從乙炔和二氧化碳制備乙炔二羧酸的方法
【專利說明】從乙炔和二氧化碳制備乙炔二羧酸的方法
[0001] 描述
[0002] 本發明涉及一種從乙炔和二氧化碳反應制備乙炔二羧酸的方法。
[0003] 根據從前的方法，回溯到1877年，乙炔二羧酸是由間-二溴琥珀酸通過堿消除制 備的。
[0004] 在E. C. Horning, J. Am Chem. Soc. 1945, 67, 1412-1422 中描述了通過碳化二鋰與二 氧化碳在醚中反應以34%的產率形成了乙炔二羧酸，其中碳化二鋰是從乙烯基溴與丁基鋰 的反應得到的，其中二氧化碳作為干冰加入。
[0005] 乙炔二羧酸可以通過炔醇在具有氧化鉛電極的陽極上的電化學氧化以約50 %的 產率獲得。在V. Wolf, Chem. Ber. 1954,87,668-676中描述了制備乙炔二羧酸的電化學方 法。在此方法中，乙炔二羧酸的脫羧基化反應是作為副反應出現的，同時形成二氧化碳和 乙炔。在 J. Kaulen 和 H. J. SchSfer, Tetrahedron Lett. 1982, 38, 3299-3308 中描述了 α，ω -二醇在氧化鎳陽極上向二羧酸的氧化反應。但是，電化學方法是與高能耗和高成本 相關的。
[0006] WO 2012/022801描述了乙炔與5巴CO2在二甲基甲酰胺中在（4, 7-二苯基菲 咯啉）二（三苯基膦）銅（I)和碳酸銫的存在下進行直接羧基化反應。這獲得了乙炔單 羧酸和乙炔二羧酸的混合物，它們是在反應混合物中以其正己基酯的形式檢測到的。在 60°C下反應2小時之后的轉化率對應于關于形成乙炔二羧酸的轉換數（TON)為約1.8。WO 2012/022801還公開了末端炔在菲咯啉-膦-銅（I)配合物和碳酸銫的存在下向相應丙炔 酸的羧基化反應。W02011/075087公開了末端炔與CO 2在銅化合物和胺堿存在下的羧基化 反應。
[0007] 已經證明乙炔向乙炔二羧酸的直接羧基化反應是困難的，這是因為乙炔在有機溶 劑中僅僅具有低溶解性，而作為共反應物的CO 2由于其在有機溶劑中的顯著較高的溶解性 而另外使得乙炔難以在反應介質中聚集。初始形成的乙炔單羧酸的鹽也僅僅具有低溶解 性，這阻礙了得到乙炔二羧酸的第二個羧基化步驟，導致形成乙炔單羧酸和乙炔二羧酸的 產物混合物。此外，乙炔羧酸，特別是乙炔二羧酸，傾向于在溶液中脫羧基化，并且脫羧基化 反應另外被銀和銅配合物催化。而且，乙炔傾向于發生聚合或乙烯基化反應，這導致另外降 低了產率。
[0008] 乙炔在銅或銀化合物存在下的羧基化反應另外存在的風險是形成爆炸性的銅或 銀的炔化物。所以，希望盡可能減少催化劑的用量。當在壓力下處理乙炔時總是存在這種 風險。催化劑的用量越小，這種風險就越低。
[0009] 另外，在W02012/022801描述的方法中使用化學計算量的無機堿是不利的，這是 由于在工業規模實施的方法中的鹽聚集。為了能將所形成的乙炔二羧酸在隨后的步驟中氫 化成有價值的目標化合物丁烷-1，4-二醇，乙炔二羧酸必須從碳酸銫和在反應后存在的其 它銫鹽分離出來。
[0010] 本發明的目的是提供一種通過乙炔的直接羧基化反應制備乙炔二羧酸的簡單可 行的方法。本發明的一個具體目的是使得這種方法具有基于催化劑用量的高轉換。本發明 的另一個目的是使得這種方法能避免必須使用無機堿。
[0011] 此目的是通過一種通過乙炔和二氧化碳反應制備乙炔二羧酸的方法實現，其中此 反應是在銀鹽或銅鹽和胺堿的存在下進行的。
[0012] 驚奇地發現，乙炔在銅鹽或銀鹽存在下向乙炔二羧酸的直接羧基化反應如果在胺 堿的存在下進行的話，此反應也能在不存在無機堿例如碳酸銫的情況下進行。這是尤其令 人驚奇的，因為胺堿非常緊密地與銅或銀配位，并且可以封閉對于乙炔和〇) 2的配位點。因 為二氧化碳和尤其乙炔的溶解性在反應條件下非常低，所以會預見到與少量的已經溶解的 乙炔相比，銅或銀催化劑被大量過量的胺堿鈍化。此外，胺在CO 2的存在下被羧基化以形成 氨基甲酸鹽，這降低了它們的堿度。另外驚奇的是，在反應條件下形成的乙炔二羧酸（二氧 化碳的低分壓和高溫）是穩定的且不會脫羧基化。
[0013] 乙炔向乙炔二羧酸的直接羧基化反應是在銀或銅催化劑和胺堿的存在下進行的。 合適的銀催化劑是選自元素銀；膠態銀粒子，其可以任選地含有穩定添加劑例如膦配體、二 甲基亞砜和/或聚乙烯基吡咯烷酮；鹵化銀（I)，例如AgF、AgCl、AgBr和AgI ;硝酸銀，四氟 硼酸銀，三氟甲磺酸銀，羧酸銀（乙酸銀），六氟磷酸銀，氧化銀，硫酸銀，六氟銻酸銀，對甲 苯磺酸銀，以及碳酸銀。優選的是碘化銀（I)Agl，硝酸銀（I)AgNO 3，以及四氟硼酸銀AgBF4, 特別優選的是硝酸銀（I)。
[0014] 合適的銅催化劑是元素銅和膠態銅粒子，以及選自以下的銅鹽：鹵化銅（I)，例如 CuF、CuCl、CuBr和CuI ;氰化銅（I)，四氟硼酸銅，三氟甲磺酸銅，乙酸銅，六氟磷酸銅，氧化 銅，硫酸銅，六氟銻酸銅，對甲苯磺酸銅，以及碳酸銅。優選的是碘化銅（I)CuI，以及氰化銅 (1)(^^，特別優選的是&11。
[0015] 在本發明的一個實施方案中，乙炔與二氧化碳的反應是在銀鹽的存在下進行，特 別是AgNO 3。在本發明的另一個實施方案中，乙炔與二氧化碳的反應是在銅鹽的存在下進 行，特別是CuI。
[0016] 合適的胺喊是在反應溫度下為液體的胺喊，例如燒基胺，特別是二-C3-C 6;)^基胺， 例如三丙基胺和三丁基胺；鏈烷醇胺，特別是單_、二-和三_(：2-(；鏈烷醇胺，例如單乙醇 胺、二乙醇胺和三乙醇胺；尤其是雜環胺堿，例如N-甲基哌啶、N-甲基哌啶酮、N-甲基嗎啉、 N-甲基-2-吡咯烷酮，但是最優選二氮雜雙環壬烯（DBN)和二氮雜雙環^^一碳烯（DBU)。
[0017] 特別優選的胺堿是1，5-二氮雜雙環[4. 3. 0]壬-5-烯（DBN)和1，8-二氮雜雙環 [5. 4. 0] ^^一碳-7-烯（DBU)。
[0018] 此反應可以在溶劑的存在下進行。合適的溶劑例如是二甲基亞砜（DMSO)，二甲基 甲酰胺（DMF)，水，NMP，二巧惡院，環丁砜，以及醇。銀膠體可以通過在DMSO中加熱而預先形 成，然后加入反應混合物中。DMSO是一種非常好的溶劑；另外，當在其中加熱時銀形成了非 常細的膠體。
[0019] 此反應也可以在不存在單獨溶劑的情況下進行，在這種情況下銀鹽或銅鹽能溶解 在胺堿中。
[0020] 此反應是通常在1-50巴、優選1-20巴的總壓力（乙炔和二氧化碳）和通常 50-120°C、優選50-100°C的溫度下進行。二氧化碳與乙炔之間的摩爾比是通常2:1至50:1， 優選5:1至20:1。通過本發明方法實現了高的轉換數（TON)。
[0021] 在本發明的一個實施方案中，此反應是在大氣壓（1巴）下進行。在另一個實施方 案中，總壓力保持為1-10巴。
[0022] 所形成的乙炔二羧酸可以隨后被氫化成丁烷-1，4-二醇。氫化反應可以在胺堿存 在下在不處理來自乙炔羧基化的反應混合物的情況下進行。
[0023] 下面通過實施例進一步說明本發明。 實施例
[0024] 實施例1-4
[0025] 這些實驗是在用于氣相色譜的IOOml頂空管形瓶中進行，其用卷曲的鋁帽和特氟 龍涂覆的丁基橡膠隔膜密封。
[0026] 為了調節管形瓶的溫度，使用8cm高的圓柱形鋁塊，其直徑對應于實驗室磁力攪 拌器的熱板的直徑。鋁塊配備有7cm深且直徑與反應管形瓶相同的多個井以及能容納溫度 探針的井。
[0027] 準備真空分配器用于與Schlenk管線連接，從而允許數個管形瓶的同時排空和填 充。為此目的，直徑為3_的真空密封的特氟龍管與接頭連接，從而在一端接收螺口注射器 針頭，并且在另一端與鋼管連接，所述鋼管經由真空管與Schlenk管線連接。
[0028] 稱量固體反應物并在空氣下加入反應管形瓶中。加入20mm磁性追蹤器，并且管形 瓶用卷曲工具被隔膜蓋密封。隨后，將反應管形瓶插入鋁塊的井中，并且通過隔膜蓋經由中 空針頭與真空分配器連接。
[0029] 為了在反應管形瓶中建立惰性氣體氣氛，將這些管形瓶接連排空三次，并用氮氣、 隨后用二氧化碳重新填充兩次。液體試劑是通過注射器經由隔膜蓋加入的。
[0030] 實施例1和2是在5巴的壓力下進行。為此目的，將真空分配器的針頭在0)2的 逆流下取出，并且將反應管形瓶轉移到高壓釜反應器。隨后，使得長的扭轉套管穿透反應管 形瓶的隔膜，并且密封高壓釜反應器。所述氣氛通過三個真空-COJI環經由氣體排放口交 換。隨后，將高壓釜反應器加壓到1巴乙炔和4巴CO 2。將其在60°C和約700轉/分鐘下 攪拌16小時。
[0031] 實施例3和4(反應物：1-辛炔）是在20巴的壓力下進行。為此目的，將真空分 配器的針頭在CO 2的逆流下取出，并且將反應管形瓶轉移到高壓釜反應器。隨后，使得長的 扭轉套管穿透反應管形瓶的隔膜，并且密封高壓釜反應器。所述氣氛通過三個真空_〇) 2循 環經由氣體排放口交換。隨后，將高壓釜反應器加壓到20巴CO2。將其在40°C和約700轉 /分鐘下攪拌16小時。
[0032] 在反應時間結束并冷卻管形瓶之后，（1)加入用于酯化反應的物質（1-溴己烷或 甲基碘）并且將正十四烷作為內標注入，或者（2)產物不再進一步反應。在這種情況下，先 加入1，3, 5-三甲基苯和隨后加入NMP作為標準物。在實施例3和4中進行方案（1)，在實 施例1和2中進行方案（2)。
[0033] 在酯化（1)的情況下，在攪拌30分鐘之后打開管形瓶，并且在一次性吸液管的幫 助下將0. 25mL的反應混合物樣品轉移到6mL的卷邊管形瓶中，在卷邊管形瓶中包含2. OmL 的乙酸乙酯和2. OmL的碳酸氫鈉水溶液。這兩相先用吸液管混合，然后允許這些相分離。隨 后，將I. OmL的各個有機相經由0. 3mL無水硫酸鎂過濾到2. OmL玻璃樣品管形瓶中，并且各 自用0. 5mL溶劑洗滌。為此，使用配備有棉塞的一次性吸液管作為過濾器。
[0034] 在游離酸的后處理的情況下（2)，先通過過濾除去DMSO溶劑。將固體在同時在冰 浴中冷卻的情況下吸收在5. OmL蒸餾水中，并加入50-100 μ L的N-甲基吡咯烷酮（NMP)。 將清澈溶液轉移到2. OmL玻璃樣品管形瓶中以檢測轉換數，轉換數是通過HPLC相對于內標 并且用相應因子校準來測定的。
[0035] 實驗結果列在下表中。
[0036] 使用乙炔的實驗
【主權項】
1. 一種通過乙炔和二氧化碳反應制備乙炔二羧酸的方法，其中此反應是在銀催化劑或 銅催化劑和胺堿的存在下進行的。
2. 根據權利要求1的方法，其中銀催化劑是選自鹵化銀（I)、硝酸銀（I)和四氟硼酸 銀。
3. 根據權利要求1的方法，其中銅催化劑是選自碘化銅（I)和氰化銅（I)。
4. 根據權利要求1-3中任一項的方法，其中胺堿是選自1，5-二氮雜雙環[4. 3.0] 壬-5-烯（DBN)和 1，8-二氮雜雙環[5. 4. 0] ^碳-7-烯（DBU)。
5. 根據權利要求1-4中任一項的方法，其中所述反應是在溶劑中進行。
6. 根據權利要求1-5中任一項的方法，其中所述反應是在1-50巴的總壓力和 50-120°C的溫度下進行。
7. 根據權利要求1-6中任一項的方法，其中所述反應是在二氧化碳與乙炔之間的摩爾 比為2:1至50:1的情況下進行。
【專利摘要】本發明涉及一種通過乙炔和二氧化碳反應制備乙炔二羧酸的方法，其特征在于此反應是在銀鹽或銅鹽和胺堿的存在下進行的。
【IPC分類】C07C51-15, C07C57-22
【公開號】CN104583170
【申請號】CN201380042820
【發明人】M·阿恩特, L·J·古森
【申請人】巴斯夫歐洲公司
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年8月15日
【公告號】EP2888221A1, WO2014029689A1