一种制备甲基庚烯酮的方法
阅读说明：本技术 一种制备甲基庚烯酮的方法 (Method for preparing methylheptenone ) 是由 沈稳 黄文学 于斌成 谢硕 张永振 黎源 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种制备甲基庚烯酮的方法,在铑催化剂、碱和任选的助剂作用下3-甲基-2-丁烯-1-醇和丙酮发生选择性脱氢偶联反应,得到甲基庚烯酮。与现有工艺相比,本发明方法采用廉价易得的3-甲基-2-丁烯-1-醇和丙酮为原料,经一步反应制备了高附加值的甲基庚烯酮,该方法原子利用率高、三废少、条件温和,特别是选择性和收率高。(The invention discloses a method for preparing methyl heptenone, which comprises the step of carrying out selective dehydrogenation coupling reaction on 3-methyl-2-butene-1-alcohol and acetone under the action of a rhodium catalyst, alkali and an optional auxiliary agent to obtain the methyl heptenone. Compared with the prior art, the method adopts cheap and easily-obtained 3-methyl-2-butene-1-ol and acetone as raw materials to prepare the methyl heptenone with high added value through one-step reaction, and has the advantages of high atom utilization rate, less three wastes, mild conditions, and particularly high selectivity and yield.)
技术领域
本发明属于有机合成领域，具体涉及由3-甲基-2-丁烯-1-醇和丙酮经过选择性脱氢偶联反应制备甲基庚烯酮的方法。
背景技术
甲基庚烯酮，化学名为6-甲基-5-庚烯-2-酮，分子式为C8H14O，无色或淡黄色液体，具有柠檬草、乙酸异丁酯和清新水果香气，是国标允许使用的食用香精，可以用于配制香蕉、梨子和浆果类香精；此外，甲基庚烯酮还是一种非常重要的合成中间体，可以用于芳樟醇、柠檬醛、假紫罗兰酮等香料的合成，后者可进一步制备维生素A、维生素E、维生素K1及多种香料香精等。甲基庚烯酮目前市场需求旺盛，随着人们对其应用开发的深入，其应用范围必将进一步扩大，需求量大幅度上升。因此加强对甲基庚烯酮合成的技术研究有着重要的意义。目前制备甲基庚烯酮的方法主要包括乙炔-丙酮法、异丁烯-甲醛法、异戊二烯法和Saucy-Marbet法等。
乙炔-丙酮法是甲基庚烯酮最早工业化的方法(参见DE2126356、GB788301、GB888999、DE1137433、CN1218792A等)，该方法以丙酮为起始原料，利用乙炔对丙酮进行加成，得到炔醇中间体，随后部分氢化得到烯丙醇中间体，烯丙醇中间体和乙酰乙酸乙酯发生卡罗尔重排反应得到甲基庚烯酮产物，反应路线如下：
该路线需要消耗大量电石来产生乙炔，产生大量的电石废渣，卡罗尔反应会产生当量的乙醇副产物，合成路线的原子经济性较差，三废较多。
异戊二烯法以异戊二烯为起始原料，利用氯化氢对其进行加成，得到异戊烯基氯，随后异戊烯基氯和丙酮缩合，得到甲基庚烯酮产品。目前该路线的主要难点在于缩合反应，目前文献报道多采用相转移催化的方法(参见JP40-22251、JP56-115734、JP56-61319、CN1762955A、CN1772722A、CN103664556A)，选择合适的相转移催化剂是氯代异戊烯与丙酮缩合反应的关键，反应路线如下：
该技术普遍存在一个明显缺陷，就是催化剂的回收利用问题。总的来看，采用异戊二烯法制备甲基庚烯酮反应的选择性差，收率一般，产生大量的三废，并且相转移催化剂回收困难，不利于工业化生产，目前该工艺已被淘汰。
巴斯夫在其专利中报道了异丁烯、甲醛和丙酮一锅法合成6-甲基-6-庚烯-2-酮，所得产物再经过临氢异构就得到甲基庚烯酮(参见DE1277848B、DE1267682B，反应路线如下：
该合成路线虽然简短，但是第一步反应条件苛刻，需要高温、高压，而且反应选择性较差(40～50％产物选择性)，伴随大量副产物生成，产物精馏提纯困难。
Saucy-Marbet法制备甲基庚烯酮，以甲基丁烯醇和甲氧基丙烯为原料，在酸催化剂作用下发生Saucy-Marbet重排反应，制得甲基庚烯酮(参见DE1193490、DE19649564、CN1539807A、CN1914143、CN108299171A、CN1228757、CN102197014)，反应路线如下：
Saucy-Marbet法制备甲基庚烯酮的原子利用率高、环境友好，但是原料甲氧基丙烯易水解且沸点低，反应条件要求苛刻，并且使用酸催化剂，设备材质要求高。同时原料2-甲基-3-丁烯-2-醇和2-甲氧基丙烯都需要经过两步反应才能制得，不易得到，因此也限制了工业化应用。
综上所述，虽然目前甲基庚烯酮已经有多种方法合成，部分合成路线已经实现了规模化生产，但是这些合成路线一般都存在三废较多、副反应复杂、产物提纯困难等缺点；因此目前仍有需要发展新的甲基庚烯酮合成路线，克服已有路线缺点，更加高效、环保、原子经济性地合成甲基庚烯酮产品，特别是以高的转化率和选择性合成甲基庚烯酮产品。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种由3-甲基-2-丁烯-1-醇合成甲基庚烯酮的方法。解决了现有技术中用于合成甲基庚烯酮的方法三废较多、副反应复杂、产物提纯困难等缺点，能够更加高效、环保、原子经济性地合成甲基庚烯酮产品，特别的还具有高选择性和高收率。
为达到其目的，本发明采用以下技术方案：
一种制备甲基庚烯酮的方法，该方法涉及作为原料的3-甲基-2-丁烯-1-醇和丙酮在铑催化剂、碱和任选的助剂的作用下发生选择性脱氢偶联反应，得到甲基庚烯酮：
在本发明的
具体实施方式
中，丙酮和3-甲基-2-丁烯-1-醇的摩尔比为2-20:1，比如5:1、10:1或15:1，优选4-6:1。
在本发明的具体实施方式中，所述铑催化剂是[Rh(COD)2]OTf、[Rh(COD)(acac)]、[Rh(COD)2]BF4、[RhCl(COD)]2、[Rh(NBD)2]BF4、[Rh(CO)2(acac)]和[RhH(CO)(PPh3)3]中的一种或多种，优选[Rh(COD)2OTf]；铑催化剂的用量按摩尔计为3-甲基-2-丁烯-1-醇摩尔量的0.01％-0.1％，比如0.03％、0.06％或0.08％，优选0.01-0.02％。
在本发明的具体实施方式中，所述碱是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、四甲基氢氧化铵和氢氧化钡中的一种或多种，优选氢氧化锂；碱用量按摩尔计为3-甲基-2-丁烯-1-醇摩尔量的0.1％-1.0％，比如0.3％、0.6％或0.8％，优选0.2-0.5％。
在本发明的具体实施方式中，所述助剂为吡啶、异喹啉、喹啉、喹喔啉以及C1-C4烷基单取代或多取代的取代吡啶、取代吡嗪、取代喹啉和取代喹喔啉中的一种或多种，优选喹啉，所述C1-C4烷基例如为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基或异丁基等；所述助剂用量按摩尔计为3-甲基-2-丁烯-1-醇摩尔量的0-0.1％，比如0.001％、0.008％或0.05％，优选0-0.01％。
在本发明的具体实施方式中，所述选择性脱氢偶联反应的反应温度为60℃-120℃，例如80℃；反应压力为0.5-1.0MPa(表压)，例如在反应过程中充入0.4MPa氮气；反应时间3-6小时，比如4或5小时。
本发明的一个具体实施方式中，具体操作步骤例如为：在高压釜中加入碱，用氮气置换三次；在手套箱中，将铑催化剂、3-甲基-2-丁烯-1-醇和丙酮混合，在氮气氛围下加入到高压釜中，打开反应釜的加热和搅拌装置，保温一定时间后终止反应，取样进行GC(气相色谱)分析，利用内标法确定反应的转化率和选择性。将反应液蒸馏以回收丙酮，然后进行相分离，利用有机相减压蒸馏得到甲基庚烯酮。
本发明中的选择性脱氢偶联反应的机理如下：铑催化剂将3-甲基-2-丁烯-1-醇活化(即发生脱氢反应)，生成3-甲基-2-丁烯醛，同时生成[RhH2]物种；在碱的催化下，3-甲基-2-丁烯醛和丙酮发生羟醛缩合反应，生成6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮，并产生一分子水；由于位阻的原因，[RhH2]物种对6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮的3位双键选择性加氢，生成甲基庚烯酮。进一步的，一定量的助剂如喹啉等有机碱的加入，可毒化[RhH2]物种，降低其加氢活性，更加有利于6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮的3位双键选择性加氢。同时喹啉等有机碱的加入，与无机碱协同催化，有利于中间体3-甲基-2-丁烯醛和丙酮发生羟醛缩合反应，从而使得脱氢偶联反应的选择性进一步提高。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.采用廉价易得的3-甲基-2-丁烯-1-醇和丙酮为原料，制备了高附加值的甲基庚烯酮，原料3-甲基-2-丁烯-1-醇的转化率最高达99％，产物甲基庚烯酮相对于3-甲基-2-丁烯-1-醇的选择性最高达98％。
2.采用选择性脱氢偶联反应一步法制备甲基庚烯酮，原子利用率高、三废少、条件温和，具有工业化放大生产的潜力。
具体实施方式
下面进一步详细说明本发明所提供的方法，但本发明并不因此而受到任何限制。
原料
3-甲基-2-丁烯-1-醇，纯度99％，中触媒华邦；
丙酮，纯度＞99.5％，利华益维远化学；
[Rh(COD)2]OTf、[Rh(COD)(acac)]、[Rh(COD)2]BF4、[RhCl(COD)]2、[Rh(NBD)2]BF4、[Rh(CO)2(acac)]和[RhH(CO)(PPh3)3]，纯度＞99％，sigma-aldrich；
吡啶、异喹啉、喹啉、喹喔啉，纯度98％，阿拉丁试剂；
氢氧化钠、氢氧化钾、无水氢氧化锂、四甲基氢氧化铵、氢氧化钡，纯度＞98％，西陇科学；
乙腈，HPLC，西陇科学；
测试仪器和计算方法
(1)本发明采用的气相色谱测试条件
仪器型号：Agilent 7890B；
进样体积：1微升；
进样口温度：280℃；压力：12.659psi；总流量：30ml/min；
分流比：30/1；
色谱柱：Agilent DB-5(30m×0.25mm×0.25μm)；
色谱柱流量：2ml/min；压力：8.51psi.线速度：33.3cm/sec；
升温程序：起始温度40℃，以5℃/min升温至100℃，保留1min；以10℃/min升温至280℃，保留5min；
检测器温度：300℃；空气流量：400ml/min；氢气流量：40ml/min；氮气流量：25ml/min。
(2)本发明采用的核磁共振仪型号为Bruker-400型核磁共振仪，质谱仪型号为Bruker BIO TOF Q质谱仪。
(3)计算3-甲基-2-丁烯-1-醇转化率和甲基庚烯酮相对于3-甲基-2-丁烯-1-醇的选择性的方法：
采用本领域人员熟知的内标法计算转化率和选择性：选取2-庚酮作为内标物，将内标物溶于乙腈中，配制成浓度为1wt％的内标母液。称取梯度质量的3-甲基-2-丁烯-1-醇和甲基庚烯酮(0.01～0.1g)，然后用等量的内标母液(10g)稀释，进行GC分析，可依次得到3-甲基-2-丁烯-1-醇和甲基庚烯酮与内标质量比对应的GC峰面积比。以质量比为横坐标，峰面积为纵坐标，可以分别得到3-甲基-2-丁烯-1-醇和甲基庚烯酮的内标曲线，通过对内标曲线进行线性拟合，可以得到3-甲基-2-丁烯-1-醇以及甲基庚烯酮与内标质量比和GC峰面积比之间的关系。在反应进行取样分析时，已知加入内标的质量，GC分析可以得到3-甲基-2-丁烯-1-醇以及甲基庚烯酮与内标的GC峰面积比，通过上述内标法得到的质量比和峰面积比之间的关系，可以计算得到取样中3-甲基-2-丁烯-1-醇和甲基庚烯酮的质量，进而求得取样的反应液中3-甲基-2-丁烯-1-醇和甲基庚烯酮的质量分数，从而可以计算出3-甲基-2-丁烯-1-醇转化率和甲基庚烯酮相对于3-甲基-2-丁烯-1-醇的选择性。
实施例
实施例1
向1000mL的高压釜中加入无水氢氧化锂(122.2mg，5mmol)，用高纯氮气置换三次后，向反应釜内充入0.4MPa的氮气；在手套箱中，将[Rh(COD)2]OTf(94.62mg，0.2mmol)、3-甲基-2-丁烯-1-醇(87.0g，1mol)和丙酮(348.5g，6mol)混合，在氮气氛围下，用平流泵将上述混合物加入到高压釜中，打开反应釜加热和搅拌装置，升温至内温为80℃后保温4h，GC分析原料3-甲基-2-丁烯-1-醇的转化率＞99％，终止反应。
反应结束后，将反应液降至室温，减压蒸馏除去过量的丙酮和反应产生的水，然后再进一步减压蒸馏得到微黄色透明液体产物，采用核磁和质谱表征，确认所得产物为甲基庚烯酮。表征结果为：1H-NMR(400MHz,CDCl3):δ5.20(m,1H),2.49(m,2H),2.24(m,2H),2.13(s,3H),1.82(s,3H),1.79(s,3H),；ESI-MS:C8H15O([M+H+])127.11。
将甲基庚烯酮进行GC分析，其保留时间为9.7min，因此在后续的实施例中，通过GC的保留时间即可确定产物为甲基庚烯酮(即保留时间9.7min的峰对应的就是甲基庚烯酮)，并可对其进行定量分析，计算反应的收率。
实施例2-7
进行实施例2-7时，将铑催化剂由[Rh(COD)2]OTf更换为等量的其他金属铑催化剂，其他条件不变。
实施例8-15
进行实施例8-13时，金属铑催化剂为[Rh(COD)2]OTf，将碱由氢氧化锂更换为其他类型的碱，丙酮的用量为5-20eq.(丙酮用量是3-甲基-2-丁烯-1-醇的20eq.时，3-甲基-2-丁烯-1-醇加入量为0.25mol)。
进行实施例14-15时，金属铑催化剂为[Rh(COD)2]OTf，碱为氢氧化锂，丙酮的用量为4eq和6eq，其他条件不变。
表2实施例1-15反应结果
编号
反应时间
反应压力
转化率/％
选择性/％
实施例1
4h
0.6MPa
99.63
97.29
实施例2
4h
0.6Mpa
98.79
96.11
实施例3
4h
0.6MPa
98.99
97.43
实施例4
4h
0.6MPa
97.33
95.13
实施例5
4h
0.6MPa
98.65
94.36
实施例6
4h
0.6MPa
95.99
95.78
实施例7
4h
0.6MPa
99.13
97.23
实施例8
6h
1.0MPa
98.56
98.13
实施例9
3h
0.5MPa
98.33
98.56
实施例10
3h
0.5MPa
99.78
92.19
实施例11
3h
0.5MPa
99.83
91.36
实施例12
3h
0.5MPa
99.75
91.59
实施例13
5h
0.8MPa
99.89
93.16
实施例14
6h
1.0MPa
99.77
96.97
实施例15
3h
0.5MPa
99.79
96.23
实施例16
向1000mL的高压釜中加入无水氢氧化锂(122.2mg，5mmol)，高纯氮气置换三次后，向反应釜内充入0.4MPa的氮气；在手套箱中，将[Rh(COD)2]OTf(94.62mg，0.2mmol)、喹啉(6.6mg，0.05mmol)、3-甲基-2-丁烯-1-醇(87.0g，1mol)和丙酮(348.5g，6mol)混合，氮气氛围下，用平流泵将上述混合物加入到高压釜中，打开反应釜加热和搅拌装置，升温至内温100℃后保温6h，取样GC分析，采用内标法计算3-甲基-2-丁烯-1-醇的转化率为99.89％，甲基庚烯酮相对于3-甲基-2-丁烯-1-醇的选择性为99.73％。
实施例17
向1000mL的高压釜中加入无水氢氧化锂(122.2mg，5mmol)，高纯氮气置换三次后，向反应釜内充入0.4MPa的氮气；在手套箱中，将[Rh(COD)2]OTf(94.62mg，0.2mmol)、喹喔啉(13.4mg，0.1mmol)、3-甲基-2-丁烯-1-醇(87.0g，1mol)和丙酮(464.6g，8mol)混合，氮气氛围下，用平流泵将上述混合物加入到高压釜中，打开反应釜加热和搅拌装置，升温至内温120℃后保温6h，取样GC分析，采用内标法计算3-甲基-2-丁烯-1-醇的转化率为99.59％，甲基庚烯酮相对于3-甲基-2-丁烯-1-醇的选择性为99.63％。
实施例18
向1000mL的高压釜中加入无水氢氧化锂(122.2mg，5mmol)，高纯氮气置换三次后，反应釜内充入0.4MPa的氮气；在手套箱中，将[Rh(COD)2]OTf(94.62mg，0.2mmol)、异喹啉(6.6mg，0.05mmol)、3-甲基-2-丁烯-1-醇(87.0g，1mol)和丙酮(348.5g，6mol)混合，氮气氛围下，用平流泵将上述混合物加入到高压釜中，打开反应釜加热和搅拌装置，升温至内温80℃后保温6h，取样GC分析，采用内标法计算3-甲基-2-丁烯-1-醇的转化率为99.39％，甲基庚烯酮相对于3-甲基-2-丁烯-1-醇的选择性为99.48％。
实施例19
向1000mL的高压釜中加入无水氢氧化锂(122.2mg，5mmol)，高纯氮气置换三次后，向反应釜内充入0.4MPa的氮气；在手套箱中，将[Rh(COD)2]OTf(94.62mg，0.2mmol)、吡啶(2.0mg，0.025mmol)、3-甲基-2-丁烯-1-醇(87.0g，1mol)和丙酮(348.5g，6mol)混合，氮气氛围下，用平流泵将上述混合物加入到高压釜中，打开反应釜加热和搅拌装置，升温至内温100℃后保温6h，取样GC分析，采用内标法计算3-甲基-2-丁烯-1-醇的转化率为99.88％，甲基庚烯酮相对于3-甲基-2-丁烯-1-醇的选择性为99.66％。
虽然在前文中为了说明起见，对本发明进行了详细的描述，但应理解，这些详细描写仅仅是为了说明，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可对其进行修改，本发明仅由权利要求书限定。