本发明涉及一种有机硫氰酸酯和二硫化物催化氢解制硫醇的方法。
发明背景
通常合成有机硫醇的方法使用氢化物例如氢化铝锂或Zn-HCl为还 原剂将有机硫氰酸酯或硫化物转化为硫醇。一种常用的合成硫醇的工业 方法涉及将一种烷基卤化物与硫脲反应产生一种异硫脲鎓盐，它被碱或 大分子量胺分解而生成硫醇。硫脲是一种具有暴露危害的致癌物而且需 要特殊的设备和费用，例如焚烧炉以保证安全。
U.S.5,202,443中所描述的方法是制备治疗药物的最后步骤，它使用 负载在木炭上的钯催化剂通过氢解将硫氰酸酯衍生物转化为相应的硫 醇。不使用助剂金属。即使催化剂用量很大，收率也相当低。U.S.Patent 5,493,058公开了用过渡金属硫化物催化剂通过二硫化甲烷催化加氢制 备甲硫醇。
需要一种经济的而且环境可接受的方法以高收率由硫氰酸酯和二硫 化物生产有机硫醇。本发明方法可满足这一需要。
发明概要
本发明包括一种制备化学式为I或II的硫醇的方法
R1-(X)a-SH I，或 其中
X是(CH2)m其中m是1或2；
a是0或1；
R1是：
任选地被一个C1-C30全氟烷基取代的C1-C30直链、支链、或环状烷 基；
C1-C30全氟烷基；
H-D-G或F-E-G其中
D是-(CH2)b-；
E是-(CF2)b-；
G是-[A-(CH2)c]d-(CH2)e-，-[A-(CF2)c]d-(CF2)e-，-[A-(CF2)c]d-(CH2)e-，或-[A-(CH2)c]d-(CF2)e-； 其中每个A独立地选自-N(R3)-、-C(O)N(R)3-、-CO2-、-SO2N(R3)-、 -O-和-S-；其中R3是氢、C1-C30烷基、或C1-C30全氟烷基；每个b和e 独立地是零或一个1至29的正整数，每个c和d独立地是一个1至30 的正整数，要求b＋e＋(c×d)小于或等于30；以及
任选地被C1-C24烷基、C1-C24全氟烷基、F、Br、Cl、N(R3)2、 CON(R3)2、CO2(R3)、CO(R3)、SO2N(R3)2、O(R3)或S(R3)取代 的C6-C30芳基，其中R3是H、C1-C30烷基或C1-C30全氟烷基；和
R2是-D-G-或-E-G-，其中D、E和G定义如上，要求b＋e＋(c×d)小 于或等于8；所说方法包括在一种含VIII族金属或其混合物的催化剂存 在下，或含所说金属和选自IB、IIB、IIIA、IVA、VA和VIA族金 属或其混合物的助剂(modifier)金属的催化剂存在下，让氢与
A.一种化学式为III
R-(X)a-SCN III
的硫氰酸酯进行反应，其中R是上面定义的R1或R2，X和a同于 上面化学式I和II中的定义，所说催化剂负载在-种多孔不溶性载体 上。
本发明还包括上面定义的化学式为I或II的硫醇的制备，包括在一 种含VIII族金属或其混合物和一种选自IB、IIB、IIIA、IVA、VA 和VIA族金属或其混合物的助剂金属的催化剂存在下，让氢与
B.一种化学式为IV
R-(X)a-S-S-(X)a-R IV 的二硫化物进行反应，其中R是上面定义的R1或R2，X和a同于上面 化学式I和II中的定义，所说催化剂负载在一种多孔不溶性载体上。
发明详述
本发明方法可用于多种有机硫氰酸酯和二硫化物氢解。适于在本发 明中用做反应物的硫氰酸酯和二硫化物包括化学式分别为III和IV
R-(X)a-SCN III
R-(X)a-S-S-(X)a-R IV 的硫氰酸酯和二硫化物，其中X是(CH2)m其中m是1或2，a是0或 1，R是与上面R1和R2定义相同的有机基团。例如R是R1，是1至大 约30个碳包括直链、支链、或环状结构的烷基，例如甲基、乙基、丙 基、丁基、异丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基、环丙基、或环丁基。R 还是1至大约30个碳的全氟烷基，例如全氟丁基、全氟丁基乙基或全 氟己基乙基。这些化合物可作为氟调聚物中间体由E.I.du Pont de Nemours and Company，Wilmington，DE以“ZONYL”氟化学中间体而 获得。
R还是H-D-G或F-E-G其中D是-(CH2)b-；E是-(CF2)b-；G是 -[A-(CH2)c]d-(CH2)e-、-[A-(CF2)c]d-(CF 2)e-、-[A-(CF2)c]d-(CH2)e-、或 -[A-(CH2)c]d-(CF2)e-。每个A独立地选自-N(R3)-、-C(O)N(R)3-、-CO2-、 -SO2N(R3)-、-O-和-S-其中R3是H、C、C1-C30烷基或C1-C30全氟烷 基；每个b和c独立地是零或1至29的正整数，每个c和d独立地是1 至30的正整数，要求b＋e＋(c×d)小于或等于30；
因此R包括以下基团：
1)H(CH2)b-[A-(CH2)c]d-(CH2)e-
2)F(CF2)b-[A-(CF2)c]d-(CF2)e-
3)H(CH2)b-[A-(CF2)c]d-(CF2)c-
4)F(CF2)b-[A-(CH2)c]d-(CH2)e-
5)H(CH2)b-[A-(CF2)c]d-(CH2)e-
6)H(CH2)b-[A-(CH2)c]d-(CF2)e-
7)F(CF2)b-[A-(CH2)c]d-(CF2)e-
8)F(CF2)b-[A-(CF2)c]d-(CH2)e-
此外，R是一个6至大约30个碳的芳基，包括苯基、萘基和联苯 基等，或一个取代芳基。典型的取代基是1至大约24个碳的烷基例如 甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基、环丙基、 环丁基等；1至大约24个碳的全氟烷基例如全氟丁基、全氟丁基甲基、 全氟己基甲基、全氟丁基乙基或全氟苯基乙基；N(R3)；C(O)N(R2)； CO2(R3)；CO(R3)；F；Cl；Br；SO2 N(R3)2；O(R2)；和S(R3)其中R3是H、 C1-C20烷基、或C1-C30全氟烷基；当R是R2并且是二价时，它是-D-G- 或-E-G-其中D、E和G定义如上。在这种情况下，b＋e＋(c×d)小于或等 于8。R可用将起始的F或H换成价键的上述标号为1至16的化学式 来代表。两端的键与化学式II中的CH-(X)a-SH相连从而与起始碳原子 形成环状结构。
本发明中作为反应物优选调聚物B硫氰酸酯和调聚物B二硫化物。 这些反应物是a为1时的化学式III和IV的例子。术语“调聚物B硫 氰酸酯”在这里用来表示F(CF2)x-(CH2)y-SCN，其中x是4至20，y是 2，或它们的混合物。术语“调聚物B二硫化物”在这里用来表示 F(CF2)x-(CH2)v-S-S-(CH2)x-(CF2)yF，其中x是4至20，y是2，或它们 的混合物。
其中x优选6、8、10或12，正如在全氟已基、全氟辛基、全氟癸 基和全氟十二烷基中那样。
当调聚物B硫氰酸酯和调聚物B二硫化物以混合物出现时，优选 的碳链长度x的分布如下：
1)C4-6％、C6-56％、C8-26％、C10-8％、C12-4％；
2)C4-0.2％、C6-33％、C8-35％、C10-19％、C12-12.8％；
3)C4-0.2％、C6-2％、C8-54％、C10-30％、C12-10％、C14-3％、C16- 0.8％
本发明方法达到非常高的收率(典型的为98-100％(重量))。例如由 氟调聚物中间体如硫氰酸2-全氟己基乙酯或二硫化二(2-全氟己基乙烷) 氢解产生的2-全氟己基-1-乙硫醇以98-100％的收率得到。
本发明方法中用以进行硫氰酸酯氢解的催化剂含有一种VIII族金 属或VIII族金属的混合物。一种VIII族金属或VIII族金属的混合物加 上选自IB、IIB、IIIA、IVA、VA和VIA族金属或其混合物的一种助 剂金属被用以进行硫氰酸酯和二硫化物的氢解。该催化剂负载在不溶 于本方法所用溶剂的多孔惰性材料上。优选的催化金属是Pd、Pt和Ru， 优选的助剂金属是Cu、Ag、Au、Sn、Pb、Bi、In、T1、S、Se和Te。 适于用作载体的材料包括活性炭、氧化铝、氧化硅、氧化铝-氧化硅、 氧化锆、氧化钛、碳酸钙、沸石和氧化镁。
有助剂金属时，催化剂含有大约1％至大约20％(重量)的VIII族 金属和大约0.1％至大约5％(重量)的助剂金属，其余为载体成分。当 没有助剂金属时，催化剂含有大约1％至大约20％(重量)的VIII族金 属，其余为载体成分。一种优选的组成是负载在活性碳上的1-20％(重 量)的Pt和0.1-1％(重量)的Sn。在使用前用一种还原剂例如氢将VIII 族金属进行预还原也是被优选的。
适用于本发明方法的溶剂可溶解或至少部分地溶解作用物，并全部 溶解产物，但不溶解催化剂或其载体。溶剂不发生氢解或还原加氢，这 些反应可导致生成不希望有的副产物从而使目的产物的回收复杂化。此 外，适宜的溶剂不应对催化剂活性有不利影响。优选介电常数大于2的 溶剂。反应速率和目的产物硫醇的收率的最佳结果通常是用极性最强的 溶剂得到的。适宜溶剂的例子是四氢呋喃、乙腈、二氯甲烷、乙酸乙酯、 1，1-二(3，4-二甲基苯基)乙烷、邻二氯苯和它们与水的混合物，在低极 性溶剂情况下水的好处最显著。本方法也可在没有溶剂存在的情况下进 行。
典型地，本方法在一个压力容器中进行，该容器装有加热器、搅拌 器或振荡器、压力和温度测量装置以及连接于计量气供应管线的进出接 口。反应物没有腐蚀性，所以易得廉价材料如低碳钢或不锈钢可用于反 应器和辅助设备。
各组分浓度的如下范围是基于反应器总进料的重量百分数给出的。 优选范围是可使该过程的操作最为经济的范围，与反应器能力和目的产 物的收率有关。最初加入反应器的作用物R-(X)a-SCN或R-(X)a-S-S-(X)a-R是大约5％至大约99.9％，典型的是30％至60％。催化剂由大约 0.1％至大约5％，其余是溶剂(如果有的话)，溶剂中可任选地含80％ (重量)的水。以催化剂中VIII族金属含量为基准，作用物对催化剂的 摩尔比典型地在25∶1和2000∶1之间。
典型地，反应器要在常压下用非氧化性气体清洗若干次，优选用氮 气，因为它最便宜。接着，再用氢气清洗若干次。然后将反应器封闭， 在用搅拌或振荡进行充分混合的同时，将内容物加热到需要的温度，大 约50℃至大约250℃之间需要的温度。优选用800-1800RPM的高效搅 拌器来搅拌反应器。然后将氢气的压力调节到大约14×105和大约70× 105Pa之间的希望值，虽然可以使用直至反应器安全极限的更高的压 力。在不断搅拌反应物同时，保持温度和压力直到不再进一步消耗氢气 为止。
在该方法的这一步骤中反应器是封闭的，通过补充反应中不断消耗 的氢气来维持其压力。此外，还可以在整个氢解步骤中，在将反应器中 氢气压力保持在希望值的同时，让氢气连续通过反应器。在本方法中用 氢气作为清洗气是有益的，因为它可除掉能使催化剂中毒的不希望有的 副产物，例如硫氰酸酯氢解生成的HCN，因而通过延长催化剂的活性 寿命来改善催化剂的性能。通过监测氢气消耗或液体溶液取样来跟踪该 过程，根据具体作用物和反应进行的温度和压力，该过程通常用大约1 至大约15小时完成。
然后将温度和压力调节至环境状态并用非氧化性气体将反应器清洗 若干次直到没有氢气。然后将反应器卸空，用过滤、倾析或离心的方法 将催化剂与溶剂和产物分离，通常优选过滤的方法，因为它最经济。然 后用蒸馏或萃取的方法将溶剂分离。蒸馏通常是最容易和最经济的方 法。用通常的方法对用上述方法回收的有机硫醇进行纯化和分析。
本发明方法适用于制备有机硫醇。有机硫醇可用于制备洗涤剂并作 为中间体合成多种有机化合物如治疗药物，例如氢硫芳基脯氨酸，血管 紧张肽转化酶的有效抑制剂，用于治疗低血压和心脏病。氟化硫醇很有 用，例如用作水上油火的熄火物并可用作纸制品和纺织精加工添加剂。
实施例
在以下实施例中，“转化”是指消耗的R-(X)a-SCN或R-(X)a-S-S-(X)a-R的mol％；“选择性”定义为生成的R-(X)a-SH摩尔数除以消耗 的R-(X)a-SCN或R-(X)a-S-S-(X)a-R摩尔数再乘以100％。收率是以起始 R-(X)a-SCN或R-(X)a-S-S-(X)a-R为基准的回收R-(X)a-SH的mole％。
实施例1
硫氰酸2-全氟己基乙酯(II)氢解制备2-全氟己基-乙硫醇(I)
向装有加热器、压力和温度仪表以及连接于计量气供应管线的进出 接口的400cc不锈钢振荡容器中装入150g(0.37mole)C6F13CH2CH2SCN； 200g四氢呋喃(A.C.S.试剂级，可由J.T.Baker获得)；2.0g预还原催化 剂(5％(重量)Pd-0.3％(重量)Sn负载在活性碳载体上)；和2.0g联苯(可 由Aldrich获得)(气相色谱分析内标)。作用物/催化剂摩尔比以Pd金属 为基准是394。
用氮气将容器清洗三次以除去所有的氧气，然后用氢气清洗三次。 在室温下将氢气压力调节到大约14×105Pa并且将反应物加热到125 ℃。将氢气压力增加到26.7×105Pa并且在保持这些条件的情况下振荡 容器直至不再消耗氢气，这一时间大约需要12小时。当氢解完成后， 将温度和压力调节到环境状况并用氮气将容器清洗三次以除去所有残 存的氢气。取样进行气相色谱分析表明，(II)的转化率是100％，生 成(I)的选择性是98.2％。没有检测到二硫化物。
将容器卸空并且将内容物过滤以分离催化剂。用常压蒸馏回收四氢 呋喃。用真空蒸馏纯化产品(I)，得到128g，相当于91％的回收收 率。气相色谱和质子NMR分析表明，产品纯度是99.9％。
实施例2
硫氰酸2-全氟己基乙酯(II)氢解制备2-全氟己基-乙硫醇(I)
这是一个说明使用不加助剂金属成分的Pd催化剂效果的实施例。采 用和实施例1中相同的物质和用量进行反应，除了预还原催化剂是负载 在活性炭载体上的5％(重量)(2.0g)的Pd以外，采用和实施例1 中相同的物质和用量进行反应。反应器和工艺条件和实施例1中所述的 相同。当氢解完成后，由反应器取样进行气相色谱分析表明，(II)的 转化率是73.6％，生成产品(I)的选择性只有26.2％，生成二硫化物 的选择性是57.3％。Pd催化剂给出相当低的(II)的转化率和低得多 的生成(I)的选择性。生成大量二硫化物需要一个分离步骤来回收比 实施例1中所得收率低得多的(I)。
实施例3 二硫化二(2-全氟己基乙烷)(III)氢解制备2-全氟己基-氢硫基乙烷(I)
振荡容器中初始加料是70.1g(0.093mole)(C6F13CH2CH2S-)2(III)， 50g四氢呋喃，0.5g预还原催化剂(负载在活性炭载体上的5％(重 量)Pd-0.3wtSn％)和2.0g联苯并进行实施例1中所述步骤。作用物/催 化剂摩尔比是388。
当氢解完成后，由容器取样进行气相色谱分析表明，(III)的转化 率是100％，生成产品(I)的选择性是92.8％。
实施例4-14
本方法中用不同溶剂所得结果综合于表1。反应器和工艺条件和实 施例1中所述相同，作用物和催化剂及其加到反应器中的量也和实施例 1相同。
表1不同溶剂中(1)的氢解 实施例 溶剂 转化率 选择性 ％(I) ％(II) ％(III) 4 异丙醇 99 27 35 5 1，1-二(3，4-二甲基苯基)乙烷 73 84 0 6 邻-二氯苯 52 97 3 7 乙酸乙酯 99 93 0 8 乙酸 98 79 0 9 乙腈 100 93 0 10 59 31 75
实施例11
硫氰酸2-全氟己基乙酯(II)氢解制备2-全氟己基-乙硫醇(I)
如实施例1中所述400cc振荡容器中，装入75.0g(0.185mole)(II)， 1009二氯甲烷，100g水，0.5g预还原催化剂(负载在活性炭载体上的 5％(重量)Pd-0.3％(重量)Sn)和2.0g联苯(气相色谱分析内标)。
除反应在150℃和26.7×105Pa进行12小时外，步骤和实施例1中 所述相同。当反应完成后，样品的气相色谱分析表明，(II)的转化率 是100％，生成(I)的选择性是99％。发现存在少量(1％)二硫化物。
实施例12
调聚物B硫氰酸酯氢解制备调聚物B硫醇
如实施例1中所述400cc振荡容器中，装入54.5g(0.108mole)E.I.du Pont de Nemours and Co.，Wilmington.DE提供的调聚物B硫氰酸酯 (Zonyl*TTS，M.W.＝505)，7g二氯甲烷，72g水，0.25g预还原催化剂 (负载在活性炭载体上的5％(重量)Pd-0.5％(重量)Sn)和1.0g联苯(气相 色谱分析内标)。
步骤和实施例11中所述相同。当反应完成后，样品的气相色谱分析 表明，调聚物B硫氰酸酯的转化率是99％，生成硫醇的选择性是 99.5％。还得到少量(0.5％)调聚物B二硫化物。
实施例13
硫氰酸正辛酯(II)氢解制备正辛硫醇(I)
如实施例1中所述400cc振荡容器中，装入20.0g(0.117mole)(II)， 180g四氢呋喃，2.00g预还原催化剂(负载在活性炭载体上的5％(重量) Pd-0.5％(重量)Sn)和1.0g邻-二氯苯(气相色谱分析内标)。在室温下 将氢气压力调节到26.7×105Pa并且将反应物加热到150℃。将氢气压 力增加到70×105Pa并且反应12小时。反应结束时样品气相色谱分析 表明，99.6％的(II)转化为(I)(选择性92％)和二硫化辛烷(选择性 6％)。
实施例14
二硫化苯甲烷(II)氢解制备苯甲基硫酚(I)
如实施例1中所述400cc振荡容器中，装入12.3g(0.05mole)(II)， 100g四氢呋喃，1.0g预还原催化剂(负载在活性炭载体上的5％(重量) Pd-0.5％(重量)Sn)和1.0g联苯(气相色谱分析内标)。在室温下将氢气 压力调节到26.7×105Pa并且将反应物加热到150℃。将氢气压力增加 到70×105Pa并且反应12小时。反应结束后样品气相色谱分析表明， 91％的(II)转化为(I)(选择性87％)和甲苯(选择性17％)。
实施例15
硫氰酸2-全氟己基乙酯(II)氢解制备2-全氟己基-乙硫醇(I)
向装有搅拌器、热电偶、插底管和气体进出口接头的1升Hastelloy 高压釜中加入225g(0.555mole)(II)，300g乙酸乙酯，1.3g预还原催化剂 (负载在活性炭载体上的5％(重量)Pd-0.5％(重量)Sn)和3.00g联苯(气 相色谱分析内标)。将容器用氮气清洗三次以除去所有的氧气。用氢气 将反应釜增压到26.7×105Pa并且在1100RPM转速搅拌下将氢进料的 质量流速控制器调节到0.3标准升/分以便用氢气连续清洗高压釜。
在26.7×105Pa的固定压力下，将反应混合物加热到175℃。在这 些条件下让反应进行4小时，然后冷却到室温。然后将混合物用氮气加 压至6.7×105Pa并放空若干次。气相色谱分析表明(II)的转化率是100 ％，(I)的选择性是96％。
实施例16
调聚物B硫氰酸酯氢解制备调聚物B硫醇
向与实施例15中所述同样的1升高压釜中加入218g(0.432mole)E.I. du Pont de Nemours and Co.，Wilmington.DE提供的调聚物B硫氰酸酯 (Zonyl*TTS，M.W.＝505)，218g乙酸乙酯，1.0g预还原催化剂(负载在 活性炭载体上的5％(重量)Pd-0.5％(重量)Sn)和3.00g联苯(气相色谱 分析内标)。在26.7×105Pa的固定压力下，将反应混合物加热到175 ℃并保持4小时。气相色谱分析表明100％的调聚物B硫氢酸酯转化 为调聚物B硫醇(选择性99％)和调聚物B二硫化物(选择性1％)。
实施例17
调聚物B硫氰酸酯氢解制备调聚物B硫醇
所用反应釜和反应物与实施例16中相同，但反应混合物在26.7× 105Pa的固定压力下被加热到175℃并保持1.5小时。气相色谱分析表 明100％的调聚物B硫氢酸酯转化为调聚物B硫醇(选择性99％)和 调聚物B二硫化物(选择性1％)。
实施例18
调聚物B硫氰酸酯氢解制备调聚物B硫醇
反应釜、反应物和条件与实施例17相同，只是1.0g预还原催化剂 (负载在活性炭载体上的5％(重量)Pd-0.5％(重量)Sn)被1.0g预还原的 负载在活性炭载体上的5％(重量)Pd所代替。气相色谱分析表明91％ 的调聚物B硫氢酸酯转化为调聚物B硫醇(选择性89％)和调聚物B 二硫化物(选择性10％)。