專利名稱：丁內酯的制備方法
技術領域：
本發明涉及，在有過渡金屬催化劑存在的條件下，經相應2-(5H)-呋喃酮步驟，通過炔烴與一氧化碳和氫氣或就地形成的氫反應制備丁內酯的方法，以及制備這些呋喃酮的改進方法，所述呋喃酮也可以在單獨的加氫步驟中轉化為丁內酯。
γ-丁內酯是一種重要的化工產品。它用作制備吡咯烷酮及其衍生物的中間體，也可用作溶劑。
在工業上，丁內酯是通過多步驟方法制備的。1，4-丁二醇的脫氫環化能獲得高產量的丁內酯。另外，馬來酐可以部分加氫得到丁內酯。兩者的起始原料都只能從基礎化學物質在多步驟方法獲得(Weissermel，Arpe，Industrielle Organische Chemie [Indstrial Organic Chemistry]，2ndEdtion 1978，Verlag Chmie，第97頁)。
在銠催化劑存在的條件下，炔與CO反應制備不飽和2(5H)-呋喃酮的方法已被公開，該2(5H)-呋喃酮用作制藥的中間體(Joh等，Inorg.Chim.Acta，220(1994)45；Organometallics 10(1991)2493；JP-A 88/68580)。
本發明的一個目的是提供一種從簡單的基礎化學物質開始，如炔和CO，在一步，最多兩步內制備丁內酯的方法。本發明的進一步的目的是提供在3-或4-位取代的丁內酯，它在精細產品化學中是一種重要的中間體。
本發明的最后一個目的是改善制備2-(5H)-呋喃酮的方法(由該2-(5H)-呋喃酮在第二步中通過加氫制備丁內酯)以使工業制備成為可能。
我們發現，這一目的可以通過制備通式I的丁內酯的方法來實現 其中取代基R1和R2是氫、優選有1-8個碳原子的烷基或羥烷基或帶有或不帶有惰性取代基的芳基和三烷基甲硅烷基，其中通式I的內酯是在提高的溫度和壓力下，在有過渡金屬催化劑存在的條件下，通過通式II的炔與一氧化碳和氫氣或就地形成的氫反應制備的R1-C≡C-R2II其中取代基與上面指出的一樣，在這種情況下，就地形成的氫有利地是利用CO和水經水-氣平衡產生。
令人意外地發現，可以在一步內制備丁內酯，即作為中間體形成的2-(5H)-呋喃酮在反應條件下進一步反應得到丁內酯。
此外，通式III的2-(5H)-呋喃酮的已知制備方法也可以這樣得到改進 其中取代基R1和R2是氫、烷基或羥烷基或帶有或不帶有惰性取代基的芳基或三烷基甲硅烷基，其中2-(5H)-呋喃酮是在有過渡金屬催化劑、胺堿和鹵化物存在的條件下，在60-140℃和20×105-350×105帕斯卡的總壓下，通過通式II的炔與一氧化碳和由一氧化碳和水就地形成的氫或氫氣反應制備的R1-C≡C-R2II其中R1和R2的意義與上面指出的一樣。
盡管Takashi Joh等人在Organometallics 1991，10，第2494頁左欄第一段指出“使用氫氣作為氫源代替水得到了羥甲基化的產品4和茋5，未獲得呋喃酮”，但令人意外地進一步發現，如果反應是在高于50巴的氫分壓下進行，即使在不必添加鹵化物的情況下，也可以獲得上述通式I的呋喃酮。
也可以在第二步將如此以相當高的時空產率獲得的2-(5H)-呋喃酮單獨氫化成相應的丁內酯。在這種情況下，加氫可使用已知的加氫催化劑，如在Houben-Weyl，第4/2卷中提出的用于對碳雙鍵加氫的催化劑，用已知的方式連續進行或分批進行。優選的催化劑含有VIII副族的金屬，特別是Rh、Ni或Pd或這些金屬的混合物作為活性組分。
通式II的炔可以含有相同或不同的取代基。如果取代基R1和R2是不同的，它們中的每一個都可以引入到反應產品的3-或4-位。在這些情況中，可以預料獲得了異構體混合物。由于這一原因，在通式I中取代基是在3-或4-位交替敘述的。因此，通式代表在3-位帶有取代基R1和在4-位帶有取代基R1的兩種化合物。
通式II的炔可以帶有烷基，優選C1-C8-烷基，如丙炔、1-丁炔、2-丁炔、1-己炔和1-辛炔。它們可以進一步帶有羥烷基，優選羥基-C1-C4-烷基，如1-丁炔-3-醇、1，4-丁炔二醇和炔丙醇。在帶有芳基的炔中，苯基炔是優選的，例如苯基乙炔和二苯基乙炔。芳基可以帶有在反應條件下穩定的取代基，如鹵素，特別是氯、烷氧基，特別是甲氧基和烷基，特別是C1-C4-烷基。此外，帶有三烷基甲硅烷基的炔是合適的，如三甲基甲硅烷基乙炔。
R1和R2中至少有一個取代基是氫的這些炔是優選的。乙炔是特別優選的。
得到丁內酯的炔的反應可以兩種技術方案進行。一個方案需要有氫氣存在，是優選的(方法A) 另一種需要有水存在(方法B) 按照不同的總方程式，值得推薦的是相對于每一當量的炔，在方法A中用至少2當量的CO，在方法B中使用至少4當量的CO。CO也可以過量使用，然而，以炔為基準，一般不使用多于50倍過量的CO，因為更大的過量不能得到明顯的技術優點。
可以結合A和B兩種方式。
在方法A中，相對于每一當量的炔，優選使用2-50當量的H2。在特別優選的方案中，氫與CO一起以合成氣的形式使用。
在方法B中，通式II的炔與CO和水反應。優選地，相對于每一當量的炔使用2-50當量的水。
按照本發明，通式I丁內酯的制備是在有過渡金屬催化劑存在的條件下進行的。從原則上講，可以使用能調整如下水-氣平衡的所有催化劑(水-氣轉移催化劑；參看Parshall等人的Homogeneous Catalysis，Wiley，2ndEdition 1992，Chapter5.7)
因此，術語“就地形成的氫”是指建立水-氣平衡并獲得氫。
既可以使用均相催化劑也可以使用多相催化劑。合適的活性金屬化合物是銠、銥、釕、鋨、鈀、鉑、鐵、鎳、銅和鈷的化合物，也可以是這些金屬本身。
使用的多相催化劑可以是在惰性載體上的上述金屬或其化合物，惰性載體如有碳、氧化鋁、氧化硅和氧化鋯。這些催化劑可以從市場上買到或通過已知方法獲得，如用這些金屬化合物的溶液浸漬惰性載體并燒結。
可提及的例子是Pd/碳和Pd/氧化鋁。
反應可以在氣相中進行，但液相反應是優選的。
均相催化劑是優選的。活性金屬可以鹵化物、乙酸鹽、硝酸鹽、氧化物、乙酰丙酮化物的形式使用，優選各種價態的羰基化合物，其中活性化合物在反應條件下在反應混合物中形成。
按照本發明，釕和鎳化合物是優選的，但銠化合物是特別優選的。銠化合物是出乎預料的，因為按照JA N.3-94238(申請號)，在制備假定為中間產物的呋喃酮中，釕催化劑應比銠催化劑提供更高的產率。
作為例子，在下面提及某些過渡金屬化合物，按照發明，它們作為催化劑或催化劑前體是合適的，可以在反應條件下由這些催化劑前體形成具有催化活性的化合物Rh6(CO)16、Rh4(CO)12、Rh2O3、RhCl3.3H2O、RhCl(PPh3)3(Ph是苯基)、(codRhCl)2(cod是1，5-環辛二烯)、HRh(CO)(PPh3)3；RuCl3、Ru(acac)3、(acac是乙酰丙酮根)、Ru3(CO)12、[CpRu(CO)2]2(Cp是環戊二烯基)；NiCl2、NiBr2、Ni(CO)4、Ni(cod)2、[Ni(NH3)6]Cl2；PtCl2、PtBr2、PtCl4、PtO2、[Pt(NH3)4]Cl2.H2O；Pd(ac)2(ac是乙酰基)、PdCl2、PdBr2、K2[PdCl4]、K2[PdCl6]、Pd(PPh3)4；CuCl2、CuBr2、Cu(acac)2、Cu(ac)2、CuO、Cu2O、CuI。相對于每一摩爾炔，催化劑的用量一般是0.01-10mmol。
過渡金屬化合物的活性可通過添加劑大大地提高。這些化合物包括胺。適合于這一用途的是伯-、仲-和叔-烷基和環烷基胺，以及含氮的雜環，如甲胺、乙胺、苯胺、二乙胺、三乙胺、三丁胺、三辛胺、吡啶、喹啉、異喹啉和二甲基氨基吡啶。此外，如鹽酸三乙基銨、四乙基氯化銨、四丁基乙酸銨、四丁基硝酸銨和四丁基氫氧化銨的銨鹽表現出好的效果。
通過添加鹵化物可以明顯地提高催化劑的活性和時空產率。具體地，可以使用堿金屬和堿土金屬的鹵化物，如NaCl、NaBr、NaI、KCl、KBr、KI、CaCl2、CaBr2和CaI2，以及含有有機陽離子的鹵化物，如四甲基氯化銨、四甲基溴化銨、四甲基碘化銨、四丁基氯化銨、四丁基溴化銨和四丁基碘化銨。優選的鹵化物是碘化物。
烯屬不飽和有機化合物的聚合抑制劑，如氫醌單甲基醚、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚和吩噻嗪也是合適的添加劑。
添加劑的用量可以在較寬的范圍內變動，可以是0.1-10,000mol添加劑每摩爾催化劑。優選的是0.5-5mol添加劑每摩爾催化劑。可以在反應中使用一種或多種添加劑。
反應溫度通常是0-300℃，優選20-200℃，特別優選50-150℃。壓力通常是20×105-300×105帕斯卡，對于方法A，優選壓力170×105-280×105帕斯卡，對于方法B優選70×105-280×105帕斯卡。反應時間通常是0.1-24小時，優選0.5-5小時。
優化的反應條件依據選擇的催化劑和催化劑用量而變化。在獲得大量相應2-(5H)-呋喃酮而不是所希望的通式I丁內酯的情況下，加劇反應條件被證明是有用的，特別地，這可以通過提高溫度來實現。在預先進行幾個判斷試驗后，本領域技術人員能容易地確定合適的條件。
作為一個原則，一般形成了呋喃酮和丁內酯的混合物，在溫和反應條件下主要形成了呋喃酮，在加劇的條件下使用具有強加氫作用的催化劑則主要形成了丁內酯。因此，對于形成呋喃酮和丁內酯并無非常確定的界限。例如，如果還使用了鹵化物，按照方法A即使在80-100℃的溫和條件下也主要以高時空產率形成丁內酯。
因此，制備主要含有丁內酯的混合物是有用的。然后，該混合物可以直接加氫或分離成相應組分，即丁內酯和呋喃酮。呋喃酮返回到反應中或單獨加氫。
反應可在氣相中進行，優選在液相中進行。在液相中可以添加在反應條件下為惰性的溶劑，例如鏈烷醇，如甲醇、乙醇和異丙醇，醚，如二乙醚、甲基叔丁基醚、四氫呋喃和1，4-二噁烷，酮，如丙酮，酯，如乙酸甲酯和乙酸乙酯，還有芳烴，如苯和甲苯，脂肪烴，如戊烷和己烷，以及極性、非質子傳遞溶劑，如N-甲基吡咯烷酮。以反應混合物為基準，溶劑用量可以是5-95重量％。
本發明方法可以在耐壓的反應器中連續或分批進行，如攪拌式、管式或循環(loop)反應器。
在分批進行的方法的中，通式II的炔、催化劑，必要的話還有溶劑和添加劑可以先引入到反應器中。在與乙炔的反應中建立相應的乙炔壓力。在方法B中，必要量的水可以進一步添加到反應混合物中。然后用CO建立反應壓力。在方法A中，如果開始時未使用合成氣，則添加氫氣至所需的壓力。在反應完成后泄壓，可以在后續反應中使用釋放的氣體。反應產物的處理可用已知方法進行，優選通過蒸餾進行。在處理后，溶劑、催化劑和添加劑可以在后續反應中重復使用。
在優選的連續方案中，在乙炔的反應中，后者可以溶解在飽和器的溶劑中。催化劑，如果必要的話，還有水和添加劑也可以溶解。這一溶液加壓到反應壓力并泵送到反應器中。CO、其它的乙炔，如果必要的話，還有氫氣經氣體噴嘴進入反應器。反應產物去壓，通過蒸餾處理液相，催化劑返回到反應循環。任選地在純化步驟后，氣相也可以返回反應器。
30mg(0.028mmol)的Rh6(CO)16、0.66g(6.6mmol)的三乙基胺、4.48g(249mmol)水、21mg(0.169mmol)2，4，6-三甲基吡啶和12.5mg(0.08mmol)的NaI先引入到65ml二噁烷中。注入57mmol乙炔，建立起6.0×105帕斯卡的壓力。使用一氧化碳升壓到100×105帕斯卡。混合物在80℃下攪拌2小時。反應器泄壓后通過蒸餾處理，分離出2-(5H)-呋喃酮，產率為86％。
溶液在室溫和常壓下用氫氣充氣。30分鐘后，氫氣的吸收完成。除去催化劑和溶劑后，分離出γ-丁內酯，產率為96％。
權利要求
1.一種制備通式I的丁內酯的方法 其中取代基R1和R2是氫、烷基或羥烷基，或帶有或不帶有惰性取代基的芳基或三烷基甲硅烷基，包括在高于50×105帕斯卡的氫分壓和60-140℃溫度下，在有胺堿或銨鹽和過渡金屬催化劑存在的條件下，使通式II的炔與一氧化碳和氫氣或使用CO和水經水-氣平衡產生的就地形成的氫反應R1-C≡C-R2II其中取代基的意義與上面相同，所述過渡金屬催化劑選自銠、銥、釕、鋨、鈀、鉑、鐵、鎳、銅、鈷及其化合物，得到式III的2-(5H)-呋喃酮， 在一單獨的氫化反應中使用本身已知的氫化催化劑對該2-(5H)-呋喃酮氫化得到式I的丁內酯。
2.權利要求1的方法，其中乙炔用作原料并制得丁內酯。
3.權利要求1的方法，其中在制備式III化合物時，銠或釕化合物用作催化劑。
4.權利要求1的方法，其中在制備式III化合物時，銠羰基化合物用作過渡金屬催化劑。
5.權利要求1的方法，其中包含VIII族金屬的催化劑用于氫化反應中。
6.權利要求1的方法，其中在170×105-280×105帕斯卡的反應壓力下，每一當量通式II的炔使用至少2當量的CO和2當量的H2。
7.權利要求1的方法，其中在70×105-280×105帕斯卡的反應壓力下，每一當量通式II的炔使用至少4當量的CO和2當量的水。
8.權利要求1的方法，其中反應是在有鹵化物存在的條件下進行的。
9.權利要求1的方法，其中反應是在有碘化物存在的條件下進行的。
10.權利要求1的方法，其中反應是在有烯屬不飽和化合物聚合抑制劑存在的條件下進行的。
全文摘要
本申請公開了一種制備通式I的丁內酯的方法,包括在提高的溫度和壓力下,在有胺堿或銨鹽和過渡金屬催化劑存在的條件下,使通式II的炔與一氧化碳和氫氣或使用CO和水經水－氣平衡產生的就地形成的氫反應:R
文檔編號C07D307/58GK1362410SQ0114127
公開日2002年8月7日 申請日期1996年8月6日 優先權日1995年8月19日
發明者M·海德, T·魯爾, J·亨克爾曼, S·斯圖茨, T·普雷斯, H·魯特, M·夏弗, A·霍恩 申請人:巴斯福股份公司