6-甲基庚-2-酮的制备方法及其用途 本发明涉及由异丁烯制备6-甲基庚-2-酮的三步法以及这样制备的产物的用途。
6-甲基庚酮是制备异植醇(合成维生素E的结构单元)的中间产物。此外，它是合成四氢化芳樟醇、二氢香叶醇和其它香料的起始原料。
从文献中可知有制备6-甲基庚-2-酮的多种合成途径。
3-甲基丁基卤化物与乙酰乙酸酯在碱的存在下的反应形成了中间产物，其水解和脱羧获得了6-甲基庚-2-酮(Wagner等人，SyntheticOrganic Chemistry，327页，John Wiley & Sons，Inc.)。该合成具有许多缺点：尤其由于乙酰乙酸酯的价格而使原料成本高。要使用至少等摩尔量的碱。形成了副产物卤化物，并且不得不进行处理。
标题化合物还可以通过6-甲基-5-庚烯-2-酮或6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮在镍或其它催化剂上的氢化来获得(Izv.Akad.Nauk SSSR，Ser.Khim(5)(1972)1052)。因为这两种起始原料是昂贵的，所以用这种方法不能经济地制备目标产物。
EP 0 816 321A公开了制备6-甲基庚-2-酮的两步法。在第一步中，3-甲基丁醛是与丙酮进行羟醛缩合。在第二步中，粗产物氢化为目标产物。该羟醛缩合在高压釜内在1.9巴的压力和72℃的温度下间歇进行。最先将丙酮投入，再经175分钟地时间滴加3-甲基丁醛和2％氢氧化钠水溶液。在冷却到室温之后，分离出有机相。该有机相在5％Pd/活性炭上在120℃和5-9巴的压力下氢化7小时。过滤出催化剂后，氢化产物通过蒸馏进行加工。经两个步骤的目标产物的收率为62％，以3-甲基丁醛为基准计。该方法具有缺点：两个步骤间歇进行，具有相对长的循环时间，这进而导致了低的空时收率。
EP 0 765 853描述了制备2-甲基庚-2-酮的另一两步法。在第一步中，3-甲基丁醛与丙酮反应，形成4-羟基-6-甲基庚-2-酮和产量较少的6-甲基-3-庚烯-2-酮。为了增加选择性，该方法通过使用相对于醛为0.1-20％摩尔比的碱，让醛与丙酮以1∶3到1∶10的摩尔比反应来进行。
少量添加的碱目的是增加选择性，即避免醛或丙酮的自缩合。然而，在工业方法中以这种方式进行反应的缺点是非常低的空时收率。
在第二步中，该混合物进行氢化，同时消去了水。在第一步中，碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物水溶液用作催化剂。在反应完成之后，用乙酸进行中和，过滤出沉淀的乙酸盐，再通过蒸馏分离两种中间产物。馏出物在酸(对甲苯磺酸)的存在下在100℃和8巴的压力下在包括5％Pd/活性炭的催化剂上氢化。从氢化产物中过滤出催化剂，分离有机相和通过蒸馏从中分离出目标产物。两个步骤后的6-甲基庚-2-酮的收率是65％，以3-甲基丁醛为基准计。该方法具有一些缺点：在第一步中使用的碱用乙酸中和。结果，该方法增添了另外的原料成本。所形成的乙酸盐必须进行处理，这招致了另外的成本。
从经济的角度来看，已知方法还没有满足由以工业规模进行的方法构成的所有要求，这要么是因为起始原料不能以充足的量和/或低成本效益获得，要么是因为起始原料向6-甲基庚-2-酮的转化与太复杂的方法相关。
因此，本发明的目的是开发以廉价和容易获得的原料为基础来工业制备6-甲基庚-2-酮的更经济的方法。
已经发现，6-甲基庚-2-酮可以通过异丁烯加氢甲酰化形成戊醛，后者与丙酮进行羟醛缩合，随后羟醛缩合产物氢化而大量获得。
本发明因此提供了制备6-甲基庚-2-酮的方法，该方法的特征在于：
a)异丁烯加氢甲酰化，形成3-甲基丁醛，
b)3-甲基丁醛与丙酮进行碱催化的羟醛缩合，形成6-甲基庚-3-烯-2-酮，其中3-甲基丁醛与所使用的碱的摩尔比高于1∶0.3，和
c)6-甲基庚-3-烯-2-酮氢化，获得6-甲基庚-2-酮。
根据本发明制备的6-甲基庚-2-酮可以用于制备异植醇、四氢化芳樟醇或二氢香叶醇。
用作通过本发明的方法制备6-甲基庚-2-酮的起始原料的异丁烯可以来自许多来源。异丁烯可以作为纯物质或作为含异丁烯的混合物例如与其它C4烃类的混合物使用。含异丁烯的工业混合物是FCC的C4级分，蒸汽裂化器的C4级分，通过丁二烯萃取得自蒸汽裂化器的C4级分的萃余液I，或蒸汽裂化器的氢化C4级分，其中丁二烯的大部分已选择性氢化为线性丁烯类。其它含异丁烯的料流是通过含异丁烯的烃料流的脱氢获得的混合物。
此外，富含异丁烯的料流还可通过包括线性丁烯类的C4料流的骨架异构化来制备。
异丁烯与C4级分的分离一般通过两种后处理方法来进行。两种后处理变型方案共有的第一步是去除大部分的丁二烯。如果丁二烯便于出售或内部消费，它通过萃取或萃取蒸馏来分离。此外，可将它选择性氢化成线性丁烯类，致使剩至大约2000ppm的残留浓度。在两种情况下，余下的是包括饱和烃类正丁烷和异丁烷与烯烃异丁烯、1-丁烯和2-丁烯的烃混合物(萃余液I或氢化裂化器C4)。
异丁烯通过与甲醇反应，形成甲基叔丁基醚(MTBE)来从该烃混合物中分离。MTBE的再离解获得了甲醇和异丁烯的混合物，该混合物能够容易地分离为该两种组分。异丁烯能够类似地通过与水反应，形成中间产物叔丁醇和再离解后者来进行分离。
作为选择方案，基本上不含丁二烯的C4级分(来自FCC的C4料流，萃余液I或氢化裂化器C4)能够在反应塔内进行加氢异构化。这样获得了包括异丁烷和异丁烯的塔顶产物。
加氢甲酰化(步骤a)
异丁烯用合成气加氢甲酰化为3-甲基丁醛是已知的。在该反应中可以使用钴或铑催化剂。对于钴催化(DE 39 02 892 A1)，收率为至多74％。另外，形成了2，2-二甲基丙醛和异丁烷。在有机亚磷酸酯配体的存在下使用铑催化剂的加氢甲酰化获得了更好的收率。异丁烯使用包括铑和双亚磷酸酯的催化剂体系加氢甲酰化为3-甲基丁醛的方法例如公开在US 4 668 651，US 4 769 498和WO 85-03702中。US 4 467116尤其描述了在2-位上二烷基化的α-烯烃的端部加氢甲酰化。为此使用包括铑和其中至少一个芳基在邻位上携带庞大取代基的三芳基膦的催化剂体系。
在本发明方法的步骤a)(加氢甲酰化)中，可以使用包括铑和结构通式I的亚磷酸酯的催化剂体系。
在这里，Ar1、Ar2和Ar3是可以相同或不同的取代或未取代的芳族基团。适合的芳族基团例如是苯基、萘基、菲基或蒽基。芳族基团中至少一个在亚磷酸酯氧的邻位上携带基团R1和在间位或对位上携带另一取代基X1。R1进而可以是脂族、环脂族、芳族或杂环基团。纯脂族基团具有结构通式II。
Ra、Rb和Rc可以是相同或不同的，并且是具有1-6个碳原子的烃基。R1优选是苯基或叔丁基。X1是分别具有1-6个碳原子的烃基或醚基。
在步骤a)中，异丁烯或包含异丁烯作为唯一的不饱和化合物的烃混合物的加氢甲酰化优选使用包括铑和亚磷酸三芳基酯的上述催化剂体系以均相反应(一个液相)进行。在此，反应在60-180℃，优选90-150℃的温度范围内进行。反应压力是10-200巴，优选20-100巴。作为加氢甲酰化剂，使用摩尔比为1/10到10/1的一氧化碳和氢的混合物。铑浓度是5-500ppm(重量)，优选10-200ppm(重量)。每mol的铑使用1-50mol，优选5-30mol的亚磷酸三芳基酯。反应可以间歇进行，但优选的是连续工艺。
有利地是通过蒸馏将反应产物分离为未反应的异丁烯，3-甲基丁醛，其中包括催化剂的高沸点化合物和副产物。未反应的异丁烯和催化剂返回到加氢甲酰化反应器中。
羟醛缩合(步骤b)
3-甲基丁醛与丙酮羟醛缩合为6-甲基庚-3-烯-2-酮优选作为两相反应进行。在步骤b)中的反应可以连续或间歇地在管式反应器、流动管或搅拌容器内进行。
羟醛缩合用碱催化，优选的碱是具有0.1-15重量％的碱浓度的无机含水体系。有用的碱是碱金属氢氧化物如NaOH、KOH，K2O，Na2O或NaHCO3，Na2CO3，K2CO3，乙酸盐，甲酸盐或三乙胺。
在羟醛缩合中不仅形成了所需产物6-甲基庚-3-烯-2-酮，而且还形成了副产物4-甲基-2-戊烯-2-酮(4-MP)，3-甲基-2-异丙基-2-丁烯醛(3-MiPB)，5-甲基-2-异丙基-2-己烯醛(5-MiPH)，4-羟基-6-甲基庚-2-酮(6-HMH)。这些化合物例如还作为烯醇互变异构体存在，对于本发明来说，所需产物包括了6-甲基庚-3-烯-2-酮的所有互变异构形式。
3-甲基丁醛与所使用的碱的摩尔比是在0.3以上，优选为1∶1到1∶2，更尤其优选1∶1到1∶5。
在一个特定工艺变型中，步骤b)通过使含甲基丁醛的有机相在包含催化剂的连续相中的分散来进行。
该反应可如在专利申请DE 101 06 186.2中所述(进行多相反应的方法，尤其醛与酮类的缩合)在管式反应器内进行，其中催化剂存在于连续相中，起始原料存在于有机分散相中，并且反应器的负荷系数B等于或大于0.8，连续相与分散相的质量比大于2。(负荷系数B被定义如下：B＝PD/PS·PD[Pa/m]是在操作条件下在反应器中的纵向型压降，PS[Pa/m]是具有纵向型压力的量纲的数学参数，定义为所有组分在操作条件下的质量流率M[kg/s]的比率乘以g＝9.81[m/s2]，即PS-(M/V)*g。)作为催化剂相，在该方法的所有变型中优选使用的是碱金属或碱土金属化合物形式的氢氧化物、碳酸氢盐、碳酸盐或羧酸盐的水溶液，尤其氢氧化钠和氢氧化钾的水溶液。催化剂在催化剂溶液中的浓度为0.1-15质量％，尤其0.1-5质量％。在DE 101 06186的公开物中给出了反应器的其它细节和其操作模式。
适宜的是，将3-甲基丁醛、丙酮和任选性的溶剂在各反应器的上游进给催化剂相。
3-甲基丁醛与丙酮的摩尔比是5/1到1/10，优选1/1到1/5。反应在40-150℃，优选50-120℃的温度范围内进行。反应时间是0.1-20分钟，优选0.2-5分钟。
任选地，从反应产物中分离催化剂相，再返回到反应器中。未反应的起始原料、一些产物、水和任何溶剂优选在所述相分离之前蒸馏出来。在冷凝之后，馏出物分离为水相和有机相，后者能够返回到反应器中。水相优选在通过蒸馏分离出起始原料，尤其丙酮之后部分丢弃，以便排放反应水，以及部分在任选作为洗涤液使用之后返回到工艺中。
已与催化剂分离的产物相视需要在用水洗涤之后能够通过蒸馏来后处理，以获得纯2-甲基庚-3-烯-2-酮。另一可能性是在下一步骤使用与催化剂分离的粗产物。该工序使得可以以95％的选择性(按3-甲基丁醛计)制备所需的α，β-不饱和酮。
在步骤b)的所有变型中，可以使用溶剂。溶剂的使用常常导致羟醛缩合选择性的增加，对催化剂溶液中水损失的控制和水与羟醛缩合物分离的简化。
优选使用3-甲基丁醛、丙酮和6-甲基庚-3-烯酮在其中可溶，且碱或连续相在其中不溶的溶剂。
这种溶剂应该具有以下性能：它溶解产物和起始原料，本身在催化剂相中极少溶解。它在羟醛缩合中和任选地在氢化中是惰性的。它可以通过蒸馏与目标产物6-甲基庚-3-烯-2-酮和/或6-甲基庚-2-酮分离。适合的溶剂例如是醚类或烃类如甲苯或环己烷。尤其，优选的是与水形成最低非均相共沸混合物的溶剂，使得水能够以特别简单的方式与羟醛缩合物分离。为此，环己烷或甲苯优选作为溶剂。
氢化(步骤c)
通过交叉的羟醛缩合获得的6-甲基庚-3-烯-2-酮以纯形式或作为可以包括丙酮，3-甲基丁醛，水，溶剂和高沸点化合物的混合物被选择性氢化为6-甲基庚-2-酮。这优选在固定床催化剂和/或酸催化剂上进行。酸催化剂常常包括酸性载体材料或用酸性物质浸渍的载体材料。
氢化使用可以包括钯、铂、铑和/或镍作为氢化活性组分的催化剂来进行。这些金属能够以纯形式、作为与氧的化合物或作为合金来使用。优选的催化剂是其中氢化活性金属担载于载体上的那些。适合的载体材料是氧化铝，氧化镁，氧化硅，二氧化钛和它们的混合氧化物以及活性炭。在这些催化剂当中，尤其优选的催化剂是活性炭载钯和氧化铝载钯。
在包括钯和载体的催化剂的情况下，钯含量是0.1-5质量％，优选0.2-1质量％。氢化能够连续或间歇和在气相或液相中进行。在液相中的氢化是优选的，因为气相方法由于需要循环大量的气体而消耗更多的能量。对于连续液相氢化，能够选择各种工艺变型。它能够绝热或几乎等温(即温度升高低于10℃)地按一个或多个步骤进行。在后一种情况下，各反应器能够均为绝热或几乎等温进行，或一个反应器绝热操作和另一个几乎等温地操作。此外，可以进行单程选择性氢化，或让产物再循环。氢化在液/气混合相中或在三相反应器中在同向流动的液相中进行，其中氢以本身已知的方式精细分散在所要氢化的液体中。为了在高选择性下的均匀液体分布、改进的反应热脱除和高空时收率，反应器优选在15-300m3/m2，尤其25-500m3/m2的空反应器截面/小时的高液体通量下操作。如在US 5 831 135中所述，制备6-甲基庚-2-酮的一种氢化方法例如是在两个或多个反应器中的液相氢化，它们全部是在让产物再循环的情况下操作。
在本发明的方法中，6-甲基庚-3-烯-2-酮选择性氢化为6-甲基庚-2-酮是在0-200℃，尤其40-150℃的温度范围内进行。反应压力是1-200巴，优选1-30巴，尤其1-15巴。
选择性氢化提供了优点：目标产物在几乎100％转化率下以99％以上的收率获得。任选地存在于起始原料中的饱和羰基化合物如3-甲基丁醛或丙酮没有几乎未被氢化。
如果纯6-甲基庚-3-烯-2-酮被氢化，即如在氢化之前进行适当的纯化步骤(例如蒸馏)，则目标产物以优良的质量获得，使得进一步纯化是多余的。
相反，如果将粗羟醛缩合混合物进给氢化步骤，则氢化产物必须通过蒸馏来后处理。除了目标产物以外，丙酮和3-甲基丁醛也被分离出。后两种物质返回到羟醛缩合步骤中。
用本发明的方法制备的6-甲基庚-2-酮是制备异植醇(合成维生素E的结构单元)的中间产物。该化合物还用于制备四氢化芳樟醇，二氢香叶醇和其它香料。
以下实施例举例说明本发明，但不限制其范围，其范围用权利要求来限定。
实施例1(加氢甲酰化)
实验在包括泡罩塔反应器、薄膜蒸发器和蒸馏装置的实验设备中进行。异丁烯与过量合成气和含催化剂的高沸点溶剂一起从下面引入到泡罩塔。在反应器的顶部，分离出未反应的合成气。液体部分(残留烯烃，醛类，副产物，高沸点溶剂，催化剂)进入在减压下操作的薄膜蒸发器，使得所形成的醛与未反应的烯烃一起从溶解了催化剂的高沸点组分中分离出来。作为高沸点溶剂，使用以20wt％的比例存在于反应器中的邻苯二甲酸二辛酯，因为在实验开始时不存在由该方法获得的高沸点化合物且在实验期间只形成了少量的高沸点化合物。在反应器中的铑浓度是30ppm的铑，再添加作为配体的亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯。P/Rh比率是20/1。泡罩塔通过经双壁外部冷却而保持在恒定的115℃。操作压力是50巴的合成气。
在上述反应条件下，设定2kg/h异丁烯的进料速度，泡罩塔具有2.1L的体积。均衡的物流获得了异丁烯和下游产物的以下产物分布：异丁烯 8.2戊醛 0.13-甲基丁醛 90.83-甲基丁醇 0.3高沸点化合物 0.6
在99％的对3-甲基丁醛的选择性下(按异丁烯计)，异丁烯的转化率是92％。
实施例2(羟醛缩合)
羟醛缩合在如图1所示的实验装置中进行。在该装置中，连续催化剂相2用泵1循环。醛和酮一起通过管道3或分别通过管道3和4混入到催化剂中。在本实施例中，起始原料专门通过管道3混合。多相混合物5通过具有3m长度和17.3mm直径且配备具有2mm的液力直径的静态混合元件的管式反应器6泵送。包括反应产物、未反应的起始原料和催化剂的所得混合物7能够通过排入管道9而在气体分离器8中脱除挥发性成分。在本实施例中，该管道是封闭的。在脱气8之后获得的液体料流10导入相分离容器11。在这里，分离含水催化剂相2，再回进给环路。在溢流堰上流出并包括反应产物的有机相从管道12排出。
反应热能够通过位于反应器外部的换热器13、14和15去除。
使用水和丙酮作为催化剂的溶剂。实施例中的第一个附表首先报道了催化剂组成(质量％)，然后是起始原料的量及其根据气相色谱法分析获得的组成(质量％)。
在第二个表的下部，列举了产物组成(质量％)，同样是根据气相色谱法分析获得的。
在第二个表的上部，给出了空时收率(RZA)，醛的转化率(U)，对所需羟醛缩合产物的选择性(S)和负荷系数(B)。在所述的催化剂组成情况下，应该注意的是，在实施例中给出的值是初始值。NaOH的比例被羟醛缩合的反应水稍微稀释。此外，与羟醛缩合平行进行的坎尼扎罗反应导致了碱性催化剂的中和。然而，两种效应在整个观测期内都是非常小的，因此它们对于实验和实验结果的描述不是很重要的。
本实施例描述了丙酮(Ac)和3-甲基丁醛(3-MBA)在环己烷(CH)中根据本发明进行羟醛缩合，形成6-甲基-3-庚烯-2-酮(6-MH)的方法。副产物4-甲基-3-戊烯-2-酮(4-MP)，3-甲基-2-异丙基-2-丁烯醛(3-MiPB)，5-甲基-2-异丙基-2-己烯醛(5-MiPH)和4-羟基-6-甲基庚-2-酮(6-HMH)以及其它高沸点化合物(HB)按重量％在下表中报道。
反应剂在80℃的温度和反应剂的自生压力下以400kg/h的催化剂通量通入反应器。 催化剂[kg] 4.5 c NaOH[％] 6.7 水[％] 89.2 丙酮 4.1 起始原料[1/h] 5.24 Ac[重量％] 42.36 3-MBA[重量％] 33.34 CH[重量％] 24.30
获得了以下结果：(不用环己烷分析)RZA[t/m3/h] 3.2 U 0.86 S 0.95 B 15.34 Ac 33.27 3-MBA 5.26 6-MH 58.37 4-MP 0.66 3-MiPB 0.42 5-MiPH 0.3 6-HMH 0.5 HB 1.2
可以明显看出，6-甲基-3-甲基庚烯-2-酮能够用本发明的方法在高空时收率下以高选择性制备。
实施例3(氢化)
在本实施例中的6-甲基-3-庚烯-2-酮(6-MH)氢化为6-甲基庚-2-酮(6-MHa)是在等温和等压条件下在差示循环反应器(Differenzialkreislaufreaktor)内进行。使用70g的Pd/Al2O3催化剂作为催化剂。固定床具有4mm的直径。所用催化剂预先在80℃和15巴的氢气压力下还原18小时。在环路中的反应混合物的体积流量为451/h。这对应于35m3/m2/h的横截面载荷。
下表报道了在5小时的反应时间之后的反应混合物的产物分析(按重量％计)。除了起始原料和产物以外，还对6-甲基庚-2-醇(6-MHO)和高沸点化合物(HS)进行分析。 6-MH 0.49 6-MHa 98.51 6-MHO 0.15 HS 0.85
在99％的对6-甲基庚-2-酮的选择性下，6-甲基庚-3-烯-2-酮的转化率是99.5％。