α-卤代酮还原成仲α-卤代醇的方法 【技术领域】
本发明涉及从α-卤代酮制备α-卤代醇的方法。更具体地，本发明涉及通过α-卤代酮的氢化合成α-卤代醇的方法。由本发明方法制备的α-卤代醇可用于制备环氧化物的方法。
背景技术
在现有技术中有许多酮是已知的，并且酮的氢化反应并不少见。然而，由于不稳定卤素-碳键的存在，α-卤代酮比其它酮更具有反应性，而且本领域技术人员发现很难选择性氢化α-卤代酮成为α-卤代醇。长期以来人们一直认为仍然需要一种氢化α-卤代酮的经济有效的方法。
现有技术中已知的α-卤代酮可以由各种已知方法转化成α-卤代醇。例如，几个参考文献公开了使用均相催化剂体系的α-卤代酮还原。例如，U.S.专利No.4,024,193公开了使用由如下结构式：RuHCl(PR3)3表示的钌三苯基膦活性形式，还原活化羰基化合物的均相氢化方法，该活化羰基化合物包括α-氯代酮如1，3-二氯代丙酮和α-氯乙酰苯。在U.S.专利No.4024193中没有给出反应的收率或选择性。
日本专利No.63-297333公开了使用异丙醇铝作为均相催化剂，同时异丙醇过量作为氢转移剂，从1，3-二氯丙酮制备1，3-二氯-2-丙醇的方法。使用日本专利No.63-297333的方法可以获得95％或更小的选择性，但不可以使用小于0.01当量异丙醇铝的用量。
日本专利No.09-104628公开了使用带有环戊二烯酮配体的均相钌配合物，氢化包括α-氯代酮如1，3-二氯丙酮的α-卤代酮，以形成1，3-二氯-2-丙醇的方法。使用日本专利No.09-104628的方法，达到91％-98％的1，3-二氯-2-丙醇选择性，并且通过α-卤代酮的顺序分批加入表现出了小于10,000地周转数。
WO9800375A1和EP295890A2描述了使用带有手性配体的均相钌、铱、铑、铼、钴、镍、铂、和钯配合物，不对称氢化α-卤代酮如氯丙酮的以生产手性醇的方法。
使用α-卤代醇合成环氧化物也是公知的。例如，上述日本专利No.09-104628和日本专利No.63-297333公开了由如下三步骤方法制备环氧氯丙烷的方法：
(1)在含碘促进剂和氯化锂存在下，采用分子氯将丙酮α-氯化以得到1，3-二氯丙酮；
(2)在均相催化剂存在下氢化1，3-二氯丙酮以形成1，3-二氯-2-丙醇；和
(3)采用碱环化1，3-二氯丙醇以制备环氧氯丙烷。
以上所有已知方法的局限在于要求均相催化剂选择性完成α-卤代酮的还原。均相催化剂在以上方法中的应用限制反应器操作的模式，而且催化剂的分离和再使用不是小事。因此，需要提供多相催化剂，该多相催化剂可以完成α-卤代酮的还原，具有可比于采用均相催化剂还原α-卤代酮的选择性，同时还具有附加的负载和多相形式的优点。多相催化剂优势在于允许运行催化剂的还原工艺而不需要催化剂分离。
【发明内容】
因此，本发明的目的是提供使用多相催化剂，将α-卤代酮有效还原以形成α-卤代醇的商业可行和易于控制方法。
本发明的另一个目的是提供使用多相催化剂从α-卤代酮制备α-卤代醇的改进氢化方法。
本发明的进一步目的是提供这样一种方法，该方法所采用的压力和温度使其以更经济的方式易于操作。
本发明的其它目的是发展工艺，并且仍然还有其它的目标随后出现。
本发明的一个方面涉及制备α-卤代醇的方法，该方法包括如下步骤：在多相含过渡金属的催化剂存在下，在形成α-卤代醇的条件下反应α-卤代酮与氢化剂，如元素氢。
本发明的方法可以由如下一般反应式表示：
本发明的第二方面涉及一种制备环氧化物的方法，该方法包括如下步骤；
(1)如本发明第一方面中所述氢化α-卤代酮以形成α-卤代醇；和
(2)环化α-卤代醇以制备环氧化物。
本发明的方法采用多相催化剂，因此简化反应器操作的模式和便于催化剂分离/再使用。
本发明的一个关键方面是发现多相催化剂，该多相催化剂选择性完成此氢化。本发明的方法也用于从α-卤代醇合成环氧化物的方法。
现在可以利用工业上有利的方法、从容易获得的材料方便和有效地制备α-卤代醇。
用于本发明方法的催化剂是固体，因此，容易从反应混合物回收并且容易从产物除去。
本发明的方法从α-卤代酮制备α-卤代醇。本发明的α-卤代酮由以下通式I表示：
其中每个“X”独立地是除氟以外的卤素原子、氢原子、或有机基团，并且“Z”是除氟以外的卤素原子。1，3-二氯丙酮是通式I的α-卤代酮的一个例子。
本发明的α-卤代醇由如下通式II表示：
其中每个“X”独立地是除氟以外的卤素原子、氢原子、或有机基团，并且“Z”是除氟以外的卤素原子。1，3-二氯-2-丙醇是通式II的α-卤代醇的一个例子。
用于本发明的合适α-卤代酮的例子包括：1-氯丙酮、1，3-二氯丙酮、1，3-二溴丙酮、1，1，3-三氯丙酮、或其混合物。用于本发明的α-卤代酮最优选是未取代1，3-二卤代丙酮以形成1，3-二卤代-2-丙醇和1-卤代丙酮以形成1-卤代-2-丙醇。1，3-二卤代丙酮由如下通式表示：
其中每个“X”独立地是除氟以外的卤素原子。以上通式III中的“X”优选是碘、氯、或溴，最优选是氯。
通过与氢化剂的反应氢化α-卤代酮。用于本发明的氢化剂可以是，例如，分子氢、醇、或其结合物。氢化剂优选是分子氢。用于本发明的合适醇的例子可以是伯醇或仲醇如甲醇、乙醇和C3-C10伯醇和仲醇。优选，醇是甲醇。用于本发明的其它仲醇的例子描述于U.S.专利No.2,860,146。
根据本发明的反应，每摩尔制备的α-卤代醇消耗一摩尔氢化剂。一般情况下，在反应过程期间至少有0.6摩尔氢化剂每摩尔α-卤代醇可用于消耗，优选在反应过程期间至少有0.75摩尔氢化剂每摩尔α-卤代醇可用于消耗，在反应过程期间更优选至少0.9摩尔和最优选至少1摩尔可用于消耗。当在反应过程期间小于1摩尔氢化剂每摩尔α-卤代醇可用于消耗时，可能不获得对α-卤代醇的完全转化。然而，在反应开始时不需要利用所有的氢化剂。当反应进行时可以将氢化剂逐步或连续加入。在此情况下，反应混合物在任何一个时间可包含对氢化剂化学计量过量的α-卤代醇。作为本发明的一个实施方案，要求的过量氢化剂可用于反应期间完成α-卤代酮向α-卤代醇的转化。一般情况下，例如，可以使用10％-20％过量的氢化剂。
氢化剂源的最大数量不是关键的并且由实际考虑的因素如压力、反应器效率、和安全性支配。当氢化剂源是气态时，则氢化剂的数量优选至少足以提供所需的压力。然而，在大多数情况下，反应器优选包含不大于1000摩尔分子氢每摩尔α-卤代酮和更优选包含不大于100摩尔分子氢每摩尔α-卤代酮。根据混合气态试剂与液体反应混合物的已知方法，如采用搅拌气体鼓泡通过混合物或在压力下增溶氢气，优选使用气态氢化剂源，如分子氢。
在含过渡金属的多相催化剂存在下进行本发明的反应。用于本发明多相催化剂的过渡金属可以是一种或多种选自如下任意一族的金属：如目前由国际纯粹化学和应用化学联合会(IUPAC)采用的元素周期表的任何IB、IIB或IIIA-VIIIA族。选择用于本发明的催化剂金属使得在反应条件下，金属能够催化还原α-卤代酮分子中基本上所有的羰基部分成为醇部分，同时基本上不影响键合到α-卤代酮分子上的卤素。催化剂金属优选选自IUPAC周期表的VIIIA族，例如包括，铁、钴、镍、钌、铑、钯、饿、铱、铂及其混合物。催化剂金属更优选选自钌、铱、铑、钯、铂、或其混合物。催化剂金属最优选选自钌、铱或其混合物。
本发明催化剂的说明可以是，例如，公开的欧洲专利申请1140751中公开的铱/钌混合金属催化剂。催化剂中铱金属对钌金属的原子比一般是0.02-15，优选0.05-10，更优选0.15-8，和最优选0.3-2.0。
用于本发明的多相催化剂可以是，例如，沉积在或吸附在不溶性载体如二氧化硅、甲硅烷基化二氧化硅、碳、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、氧化镁和本领域已知的其它通常载体上的过渡金属，如描述于如下文献的那样：Poncelet等人编辑，催化剂III的制备(Preparation ofCatalysts III)，纽约，1983；P.N.Rylander，氢化方法(HydrogenationMethods)，Academic Press，伦敦，1985；P.N.Rylander，在铂金属上的催化氢化(Catalytic Hydrgenation Over Platinum Metals)，AcademicPress，纽约，1967；P.Rylander，有机合成中的催化氢化(CatalyticHydrogenation in Organic Syntheses)，Academic Press，伦敦，1979。本发明的多相催化剂也可以是配位到配体上的过渡金属，该配体键合到树脂上，例如在膦化聚苯乙烯上的钌。催化剂的形式典型地为颗粒或粒料。载体上活性催化剂的数量一般为0.1％(百分比)-25％和优选0.5％-15％。
在本发明方法中使用多相催化剂的优点之一是通过各种方法如过滤从反应溶液中分离催化剂的能力。
本发明方法使用的催化剂对试剂的理想比例依赖于本方法的流量、床尺寸、温度、所需转化率、试剂和其它因素而变化。通常，对于每小时通过反映床的每摩尔α-卤代酮，多相催化剂床包含0.0001摩尔-100摩尔催化剂金属。
本发明的反应可选择，但优选在溶剂存在下进行。使用的溶剂优选在反应条件下对于所有的试剂是惰性的。可以选择溶剂使得：(1)溶剂不在反应条件下沸腾；和(2)α-卤代醇可以从溶剂回收，例如通过蒸馏、萃取、或任何其它已知的回收措施。
用于本发明的合适溶剂的例子包括芳族和脂族烃、氯化烃、醚、甘醇二甲醚、二醇醚、酯、醇、酰胺、及其混合物。用于本发明的溶剂的具体例子包括甲苯、环己烷、己烷、二氯甲烷、二噁烷、二甲醚、二甘醇二甲醚、1，2-二甲氧基乙烷、乙酸乙酯、甲醇、NMP、及其混合物。用于本发明的溶剂数量不是关键的，并且主要由实际因素支配，如反应器的效率。一般情况下，反应混合物中存在的溶剂数量为0-99.99wt％。
在最优选的情况下，本发明的反应混合物优选包含至少5wt％α-卤代酮，更优选至少10wt％，和最优选至少20wt％。反应混合物可以是纯的(即反应混合物可包含基本100wt％的α-卤代酮)，但如果除α-卤代酮以外还使用溶剂，反应混合物优选包含不大于90wt％的α-卤代酮和更优选不大于80wt％的α-卤代酮。
当反应混合物包含醇时，优选在基本没有强无机酸如氯化氢的条件下进行反应，无机酸可引起选择性和收率的降低。“基本没有”强无机酸表示这样酸的浓度足够低使得酸不催化形成显著量的从α-卤代酮和醇得到的缩酮。例如，在反应混合物中，由酸催化反应α-卤代酮和醇形成的缩酮含量一般小于50wt％，优选小于20wt％和最优选小于1％。
不希望受特定的理论约束，推断强酸催化α-卤代酮和醇的反应以形成不所需的缩酮。在反应混合物包含少量卤化氢的情况下，如果反应混合物中含有醇，优选在酸清除剂的存在下进行反应以防止缩酮形成。
用于本发明的合适酸清除剂的例子包括：碱金属碳酸盐、碱金属碳酸氢盐、碱金属羧酸盐、羧酸铵和羧酸磷鎓、碳酸氢铵和碳酸氢磷鎓、碳酸铵和碳酸磷鎓、环氧化物及其混合物。酸清除剂的具体例子包括碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢铵、环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷、环氧氯丙烷及其混合物。环氧氯丙烷是用作酸清除剂的优选环氧化物。
反应温度不是关键的，只要所有的试剂和催化剂彼此紧密接触。然而，低的温度要求更长的反应时间。反应温度优选至少为-10℃，更优选至少20℃和最优选至少50℃。反应温度优选小于250℃，更优选不大于150℃和最优选不大于120℃。反应温度优选为0℃-200℃和更优选50℃-120℃。
反应压力不是关键的，只要存在足够的氢化剂如氢气以在反应混合物中进行反应。压力优选至少为14磅每平方英寸绝压(psia)(97千帕(kPa)，1大气压)和更优选至少50psia(340kPa，3.4大气压)。压力优选不大于3,000psia(21MPa，204大气压)。更高的压力可导致更短的反应时间。
通常根据本发明的氢化反应中的接触时间小于72,000秒，优选从36,000秒到180秒，即每克催化剂理论上达到转化1克α-卤代酮到α-卤代醇的足够时间。
在优选的工艺条件下，对于1克α-卤代酮每克催化剂，使α-卤代酮与过量氢气在0℃-200℃的温度催化反应，接触时间为36,000秒-180秒，随后回收所需的反应产物。
本发明的反应产物是结构衍生自α-卤代酮的α-卤代醇。产物可以由已知方法如萃取或蒸馏回收。可以采用低至2％的收率回收产物，然而，由于经济目的，本发明的产物一般以至少60％收率(基于α-卤代酮的初始数量)回收，和优选以至少80％收率回收，更优选以至少90％收率和最优选以至少95％收率回收。
由本发明方法制备的α-卤代醇是重要的中间反应产物。用于制备α-卤代醇的本发明反应工艺是制备环氧化物总体工艺中的特别有用步骤。一旦使用本发明的还原/氢化反应制备α-卤代醇，可以由本领域公知的方法环化α-卤代醇以制备环氧化物。例如，通过采用碱对α-卤代醇进行处理，α-卤代醇可用于环氧化物的制备。因此，本发明可用于合成环氧化物的生产工艺中，这些环氧化物如环氧氯丙烷和环氧丙烷，例如通过包括如下步骤的一般方法：
(1)氢化α-卤代酮以形成α-卤代醇；和
(2)采用碱环化α-卤代醇以生产环氧化物。
在制备环氧化物的另一个实施方案中，可以由如下方式形成α-卤代酮：在氢化步骤之前对酮进行卤化反应得到产物α-卤代酮。
本发明方法中的关键步骤是α-卤代醇到α-卤代醇的选择性氢化，使得在氢化期间α-卤代酮的碳-氯键保持完整。
更特别地，本发明的反应方法可以用作从丙酮制备，例如环氧卤丙烷或环氧丙烷的方法中的一个步骤。作为本发明的说明，例如，以下详细说明制备环氧卤丙烷的方法：
在制备环氧卤丙烷的方法的步骤(1)中，卤化丙酮以制备1，3-二卤代丙酮。制备1，3-二卤代丙酮的此步骤描述于，例如，U.S.专利No.4,251,467和JP 9255615中。
在本发明反应方法的步骤(2)中，氢化1，3-二卤代丙酮以形成1，3-二卤代-2-丙醇。此步骤(2)的优选实施方案已在本申请的前文中有所描述。例如，本发明方法的一个实施方案包括如下步骤：在含钌、含铱或含钌铱混合金属的催化剂和非质子溶剂如二噁烷存在下，接触1，3-二卤代丙酮与至少化学计量的分子氢以生产1，3-二卤代-2-丙醇。
在本方法的步骤(3)中，将1，3-二卤代-2-丙醇转化成环氧卤丙烷。此步骤(3)是制造环氧卤丙烷领域中公知的。通常通过接触1，3-二卤代-2-丙醇与强碱，如包括例如氢氧化钠的含水碱金属氢氧化物，进行步骤(3)的反应。步骤(3)反应的例子描述于U.S.专利No.2,860,146和描述于澳大利亚专利No.630,238。
除步骤(2)以外，使用本发明的环氧化物制备方法可包含上述步骤(1)、(2)和(3)的任何一种或多种。环氧化物方法优选包括步骤(1)和(2)，更优选包含步骤(1)、(2)和(3)。
在制备环氧化物如环氧卤丙烷或环氧丙烷的方法中，可以采用包含α-卤代酮与其它酮、异构体、或试剂的混合物开始。在这样的情况下，优选用于制备环氧卤丙烷选择的α-卤代酮如1，3-二卤代酮，或用于制备环氧丙烷的1-卤代酮可以是主要的酮，从而使形成的产物分别主要是环氧卤丙烷或环氧丙烷。由于获得的产物可能是环氧卤丙烷和环氧丙烷的混合物，优选控制本发明方法采用的α-卤代酮的量以提供显著数量的所需产物。“主要”在此表示所需的产物在两种主要α-卤代酮组分的混合物中以大于50wt％或更多存在，或在三种主要α-卤代酮组分的混合物中以大于40wt％或更多存在。例如，采用开始材料如70％1，3-二卤代丙酮和30wt％1-卤代丙烷的混合物，产物基本包含1，3-二卤代-2-丙醇。
以下实施例仅用于说明的目的，并且不应当理解为限制本说明书或权利要求的范围。除非另外说明，所有的份数和百分比按重量计。
【具体实施方式】
一般试验过程
催化剂合成：通过采用IrCl3·3H2O和RuCl3·3H2O的金属盐水溶液浸渍二氧化硅制备催化剂。通过两种金属盐向二氧化硅中的共浸渍，或先通过一种金属盐的浸渍(与干燥)，随后另一种金属盐的浸渍制备混合金属体系。将催化剂空气干燥，然后在动态H2/N2(5％氢气)下在473°K(200℃)下预还原。然后将催化剂在空气中贮存和处理。
反应器系统A：反应器由包覆有热带和保温层的6.35E-3m×3.05E-1m(0.25英寸×12英寸)Hastelloy管、液体泵、和两个能够输送3.55E6Pa(500磅每平方英寸表压(psig))氢气和氮气的流动控制器组成。气体和液体进料的进料混合物在底部进入反应器并且在顶部离开反应器；然后进料混合物通过背压调节器到环境压力取样系统；然后再到碱洗涤器。
反应器A操作：通过除去减压反应器的出口管线和加入7.5E-7m3的Sigma玻璃珠(425-600微米，酸洗涤的)，然后将1E-3kg催化剂加入到管中，并且将另外的7.5E-7m3玻璃珠加入到反应器中。连接出口管线，并采用氮气在环境压力下净化反应器一小时且将反应器加热到358K(85℃)。然后将反应器采用氢气填充到3.55E6Pa(500psig)的压力并且在1/2小时之后开始液体进料。
反应器B描述和操作：300mL Hastelloy C Parr反应器容器用于此情况。向反应器装载催化剂装料并将反应器容器抽空和氮气冲洗三次。将溶剂/α-卤代酮混合物采用氮气喷雾脱气，并且采用注射器加入到Parr反应器中。将反应器加压/排气到250/20psig(1.8mPa/241kPa)氮气和100/20psig(793kPa/241kPa)氢气，然后放置在100psig(793kPa)氢气下并且加热到35℃。在将反应器排气到小于15psig(207kPa)之后用注射器取样。
分析：由气相色谱(GC)使用装配有30m Rtx-5毛细管柱的HewlettPackard HP-6890气相色谱，采用分液(split injection)注射分析样品。将大约120μL反应混合物溶于5E-6m3(5mL)邻二氯苯，该邻二氯苯包含已知数量的氯苯作为GC标准物(典型地0.05wt％)。“选择性”定义为α-卤代醇对形成的总体产物的比例。
实施例1
实施例1说明8％Ir/2％Ru/二氧化硅催化剂对于1，3-二氯丙酮氢化的性能。
在反应器A中，如上所述在一般试验过程下，将1.0g的8.0％Ir/2.0％Ru/二氧化硅催化剂装入反应器。制备由10.2wt％1，3-二氯丙酮/二噁烷混合物组成的液体进料，并将该液体进料采用氮气喷雾。进料速率是2.2E-9m3/s(0.132cc/分钟)，它相应于如前所述的4.440秒接触时间。如在一般试验过程中所述，85℃和500psig(3.55E6Pa)H2是标准反应条件。将反应在80.5小时内定期取样和分析。分析结果见下表I，其中“选择性”定义为1，3-二氯-2-丙醇对形成的总体产物的比例。
表I GC分析 时间(分钟) 转化率％ 选择性％ 1.5000 100.00 95.000
5.2500 100.00 94.000 21.420 100.00 94.000 28.000 100.00 94.000 47.000 100.00 94.000 80.500 99.000 93.000
实施例2
实施例2说明8％Ir/2％Ru/二氧化硅催化剂对于1-氯丙酮氢化的性能。
在反应器A中，如上所述在一般试验过程下，将1.0g的8.0％Ir/2.0％Ru/二氧化硅催化剂装入反应器。制备由7.1wt％1-氯丙酮/二噁烷混合物组成的液体进料并将该液体进料采用氮气喷雾。进料速率是3.0E-9m3/s(0.182cc/分钟)，它相应于4.675秒的接触时间。如在一般试验过程中所述，85℃和500psig(3.55E6Pa)H2是标准反应条件。将反应在68.25小时内定期取样和分析。分析结果见下表II，其中“选择性”定义为1-氯-2-丙醇对形成的总体产物的比例。
表II GC分析 时间(分钟) 转化率％ 选择性％ 2.2500 100.00 95.000 4.2500 100.00 95.000 21.330 100.00 95.000 26.000 100.00 93.000 51.000 100.00 93.000 68.250 100.00 94.000
实施例3
实施例3提供多相氧化铂(Pt)催化剂(Adams催化剂)与8％Ir/2％Ru/二氧化硅催化剂的比较。Adams催化剂以前公开于U.S.专利No.3,189,656中用于1，3-二氯-1，1，3，3-四氟丙酮到1，3-二氯-1，1，3，3-四氟-2-丙醇的氢化。
向反应器B装载0.025g Adams催化剂或0.25g 8％Ir/2％Ru/二氧化硅，并将反应器容器抽空和氮气冲洗三次。将溶于1，4-二噁烷(50mL)的1，3-二氯丙酮(2.5g)采用氮气喷雾脱气，然后采用注射器加入到Parr反应器中。将反应器加压/排气到250/20psig(1.8mPa/241kPa)氮气和100/20psig(793kPa/241kPa)氢气，然后放置在100psig(793kPa)氢气下，加热到35℃。在反应8小时之后，在排放反应器到小于15psig(207kPa)之后，将样品由注射器取出并采用GC分析。此实施例3的分析结果见下表III。表III中的结果说明对于不含氟的α-卤代酮如1，3-二氯丙酮的氢化，与本发明的8％Ir/2％Ru/二氧化硅催化相比Adams催化剂性能较差。
表III GC分析催化剂 转化率％ 1，3-二氯丙酮 收率％ 1，3-二氯-2-丙醇 对1，3-二氯-2- 丙醇的选择性％对比例A：氧化Pt(Adams催化剂) 38.7％ 3.0％ 7.8％8％Ir/2％Ru/二氧化硅 16.2％ 11.6％ 71.6％