專利名稱：3-(甲硫基)丙醛和2-羥基-4-(甲硫基)丁腈的制備方法
本申請書是1995年6月7日提交的美國專利申請書08/476356的部分接續申請書。
本發明涉及制備3-(甲硫基)丙醛(下文稱“MMP”)和2-羥基-4-(甲硫基)丁腈(“HMBN”)的催化方法。更具體地說，本發明涉及用新型加成催化劑制備MMP和HMBN的方法。
MMP和HMBN是制造d，l-蛋氨酸和2-羥基-4-(甲硫基)丁酸(“HMBA”)的中間體。蛋氨酸是用于動物飼料組合物的谷物中通常缺乏的一種主要的氨基酸。HMBA提供了蛋氨酸的來源，它廣泛用作動物飼料配方中的蛋氨酸添加劑。
MMP通過丙烯醛和甲硫醇之間的催化反應來制備。在傳統的MMP制備方法中，將液體丙烯醛和甲硫醇送入裝有液相MMP和適合有機堿的反應器，后者作為烯烴/硫醇加成反應催化劑。反應在液相中進行。對于丙烯醛和甲硫醇之間的反應來說，傳統的有機堿催化劑包括胺類，如吡啶、六亞甲基四胺和三乙胺。烯烴/硫醇加成反應催化劑通常與有機酸如乙酸組合，以便抑制丙烯醛的聚合以及提高產物產率。
隨后在適合的加成反應催化劑存在下，通過MMP和氰化氫之間的加成反應來制備HMBN，所述催化劑可包括用于催化丙烯醛和甲硫醇之間的反應的有機堿。蛋氨酸可用以下步驟來制備HMBN與過量的氨在高壓下反應，生成2-氨基-4-(甲硫基)丁腈；隨后用礦物酸水解上述反應產物生成蛋氨酸。另一方面，蛋氨酸可用以下步驟制備，MMP與碳酸銨反應生成乙內酰脲；隨后用堿水解乙內酰脲生成蛋氨酸。HMBA可通過用礦物酸水解HMBN來制備。
已證實吡啶是用于制備MMP和HMBN的有效加成催化劑。但是，為了制備這些有價值的中間體，尋找更有效的替代加成反應催化劑是十分有好處的。
本發明的幾個目的是提供一種通過丙烯醛和甲硫醇之間的催化反應來制備MMP的方法；提供一種能得到高的MMP反應產率的方法；提供一種使MMP的降解和高分子量副產物生成保持在可接受的低水平的方法；提供一種可制備高質量MMP的方法，后者可直接用于制備蛋氨酸或HMBA，而不需進一步純化；提供一種通過MMP反應產物和氰化氫之間的催化反應來制備HMBN的方法；提供一種有高的HMBN反應產率的方法；以及提供一種殘留在MMP反應產物的催化劑可進一步用于催化MMP和氰化氫之間生成HMBN的反應的方法。
所以，簡單地說，本發明涉及一種制備MMP的方法。該法包括甲硫醇與丙烯醛在存在新型的烯烴/硫醇加成反應催化劑的反應段中反應。新型催化劑含有至少一種有機堿，選自三異丙醇胺、三丙胺、煙酰胺、咪唑、苯并咪唑、2-氟吡啶、4-二甲基氨基吡啶、甲基吡啶、吡嗪、在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有5-18個碳原子的三烷基胺以及有下式的叔胺 式中，A為芳基，R1和R2為烷基，x、a、b和c為整數，以致0≤x≤3、1≤a≤3、0≤b≤2、0≤c≤2，條件是a+b+c＝3。
還發現，用于催化丙烯醛與甲硫醇之間反應的該新型烯烴/硫醇加成反應催化劑也適用于催化MMP和氰化氫之間生成HMBN的反應。因此，本發明還涉及一種制備HMBN的方法，該法包括在加成反應催化劑存在下MMP和氰化氫反應。該加成反應催化劑含有至少一種選自以下的有機堿三異丙醇胺、煙酰胺、咪唑、苯并咪唑、2-氟吡啶、多-4-乙烯基吡啶、4-二甲基氨基吡啶、甲基吡啶、吡嗪、在每一與氮原子鍵聯的烷基取代基中有3-18個碳原子的三烷基胺以及下式的叔胺
式中，A為芳基，R1和R2為烷基，x、a、b和c為整數，以致0≤x≤3、1≤a≤3、0≤b≤2、0≤c≤2，條件是a+b+c＝3。
根據本發明的另一實施方案，在這里公開的新型加成反應催化劑用于首先催化甲硫醇和丙烯醛之間的反應，生成含有MMP和新型催化劑的中間反應產物混合物。然后，在不預先從中間反應產物混合物的MMP中分離催化劑的條件下，使MMP反應產物與氰化氫反應生成HMBN。
本發明的其他目的和特征將在下文中變得很清楚。
根據本發明，MMP通過在新型的烯烴/硫醇加成催化劑存在下丙烯醛和甲硫醇之間的反應來制備。然后在反應產物混合物中(的MMP可用在MMP反應產物混合物中)存在的新型催化劑作為氰化反應中的加成反應催化劑與氰化氫反應。
丙烯醛和甲硫醇之間生成MMP的催化反應是大家熟悉的，在本發明的實施中，該反應可按任何適合的方式進行，對所用的各種工藝條件沒有特別的限制。例如，可將丙烯醛蒸汽吸收在含有低環MMP產物的液體反應介質中。在烯烴/硫醇加成反應催化劑存在下，在適合的反應器的反應段內，吸收在液體反應介質中的丙烯醛與甲硫醇反應。將甲硫醇加到液體反應介質中，其數量按摩爾計至少基本上相當于丙烯醛的化學計量。可使用稍過量的甲硫醇。優選的是，對于液體反應介質中存在的每一摩爾丙烯醛來說，將約1至約1.02摩爾甲硫醇送入反應段中。可將甲硫醇和丙烯醛同時或順序送入液體反應介質中。烯烴/硫醇加成反應催化劑可完全地或部分地存在于MMP中或者可完全地或部分地與丙烯醛和甲硫醇一起送入液體反應介質中。
反應溫度希望保持在約30至約70℃范圍內。反應壓力并不重要，可在寬范圍內變化。但是，為了簡化反應設備，優選反應在大約常壓下或僅稍有真空或稍有加壓下進行。
丙烯醛和甲硫醇之間的反應可按連續方式或間歇方式進行。在間歇法中，可將基本上等當量的丙烯醛蒸汽或液體加到甲硫醇中。另一方面，可將丙烯醛和甲硫醇按基本上化學計量當量加入速率同時加到含有MMP的液體反應介質中。可通過在反應器中由前一批料留在MMP底料的方法方便地為給定批料提供給定批量的反應介質。因此，間歇反應器可按半連續的方式操作，其中在間歇周期的大部分時間丙烯醛和甲硫醇以基本上不變的速率送入，而反應產物定期從反應器中排出，而留在下一批料的底料。
完全連續的方法例如在US4225516(Biola)、US5352837(Hsu等)和共同未決的美國專利申請書08/557699中公開，它們在這里作為參考并入。如Hsu等公開的，通過將丙烯醛蒸汽和甲硫醇在并流的或逆流的氣/液接觸段中送入流動的MMP反應介質中來進行連續反應。另一方面，最初的反應可在有反應混合物通過它循環的外部冷卻器的攪拌釜反應器中進行。如果在最初的氣/液接觸段提供的停留時間內反應不完全，那么將含有未反應的丙烯醛和甲硫醇的MMP反應介質向前送入第二反應器(如活塞流反應器或間歇貯罐)，以便使反應完全。優選的是，在反應段中的任何部分，該反應的反應溫度不超過70℃。
用于商業生產MMP的稀烴/硫醇加成催化劑優選在以下幾個指標的基礎上進行評價，其中包括(1)轉化率和MMP的產率；(2)反應動力學；以及(3)催化生成高分子量副產物的不希望的副反應以及在MMP反應過程中和隨后的MMP反應產物貯存過程中降低產品質量的可能性。此外，這樣的催化劑優選適用于進一步催化MMP和氰化氫之間生成HMBN的反應，以致含有該加成催化劑的MMP反應產物混合物可直接用氰化氫處理生成HMBN，不需中間插入純化過程。
已發現，某些以前認為不是活性的烯烴/硫醇加成反應催化劑的有機堿優選地可用于催化丙烯醛和甲硫醇之間生成MMP的反應。因此，本發明的新型催化劑包括至少一種以下的有機堿某些雜環胺類、三烷基胺類和其他叔胺類，其中至少一個鍵聯到叔胺的氮原子上的非氫取代基含有一個芳基。新型烯烴/硫醇加成反應催化劑還可含三異丙醇胺。
可在本發明的新型烯烴/硫醇加成催化劑中存在的雜環胺類選自煙酰胺、咪唑、苯并咪唑、2-氟吡啶、4-二甲基氨基吡啶、甲基吡啶(如2-甲基吡啶、3-甲基吡啶和4-甲基吡啶)和吡嗪。
可在本發明的烯烴/硫醇加成催化劑中存在的三烷基胺類的特征在于，在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有至少三個碳原子(如三丙胺、三丁胺等)。但是，烷基取代基不應含有大于約18個碳原子，以便使三烷基胺可充分溶于MMP反應混合物中。烷基取代基可為直鏈的、支鏈的或環狀的。為了利用較高分子量三烷基胺通常得到的可燃性、毒性和揮發性的下降的好處以及為了避免在MMP反應混合物中出現溶解性問題，在烯烴/硫醇加成催化劑中存在的三烷基胺中的每一烷基取代基優選含有5-12個碳原子(如三戊胺、三己胺、三庚胺、三辛胺、三壬胺、三癸胺、三(十一胺)、三(十二烷)等)。
本發明的新型烯烴/硫醇加成反應催化劑還可包括某些其他的叔胺，其中鍵聯到氮原子上的非氫取代基中至少一個含芳基-如苯基、萘基等)。更具體地說，可用于催化丙烯醛和甲硫醇之間反應的含芳基的叔胺有下式 式中，A為芳基，R1和R2為烷基，x、a、b和c為整數，以致0≤x≤3、1≤a≤3、0≤b≤2、0≤c≤2，條件是a+b+c＝3。適用于本發明的含芳基的叔胺包括三苯胺、三芐胺和N-甲基二苯胺。優選的是，X≥1，以致有至少一個-CH2-單元將芳基與氮原子分開。根據本發明一個特別優選的實施方案，X≥1和a＝2(如N-甲基二苯乙基胺和N-乙基-3，3′-二苯基二丙胺)。
上述胺類中的每一個都適合用作商業生產MMP中的烯烴/硫醇加成催化劑。但是，參考這里提出的催化劑評價規格，這些有機堿中有一些已證明比其他的有更高的全面性能和效率。根據本發明的一更優選的實施方案，烯烴/硫醇加成催化劑含有至少一種選自以下的胺三異丙醇胺、咪唑、苯并咪唑、甲基吡啶、N-甲基二苯乙基胺、N-乙基-3，3′-二苯基二丙胺和在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有5-12個碳原子的三烷基胺。
其他有機堿也可用作制備MMP中的烯烴/硫醇加成反應催化劑，其中包括多-4-乙烯基吡啶、叔辛基胺、煙酰胺鈉和3-氟吡啶。除了這些有機堿催化劑外，某些鹽也可用于催化丙烯醛和甲硫醇之間的反應，其中包括堿金屬乙酸鹽、鉬酸鹽和甲酸鹽，可單獨使用或與冠醚或季銨鹽組合使用，以提高鹽陰離子在MMP反應混合物中的溶解性，以及包括亞乙基二胺四乙酸的鹽。此外，我們還考查了其他化合物在MMP制備中用作催化劑，即乙酸鋅、碳酸鋅、對甲苯磺酸、4-氨基丁酸和氯化鈀。但是，這些其他的化合物不特別適用于催化丙烯醛和甲硫醇之間的反應；在對甲苯磺酸和氯化鈀的情況下，在促進生成MMP的反應中看來基本上是惰性的。
烯烴/硫醇加成反應催化劑應存在于液體反應介質中，其量應足以有效地催化丙烯醛和甲硫醇之間的反應。例如，在間歇法中，送入反應段的催化劑與甲硫醇的摩爾比為約0.001至約0.02、優選約0.001至約0.01、特別是約0.001至約0.005。
應當指出，在這里公開的新型烯烴/硫醇加成反應催化劑中有一些(如煙酰胺、咪唑、苯并咪唑和多-4-乙烯基吡啶)在典型的MMP反應溫度下為固體。如果催化劑有足夠的可溶性，那么這樣的固體催化劑適合通過將催化劑溶于液體MMP反應混合物中使用。如果催化劑的可溶性不夠高，那么可加入少量的適合溶劑(如水、有機酸或無機酸)到反應混合物中，作為催化劑溶解性助劑，或者可將催化劑簡單地懸浮在反應混合物中。但是，為了避免形成單獨的水相以及為了避免可能對甲硫醇和丙烯醛之間的反應有不好的影響，優選控制MMP反應混合物的水含量，以致它不大于約6％(重量)、更優選不大于約3％(重量)、特別是不大于約1.5％(重量)。此外，如果使用固體催化劑，首先將催化劑溶于適合的溶劑中，制成液體催化劑預混合物可能是有利的，以便易于將催化劑加到反應段中。
這里公開的新型烯烴/硫醇加成反應催化劑優選在反應段中與有機酸或無機酸組合。據認為酸的存在可降低有機液體反應介質的堿度，從而抑制堿催化的不希望的副反應，這些副反應使MMP的質量下降。而且，酸可提高固體催化劑在液體MMP反應混合物中的溶解度。各種有機酸都可使用，其中包括乙酸、甲酸、檸檬酸、短鏈脂肪酸和有機磺酸(如三氟甲烷磺酸)。適合的無機酸包括礦物酸，如硫酸和磷酸。由于乙酸的商業可供性和相對低的價格，它是優選的。送入反應段的有機堿與乙酸的摩爾比通常為約0.5至約2.0。優選的是，為了確保堿催化的副反應被充分地抑制，送入反應段的有機堿與乙酸的摩爾比為約0.5至約1.0。在上述一種或多種堿在反應段中與礦物酸組合的場合下，礦物酸優選為硫酸或磷酸。送入反應段的有機堿與礦物酸的摩爾比優選為約1至約50。當這里公開的有機堿之一與有機酸或無機酸在反應段中組合時，液體反應介質優選含有約0.2至0.75％(重量)有機堿/酸組合物。為了簡化有機堿/酸組合物加到反應段中，首先將催化劑與有機酸或無機酸組合，形成液體催化劑預混合物，然后再加到反應段中。
MMP反應產物可直接用于制備HMBN，而不需預先蒸餾除去高沸點雜質或低佛點雜質。這樣不僅節省了蒸餾的投資和操作費用，而且還避免在MMP蒸餾塔中生成另外的高沸物而不可避免造成的產率損失。HMBN可通過MMP反應產物與氰化氫在適合的加成反應催化劑存在下反應來制備。優選的是，已發現三異丙醇胺、煙酰胺、咪唑、苯并咪唑、2-氟吡啶、多-4-乙烯基吡啶、4-二甲基氨基吡啶、甲基吡啶和吡嗪都可作為生產HMBN的催化劑。此外，如上所述的在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有3-18個碳原子的三烷基胺以及鍵聯到氮原子上的非氫取代基中至少一個含有芳基的叔胺也可用于催化MMP和氰化氫生成HMBN的反應。
因此，根據本發明一個優選的實施方案，有可能首先通過甲硫醇與丙烯醛在這里公開的一種烯烴/硫醇加成反應催化劑存在的反應段中(單獨使用催化劑或與適合的有機酸或無機酸組合使用)反應來制備MMP，制得含有MMP和催化劑的中間反應產物混合物。此后，在不預先從中間反應產物混合物的MMP中分離催化劑的條件下，可通過MMP與氰化氫反應使MMP直接轉化成HMBN。在烯烴/硫醇加成反應催化劑含有每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基有3-18個碳原子的三烷基胺或鍵聯到氮原子上的非氫取代基中至少一個有芳基的叔胺的場合下，為了制備高質量和高產率的HMBN將中間反應產物混合物中的MMP基本上立即轉變成HMBN是優選的。
MMP和氰化氫生成HMBN的催化反應是大家熟悉的；在本發明的實施中，該反應可按任何適合的方式進行，而對所用的各種工藝條件沒有特別的限制。MMP產物可與氰化氫在連續反應體系或間歇反應體系中反應。優選的是，相對于MMP，氰化氫稍過量約2％。希望將氰化反應的溫度保持在約30至約70℃范圍、優選約50至約70℃。在MMP反應中，保持氰化反應過程中的壓力并不重要，它可在寬范圍內變化，但優選接近常壓。
由于該加成催化劑對于烯烴/硫醇加成反應以及MMP和氰化氫之間的反應作為催化劑都有效，所以以這種方式用于制備HMBN的加成催化劑優選含有至少一種選自以下的胺三異丙醇胺、咪唑、苯并咪唑、甲基吡啶、多-4-乙烯基吡啶、N-甲基二苯乙基胺、N-乙基-3，3′-二苯基二丙基胺和在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有5-12個碳原子的三烷基胺。
MMP和氰化氫必需在足夠數量的加成催化劑存在下反應，以便有效地促進氰化反應。對于某些催化劑體系來說，在氰化反應過程中要比在丙烯醛和甲硫醇之間反應過程使用更大量的加成催化劑。因此，在MMP反應最初過程中可使用過量的加成催化劑，以便確保在中間反應產物混合物中存在足夠數量的催化劑，從而有效地催化MMP和氰化氫之間的反應。但是，為了后來達到最佳的氰化氫加入在丙烯醛和甲硫醇之間反應中使用過量的加成催化劑，有可能引起MMP反應產物過量降解。在這樣的情況下，優選可在加入氰化氫以前立即將另外數量的有機堿催化劑送入中間反應產物混合物中，以進一步促進氰化反應。加到中間反應產物混合物中的催化劑可選自這里公開的任何一種加成催化劑；事實上它可與用于催化丙烯醛和甲硫醇之間反應的催化劑相同。另一方面，加入的催化劑可含有傳統的有機堿催化劑(如吡啶、三乙胺、六亞甲基四胺等)。優選的是，在加入另外催化劑以前，在中間反應產物混合物中的加成反應催化劑的濃度為約0.01至約1％(重量)、更優選約0.05至約0.25％(重量)；而另外數量的催化劑加到中間反應產物混合物中后，中間反應產物混合物含有約0.05至約1％(重量)、更優選約0.1至約0.5％(重量)加成催化劑。
本發明方法制備的HMBN可直接用Ruest等的US4524077公開的方法或用Hernandez的US4912257公開的方法轉化成HMBA，而不需純化。在Ruest的專利方法中，HMBN在硫酸中水解，用基本上與水不混溶的溶劑從水解產物中萃取HMBA產物，以及萃取物經蒸汽蒸餾，制得85-90％(重量)HMBA水溶液。在Hernandez的專利方法中，用氨中和水解產物，使它分離成兩相，有機相經蒸發和過濾，制得85-90％(重量)HMBA水溶液。
用以下實施例來說明本發明，這些實施例僅用來說明，而不看作為對本發明的范圍的限制或對本發明實施方法的限制。
實施例1在這一實施例中使用以下步驟來評價所提出的烯烴/硫醇催化劑對于丙烯醛和甲硫醇之間生成MMP的反應的性能。
將要試驗的催化劑與丙烯醛混合，并將一定量的混合物與過量甲硫醇在2毫升有隔膜帽的反應小瓶中混合。用干冰冷卻使甲硫醇在硫醇瓶和反應瓶之間轉移。按丙烯醛計，使用約5至約15％(重量)過量的甲硫醇。這樣選擇在反應瓶中存在的催化劑數量，以便使每摩爾丙烯醛或MMP產物中有約0.0033摩爾催化劑。在某些試驗中，催化劑首先按摩爾比為約0.7(催化劑/酸)與有機酸或無機酸混合，然后將催化劑/酸組合物加到丙烯醛中。另外，有時將水加到反應瓶的混合物中，以提高催化劑的溶解性。在使用鹽催化劑的場合下，催化劑有時與冠醚或季銨鹽以基本上當量摩爾比例混合，以提高催化劑的溶解性。
將裝有該混合物的反應瓶放在保持在約50℃的爐中。大約30分鐘后，將反應瓶取出，并再次稱重，以測定在加熱過程中的重量損失(通常小于約0.002克)。用氣相色譜法分析瓶中的反應混合物樣，測定混合物中存在的高分子量低聚物的數量。
表1匯總用上述步驟評價的供選擇的醛反應催化劑的性能。為了比較，用吡啶和吡啶及乙酸組合進行對比試驗。評價催化劑性能的指標包括丙烯醛轉化率、高分子量低聚物的數量和適宜色譜圖外觀的定性評價。理想的是，小瓶中所含的MMP反應混合物將有低的丙烯醛濃度(表明生成MMP的轉化率高)、低數量的高分子量低聚物(表明副反應少)和通常平的氣相色譜基線(表明沒有其他聚合物)。質量差的物質在醛峰后有幾分鐘流出的顯著寬峰，它不一定總與低聚物的含量有關。氣相色譜—質譜分析表明，這一寬峰是醛，表明其他組分在分析中分解形成這一峰。因為在這一步驟中使用過量的甲硫醇，醛的產率不當作重要的評價指標。
在表1中，氣相色譜基線規定為(S)、(M)和(U)分別表示滿意、勉強合格和不滿意。ND和tr分別表示“未測定”和“微量”。所有的數值以重量百分數表示。
表1MMP催化劑(氣相色譜評價基線規定)丙烯醛高分子量低聚物吡啶(S) 0.5 9.6吡啶/乙酸(S) 0.1 0.1咪唑/乙酸(S) tr 1.1咪唑/乙酸(S) 0.3 1.8苯并咪唑/水/乙酸(S) 0.2 1.0煙酰胺(U) 0.3 1.7煙酰胺(U) 0.9 6.5煙酰胺(U) 0.4 3.0煙酰胺/水(U) ND 0.2煙酰胺/水(U) 0.3 5.0煙酰胺/乙酸(S)5.2
煙酰胺/乙酸/水(S) 0.72.8煙酰胺/乙酸/水(S) ND 4.0煙酰胺/水/硫酸(U) 1.6tr煙酰胺/水/硫酸(U) ND 5.0煙酰胺/水/硫酸(U) 2.8＜0.1煙酰胺/水/磷酸(U) 0.54.4煙酰胺鈉(U)14.6煙酰胺鈉/乙酸(U)ND 4.9多-4-乙烯基吡啶(U) 8.1多-4-乙烯基吡啶/乙酸(U) 0.11.2多-4-乙烯基吡啶/乙酸(U) 0.12.2多-4-乙烯基吡啶/乙酸(U) 0.1乙酸鈉/15-冠-5(M) 2.024.8乙酸鈉/三辛基甲基氯化銨(U) 1.34.4鉬酸鈉(U) 0.14.7鉬酸鈉/乙酸(U) 0.37.5甲酸鈉(U) ＜0.1 0.3EDTA二鈉(U) 0.11.3EDTA二鈉/乙酸(U)ND 2.3氯化鈀(U) ND 0.3對甲苯磺酸(U) ND 5.84-氨基丁酸(U) ND 2.34-氨基丁酸/乙酸 ND 2.84-氨基丁酸/乙酸/水 ND 2.72-氟吡啶/乙酸(S)0.1＜0.13-氟吡啶/乙酸(U)0.2＜0.1三丙胺/乙酸/水(U) ＜0.1 ＜0.1三丙胺/乙酸(U) ＜0.1 0.5三苯胺(U) ＜0.1 ＜0.1三苯胺/乙酸(U) ＜0.1 0.2
三芐基胺(U) 0.2 ＜0.1吡嗪/乙酸(U)＜0.10.1叔辛基胺/乙酸(U)0.2 2.04-二甲基氨基吡啶/乙酸(S)＜0.10.54-二甲基氨基吡啶/乙酸/水(S) 0.1 0.9乙酸鋅(U) 0.4 0.4碳酸鋅(U) 0.3 ＜0.1實施例2在這一實施例中使用以下步驟來評價三異丙醇胺和某些三烷基胺和含苯基的叔胺作為烯烴/硫醇催化劑用于丙烯醛和甲硫醇之間生成MMP反應的性能。
在所有的試驗中，將要試驗的催化劑按摩爾比為約0.7與乙酸混合。但是，在三丙胺的情況下，加入另外的乙酸(催化劑與乙酸的摩爾比為0.54)，以便得到單一的液相。將催化劑/乙酸組合物與丙烯醛混合，并將一定量的這種混合物與過量的甲硫醇在帶隔膜帽的2ml反應瓶中混合。用干冰冷卻將甲硫醇在硫醇瓶和反應瓶之間轉移。按丙烯醛計，所用的甲硫醇過量約0.4至約9％(重量)。這樣選擇反應瓶中的催化劑量，使每摩爾丙烯醛或MMP產物有約0.0033摩爾催化劑。
將裝有混合物的反應瓶放入保持在約50℃的爐中。約30分鐘后，取出反應瓶并稱重，以測定在加熱過程中的失重(通常小于約0.002克)。在瓶中的反應混合物樣用氣相色譜法分析，以測定混合物中存在的高分子量低聚物的數量。
表2匯集了用上述步驟評價的這類供選擇的醛反應催化劑的性能。在實施例1中所示的相同指標用于本實施例，以評價催化劑的性能。
在表2中，氣相色譜基線規定為(S)、(M)和(U)分別表示滿意、勉強合格和不滿意。所有的數值都用重量百分數表示。
表2MMP催化劑
(氣相色譜評價基線規定)丙烯醛高分子量低聚物三異丙醇胺/乙酸(S)0.1 0.1三丙胺/乙酸(S)0.1 ＜0.1三苯基胺/乙酸(S) 0.1 ＜0.1三辛基胺/乙酸(S) 0.1 ＜0.1三(十二烷基)胺/乙酸(S)0.1 ＜0.1N-甲基二苯乙基胺/乙酸(S) 0.1 ＜0.1N-乙基-3，3′-二苯基二丙基胺/乙酸(S) 0.1 0.3N-甲基二苯基胺/乙酸(U)＜0.10.1實施例3在這一實施例中，用與乙酸混合的三丙胺來催化醛反應制得的MMP代表性混合物通過與氰化氫反應轉化成HMBN。
通過將水(0.091克)、經蒸餾的MMP(6.91克)和三丙胺/乙酸催化劑溶液(0.008克)(每摩爾乙酸含0.54摩爾三丙胺)混合來制備MMP混合物。將氰化氫(40微升，99.5％)加到反應瓶中的70微升醛/水/催化劑/乙酸混合物中，在轉移過程中用濕冰冷卻。然后將反應瓶放入50℃爐中30分鐘。在MMP混合物中的三丙胺催化劑用來催化氰化反應。然后從爐中取出瓶，并讓它冷卻。在瓶中的經冷卻的腈反應產物樣用氣相色譜法分析，以測定混合物中的高分子量低聚物的數量。樣品含有98.2％(重量)腈、0.1％(重量)高分子量低聚物和0.03％(重量)MMP。
實施例4在這一實施例中，用下述的步驟測試了煙酰胺、咪唑、苯并咪唑、2-氟吡啶、吡嗪和4-甲基吡啶，進一步評價它們在丙烯醛和甲硫醇之間反應作為烯烴/硫醇加成催化劑的性能。
典型分析結果為約97.3至約97.5％(重量)丙烯醛和約2.5％(重量)水的經蒸餾的丙烯醛與氫醌混合，得到氫醌含量為約0.10至約0.12％(重量)的混合物。將經蒸餾的丙烯醛和氫醌的混合物在0-5℃下貯存。使用典型分析結果為約99.3至約99.5％(重量)甲硫醇的經蒸餾的甲硫醇。
醛反應在1000毫升不銹鋼反應器中進行，反應器有用于溫度控制的內部冷卻盤管和攪拌器。首先在特定的醛催化劑存在下通過丙烯醛和甲硫醇反應來制備一定量的MMP。然后將這一MMP在用相同催化劑制備下一批MMP的“底料”。通常，用相同的催化劑和前一批得到的MMP底料制備幾批MMP，以致達到穩態條件。
為了制備MMP底料，將甲硫醇裝入反應器，隨后用液面下進料管加入催化劑。將反應器和其中的物料加熱到常溫，在反應溫度為約50℃，在約25分鐘內將丙烯醛送入反應器。每摩爾丙烯醛裝入大約1.005摩爾甲硫醇和約0.0033摩爾催化劑。除在煙酰胺的情況下外，反應器中的催化劑以摩爾比為約0.7(催化劑/乙酸)與乙酸混合。通過將過程溫度保持在約50℃并將反應物料攪拌約60分鐘來完成醛的反應。一旦醛反應完全，就將反應器及其物料在約10分鐘內冷卻到20-25℃，同時不斷攪拌。
將催化劑(每摩爾丙烯醛0.0033摩爾、煙酰胺的情況除外)乙酸(催化劑/乙酸摩爾比0.7)與MMP底料共混，并裝入反應器，用于制備另外的醛。然后在反應溫度約60℃下，在攪拌下將甲硫醇和丙烯醛在約30分鐘內同時加入。將每摩爾丙烯醛約1.005摩爾甲硫醇裝入反應器。通過將過程溫度保持在約60℃約23分鐘來完成醛反應。一旦醛反應完全，就將反應器和物料在約10分鐘內冷卻到20-25℃。如果需要，用特定的催化劑和由前一批料得到的MMP底料重復間歇反應順序，一直到達到穩態條件為止。
將最后批料的反應混合物樣注入氣相色譜進行分析。這一反應混合物樣也進行氣相色譜分析，以測定混合物中高分子量低聚物的數量。在某些情況下，進行MMP反應產物的有限老化研究，以測試貯存穩定性。
表3匯總用上述步驟評價的供選擇的醛反應催化劑的性能。表3中的結果包括最后間歇反應混合物中甲硫醇、丙烯醛、MMP以及高分子量低聚物的重量百分數。也包括用吡啶催化劑與乙酸組合的對比試驗的結果，以便比較。
表3MMP催化劑甲硫醇丙烯醛MMP高分子量低聚物吡啶/乙酸0.300.23 97.88 1.25
煙酰胺 0.940.5 89.74 9.47咪唑/乙酸 0.110.5 97.12 1.43苯并咪唑/乙酸/水0.210.17 97.59 1.562-氟吡啶/乙酸 0.640.5 96.50 2.12吡嗪/乙酸 0.300.23 97.88 2.194-甲基吡啶/乙酸 0.210.38 98.02 1.14在該實施所評價的催化劑中，煙酰胺、吡嗪和2-氟吡啶得到有較高高分子量低聚物含量的MMP。
將用咪唑、苯并咪唑和4-甲基吡啶作為催化劑得到的MMP在45℃下進行貯存穩定性試驗。為了比較，用吡啶與乙酸組合得到的MMP也在45℃下老化，以評價貯存穩定性。在典型的老化研究中，將40克醛產物放入玻璃瓶中，然后放入保持在45℃下的爐中。定期從瓶中取出產物樣，并用氣相色譜進行分析。MMP老化研究的結果匯于表4。
表4MMP催化劑天數MMP損失(％(重量)MMP/天)吡啶/乙酸 30 0.10咪唑/乙酸 11 3.98苯并咪唑/乙酸 11 1.054-甲基吡啶/乙酸10 0.304-甲基吡啶/乙酸21 0.374-甲基吡啶/乙酸31 0.37在45℃下，用咪唑、苯并咪唑和4-甲基吡啶作為烯烴/硫醇加成催化劑制得的MMP與用吡啶制得的醛相比變質更快。
用咪唑、苯并咪唑和4-甲基吡啶與乙酸組合作為烯烴/硫醇加成反應催化劑制得的MMP通過用殘留在MMP反應產物混合物中的有機堿催化劑進一步催化氰化反應使它與氰化氫反應轉化成HMBN。為了比較，用吡啶/乙酸作為催化劑制得的MMP也被轉化成HMBN。
腈反應在有攪拌器和控溫內部冷卻盤管的1000毫升相同不銹鋼反應器中進行。首先將含有有機堿催化劑的MMP物料稱重加到反應器中。然后將氰化氫(99.5％)送入反應器，在約60℃下攪拌26分鐘。將每摩爾MMP約1.02摩爾氰化氫裝入反應器。通過將批料在未攪拌或冷卻下保持約20分鐘來完成腈反應。一旦腈反應完全，在約10分鐘內將反應器和物料冷卻到20-25℃。反應混合物樣進行氣相色譜分析，以測定MMP和低聚物含量。腈轉化結果匯于表5。
表5HMBN催化劑MMPHMBN高分子量低聚物吡啶/乙酸 ND 98.5 0.7咪唑/乙酸 tr 98.3 1.2苯并咪唑/乙酸 ND 94.7 1.34-甲基吡啶/乙酸ND 99.3 0.7實施例5按實施例4的方式，用經蒸餾的丙烯醛和甲硫醇來制備MMP底料和批料。Reilley公司提供的多-4-乙烯基吡啶(Reillex425)用作烯烴/硫醇加成反應催化劑。將多-4-乙烯基吡啶(2.7克)裝入空反應器。然后將甲硫醇(88.4克)裝入反應器。將反應器和物料加熱到常溫，在此時將丙烯醛(100.9克)在約50分鐘內送入反應器，反應溫度為約50℃。如實施例4中描述的完成醛反應。在不再加催化劑的情況下，在攪拌下，在反應溫度約50℃下，在約50分鐘內將甲基硫醇(196.1克)和丙烯醛(235.9克)同時送入反應器。通過將過程溫度在約50℃下保持約30分鐘來完成醛反應。由批料得到的反應混合物樣進行氣相色譜分析。分析表明含有89.9％(重量)MMP、0.4％(重量)丙烯醛、0.8％(重量)甲硫醇和0.02％(重量)吡啶。
含有多-4-乙烯基吡啶催化劑的MMP產物按實施例4的方式在相同的反應器中轉化成丙烯醛。在攪拌下，在約50℃下，在約50分鐘內將氰化氫(155.4克)送入裝有MMP(600.0克)的反應器中。通過將批料在未攪拌或冷卻下保持約30分鐘來完成腈反應。一旦腈反應完全，在約10分鐘內將反應器和物料冷卻到20-25℃。腈反應混合物樣進行氣相色譜分析。分析表明含有72.9％(重量)HMBN和2.6％(重量)MMP。
由上所述，可以看出本發明的幾個目的都達到。因為在不違背本發明范圍的條件下，可對上述方法對出各種改變，所述上述所有內容只用作說明，而不作為限制。
權利要求
1.一種制備2-羥基-4-(甲硫基)丁酸的方法，該法包括在烯烴/硫醇加成反應催化劑存在下，甲硫醇與丙烯醛在反應段中反應，該催化劑含有至少一種選自以下的有機堿三異丙醇胺、三丙胺、咪唑、苯并咪唑、2-氟吡啶、4-二甲基氨基吡啶、甲基吡啶、吡嗪、N-甲基二苯乙胺，N-乙基-3，3′-二苯基二丙胺和在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有5-12個碳原子的三烷基胺，從而制得含有3-(甲硫基)丙醛和所述催化劑的中間反應產物混合物；以及使所述的3-(甲硫基)丙醛與氰化氫反應，生成2-羥基-4-(甲硫基)丁腈，以及使2-羥基-4-(甲硫基)丁腈轉化為2-羥基-4-(甲硫基)丁酸。
2.根據權利要求1的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑含有至少一種選自以下的有機堿三異丙醇胺、甲基吡啶、N-甲基二苯乙基胺、N-乙基-3，3′-二苯基二丙基胺和在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有5-12個碳原子的三烷基胺。
3.根據權利要求2的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑包括N-甲基二苯乙基胺。
4.根據權利要求3的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑與有機酸在所述的反應段混合。
5.根據權利要求2的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑包括N-乙基-3，3′-二苯基二丙基胺。
6.根據權利要求5的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑與有機酸在所述的反應段中混合。
7.根據權利要求2的方法，其中有機堿與引入到反應段的甲基硫醇的摩爾比為0.001-0.02。
8.根據權利要求7的方法，其中所述烯烴/硫醇加成反應催化劑在所述反應段中與乙酸混合。
9.根據權利要求8的方法，其中所述有機酸是乙酸且所述有機堿與引入到反應段的乙酸的摩爾比為0.5-2.0。
10.根據權利要求9方法，其中所述反應段含有一種包含3-(甲硫基)丙醛和所述催化劑的液體反應介質，所述液體反應介質含有0.2％-0.75％重量的所述催化劑/有機酸混合物。
11.根據權利要求7的方法，其中所述烯烴/硫醇加成反應催化劑在所述反應段中與無機酸混合。
12.根據權利要求11的方法，其中所述無機酸選自硫酸和磷酸且所述烯烴/硫醇加成反應催化劑與引入到所述反應段中的無機酸的摩爾比為1-50。
13.根據權利要求12的方法，其中所述反應段含有一種包含3-(甲硫基)丙醛和所述催化劑的液體反應介質，所述液體反應介質含有0.2％-0.75％重量的所述催化劑/有機酸混合物。
14.根據權利要求1的方法，其中在預先不經過從所述中間反應產物混合物的3-(甲硫基)丙醛分離所述催化劑的條件下，使所述3-(甲硫基)丙醛與氰化氫進行反應。
15.根據權利要求14的方法，其中將額外量的有機堿加入到所述中間反應產物混合物中，以便促進所述3-(甲硫基)丙醛與氰化氫的反應。
16.根據權利要求15的方法，其中引入到中間反應產物混合物中的有機堿包括至少一種選自如下的有機堿三異丙醇胺，甲基吡啶，N-甲基二苯乙基胺，N-乙基-3，3’-二苯基二丙基胺和在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有5-12個碳原子的三烷基胺。
17.根據權利要求15的方法，其中引入到中間反應產物中的有機堿是同一種有機堿，該堿包括用于所述甲基硫醇與所述丙醛反應的所述烯烴/硫醇加成反應催化劑。
18.根據權利要求15的催化劑，其中引入到中間反應產物中的有機堿是吡啶。
19.根據權利要求15的方法，其中在所述的額外量的有機堿引入以前，所述的中間反應產物混合物含有0.01％至1％重量所述的有機堿；而在所述的額外量的有機堿引入所述的中間反應產物混合物中以后，所述的中間反應產物混合物含有0.05％至1％重量所述的有機堿。
20.根據權利要求15的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑包括N-甲基二苯乙基胺。
21.根據權利要求20的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑與有機酸在所述的反應段混合。
22.根據權利要求15的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑包括N-乙基-3，3′-二苯基二丙基胺。
23.根據權利要求22的方法，其中所述的烯烴/硫醇加成反應催化劑與有機酸在所述的反應段中混合。
24.根據權利要求1的方法，其中2-羥基-4-(甲硫基)丁腈在硫酸中水解以制備2-羥基-4-(甲硫基)丁酸。
全文摘要
公開了用新型加成催化劑制備3－(甲硫基)丙醛和2－羥基－4－(甲硫基)丁腈的催化方法。新型的加成催化劑包括三異丙醇胺、煙酰胺、咪唑、苯并咪唑、2－氟吡啶、多－4－乙烯基吡啶、4－二甲基氨基吡啶、甲基吡啶、吡嗪、在每一鍵聯到氮原子上的烷基取代基中有3－18個碳原子的三烷基胺以及有式(I)的叔胺，式中A為芳基，R
文檔編號C07B61/00GK1510030SQ0212645
公開日2004年7月7日 申請日期1996年6月4日 優先權日1995年6月7日
發明者T·F·布拉克伯恩, P·F·派萊格倫, A·H·克拉茲, T F 布拉克伯恩, 克拉茲, 派萊格倫 申請人:諾沃斯國際公司