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CN112920042A - 一种通过增加烷烃碳链制备烷烃羧酸的方法 - Google Patents

一种通过增加烷烃碳链制备烷烃羧酸的方法 Download PDF

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CN112920042A CN202110113263.3A CN202110113263A CN112920042A CN 112920042 A CN112920042 A CN 112920042A CN 202110113263 A CN202110113263 A CN 202110113263A CN 112920042 A CN112920042 A CN 112920042A
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Abstract

本发明公开了一种通过增加烷烃碳链制备烷烃羧酸的方法。所述方法包括以下步骤：(1)环戊酮或者环己酮首先与仲胺化合物进行施托克烯胺反应，生成相对应的1位仲胺取代的环戊烯或环己烯粗品，即施托克烯胺；(2)施托克烯胺与酰卤进行亲电试剂反应，形成2‑酰基环酮化合物；(3)2‑酰基环酮化合物在碱作用下，发生开环生成羰基羧酸化合物，羰基羧酸化合物进行沃尔夫‑黄鸣龙还原反应，得到相应的烷烃羧酸。本发明的方法可以根据所需要增加碳数，以及目标增碳烷烃羧酸或者其对应的酰卤来源的不同，来灵活选择使用环戊酮或环己酮来实现增加至不同碳数要求。该方法反应过程简单，无复杂操作难点，适用于工业化大生产。

Description

一种通过增加烷烃碳链制备烷烃羧酸的方法
技术领域
本发明涉及一种烷烃羧酸的合成方法，特别涉及一种通过增加烷烃碳链制备烷烃羧酸的方法，本发明属于化工技术领域。
背景技术
在有机合成中，碳骨架的构建是极其重要的一步，这就涉及到了碳链的增长。有机化学的碳链增长的反应众多，适用场合不一，常见的碳链增长有以下方法:
利用有机金属化合物增长碳链，常见的有：格式试剂与醛、酮、酯、环氧烷发生亲核加成反应成相应的醇，再经过一系列反应，得到相对应的羧酸，格氏试剂与二氧化碳作用可制备多一个碳的羧酸，反应可以从卤代烃出发，得到碳链增长的羧酸，适合伯、仲、叔卤代烃以及烯丙基和苯基卤代烃。
有机理试剂与卤代烃偶联反应制备碳链增加的反应，其中有机锂的烃基可以是甲基，一级烷基，二级烷基，也可以是烯丙基、苄基、乙烯基、芳基等烃基。卤代烃中的烃基可以是一级、二级烷基，也可以是乙烯烃、芳烃、烯丙基和苯甲基，二烃基铜锂中的烃基可以是一级烷基，也可以是其它烃基如乙烯基、芳基和稀丙基等，因此这个偶联反应选用范围很广。
炔烃具有一定的酸性，可以与活泼金属，如钠，或氨基钠反应，生成炔负离子，炔负离子具有较强的亲核性，可以与卤代烃发生亲核取代，其中卤代烃必须是伯卤代烃，仲卤、叔卤与炔钠反应主要生成相应的消除产物。
卤代烷可与金属钠反应，生成的有机钠化合物立即再与卤代烷反应生成烷烃。该反应称为“武尔兹反应”。武尔兹反应可以用来从卤代烷(主要是伯卤代烷)制备含偶数碳原子、结构对称的烷烃。不同的卤代烃放在一起反应会产生两种不同的烷烃，分离十分困难。
磷叶立德的加成反应，维蒂稀-霍纳反应(Wittig-Horner)。醛酮与维蒂稀试剂的加成反应，是合成烯烃和共轭烯烃的一种方法，可用于合成特定结构的烯烃，醛酮分子中的不饱和键、羧基对反应无影响。
炔烃的亲核加成反应，主要是与羧酯反应，来制备无法用烯醇直接酯化制得的酸烯酯。另外，还有使用炔烃与氯代羧酸酯在甲基锂作用下，合成炔酸酯的反应。
以上是增加碳链长度，制备烷基羧酸最常见到的方法。不难看出，上述方法所使用的试剂和原料都不同程度存在危险性高，不易使用的缺点，当然对于不同化合物，选择不同的增碳方法，也未尝不可。自然界存在多种脂肪酸，与人类生活和健康息息相关，但其来源有限的问题，使得获取成本会比较高，该新技术使用环己酮，环戊酮为原料，可在现有常见脂肪酸的基础上，简单、快速、便捷、环保地接5到7个碳原子，合成稀有的脂肪酸。本发明的线路合理，操作简单，危险性低，在工业化生产中有很大的优势。
发明内容
本发明的目的是克服现有增加碳链长度方法中，对试剂要求严格，操作要求较苛刻，不适合工业化生产等缺点，从而提出一种使现有的烷基羧酸增加5个或6个碳的简单易操作，更适合工业化生产的方法。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术手段：
本发明的一种通过增加烷烃碳链制备烷烃羧酸的方法，包括以下步骤：
(1)环戊酮或者环己酮首先与仲胺化合物进行施托克烯胺反应，生成相对应的1位仲胺取代的环戊烯或环己烯粗品，即施托克烯胺；
(2)施托克烯胺与酰卤进行亲电试剂反应，形成2-酰基环酮化合物；
(3)2-酰基环酮化合物在强碱作用下，发生开环生成羰基羧酸化合物，羰基羧酸化合物进行沃尔夫-黄鸣龙还原反应，得到相应的烷烃羧酸。
其中，优选的，步骤(1)中的施托克烯胺反应是在对甲苯磺酸作为催化剂下进行的。
其中，优选的，步骤(1)中所述的仲胺化合物包括：哌啶，二乙胺，二甲胺，吗啉和四氢吡咯。
其中，优选的，步骤(2)中所述的酰卤为酰氯。
其中，优选的，步骤(3)中所述的强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
其中，优选的，所述的方法包括以下步骤：
(1)在反应瓶中加入环戊酮或者环己酮、仲胺化合物、催化剂对甲苯磺酸以及共沸剂甲苯，搅拌，加热回流反应至分出水至计算量，然后减压蒸馏回收甲苯，生成相对应的1位仲胺取代的环戊烯或环己烯粗品，即施托克烯胺；
(2)向步骤(1)中得到的施托克烯胺粗品中加入氯仿稀释后，加入缚酸剂三乙胺，降温至10℃以下后，缓慢滴入酰氯，滴完后，继续搅拌反应，得到2-酰基环酮化合物；然后加入盐酸溶液，加热回流反应1.5-2.5小时，分液，分出下层氯仿层和水层，氯仿层用水洗两次，然后用无水硫酸钠干燥，过滤，得到2-酰基环酮化合物粗品，直接用于下一步；
(3)向步骤(2)中所得的2-酰基环酮化合物粗品中，加入氢氧化钾水溶液，加热回流1-2小时，冷却后用稀盐酸调至中性，分出有机层为羰基羧酸化合物粗品，在反应瓶中加入二甘醇和氢氧化钾，搅拌至氢氧化钾溶解后，将所得羰基羧酸化合物粗品和水合肼加入升温至140-150℃，反应1-2小时后，减压蒸水，待反应体系内温度达到200-210℃后，保持温度反应2-4小时，减压蒸馏二甘醇，蒸完后加水溶解剩余物，乙酸乙酯萃取杂质3次后，水溶液调至酸性，再用乙酸乙酯萃出产物，无水硫酸钠干燥后，减压蒸馏，得到烷烃羧酸纯品。
其中，优选的，步骤(1)中环己酮和吗啉按1-1.5:1-1.5的摩尔比加入反应瓶中，然后加入1.0-1.5％环己酮质量的对甲苯磺酸。
其中，优选的，步骤(2)中所述的盐酸溶液为30％w/w的盐酸溶液。
其中，优选的，步骤(3)中向步骤(2)中所得的2-酰基环酮化合物中，加入2倍体积的37％w/v的氢氧化钾水溶液。
在本发明中，目标增碳的烷烃羧酸首先制备成相对应的酰卤，或者直接购买已工业化生产的酰卤。不同的烷烃羧酸制备酰卤的方法已较为成熟，此处不再赘述。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明的方法可以根据所需要增加碳数的不同，以及目标增碳烷烃羧酸或者其对应的酰卤来源的不同，来灵活选择使用环戊酮或环己酮来实现增加至不同碳数要求。
本发明的反应过程可概括为如下所示：
Figure BDA0002919761430000041
从上述反应过程中，可以看到，烷烃羧酸的总长度取决于环酮中碳数n的大小和酰卤端R3的大小，而结构的变化只取决于酰卤端R3，酰卤端R3的选择范围很宽泛，根据不同的目标产物，选择合适的酰卤端R3即可，因此本发明能够为不同大小、类型的长链烷烃羧酸合成提供了丰富的选择。
按照本发明所述的方法制备得到长链烷烃羧酸，反应过程简单，无复杂操作难点，适用于工业化大生产。
附图说明
图1为1-吗啉-1-环己烯的红外光谱图；
图2为2-异丁酰基环己酮的红外光谱图；
图3为8-甲基壬酸的红外光谱图；
图4为1-吗啉-1-环戊烯的红外光谱图；
图5为2-异丁酰基环戊酮的红外光谱图；
图6为7-甲基辛酸的红外光谱图；
图7为2-(3-甲基丁酰基)环己酮的红外光谱图；
图8为9-甲基癸酸的红外光谱图；
图9为2-油酰基环己酮的红外光谱图；
图10为顺-15-二十四烯酸的红外光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随具体实施例的描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1 8-甲基壬酸合成操作
8-甲基壬酸
在500mL反应瓶中加入78.5g环己酮，83.6g吗啉，催化剂对甲苯磺酸(TsOH)1.0g，200mL共沸剂甲苯，搅拌，加热回流反应至分出水至计算量(14.4g)，然后减压蒸馏回收甲苯200mL，得到170g 1-吗啉-1-环己烯粗品，其红外光谱图如图1所示。
向得到的100.0g 1-吗啉-1-环己烯粗品中，加入300.0mL氯仿稀释后，加入121.7g三乙胺，降温至10℃以下后，缓慢滴入127.3g异丁酰氯，滴完后，继续搅拌反应3小时。然后加入110.0mL30％w/w盐酸水溶液，加热回流反应2小时后分液，分出氯仿层和水层，水层用氢氧化钾中和后分液，收集三乙胺与吗啉混合物，然后进行干燥和分馏回收三乙胺和吗啉备用。氯仿层水洗两次，无水硫酸钠干燥过滤，浓缩得到55.3g 2-异丁酰基环己酮化合物粗品，其红外光谱图如图2所示。
将所得粗品加到溶有61.2g氢氧化钾于88.5g水的碱液中，回流反应1小时，冷却后用稀盐酸调至中性，分出有机层为羰基羧酸化合物粗品。在反应瓶中加入248.9g二甘醇，3.0当量氢氧化钾，搅拌至氢氧化钾溶解后，将所得羰基羧酸化合物粗品和45.1g的水合肼加入，升温至145℃，反应1小时后，减压蒸水，待反应体系内温度达到210℃后，保持温度反应3小时，减压蒸馏二甘醇，蒸完后加水溶解剩余物，乙酸乙酯萃取杂质3次后，水溶液调至酸性，再用乙酸乙酯萃出产物，无水硫酸钠干燥后，减压蒸馏，得到42.3g纯品8-甲基壬酸，其红外光谱图如图3所示。
实施例2 7-甲基辛酸合成操作
7-甲基辛酸
在500mL反应瓶中加入84.1g环戊酮，87.1g吗啉，催化剂对甲苯磺酸1.0g，200mL共沸剂甲苯，搅拌，加热回流反应至分出水至计算量(18.1g)，然后减压蒸馏回收甲苯200mL，得到163g 1-吗啉-1-环戊烯粗品，其红外光谱图如图4所示。
向得到的1-吗啉-1-环戊烯粗品中加入500mL氯仿稀释后，加入210.2g三乙胺，降温至10℃以下后，缓慢滴入220.8g异丁酰氯，滴完后，继续搅拌反应3小时。然后加入110.0mL30％w/w盐酸水溶液，加热回流反应2小时后分液，分出氯仿层和水层，水层用氢氧化钾中和后分液，收集三乙胺与吗啉混合物，然后进行干燥和分馏回收三乙胺和吗啉备用。氯仿层水洗两次，无水硫酸钠干燥过滤，浓缩得到91.2g粗品2-异丁酰基环戊酮化合物，其红外光谱图如图5所示。
将所得粗品加到溶有109.5g氢氧化钾于145.9g水的碱液中，回流反应1小时，冷却后用稀盐酸调至中性，分出有机层为羰基羧酸化合物粗品。在反应瓶中加入410.4g二甘醇和3.0当量氢氧化钾，搅拌至氢氧化钾溶解后，将所得羰基羧酸化合物粗品和80.9g的水合肼加入，升温至145℃，反应1小时后，继续蒸水，待反应体系内温度达到210℃后，保持温度反应3小时，减压蒸馏二甘醇，蒸完后加水溶解剩余物，乙酸乙酯萃取杂质3次后，水溶液调至酸性，再用乙酸乙酯萃出产物，无水硫酸钠干燥后，减压蒸馏，得到68.3g纯品7-甲基辛酸，其红外光谱图如图6所示。
实施例3 9-甲基癸酸合成操作
9-甲基癸酸
按照实施例1中的方法，向得到的100.0g 1-吗啉-1-环己烯粗品中，加入300.0mL氯仿稀释后，加入121.7g三乙胺，降温至10℃以下后，缓慢滴入144.1g异戊酰氯，滴完后，继续搅拌反应3小时。然后加入110.0mL30％盐酸水溶液，加热回流反应2小时后分液，分出氯仿层和水层，水层用氢氧化钾中和后分液，收集三乙胺与吗啉混合物，然后进行干燥和分馏回收三乙胺和吗啉备用。氯仿层水洗两次，无水硫酸钠干燥过滤，浓缩得到65.5g粗品2-(3-甲基丁酰基)环己酮化合物，其红外光谱图如图7所示。
将所得粗品加到溶有66.5g氢氧化钾于104.8g水的碱液中，回流反应1小时，冷却后用稀盐酸调至中性，分出有机层为羰基羧酸化合物粗品。在反应瓶中加入294.8g二甘醇和3.0当量氢氧化钾，搅拌至氢氧化钾溶解后，将所得羰基羧酸化合物粗品和49.2g的水合肼加入，升温至145℃，反应1小时后，继续蒸水，待反应体系内温度达到210℃后，保持温度反应3小时，减压蒸馏二甘醇，蒸完后加水溶解剩余物，乙酸乙酯萃取杂质3次后，水溶液调至酸性，再用乙酸乙酯萃出产物，无水硫酸钠干燥后，减压蒸馏，得到40.1g纯品9-甲基癸酸，其红外光谱图如图8所示。
实施例4顺-15-二十四烯酸合成操作
顺-15-二十四烯酸
按照实施例1中的方法，向得到的100.0g 1-吗啉-1-环己烯粗品中，加入300.0mL氯仿稀释后，加入121.7g三乙胺，降温至10℃以下后，缓慢滴入224.8g油酰氯(80％)，滴完后，继续搅拌反应3小时。然后加入110.0mL30％w/w盐酸水溶液，加热回流反应2小时后分液，分出氯仿层和水层，水层用氢氧化钾中和后分液，收集三乙胺与吗啉混合物，然后进行干燥和分馏回收三乙胺和吗啉备用。氯仿层水洗两次，无水硫酸钠干燥过滤，浓缩得到313.5g 2-油酰基环己酮化合物和油酸的混合物，2-油酰基环己酮的红外光谱图如图9所示。
将所得粗品加到溶有160.1g氢氧化钾于500.0g水的碱液中，回流反应1小时，冷却后用稀盐酸调至中性，分出有机层为羰基羧酸化合物粗品。在反应瓶中加入1500g二甘醇和3.0当量氢氧化钾，搅拌至氢氧化钾溶解后，将所得羰基羧酸化合物粗品和118.3g的水合肼加入，升温至145℃，反应1小时后，继续蒸水，待反应体系内温度达到210℃后，保持温度反应3小时，减压蒸馏二甘醇，蒸完后加水溶解剩余物，乙酸乙酯萃取杂质3次后，水溶液调至酸性，再用乙酸乙酯萃出产物，无水硫酸钠干燥后，减压蒸馏，得到82.6g纯品顺-15-二十四烯酸，其红外光谱图如图10所示。

Claims (9)

1.一种通过增加烷烃碳链制备烷烃羧酸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)环戊酮或者环己酮首先与仲胺化合物进行施托克烯胺反应，生成相对应的1位仲胺取代的环戊烯或环己烯粗品，即施托克烯胺；
(2)施托克烯胺与酰卤进行亲电试剂反应，形成2-酰基环酮化合物；
(3)2-酰基环酮化合物在强碱作用下，发生开环生成羰基羧酸化合物，羰基羧酸化合物进行沃尔夫-黄鸣龙还原反应，得到相应的烷烃羧酸。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的施托克烯胺反应是在对甲苯磺酸作为催化剂下进行的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的仲胺化合物包括：哌啶，二乙胺，二甲胺，吗啉和四氢吡咯。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的酰卤为酰氯。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在反应瓶中加入环戊酮或者环己酮、仲胺化合物、催化剂对甲苯磺酸以及共沸剂甲苯，搅拌，加热回流反应至分出水至计算量，然后减压蒸馏回收甲苯，生成相对应的1位仲胺取代的环戊烯或环己烯粗品，即施托克烯胺；
(2)向步骤(1)中得到的施托克烯胺粗品中加入氯仿稀释后，加入缚酸剂三乙胺，降温至10℃以下后，缓慢滴入酰氯，滴完后，继续搅拌反应，得到2-酰基环酮化合物；然后加入盐酸溶液，加热回流反应1.5-2.5小时，分液，分出下层氯仿层和水层，氯仿层用水洗两次，然后用无水硫酸钠干燥，过滤，得到2-酰基环酮化合物粗品，直接用于下一步；
(3)向步骤(2)中所得的2-酰基环酮化合物粗品中，加入氢氧化钾水溶液，加热回流1-2小时，冷却后用稀盐酸调至中性，分出有机层为羰基羧酸化合物粗品，在反应瓶中加入二甘醇和氢氧化钾，搅拌至氢氧化钾溶解后，将所得羰基羧酸化合物粗品和水合肼加入，升温至140-150℃，反应1-2小时后，减压蒸水，待反应体系内温度达到200-210℃后，保持温度反应2-4小时，减压蒸馏二甘醇，蒸完后加水溶解剩余物，乙酸乙酯萃取杂质3次后，水溶液调至酸性，再用乙酸乙酯萃出产物，无水硫酸钠干燥后，减压蒸馏，得到烷烃羧酸纯品。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)中环己酮和吗啉按1-1.5:1-1.5的摩尔比加入反应瓶中，然后加入1.0-1.5％环己酮质量的对甲苯磺酸。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的盐酸溶液为30％w/w的盐酸溶液。
9.如权利要求1-6所述的方法，其特征在于，步骤(3)中向步骤(2)中所得的2-酰基环酮化合物中，加入2倍体积的37％w/v的氢氧化钾水溶液。
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