專利名稱：制備旋光羰基化合物的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備具有3-25個碳原子和至少一個可外消旋的立構中心的旋光醛或酮的方法。
手性醛或酮是用于制備許多有價值化合物的重要中間體。它們本身作為特定應用例如芳香劑和香味劑工業(yè)中的有價值材料或活性化合物極為重要。
由于難以獲得，手性醛或酮通常以外消旋形式制備或使用，或者以旋光形式從天然來源獲得。旋光醛或酮的工業(yè)規(guī)膜生產(chǎn)或反應常常受到嚴格限制，因為這些化合物是化學不穩(wěn)定的，尤其是立體化學不穩(wěn)定的，因此與許多工業(yè)和經(jīng)濟上有吸引力的工藝和反應條件不相適應。
DE-A 199 11 169描述了通過在催化劑的存在下在氣相中在高溫下將環(huán)酮脫氫來制備環(huán)狀α，β-不飽和酮的方法。
WO 97/33853涉及在包含氧化鋅和碳酸鈣的催化劑的存在下在氣相中在高溫下將環(huán)狀仲醇脫氫的方法。
CN-A 1059710和CN-A 1059711描述了在基于CaO/ZnO的催化劑的存在下通過將異冰片脫氫來制備樟腦的方法。該反應在0-60托的減壓下進行。
本發(fā)明的目的是提供一種方法，該方法能夠通過脫氫將具有可外消旋的立構中心的旋光醇轉化為相應的旋光醛或酮，并且基本上保留可外消旋的立構中心的絕對構型。
根據(jù)本發(fā)明，該目的令人驚奇地通過提供一種制備具有3-25個碳原子和至少一個可外消旋的立構中心的旋光醛或酮的方法來達到，所述方法包括在催化劑的存在下在氣相中將相應的旋光伯醇或仲醇催化脫氫。
對于本發(fā)明來說，旋光化合物是本身或在溶解狀態(tài)下能夠旋轉通過它們的線式偏振光的偏振平面的化合物。具有立構中心的化合物是兩種對映體的非外消旋混合物，即，其中兩種對映體以不等量存在的混合物。描述這種情況的適合手段是對映體過量(ee)，用適當方法例如氣相色譜法測定對映體過量本身是本領域技術人員已知的。
術語“可外消旋的立構中心”尤其是指非對稱取代的碳原子，在特定試劑例如酸或堿或自由基的作用下，其能夠呈現(xiàn)(至少以中間形式)三角-平面構型，失去了初始立體化學信息。這里尤其可以提到攜帶三個非氫取代基與一個能夠例如被適合的堿奪取的氫原子的非對稱碳原子?？梢蕴岬降钠渌邮欠菍ΨQ取代的叔醇中心。對于本發(fā)明來說，橋連雙環(huán)或多環(huán)化合物的非對稱橋頭原子例如是不可外消旋的。
本發(fā)明的方法適合于具有3-25個碳原子和至少一個可外消旋的立構中心的旋光伯醇和仲醇的脫氫。在仲醇反應的情況下，所述立構中心不是指攜帶所要脫氫的醇官能團的碳原子，該碳原子同樣可以是非對稱取代的。如果手性醇以外消旋形式使用，則成功地獲得了相應的外消旋醛和酮。優(yōu)選采用旋光形式的手性伯醇或仲醇，并在基本上保留可外消旋的立構中心的構型、即基本上抑制該立構中心的外消旋化的情況下獲得相應的旋光醛或酮。
該方法對于旋光形式的并且在相對于要脫氫的醇官能團的α或β位上具有可外消旋的立構中心的伯醇或仲醇的反應是特別重要的。采用本發(fā)明的方法，由這些伯醇或仲醇可以獲得在所形成的羰基官能團的α或β位上具有立構中心的醛或酮。所選擇的底物的其它取代方式或取代基數(shù)目不是嚴格要求的，通常僅僅受所要起反應的取代基或化合物在所選擇反應條件下的穩(wěn)定性的限制。
本發(fā)明的方法尤其可用于將旋光脂環(huán)族或開鏈伯醇和仲醇脫氫為相應的旋光醛或酮，所述伯醇和仲醇具有至少一個可外消旋的立構中心，可以是支化或非支化的，并且可以具有3-25、優(yōu)選5-12個碳原子。那么根據(jù)本發(fā)明獲得了具有至少一個可外消旋的立構中心的、支化或非支化的、開鏈或單環(huán)醛或酮。所要脫氫的醇還可以具有一個或多個、一般1-3個在反應條件下穩(wěn)定的烯屬雙鍵。
所提到的化合物可以作為單一化合物或它們的混合物，尤其在具有多于一個立構中心的化合物反應的情況下作為非對映體的混合物，用于本發(fā)明的目的。
用于實施本發(fā)明方法的優(yōu)選起始化合物是旋光萜烯醇，尤其旋光單萜烯或倍半萜烯醇，即，具有5、10或15個碳原子的醇和它們的衍生物?？梢蕴岬降膶嵗且韵禄衔?-甲基丁-1-醇，3，7-二甲基辛-6-烯-1-醇(香茅醇)，3，7-二甲基辛-1-醇，8-對-薄荷烯-3-醇(異蒲勒醇)，對-薄荷烷-3-醇(薄荷醇)，2-甲基環(huán)己醇，3-甲基環(huán)己醇，2-甲基環(huán)戊醇，3-甲基環(huán)戊醇，2，6-二甲基環(huán)己醇和2，3-二甲基環(huán)己醇。
根據(jù)本發(fā)明，通過脫氫由所提到的化合物獲得相應的醛或酮；此類醛和酮的實例是2-甲基丁-1-醛，3，7-二甲基辛-6-烯-1-醛(香茅醛)，3，7-二甲基辛-1-醛，8-對-薄荷烯-3-酮(異蒲勒酮)，對-薄荷烷-3-酮(薄荷酮)，2-甲基環(huán)己酮，3-甲基環(huán)己酮，2-甲基環(huán)戊酮，3-甲基環(huán)戊酮，2，6-二甲基環(huán)己酮和2，3-二甲基環(huán)己酮。
該方法尤其可用于由式(II)的旋光香茅醇 制備式(I)的旋光香茅醛 香茅醇的兩種對映體自然同等地適合用作本發(fā)明方法的起始原料。優(yōu)選的起始原料是R-(+)-香茅醇(D-香茅醇)。
優(yōu)選使用具有至少85％ee、尤其優(yōu)選至少90％ee、更尤其優(yōu)選至少95％ee的對映體過量的醇用于本發(fā)明的目的。根據(jù)本發(fā)明獲得的產(chǎn)物醛或酮的對映體過量可以受起始原料中的對映體過量的選擇的影響。尤其有利的是選擇反應條件，例如反應溫度，使得所獲得的產(chǎn)物醛或酮的對映體過量是所使用的醇的對映體過量的至少大約90％，優(yōu)選至少大約95％。
各種各樣的催化劑，尤其包含至少一種選自元素鋅、鈣和銅中的元素(作為元素本身或適合的化合物)的催化劑，適合于實施本發(fā)明的方法。
除了所提到的元素以外，能夠根據(jù)本發(fā)明使用的催化劑可以進一步包含一種或多種1、2、3、4、13和/或14族的元素，例如Na、K、Mg、Ti、Zr、Al、C、Si和/或Ge。
包含鋅和鈣、優(yōu)選氧化物形式和/或其碳酸鹽形式的鋅和鈣的催化劑尤其可用于實施本發(fā)明的脫氫方法。尤其優(yōu)選的是包含氧化鋅和碳酸鈣的催化劑。
優(yōu)選的用于實施本發(fā)明方法的催化劑是活性組分包含30-60重量％、優(yōu)選40-50重量％的氧化鋅和40-70重量％、優(yōu)選50-60重量％碳酸鈣的催化劑。在這些當中，進一步優(yōu)選的是碳酸鈣組分以方解石變體存在的那些。所述比例由燒過的催化劑組合物確定，其中鋅和鈣分別以它們的氧化物形式存在。
可根據(jù)本發(fā)明使用的其它催化劑是含銅的催化劑，尤其其中銅以＞0的氧化態(tài)以沉積于氧化物載體上的形式存在的催化劑，如在DE-A 197 57 297中所述。作為其它載體材料，可以使用例如碳酸鈣和其它適合的載體材料。
在一個優(yōu)選實施方案中，可根據(jù)本發(fā)明使用的催化劑具有5-50m2/g、優(yōu)選10-30m2/g的通過BET方法測定的比表面積。
這種催化劑例如可以通過利用堿和本身已知的后處理從水溶性鋅和鈣化合物中沉淀出微溶的鋅和鈣化合物來獲得，其中(a)使用水溶性堿性碳酸鹽作為堿，(b)如果需要，在沉淀之后過濾出微溶的鋅和鈣化合物，(c)將在需要時已過濾的所述鋅和鈣化合物洗滌，(d)將由(c)獲得的洗滌過的鋅和鈣化合物干燥，獲得粉末，和(e)隨后將由(d)獲得的粉末在不超過600℃的溫度下煅燒，和(f)如果需要，將所述煅燒的粉末壓制為成形體。
作為水溶性鋅和鈣鹽，可以使用醋酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物，優(yōu)選硝酸鹽，例如硝酸鋅、醋酸鋅、硫酸鋅、醋酸鈣、硝酸鈣，優(yōu)選硝酸鋅和硝酸鈣。適當?shù)柠}的水溶液通常具有3-25重量％、優(yōu)選10-25重量％、尤其20重量％的濃度。
優(yōu)先選擇鋅與鈣的摩爾比，使得該催化劑的活性組分包含30-60重量％的氧化鋅和40-70重量％的碳酸鈣，這優(yōu)選存在于煅燒后的方解石變體中。
所使用的堿優(yōu)選是水溶性堿性碳酸鹽，例如堿金屬碳酸鹽，如碳酸鈉、碳酸鉀，堿金屬碳酸氫鹽，如碳酸氫鈉、碳酸氫鉀，碳酸銨或碳酸氫銨，以及它們的混合物，優(yōu)選碳酸鈉，尤其優(yōu)選它的濃度通常為0.5-30克堿/100克溶液、優(yōu)選10-25克堿/100克溶液的水溶液。
所述沉淀一般在10-90℃、優(yōu)選40-80℃的溫度下進行。在沉淀后，在需要時可以過濾沉淀物。在需要時過濾出的沉淀物通常用水洗滌，優(yōu)選直至用硝酸鹽環(huán)試驗不再能檢測到硝酸鹽為止，隨后干燥，優(yōu)選在90-150℃的溫度下干燥，獲得干燥的粉末。干燥可以以靜止或移動層進行，優(yōu)選通過噴霧干燥。
干燥過的粉末然后可以在不超過600℃、優(yōu)選300-600℃、尤其400-475℃的溫度下，優(yōu)選在空氣中煅燒。基于迄今為止的觀察結果，在600℃以上長期加熱導致了CaCO3的霰石變體的形成。在600℃以上短暫加熱在優(yōu)選催化劑的制備中不會引起問題，只要沒有形成霰石(通過X射線衍射法檢測)即可。
在煅燒后，煅燒過的粉末在需要時可以壓制，形成成形體，例如粒料、環(huán)、圓柱體等，優(yōu)選粒料。
在一個優(yōu)選實施方案中，煅燒過的粉末與石墨一起壓制，按總質量計，石墨的量優(yōu)選為0.1-5重量％、尤其優(yōu)選1-2.5重量％、特別是2重量％。
在另一優(yōu)選的實施方案中，將由步驟(c)(參見以上)獲得的未煅燒的粉末壓制為成形體，優(yōu)選粒料、環(huán)形粒料、如US-6,518,220所述的具有圓頂狀末端的粒料，或三葉片，這樣獲得的成形體如在步驟(d)下所述進行煅燒。或者，還可以擠出為擠出物或星形擠出物，優(yōu)選擠出物。
所得煅燒過的粉末和成形體可以用作催化劑，這些催化劑能夠包含氧化鋅和碳酸鈣(方解石變體)作為活性組分，如果需要還有作為鈍性組分的石墨。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，使用在5nm-300mm范圍內的孔徑下具有0.10-0.50cm3/g、尤其0.20-0.35cm3/g的孔體積的所述那類催化劑，其中特別優(yōu)選該孔體積的至少85％、優(yōu)選超過90％與0.01-0.5mm的孔徑有關。
特別優(yōu)選的上述類型的催化劑是具有500-4000N/cm2、尤其1000-2500N/cm2的端面壓縮強度和30-300N、優(yōu)選50-200N的側向壓縮強度的催化劑。
通過BET方法測定的比表面積一般是5-50m2/g、優(yōu)選10-30m2/g。在0.1nm-300nm孔徑范圍內的孔體積通常是0.1-0.5cm3/g、優(yōu)選0.2-0.35cm3/g，前提是該孔體積的至少85％、優(yōu)選超過90％是在0.01-0.5mm的孔徑范圍內。
粒料的端面壓縮強度優(yōu)選是500-4000N/cm2、尤其1000-2500N/cm2，而粒料的側向壓縮強度優(yōu)選是30-300N、更優(yōu)選50-200N。
尤其有利的是，在壓濾機上洗滌微溶的鋅和鈣化合物(優(yōu)選氫氧化鋅、碳酸鋅和碳酸鈣)的沉淀，所得濾餅用水制漿，通過用噴霧干燥器噴霧將該淤漿干燥。這樣獲得的噴霧干燥的粉末然后可以進一步如上所述加工。
根據(jù)本發(fā)明，氣體伯醇或仲醇以通常方式與所用催化劑接觸，例如在固定床反應器、管式反應器、管殼式反應器或流化床反應器中，優(yōu)選在所述催化劑作為固定床存在的管式反應器中。特別優(yōu)選的是管殼式反應器。輸出物通常通過蒸餾來后處理。
一般，根據(jù)本發(fā)明使用的旋光醇以本身已知的方式，例如在適合的蒸發(fā)器中汽化。
本發(fā)明的方法通常在高溫下進行。反應區(qū)中的氣相的溫度通常是250-600℃，優(yōu)選300-450℃。在一個優(yōu)選實施方案中，選擇的溫度范圍應使得醇的轉化率為20-60％，優(yōu)選35-50％。在香茅醇作為起始化合物的情況下，溫度優(yōu)先選擇為350-450℃。
反應區(qū)中的氣相的壓力通常是0.3-10巴。
在催化劑上的空速一般是按每升催化劑每小時計0.5-3.0升的醇，優(yōu)選每升催化劑每小時0.6-2.0升的醇。適于實施本發(fā)明方法的反應器形式是固定床管式反應器或管殼式反應器。在這些反應器中，選擇的催化劑作為固定床存在于反應管或反應管束中。反應管通常用在反應管周圍的空間中燃燒的氣體例如烴類(如甲烷)或通過傳熱介質(鹽浴、循環(huán)氣體等)間接加熱。這些反應管還可以使用加熱套筒進行電加熱。反應管的通常內徑是大約2.5-15cm。典型的管殼式脫氫反應器具有大約10-32000個反應管，優(yōu)選大約10-200個反應管。管內部的溫度通常為250-600℃，優(yōu)選300-600℃。工作壓力通常是0.5-8巴，常常1-2巴。
本發(fā)明的方法還可以在多相催化劑的存在下在流化床中進行，如在Chem.Eng.Sci.1992b，47(9-11)2313中所述進行。在該情況下，有利的是并聯(lián)運行兩個流化床，其中的一個一般在既定時間進行再生。工作壓力一般為1-2巴，而脫氫溫度一般是250-600℃。
根據(jù)本發(fā)明的催化脫氫可以使用或不用作為共同進料的含氧氣體，并且任選添加水蒸氣、氮氣、甲烷和/或氬氣。所選擇的反應器可以具有一個或多個連續(xù)催化劑床。催化劑床的數(shù)目可以是1-20，有利地是1-6，優(yōu)選1-4，尤其1-3。反應氣體優(yōu)選徑向或軸向流過催化劑床。一般，這種盤式反應器使用固定催化劑床操作。在最簡單的情況下，固定催化劑床軸向排列，或排列在豎爐反應器中的同心圓柱形網(wǎng)孔的環(huán)形間隙之間。豎爐反應器對應于一個盤。
在本發(fā)明方法的一個特別優(yōu)選的實施方案中，具有至少90％ee、優(yōu)選95％ee的對映體過量的旋光萜烯醇、尤其香茅醇、優(yōu)選R-(+)-香茅醇在活性組分包含54-75重量％氧化鋅和43-46重量％碳酸鈣(在所有情況下，按燒過的催化劑組合物中的氧化物形式測定)的催化劑上在適合的反應器例如管式反應器中反應。該反應器可以通過任何適合的方法，優(yōu)選通過鹽熔體，加熱到約350-450℃的溫度。該反應在氣相中進行。尤其當反應在沒有氧的情況下進行時，獲得了良好的結果。為此，包含所要脫氫的起始原料的混合物例如在惰性氣流(例如氮氣流)中在所選擇的催化劑上通過。另一個選擇是在預先引入含H2的混合物之后通過部分H2燃燒來進行自熱操作。
反應產(chǎn)物的分離可以通過本領域技術人員本身已知的所有適合方法來進行。以此方式，在理論值的優(yōu)選約30-60％的轉化率下以通常約60-95％的選擇性獲得了旋光香茅醛。
能夠根據(jù)本發(fā)明制備的旋光醛或酮可以在各種方法中采用。它們有時代表了用于合成價值更高的產(chǎn)物的重要起始原料或中間體。因此，例如，旋光香茅醛、優(yōu)選R-(+)-香茅醛是合成旋光薄荷醇、優(yōu)選L-薄荷醇的重要中間體。因此，旋光香茅醛可以在適合的催化劑、通常酸或路易斯酸催化劑的存在下環(huán)化，從而形成旋光異蒲勒醇。旋光薄荷醇可以由此通過氫化獲得。根據(jù)本發(fā)明制備的旋光香茅醛用于制備旋光薄荷醇的用途因此是本發(fā)明的另一個方面。
以下實施例舉例說明本發(fā)明，但不限制本發(fā)明。
實施例1在可以用鹽熔體加熱的管式反應器中加入10.8g的由55重量％的ZnO和45重量％的方解石變體形式的CaCO3(在所有情況下，以燒過的催化劑組合物中的氧化物形式測定)組成的催化劑。在400℃的溫度下，讓46標準升/小時的氮氣和3.44g/h的具有95％ee對映體過量的R-香茅醇的混合物通過該床。在50.2％的轉化率下以75.5％的選擇性獲得了具有95％ee的R-香茅醛對映體過量的香茅醛。
權利要求
1.一種制備具有3-25個碳原子和至少一個可外消旋的立構中心的旋光醛或酮的方法，所述方法包括在催化劑的存在下在氣相中將相應的旋光伯醇或仲醇催化脫氫。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中使用包含至少一種選自元素鈣、鋅和銅中的元素的催化劑。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中使用包含氧化鋅和碳酸鈣的催化劑。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的方法，其中使用活性組分包含30-60重量％氧化鋅和40-70重量％碳酸鈣的催化劑。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的方法，其中所述碳酸鈣以方解石變體的形式存在。
6.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的方法，用于制備支化或非支化的開鏈或單環(huán)的醛或酮。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的方法，用于制備在羰基的α和/或β位上具有立構中心的醛或酮。
8.根據(jù)權利要求1-7中任一項所述的方法，用于制備旋光的2-甲基丁-1-醛、3，7-二甲基辛-6-烯-1-醛、3，7-二甲基辛-1-醛、8-對-薄荷烯-3-酮、對-薄荷烷-3-酮、2-甲基環(huán)己酮、3-甲基環(huán)己酮、2-甲基環(huán)戊酮、3-甲基環(huán)戊酮、2，6-二甲基環(huán)己酮或2，3-二甲基環(huán)己酮。
9.根據(jù)權利要求1-8中任一項所述的方法，用于由旋光香茅醇制備旋光香茅醛。
10.根據(jù)權利要求1-9中任一項所述的方法，其中所獲得的醛或酮的對映體過量(ee)對應于所使用的醇的對映體過量的至少90％。
11.根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的方法，其中脫氫在250-600℃的溫度下進行。
12.一種制備旋光薄荷醇的方法，包括將根據(jù)權利要求1-11中任一項制備的香茅醛環(huán)化以形成異蒲勒醇，然后氫化。
13.根據(jù)權利要求1-12中任一項制備的旋光香茅醛用于制備旋光薄荷醇的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備具有3－25個碳原子和至少一個可外消旋的立構中心的旋光醛或酮的方法，所述方法包括在催化劑的存在下在氣相中將相應的旋光伯醇或仲醇催化脫氫。
文檔編號C07C47/21GK1930106SQ200580007512
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權日2004年3月8日
發(fā)明者T·約翰, O·勒伯爾, E·J·伯格納, K·埃貝爾, K·哈特, C·瓦爾斯多夫 申請人:巴斯福股份公司