Способ получения эфиров левулиновой кислоты

Способ получения эфиров левулиновой кислоты

Реферат

Изобретение относится к области органического синтеза, в частности к способу получения эфиров левулиновой кислоты.

Эфиры левулиновой кислоты используются в качестве ароматизирующих агентов в парфюмерии, табачной и пищевой промышленности.

Известны способы получения эфиров левулиновой кислоты из фурановых производных.

Так, известен способ получения этилового или н-бутилового эфиров левулиновой кисоты из фурфурилацетата. Способ основан на реакции кислотного расщепления фурфурилацетата в среде соответствующего спирта в присутствии сульфокатионита КУ-2, как катализатора (Сорокина А.Н., Сорокина В.П., Романцевич М.К. // Журнал прикладной химии, 1969, т.42, вып.4, с.958).

Способ заключается в следующем: смесь 0.2 моль фурфурилацетатата, 5 г безводного катионита в Н-форме и 5-6 моль низшего спирта нагревают при 40-50°С и перемешивании 1-2 час. Затем в реакционную смесь добавляют еще 5 г КУ-2 и продолжают реакцию при кипении еще 2-2.5 часа. Катионит отфильтровывают, растворитель отгоняют и очищают эфир перегонкой в вакууме. Этиловый эфир левулиновой кислоты получают с выходом 73%, н-бутиловый - с выходом 68%.

Недостатком данного способа является двухстадийность, т.к. фурфурилацетат получают ацилированием уксусным ангидридом фурфурилового спирта, образующегося при гидрировании очищенного фурфурола.

В а.с [А. с.СССР №598869, Б.И. №11, 1978] предложен способ получения эфиров левулиновой кислоты из более доступного и дешевого сырья - 5-метилфурфурола, который является отходом фурфурольного производства.

5-Метилфурфурол подвергают окислению 20-30% спиртовым раствором H₂O₂ при мольном соотношении 5-метилфурфурола и перекиси водорода 1:2 с последующим вводом в реакционную массу катализатора и удалением образовавшейся воды азеотропной перегонкой.

Процесс осуществляется при 70-75°С, в качестве катализатора используется серная кислота или бензосульфокислота в количестве 4,5-9 вес.%, считая на 5-метилфурфурол. Полученный продукт после охлаждения, отмывают раствором бикарбоната натрия и водой, растворитель и избыток спирта отгоняют. Целевой продукт выделяют ректификацией в вакууме. Выход этилового эфира левулиновой кислоты 40% от теоретического, н-бутилового эфира - 70% от теоретического.

Разработан способ получения эфиров левулиновой кислоты из γ-лактона 4-гидрокси-3-пентеновой кислоты и спиртов (ROH) при мольном соотношении 3:7 [Патент США №20060063948 A1, 2006].

В качестве катализаторов используются сульфокатиониты Amberlist 15, 13% NAFION, CBV-3020E. Синтез метилового эфира левулиновой кислоты проводят при температуре 25°С, 0.1 МПа за 1 час в присутствии катализатора Amberlist 15. В этих условиях конверсия исходного реагента составляет 85% при селективности по метиловому эфиру левулиновой кислоты 55%. Этиловый эфир левулиновой кислоты получают с конверсией γ-лактона 4-гидрокси-3-пентановой кислоты 99%, при селективности по эфиру - 95% (100°С, 5.52 МПа, 1 ч, Amberlist 15). Конверсия γ-лактона 4-гидрокси-3-пентановой кислоты при синтезе пропилового эфира левулиновой кислоты составляет 97% при селективности по соответствующему эфиру 72% (100°С, 5.52 МПа, 1 ч, Amberlist 15).

Недостатки метода

1. Использование дорогостоящего у-лактона 4-гидрокси-3-пентановой кислоты.

2. Все процессы проходят при пониженном давлении, что усложняет технологический процесс и аппаратурное оформление.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения эфиров левулиновой кислоты из фурфурилового спирта и алифатических спиртов (ROH). Он заключается в том, что к 4 моль безводного спирта в присутствии газообразного HCl или HBr в качестве катализатора при температуре кипения ROH прибавляют 1 моль фурфурилового спирта (с содержанием воды не более 0,5%) в течение 30 мин, так чтобы количество непрореагировавшего фурфурилового спирта не превышало 2 об.% от количества алканола. Затем реакционную массу кипятят в течение 30 мин. Избыток спирта отгоняют, конечный продукт перегоняют под вакуумом. Выход метилового эфира левулиновой кислоты 52%, этилового эфира 67%, н-пропилового 89%, изопропилового 57% [Патент США № 2763665, 1956].

Недостатки метода

1. Использование в качестве катализатора газообразных галогенводородов HCl и HBr.

2. Низкий выход эфиров (52-67%)

На основании сходства по трем признакам (исходные реагенты-фурфуриловый спирт, алифатический спирт, образование в результате реакции эфира левулиновой кислоты), за прототип взят метод синтеза эфиров левулиновой кислоты из фурфурилового спирта и алифатического спирта [Патент США № 2763665, 1956].

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выхода эфиров левулиновой кислоты, исключение из процесса заведомо взятых агрессивных кислот, вызывающих коррозию оборудования и упрощение технологии в целом. Указанный выше технический результат достигается за счет взаимодействия реакции фурфурилового спирта с алифатическими спиртами в присутствии катализатора - ацетилацетоната железа в среде CCl₄ при мольном соотношении [Fe(асас)₃] : [фурфуриловый спирт] : [ROH] : [CCl₄]=1:50-200:100-400:100-400.

Реакция фурфурилового спирта с метанолом проходит за 3,5-4 ч при Т=70°С и постоянном перемешивании, при полной конверсии (1) и приводит к образованию метилового эфира левулиновой кислоты с выходом 98%. Аналогично проходит взаимодействие фурфурилового спирта с этиловым, пропиловым и изопропиловым спиртами. Выходы соответствующих эфиров (3-5)составляют: 95%, 85% и 80% соответственно. (См. табл.1)

Таблица 1Влияние условий реакции и мольного соотношения реагентов и катализатора на выход эфиров левулиновой кислоты
ROH	Мольное соотношение катализатора и реагентов:[Fe(асас)3]: [фурфуриловый спирт]: [ROH]: [CCl4]	t, час	Выход эфира левулиновой кислоты
МеОН	1:100:400:200	3,5	98
-«-	1:100:400:200	5	80
-«-	1:100:400:200	2	78
-«-	1:50:400:400	3,5	92
-«-	1:200:400:400	3,5	68
-«-	1:200:100:100	3,5	52
EtOH	1:100:400:200	3,5	92
-«-	-«-	4	95
-«-	-«-	5	82
PrOH	-«-	4	80
i-PrOH	-«-	3.5	72
-«-	-«-	4	85

Мы установили, что катализатором образования эфиров левулиновой кислоты является не только Fe(асас)₃, но и HCl, который выделяется в условиях реакции при разложении алкилгипохлорита, образующегося при окислении метанола и других спиртов с помощью CCl₄ под действием Fe(асас)₃.

Концентрация HCl не превышает 2,74 мг/мл. Таким образом, четыреххлористый углерод служит не только растворителем, но и принимает участие в генерировании HCl [Хуснутдинов Р.И., Щаднева Н.А., Байгузина А.Р. и др. //Известия АН. Серия хим. 2002, №11. C.1919-1924].

Образование HCl подтверждается титриметрическим анализом, а хлороформа и карбонильных соединений (формальдегида, ацетальдегида, пропаналя и ацетона в зависимости от исходного спирта) - данными ГЖХ и хроматомасс-спектрометрии.

Преимущества предлагаемого способа.

1. Высокий выход эфиров левулиновой кислоты (80-98%).

2. Доступность реагентов.

3. Отказ от использования заведомо взятого газообразного HCl, генерирование его in situ, из инертных CCl₄ и спирта.

4. Простота аппаратурного оформления.

5. Незначительный расход катализатора.

6. Уменьшение трудо- и энергозатрат и экологическая безопасность.

Способ поясняется примером.

Пример 1.

В реактор (V=100 мл) помещали под аргоном 0,1 ммоль Fe(асас)₃, 10 ммоль фурфурилового спирта, 40 ммоль алифатического спирта и 20 ммоль CCl₄, реакцию проводили при постоянном перемешивании в течение 2-5 ч при температуре кипения алифатического спирта. В ходе реакции цвет раствора меняется от красно-коричевого до темно-коричневого. Кислотность реакционной массы меняется от нейтральной до кислой, что свидетельствует о генерировании in situ HCl из алканола и CCl₄ под действием катализатора Fe(асас)₃. Затем реактор охлаждали до комнатной температуры, реакционную массу фильтровали через слой силикагеля (элюент - гексан: эфир=1:1). Растворитель отгоняли, остаток перегоняли.

Строение полученных соединений доказано спектральными данными, а также сравнением с известными образцами и справочными данными. [Словарь органических соединений. / Под. ред. Хейльброна И. и Бэнбери Г.М., т.2. - Изд-во: иностранной литературы.: М.-1949].

Метиловый эфир левулиновой кислоты. Выход 98%, т.кип.=76°С/10 Торр (Лит.: т.кип.=196°С). Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃, δ, м.д., TMS, Гц): 3.66 (3Н, с, СН₃), 2.19(3Н, с, СОСН₃), 2.56(2Н, т, СН₂, J=5.5), 2.70(2Н, т, СН₂, J=6.3), ЯМР ¹³С (δ, м.д.): 27.47(С-2), 29.39(СН₃), 37.65(С-3), 51.37(ОСН₃), 173.03(СОО), 206.40(СО).

Масс-спектр, m/z (I_отн. (%)): 130 [M]⁺(10), 43 (96), 45(7), 51(1), 53(3), 55(57), 57(38), 59(40), 60(4), 70(2), 71(32). 75(6). 76(1), 81(4), 83(1), 87(25), 88(45), 89(3), 90(0.5), 98(44), 99(100), 100(10), 101(2), 110(0.5), 115(98), 116(6), 117(2), 120(0.5).

Этиловый эфир левулиновой кислоты. Выход 95%, т.кип.=73-74°С/6 Торр (Лит.: т.кип.=205-208°С). Спектр ЯМР ¹Н (CDCl₃, δ, м.д., TMS): 1.25(3H, т, СН₃, J=5.7), 2.17(3Н, с, СОСН₃), 2.50(2Н, т, СН₂, J=5.5), 2.66(2H, т, CH₂, J=6.3), 4.12(2H, к, СН₂, J=6.1),

ЯМР ¹³С (δ, м.д.): 28.32(С-2), 36.95(С-3), 29.52(СН₃), 58.67(ОСН₂), 12.13(СН₃), 171.52(СОО), 204.44(СН₃СО).

Масс-спектр, m/z (I_отн. (%)): 144 [М]⁺ (5), 43(100), 45(7), 55(8), 71(10), 73(15), 74(20), 98(13), 99(80), 101 (24), 102 (22), 129 (30).

Изопропиловый эфир левулиновой кислоты. Выход 85%, т.кип.86-87°С/10 Торр. (Лит.: т.кип.=209-203°С).

Масс-спектр, m/z (I_отн. (%)): 158[М]⁺ (0.3), 41(12), 43(93), 71(8). 73(7), 74(29), 98(5), 99(100), 101(19), 116(13), 117(15), 130(3), 143(7), 144(0.2).

Пропиловый эфир левулиновой кислоты. Выход 80%, т.кип.95-96°C/10 Торр. (Лит.: т.кип.=221-222°С). Спектр ЯМР ¹Н (CDCl₃, δ, м.д., TMS); 0.94 (3Н, т, СН₃, J=5.2), 1.50-1.83(2H, m, CH₂), 2.22(3Н, с, СН₃), 2.50-3.18 (4Н, т, СН₂), 4.05 (2Н, т, СН2, J=5.5). ЯМР ¹³С (δ, м.д.): 29.59 (С-5, СН₃), 26.82(С-2), 37.14(С-3), 64.69 (OCH₂), 19.92(CH₂), 8.59(СН₃), 58.67(ОСН₂), 12.13(СН₃), 170.68(СОО), 204.77(СН₃СО).

Масс-спектр, m/z (I_отн. (%)): 158[M]⁺(0.3), 43(99), 71(12), 73(14), 74(21), 98(18), 99(100), 101(31), 129(39).

Способ получения эфиров левулиновой кислоты общей формулы

где R=алкил,

взаимодействием фурфурилового спирта с алифатическими спиртами в присутствии катализатора, отличающийся тем, что в качестве катализатора используется ацетилацетонат железа Fe(асас)₃, реакцию проводят в растворе CCl₄ при мольном соотношении [Fe(асас)₃]: [фурфуриловый спирт]: [ROH]:[CCl₄]=1:50-200:100-400:100-400, при температуре кипения спирта, в течение 2-5 ч.