甲醇連續(xù)地被蒸餾(后者通過交換器萃取到水中)。
將反應(yīng)物質(zhì)加熱到175℃，蒸餾環(huán)己烷和甲醇。兩批辛酸鋅(0.448g，0.6mol％/Penta)在5小時和12小時后加入。將樣品在定時的時間間隔取出并由HPLC分析，結(jié)果在下表中以面積％給出。
純化之后(用環(huán)己烷稀釋，洗滌，分離水層，干燥，由環(huán)己烷中結(jié)晶)，發(fā)現(xiàn)Anox 20最終產(chǎn)物的顏色為APHA 6。
實施例1a重復(fù)實施例1，除了減少過量的PP堿(260g，過量8％)，并且在5小時后僅加入一批辛酸鋅(0.9g，1.2mol％/Penta)。
結(jié)果見下表。
純化之后，發(fā)現(xiàn)Anox 20最終產(chǎn)物的顏色為APHA 5。
對比例1重復(fù)實施例1，除了將氫氧化鋰一水合物(0.44g，5mol％/Penta)以每批0.055g、分8次以2小時的時間間隔計量加入。發(fā)現(xiàn)達(dá)到5％三取代產(chǎn)物的程度(在該點認(rèn)為反應(yīng)完全，并準(zhǔn)備進(jìn)入純化階段)所需要花費的時間為21小時。
純化之后，發(fā)現(xiàn)Anox 20最終產(chǎn)物的顏色為APHA 14。
對比例1a重復(fù)對比例1，除了將氫氧化鋰一水合物(0.44g，5mol％/Penta)在反應(yīng)開始時一次性全部加入。發(fā)現(xiàn)達(dá)到5％三取代產(chǎn)物的程度所需要花費的時間為28小時。
純化之后，發(fā)現(xiàn)Anox 20最終產(chǎn)物的顏色為APHA 20。
對比例1b重復(fù)對比例1，除了將氫氧化鋰一水合物(0.15g，1.7mol％/Penta)和辛酸鋅(0.9g，1.2mol％/Penta)在反應(yīng)開始時一起加入。
發(fā)現(xiàn)達(dá)到5％三取代產(chǎn)物的程度所需要花費的時間為27小時。
純化之后，發(fā)現(xiàn)Anox 20最終產(chǎn)物的顏色為APHA 16。
結(jié)果概括在下表中以說明本發(fā)明的催化劑體系的優(yōu)點。
對比例2將PP堿(247g，過量15％)、季戊四醇(25g)和乙酸鋰(0.75g，3mol％/PE)進(jìn)料到一個500ml的四頸燒瓶中，該燒瓶裝備有攪拌器、溫度計、泵入口和安裝到冷凝器上的蒸餾頭，該冷凝器再接到裝有水和環(huán)己烷的液-液交換器上。泵用于將環(huán)己烷以約1.6g/分鐘的速度從交換器循環(huán)回反應(yīng)器中，從而使得環(huán)己烷+副產(chǎn)物甲醇連續(xù)地被蒸餾(后者通過交換器萃取到水中)。
將反應(yīng)物質(zhì)加熱到180℃，蒸餾環(huán)己烷和甲醇。將樣品在定時的時間間隔取出并由HPLC分析，結(jié)果在下表中以面積％給出。
對比例3如對比例2，除了采用辛酸鋅(2.9g，3mol％/PE)代替作為催化劑，結(jié)果如下。
實施例2如對比例2，除了將乙酸鋰(0.75g，3mol％/PE)在開始時加入，并在4小時后將乙酸鋅(1.43g，3mol％/PE)在180℃加入，結(jié)果如下。
實施例3如實施例2，除了減少使用的PP堿的量(227.4g，過量8％)。
實施例4如實施例2，除了使用較少量的乙酸鋅(0.72g，1.5mol％/PE)。
實施例5如實施例4，除了使用較少量的乙酸鋰(0.38g，1.5mol％/PE)。
實施例6如實施例2，除了將乙酸鋰(0.2g，1.5mol％/PP堿)在開始時加入，和將乙酰丙酮化鋅(0.73g，1.5mol％/PP堿)在4小時后加入，獲得的結(jié)果如下。
實施例7-23為了促進(jìn)甲醇的去除，使用包括連接到真空水泵的250ml燒瓶的Radleys Carousel 6 Place Reaction Station篩選用于季戊四醇(2.8g)和PP堿(27.2g，過量13％)在180℃反應(yīng)溫度下反應(yīng)的不同的催化劑。催化劑在3mol％/PP堿的總負(fù)載量下使用(其中當(dāng)使用兩種催化劑時，各自以1.5mol％的負(fù)載量加入)。當(dāng)使用兩種催化劑時，第二種催化劑在4小時后加入。Anox 20含量由最終產(chǎn)物混合物的HPLC分析的面積％給出。
獲得的結(jié)果概括在下表中
雖然我們不希望受下述理論的束縛，但是我們認(rèn)為本發(fā)明的酯交換方法按如下所述進(jìn)行，如下文第10和11頁說明性的反應(yīng)圖所示。
季戊四醇(Penta)與(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯(PP堿)的反應(yīng)首先產(chǎn)生了單取代的產(chǎn)物(MONO)，隨后MONO與PP堿的第二個分子的反應(yīng)產(chǎn)生了雙取代的產(chǎn)物(DI)，DI與PP堿的第三個分子的反應(yīng)產(chǎn)生了三取代的產(chǎn)物(TRIS)。最后，TRIS與PP堿的第四個分子的反應(yīng)產(chǎn)生了Anox 20。
當(dāng)從反應(yīng)的起始使用時，路易斯酸催化劑，和尤其是二價、三價和四價金屬物質(zhì)的使用是無效的。這是因為由于金屬離子的絡(luò)合作用導(dǎo)致了催化劑的去活化，該絡(luò)合通過多羥基化合物，PENTA、MONO和DI與金屬物質(zhì)的螯合形成。
堿性催化劑，尤其是IA族(堿)金屬和IIA族(堿土)金屬的化合物，用于促進(jìn)該反應(yīng)的第一個階段PENTA到MONO到DI到TRIS和TRIS到ANOX 20的部分轉(zhuǎn)化。
當(dāng)“螯合中間體”MONO和DI已達(dá)到足夠低的程度，例如＜20％DI和優(yōu)選＜10％DI時，能夠最有效地將路易斯酸催化劑加入到反應(yīng)混合物內(nèi)以加速反應(yīng)。
加入時間的選擇可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)實驗而優(yōu)化，以使反應(yīng)時間和顏色最少化，并使轉(zhuǎn)化率最大化。
我們認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)中描述的用于酯交換方法的傳統(tǒng)路易斯酸當(dāng)單獨用于本發(fā)明的酯交換方法時效果不好，原因是該反應(yīng)的季戊四醇中間體導(dǎo)致的去活化。這是因為季戊四醇的OH基團(tuán)的位置對各種金屬(例如，Mg、Zn、Al)的螯合作用而言是有利的。堿性催化劑(例如，LiOH)可以使用，但是它們遭受使形成的顏色增加的缺點(堿催化劑的氧化反應(yīng)引起變色)，并且堿的堿性越強(qiáng)，變色的風(fēng)險越大。路易斯酸不催化變色反應(yīng)。同時，當(dāng)季戊四醇的OH基團(tuán)依次反應(yīng)時，反應(yīng)變慢。通過使用堿進(jìn)行反應(yīng)以達(dá)到反應(yīng)最初的60～75％，然后加入路易斯酸以使得堿的用量最少化，最大化的速率提高以使形成的顏色最少化，并通過轉(zhuǎn)化中間體多-OH物質(zhì)而克服了路易斯酸陽離子物質(zhì)的去活化問題以便只有少量殘余(通常低于10％的雙取代副產(chǎn)物)。簡而言之，
本發(fā)明方法成功的關(guān)鍵是在反應(yīng)開始時加入堿催化劑和只有在螯合/去活化中間體已經(jīng)減少到低于一定程度之后再加入路易斯酸催化劑。


下面列出第一和第二階段可能的催化劑。
用作堿性/中性催化劑(非限制的)的IA族化合物的實例(非限制的)氫氧化鋰氫氧化鋰一水合物金屬鋰乙酸鋰己酸鋰辛酸鋰甲醇鋰異丙醇鋰氫化鋰三乙基氫硼化鋰氨基化鋰氫氧化鈉甲醇鈉氫化鈉乙酸鈉三乙基氫硼化鈉氫氧化鉀乙酸鉀叔丁醇鉀氟化鉀作為堿性催化劑的IIA族化合物的實例(非限制的)氫氧化鈣氧化鈣氫化鈣優(yōu)選氫氧化鋰、甲醇鋰、氫化鋰和乙酸鋰。
最優(yōu)選氫氧化鋰和氫氧化鋰一水合物。
路易斯酸的實例(非限制的)辛酸鋅乙酸鋅乙酰丙酮化鋅水合物硬脂酸鋅對-甲苯磺酸鋅環(huán)烷酸鋅二乙基二硫代氨基甲酸鋅乙酸錳(II)乙酰丙酮化錳(II)乙酰丙酮化錳(III)乙酸鈷(II)乙酰丙酮化鈷(II)乙酸鎳四水合物乙酰丙酮化鎳硬脂酸鎳乙酸鈣苯酚鋁異丙醇鋁乙酰丙酮化鋁四丁醇鈦乙酰丙酮氧化鈦(titanium oxide acetylacetonate)雙(乙酰丙酮根)異丙醇鈦乙酸鎵乙酸鑭乙酰丙酮化鑭·水合物2-乙基己酸釔乙酸釔二水合物乙酰丙酮化鋯(IV)乙酰丙酮化釩優(yōu)選辛酸鋅、乙酰丙酮化鋅水合物、乙酸鋅、硬脂酸鋅和二乙基二硫代氨基甲酸鋅。
最優(yōu)選辛酸鋅。
權(quán)利要求
1.一種通過(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯與季戊四醇的反應(yīng)而制備四[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷的酯交換方法，其中該反應(yīng)在由(a)至少一種堿性或中性催化劑和(b)至少一種能夠起路易斯酸作用的金屬化合物組成的酯交換催化劑結(jié)合物的存在下進(jìn)行，和其中該反應(yīng)通過以下階段進(jìn)行其中僅有堿性或中性催化劑存在于反應(yīng)混合物中的第一階段，和隨后當(dāng)反應(yīng)混合物內(nèi)含有的雙取代中間產(chǎn)物的量由HPLC分析低于20面積％時，隨著將路易斯酸催化劑加入到反應(yīng)混合物中而開始的第二階段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中當(dāng)反應(yīng)混合物內(nèi)含有的雙取代中間產(chǎn)物的量低于10面積％、優(yōu)選5～7面積％時，將路易斯酸加入到中間反應(yīng)混合物中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中該堿性或中性催化劑選自Ia族堿金屬、Ia族堿金屬化合物或IIa族堿土金屬化合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該堿性或中性催化劑是氫氧化鋰、氫氧化鋰一水合物、甲醇鋰、氫化鋰、乙酸鋰或氨基化鋰。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中該堿性催化劑是氫氧化鋰或氫氧化鋰一水合物。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其中該能夠起路易斯酸作用的金屬化合物是Ib族金屬、IIa族金屬、IIb族金屬、IIIb族金屬、IVb族金屬、Vb族金屬、過渡金屬、鑭系元素或錒系元素的化合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該路易斯酸催化劑是辛酸鋅、乙酰丙酮化鋅水合物、乙酸鋅、硬脂酸鋅或二乙基二硫代氨基甲酸鋅。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該路易斯酸催化劑是辛酸鋅。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其中由(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯的制備獲得的未蒸餾的粗反應(yīng)混合物未經(jīng)中和而用于該酯交換方法中、或者采用羧酸部分中和而用于該酯交換方法中。
10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其中該酯交換反應(yīng)的副產(chǎn)物甲醇通過溶劑(例如，環(huán)己烷)噴射、氮氣噴射和/或應(yīng)用真空而除去。
11.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法的變化方案，其中除了(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯之外的C2～C4烷基酯用作該酯交換反應(yīng)的起始原料。
全文摘要
通過(3，5－二叔丁基－4－羥基苯基)丙酸甲酯與季戊四醇的反應(yīng)而制備四[3－(3，5－二叔丁基－4－羥基苯基)丙酰氧基甲基]甲烷的酯交換方法，其中該反應(yīng)在由(a)至少一種堿性或中性催化劑和(b)至少一種能夠起路易斯酸作用的金屬化合物組成的酯交換催化劑結(jié)合物的存在下進(jìn)行，和其中該反應(yīng)通過以下階段進(jìn)行其中僅有堿性或中性催化劑存在于反應(yīng)混合物中的第一階段，和隨后當(dāng)反應(yīng)混合物內(nèi)含有的雙取代中間產(chǎn)物的量由HPLC分析低于20面積％時，隨著將路易斯酸催化劑加入到反應(yīng)混合物中而開始的第二階段。優(yōu)選的堿性催化劑是氫氧化鋰和氫氧化鋰一水合物。優(yōu)選的路易斯酸催化劑是辛酸鋅。
文檔編號C07C69/732GK1882525SQ200480033740
公開日2006年12月20日 申請日期2004年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月27日
發(fā)明者J·S·希爾 申請人:大湖化學(xué)(歐洲)公司