Способ получения вербенола и эпоксид альфа-пинена

 

Изобретение относится к органической химии, в частности, к производству производных терпенов. Получение производных терпенов, таких как вербенол и эпоксид α-пинена, являющихся ключевыми продуктами в синтезе душистых веществ, лекарственных препаратов, а также пищевых добавок, представляет собой значительный коммерческий интерес. В настоящем изобретении описан способ получения вербенола и эпоксида α-пинена, включающий селективное окисление α-пинена молекулярным кислородом или воздухом в эпоксид α-пинена и вербенилгидропероксид с последующим каталитическим гидрированием вербенилгидропероксида молекулярным водородом, в присутствии металла платиновой группы в качестве катализатора. Технический эффект - повышение селективности превращения α-пинена в вербенол и эпоксид α-пинена и уменьшение продолжительности процесса. 1 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к органической химии, в частности, к области производства производных терпенов.

Получение производных терпенов, являющихся ключевыми продуктами в синтезе душистых веществ, лекарственных препаратов, а также пищевых добавок представляет собой значительный коммерческий интерес (К. Bauer et al. “Common Fragrance and Flavor Materials: Preparation, Properties and Use”, 2 Ed. VCH Publishers).

Производные терпенов, такие как вербенол и эпоксид α-пинена, могут быть получены окислением α-пинена в жидкой фазе.

Известен ряд способов окисления α-пинена молекулярным кислородом или воздухом в присутствии катализатора окисления. Процесс протекает по свободно-радикальному механизму с образованием промежуточного продукта - гидроперекиси α-пинена, которая разлагается на катализаторе с образованием вербенола, эпоксида α-пинена, вербенона и ряда побочных пробуктов. В качестве катализатора используют кобальт ацетилацетонат (Р.J.Martinez de la Cuesta et al. “Oxidation of α-Pinene in Liquid Phase Catalysed by Cobalt Acetyl Acetonate. Formation of t-Verbenol and Verbenone”, Afinidad XLV, 1988, 418), PdCl₂/CuCl₂ (Pat. Bulgaria 36695, C 07 C 35/28, 1985), Со/С, в том числе и модифицированным солями меди (Pat. CSFR, 270180, C 07 C 33/05, 1991), а также Pd/C с добавлением в качестве активаторов солей Со, Mn, Bi, Cd, Zn (Pat. CSFR 270181, C 07 C 33/05, 1991), соли Со, Сr и Сu (G. Rothenberg et al. “Comparative Autoxidation of 3-Carene and α-Pinene: Factors Governing Regioselective Hydrogen Abstraction Reactions”, Tetrahedron 1998, 54, 593).

Известен метод получения вербенола и эпоксида α-пинена окислением α-пинена с использованием озона в качестве инициатора радикального окисления (J.M.Encinar et al. “Liquid Phase Oxidation of α-Pinene Initiated by Ozone. 1: Conversion of α-Pinene and Formation of its Hydroperoxide”, Chem. Eng. Technol. 1993, 16, 68; J.M. Encinar et al. “Liquid Phase Oxidation of α-Pinene Initiated by Ozone. 2: Formation of Verbenol, Verbenone and Acid Products”, Chem. Eng. Technol. 1994, 17, 187).

Вербенол и эпоксид α-пинена могут быть получены автоокислением α-пинена с последующим восстановлением продуктов окисления сульфидом натрия (R.N.Moore et al. “Autoxidation of α-Pinene”, JACS, 1173 (1956)). Вербенол и вербенон могут быть получены автоокислением α-пинена с последующим разложением продуктов окисления в присутствии гидроксида натрия (J.M.Encinar et al. “Liquid Phase Oxidation of α-Pinene. Influence of Sodium Hydroxide as Additive”, J. Chem. Tech. Biotechnol. 1994, 61, 359-365).

Известен способ получения эпоксида α-пинена и камфоленового альдегида окислением α-пинена органическими гидроперекисями в присутствии мезопористого твердого катализатора МСМ-41 (ЕР 1172142, B 01 J 29/89, 16.01.2002).

Существенным недостатком известных процессов автоокисления α-пинена является образование нестабильных перекисных соединений, распад которых приводит к образованию большого количества побочных продуктов. Тем не менее использование в качестве окислителя кислорода наиболее переспективно с точки зрения экологии.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по достигаемому эффекту является способ получения вербенола и эпоксида α-пинена непрерывным окислением α-пинена молекулярным кислородом (Патласов В.П., Савиных В.И., Кушнир С.Р., Лукоянов В.П.//Изв. Вузов. Лес. Ж. - 1999 - №5 - С.74-82). При степени превращения α-пинена, равной 25%, при температуре 100°С и времени пребывания 5 ч была достигнута наибольшая селективность образования вербенола, равная 0,26 моль/моль α-пинена. В этом процессе восстановление гидропероксида α-пинена происходит за счет его взаимодействия с компонентами реакционной смеси. В результате этой окислительно-восстановительной реакции образуется вербенон - 0,17 моль/моль α-пинена, камфоленовый альдегид и продукты более глубокого окисления, представляющие собой смолообразные высококипящие продукты.

Недостатками известного способа являются: низкая селективность образования вербенола и эпоксида α-пинена, образование большого количества тяжелокипящих отходов, высокий расход α-пинена и низкая скорость реакции, что затрудняет промышленную реализацию процесса.

Задачей настоящего изобретения является повышение селективности превращения α-пинена в вербенол и эпоксид α-пинена и уменьшение продолжительности процесса.

В настоящей заявке патентуется способ получения вербенола и эпоксида α-пинена, включающий селективное окисление α-пинена молекулярным кислородом или воздухом в эпоксид α-пинена и вербенилгидропероксид с последующим каталитическим гидрированием вербенилгидропероксида молекулярным водородом.

Процесс получения вербенола и эпоксида α-пинена включает окисление α-пинена молекулярным кислородом в вербенилгидропероксид и эпоксид α-пинена, восстановление вербенилгидропероксида в вербенол водородом в присутствии катализатора и отделение не вступившего в реакцию α-пинена от продуктов реакции известными методами, например, дистилляцией.

Окисление α-пинена молекулярным кислородом в вербенилгидропероксид и эпоксид α-пинена проводят, предпочтительно, до поглощения 0,02-0,32 моля кислорода/моль α-пинена. При большей конверсии α-пинена селективность образования вербенилгидропероксида снижается.

Окисление α-пинена в вербенилгидропероксид и эпоксид α-пинена проводят чистым кислородом или воздухом при парциальном давлении кислорода 0,2-10 атм, предпочтительно, 4 атм. При давлении кислорода меньше 0,2 атм скорость реакции и селективность образования вербенилгидроперекиси и эпоксида α-пинена уменьшается. Повышение давления кислорода выше 10 атм не изменяет скорости и селективности процесса.

Окисление α-пинена молекулярным кислородом в вербенилгидропероксид и эпоксид α-пинена проводят при температуре 70-120°С, предпочтительно, 100-110°С.

Продуктами более глубокого окисления α-пинена являются карбоновые кислоты (НСООН, СН₃СООН), H₂O и H₂O, которые могут взаимодействовать с α-пиненом с образованием побочных продуктов. Добавление органических или неорганических оснований, предпочтительно, Nа₂СО₃, NaOCH₃, (Bu)₄N⁺OH^-, приводит к нейтрализации карбоновых кислот, разложению Н₂О₂ и в результате этого повышается селективность образования эпоксида α-пинена и вербенилгидропероксида.

Добавление к исходному α-пинену вербенилгидропероксида в количестве 0,006-0,025 моль вербенилгидропероксида/моль α-пинена приводит к повышению селективности образования вербенилгидропероксида.

Процесс окисления α-пинена молекулярным кислородом в вербенилгидропероксид и эпоксид α-пинена проводят периодически или в непрерывном режиме в реакторе с мешалкой или реакторе колонного типа. При использовании реактора с мешалкой процесс предпочтительно проводить в проточном по кислороду режиме при скорости потока кислорода 0,06-0,32 (моль О₂ × мин^-1)/моль α-пинена.

При использовании реактора колонного типа процесс окисления α-пинена молекулярным кислородом в вербенилгидропероксид и эпоксид α-пинена проводят в проточном режиме при соотношении скорости окисления α-пинена в реакторе к скорости его подачи, равном 0,02-0,32.

Вербенол получают селективным каталитическим гидрированием вербенилгидропероксида в растворе, содержащем α-пинен, эпоксид α-пинена и побочные продукты окисления α-пинена. Процесс гидрирования проводят в реакторе с мешалкой или в реакторе колонного типа с неподвижным слоем катализатора. В качестве катализаторов могут быть использованы переходные металлы, предпочтительно металлы платиновой группы. В присутствии катализатора Pd/C вербенилгидропероксид селективно превращается в вербенол, тогда как эпоксид α-пинена и α-пинен не подвергаются гидрированию.

Процесс восстановления вербенилгидропероксида в вербенол водородом в присутствии катализатора проводят при температуре 20-100°С и давлении водорода 1-10 атм. При давлении выше 10 атм и температуре выше 100°С может происходить частичное гидрирование α-пинена в пинан. При давлении меньше 1 атм и температуре ниже 20°С резко снижается скорость гидрирования вербенилгидропероксида.

Полученную смесь вербенола, эпоксида α-пинена и α-пинен разделяют ректификацией. Не вступивший в реакцию α-пинен повторно используют в процессе получения вербенола и эпоксида α-пинена.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Исходный α-пинен (95% α-пинена, 2% β-пинена) получают ректификацией живичного скипидара. В автоклав из нержавеющей стали (150 мл), снабженный электромагнитной мешалкой и системой измерения количества поглощенного кислорода, загружают 50 мл α-пинена. Создают давление кислорода 4 атм, нагревают до 100°С, включают перемешивание и измеряют количество поглощенного кислорода. Через 40 мин количество поглощенного кислорода составляет 0,08 моль О₂/моль α-пинена. Выключают перемешивание и охлаждают автоклав. Содержимое автоклава количественно переносят в другой автоклав из нержавеющей стали (150 мл), снабженный электромагнитной мешалкой и системой измерения количества поглощенного водорода. В этот автоклав загружают 0,2 г катализатора 4 мас.% Pd/C, создают давление водорода 4 атм и нагревают до 50°С. Включают перемешивание и измеряют количество поглощенного водорода. Через 10 мин скорость поглощения водорода существенно замедляется. Выключают перемешивание и охлаждают автоклав. Содержимое автоклава количественно переносят на стеклянный фильтр и отделяют продукты от катализатора. По данным ГЖХ селективность образования вербенола составляет 0,43, а эпоксида α-пинена - 0,30 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 2. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что количество поглощенного кислорода составляет 0,02 моль О₂/моль α-пинена. Селективность образования вербенола составляет 0,39, а эпоксида α-пинена - 0,32 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 3. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что количество поглощенного кислорода составляет 0,32 моль О₂/моль α-пинена. Селективность образования вербенола составляет 0,39, а эпоксида α-пинена - 0,31 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 4. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что давление кислорода составляет 10 атм. Селективность образования вербенола составляет 0,44, а эпоксида α-пинена - 0,29 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 5. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что давление кислорода составляет 0,2 атм. Селективность образования вербенола составляет 0,33, а эпоксида α-пинена - 0,26 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 6. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что температура 70°С и количество поглощенного кислорода составляет 0,04 моль О₂/моль α-пинена. Селективность образования вербенола составляет 0,47, а эпоксида α-пинена - 0,25 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 7. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что температура процесса составляет 120°С. Селективность образования вербенола составляет 0,41, а эпоксида α-пинена - 0,30 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 8. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что окисление α-пинена проводят в присутствии 0,5 г Na₂CO₃. Селективность образования вербенола составляет 0,44, а эпоксида α-пинена - 0,36 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 9. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что окисление α-пинена проводят в присутствии 0,053 г (Bu)₄N⁺OH^-. Селективность образования вербенола составляет 0,39, а эпоксида α-пинена - 0,33 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 10. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что окисление α-пинена проводят в присутствии 1 мл 1М раствора NaOCH₃. Селективность образования вербенола составляет 0,50, а эпоксида α-пинена - 0,26 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 11. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что окисление α-пинена проводят в присутствии 0,002 моль вербенилгидропероксида. Селективность образования вербенола составляет 0,53, а эпоксида α-пинена - 0,26 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 12. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что окисление α-пинена проводят в присутствии 0,0079 моль вербенилгидропероксида. Селективность образования вербенола составляет 0,50, а эпоксида α-пинена - 0,33 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 13. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что при окислении α-пинена автоклав непрерывно продувают кислородом со скоростью 50 мл/мин. Селективность образования вербенола составляет 0,42, а эпоксида α-пинена - 0,31 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 14. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что при окислении α-пинена автоклав непрерывно продувают кислородом со скоростью 250 мл/мин. Селективность образования вербенола составляет 0,42 а эпоксида α-пинена - 0,29 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 15. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что при окислении α-пинена автоклав непрерывно продувают воздухом со скоростью 2500 мл/мин при общем давлении 8 атм (парциальное давление кислорода составляет 1,6 атм). Селективность образования вербенола составляет 0,44, а эпоксида α-пинена - 0,30 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 16. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что гидрирование продуктов окисления α-пинена проводят при температуре 20°С и давлении водорода 10 атм. Селективность образования вербенола составляет 0,42, а эпоксида α-пинена - 0,30 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 17. Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что гидрирование продуктов окисления α-пинена проводят в непрерывном режиме в реакторе с неподвижным слоем гранулированного катализатора 0,5 мас.% Pd/C (10 г). Скорость подачи продуктов окисления α-пинена составляет 1,2 мл/мин, температура 100°С и давление водорода 1 атм. Селективность образования вербенола составляет 0,41, а эпоксида α-пинена - 0,31 моль/моль превращенного α-пинена.

Пример 18.Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что загрузка исходного α-пинена составляет 400 г, полученную в результате окисления с последующим гидрированием реакционную смесь разделяют вакуумной ректефикацией на колонке длиной 500 мм и диаметром 20 мм. Получают следующие фракции:

- Т=30°С, Р=20 торр - предгон, содержащий 1,9 г воды и 2 г α-пинена;

- Т=55°С, Р=20 торр - основная фракция (360 г), содержащая 98% α-пинена;

- Т=55°С, Р=5-8 торр - α-пинен эпоксид (11,4 г);

- Т=78-80°С, Р=5-8 торр - вербенол (16,5 г);

- кубовый остаток (10,3 г), содержащий 25% вербенона.

Полученный α-пинен повторно используют для получения α-пинен эпоксида и вербенола в условиях, аналогичных примеру 1. Селективность образования вербенола составляет 0,43, а пиненэпоксида - 0,30 моль/моль превращенного α-пинена

Таким образом, как видно из приведенных примеров и таблицы, предлагаемый способ позволяет повысить селективность превращения α-пинена в вербенол и эпоксид α-пинена и уменьшить продолжительность процесса и может найти широкое применение в синтезе душистых веществ, лекарственных препаратов, а также пищевых добавок.

Формула изобретения

1. Способ получения вербенола и эпоксид α-пинена окислением α-пинена молекулярным кислородом в вербенилгидропероксид и эпоксид α-пинена с последующим восстановлением вербенилгидропероксида в вербенол, отличающийся тем, что восстановление проводят с помощью водорода в присутствии в качестве катализатора металла платиновой группы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление α-пинена проводят до поглощения 0,32 моль кислорода/моль α-пинена.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление α-пинена проводят при парциальном давлении кислорода 0,2-10 атм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление α-пинена проводят при температуре 70-120°С.

5. Способ п.1, отличающийся тем, что окисление α-пинена можно проводить в жидкофазном режиме в реакторе с мешалкой или в реакторе колонного типа.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление α-пинена можно проводить в присутствии органического или неорганического основания.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что окисление α-пинена проводят в присутствии Na₂CO₃, NaOCH₃, (Вu)₄N⁺OН^-.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление α-пинена можно проводить в присутствии вербенилгидропероксида при соотношении вербенилгидропероксид/α-пинен, равном 0,006-0,025.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что окисление α-пинена можно проводить в проточном по кислороду режиме при скорости протока кислорода, равной 0,06-0,32 моль О₂ х мин^-1/моль α-пинена.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что окисление α-пинена проводят в проточном режиме при соотношении скорости окисления α-пинена в реакторе к скорости его подачи, равном 0,02-0,32.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление вербенилгидропероксида в вербенол проводят в растворе α-пинена в реакторе с мешалкой или в реакторе колонного типа с неподвижным слоем катализатора.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление вербенилгидропероксида в вербенол проводят в присутствии катализатора, содержащего металл платиновой группы, например, Pd/C.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление вербенилгидропероксида в вербенол проводят при давлении водорода 1-10 атм.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление вербенилгидропероксида в вербенол проводят при температуре 20-100°С.

15. Способ по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что вербенол, эпоксид α-пинена и α-пинен разделяют ректификацией, а не вступивший в реакцию α-пинен повторно используют в процессе окисления.