本发明属于有机合成技术领域，公开了一种2-烷基-1，3-丙二醇类化合物的合成方法。
背景技术：
2-烷基-1，3-丙二醇类化合物是一种有机合成中间体，在液晶材料、医药等方面都有较多的应用。
目前，常见的工业化的合成方法主要是：先用丙二酸二乙酯，合成2-烷基丙二酸二乙酯；再用硼氢化钠，或氢化锂铝、红铝等还原酯基，得到2-烷基-1，3-丙二醇，其反应方程式如下：
该方法中，第一步反应的产物中会有较多的副产物2，2-二(烷基)丙二酸二乙酯需要分离，分离代价高且会损失至少10％的收率；第二步反应需要用到2倍当量而且价格偏高的硼氢化钠(或是氢化锂铝、红铝)等，所以该方法合成2-烷基-1，3-丙二醇的成本比较高。
技术实现要素：
本发明的目的是为了降低2-烷基-1，3-丙二醇的生产成本，提供了一种合成2-烷基-1，3-丙二醇的新方法，总收率可以达到70％以上；而且所用到的各种原材料中，醇类化合物、氢气等均为常见的廉价化工原料，催化剂的用量均不大而且均可以回收套用；故产品成本明显低于上述的以丙二酸二乙酯为原料的现有技术。
为了达到上述目的，本发明提供一种2-烷基-1，3-丙二醇类化合物的合成方法，该2-烷基-1，3-丙二醇类化合物具有如下通式1h：
该合成方法包含如下步骤：
步骤1，以2-烷基丙烯醛1d为原料，在催化剂的作用下，与醇类化合物1e发生加成，得到β-醛基醚类中间体1f，反应方程式如下：
其中，所述的r3、r4、r5均选自由氢原子、芳香基、c1-9的脂肪基、及杂原子组成的有机基团群组(可相同或不同，可选择任意一种或多种的组合)，所述的杂原子包括n、o、si或卤元素中的任意一种或多种；
所述的催化剂选择以下的化合物1a、化合物1b或化合物1c中的任意一种或多种的组合；
其中，r1、r2均选自由芳香基、c1-9的脂肪基、及杂原子组成的有机基团群组(可相同或不同，可选择任意一种或多种的组合)，所述的杂原子包括n、o、si或卤元素中的任意一种或多种；
步骤2，将β-醛基醚类中间体1f依次经过催化氢化和脱除醚键保护基，得到2-烷基-1，3-丙二醇类化合物1h。
可选地，所述的r3、r4、r5选自c1-5的脂肪基或c1-5的杂原子取代基或氢，该杂原子包含o、f、si或n中的任意一种或多种。
可选地，所述的步骤1包含：
步骤1.1，向容器中加入所述的催化剂、醇类化合物1e，混合均匀；
步骤1.2，在0～80℃之间搅拌，向所述容器中分批加入或滴加2-烷基丙烯醛1d；加完后继续搅拌并保温反应1-48小时，得到β-醛基醚类中间体1f。
可选地，所述的醇类化合物1e选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、烯丙醇、丁醇、异丁醇、叔丁醇、叔戊醇、苯甲醇、环戊醇、环己醇、乙二醇、2-羟基四氢呋喃中的任意一种或多种的组合。
可选地，所述的醇类化合物1e的用量是2-烷基丙烯醛1d的1.0-100倍，以摩尔比计。
可选地，所述的催化剂的用量是2-烷基丙烯醛1d的0.5％-10％，以摩尔比计。
可选地，步骤2中，所述的催化氢化采用的催化剂选择能在120℃以下把醛基还原为羟基的氢化催化剂。
可选地，步骤2中，所述的催化氢化的反应温度在60-120℃之间；氢气压力在0.4～8.0mpa之间，反应时间以反应物不再吸收氢气(或中控分析，以绝大部分醛基都已经被氢化还原)为终点。
可选地，所述的步骤2包含：
步骤2.1，催化氢化：β-醛基醚类中间体1f经加氢催化生成β-羟甲基醚类中间体1g；
步骤2.2，脱除醚键保护基，如酸性催化水解、苄基醚类的氢解，等等，得到2-烷基-1，3-丙二醇类化合物1h反应方程如下：
可选地，当r4、r5中任意一个为h，另一个取苯基时，β-醛基醚类中间体为通式1f’，其通过催化氢化直接加氢并脱除苄基保护基，反应方程如下：
本发明提供的合成2-烷基-1，3-丙二醇的方法，所用到的各种原材料中，醇类化合物、氢气等均为常见的廉价化工原料；2-烷基丙烯醛可用廉价的脂肪醛和甲醛以高收率制备；只有催化剂的价格较高，但催化剂的用量均不大而且均可以回收套用；且工艺条件温和，操作简便，总收率可以达到70％以上，故产品成本明显低于现有技术的以丙二酸二乙酯为原料的生产方法。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明保护范围。
本文所述的“液温”是指溶液的温度。
为了降低原材料的成本，并提高反应收率，本申请的技术构思是：以2-烷基丙烯醛1d为原料，在本发明选定的催化剂(1a、1b、1c)的作用下与醇类等化合物1e发生加成，得到β-醛基醚类中间体1f；再经催化氢化还原醛基、和脱去醚类保护基的经典化学反应，得到2-烷基-1，3丙二醇1h，总收率可达70％以上。
然而，该方法存在以下技术难点，而未曾见任何报道和尝试。
最关键的，需要合适的催化剂，才可能让2-烷基丙烯醛与醇类化合物发生反应，得到β-醛基醚类中间体，其对应的反应方程式如下：
在本发明之前的大多数文献，都是使用酸或碱性较强的催化剂(如乙酸；1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯，等)来催化该类反应，然而，收率普遍只有40-50％，反应后的剩余原料或副产物太多，如，酸性催化剂会催化醛基与醇类化合物生成缩醛类副产物；碱性催化剂可导致原料之一的2-烷基丙烯醛发生自聚合副反应，且产物(β-醛基醚类中间体1f)的化学性质不稳定，在酸性、碱性较强的条件下都容易分解并变回两种原料，没有工业实用价值。
虽有少数几篇文献报道，可以使用邻苯甲酰磺酰亚胺，或是邻苯二磺酰亚胺为催化剂，使得该反应收率达到80％以上；但因该反应的产物(β-醛基醚类中间体1f)的分子极性大、化学稳定性也差，在反应完成之后，没有合适的办法彻底除去其中残留的邻苯甲酰磺酰亚胺(或邻苯二磺酰亚胺)。而邻苯甲酰磺酰亚胺和邻苯二磺酰亚胺都含有硫元素，在本反应的产物中即使只有ppm级的残留，在进行本发明后续的氢化反应时，都容易导致因发生严重的催化剂中毒而无法完成醛基的加氢还原。
为解决上述问题，本发明经过创造性的劳动优选了3种之前未见报道的新催化剂：3，4-二(甲酸酯基)-邻苯二甲酰亚胺类化合物(1a)，5-甲酸酯基-2，3-萘二甲酰亚胺类化合物(1b)，5，8-二(甲酸酯基)-2，3-萘二甲酰亚胺类化合物(1c)。这3种催化剂的主体结构都是邻苯(或邻萘)二甲酰胺，原本该类化合物在各种有机溶剂中的溶解性都不是很好，为此我们在这类化合物的主体结构上，又都增加了一个或两个酯基，产生了两个优点：第一，增加的酯基改善了该类化合物在大部分有机溶剂中的溶解性。第二，只要用酸或碱催化水解，把酯基水解为羧基，该催化剂就会变成酰胺加羧基的结构，溶解度大幅度下降并从溶剂中析出。然后过滤(回收)，滤饼通过重新进行酯化反应，就可以变回催化剂。这3种催化剂不但可以使2-烷基丙烯醛与醇类化合物顺利发生反应，得到β-醛基醚类中间体1f的收率都达到80％以上；而且对后续的加氢反应没有不利影响，催化剂还可以方便地回收再利用，从而使得本发明对应的工艺路线具备了可行性和实用价值。
上述催化加成反应制备β-醛基醚类中间体1f过程中，必要时还可加入一定数量的溶剂。若加入的醇类化合物粘稠不利于搅拌，或是(在反应温度下)为固态，或是加入的醇类化合物对催化剂的溶解效果较差，则需加入溶剂，否则不用另加溶剂。
若需加入溶剂，则溶剂可以是石油醚、环己烷、甲基环己烷、苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、四氢呋喃、甲基环戊基醚、二氧六环、甲基叔丁基醚等中的一种或多种混合。实际上有更多的溶剂可用于本反应；基本上只要是ph值为中性、而且能溶解醇类化合物和催化剂的有机溶剂都可以用。
所述的溶剂用量，可以是加入的2-烷基丙烯醛的0-30倍(质量比)。
β-醛基醚类中间体1f经催化氢化还原醛基的反应条件，可采用各种经典的成熟的醛基类化合物加氢得到醇类化合物的反应条件。所述的氢化催化剂只要能在120℃以下把醛基还原为羟基即可，可选择钯催化剂、钌催化剂、铂催化剂中的任意一种或任意多种的组合，如，兰尼镍或钯炭等。所用加氢催化剂的用量根据催化剂的种类而异，比如兰尼镍的用量一般为原料2-烷基丙烯醛的10％-25％(质量比)；钯碳的用量一般为原料2-烷基丙烯醛的0.5％-5％(质量比)。
脱去醚类保护基的反应条件，可采用各种经典的成熟的醚键脱除保护基得到醇类化合的反应条件，如酸性催化水解、苄基醚类的氢解，等等，条件温和，收率高。若需要脱除的醚键保护基为苄基，则可以在进行催化氢化的同时，脱去醚键的苄基保护基。
所得的2-烷基-1，3-丙二醇1h的粗品溶液，可以再经各种常用的有机化合物的纯化方法处理，如萃取、分液、减压蒸(精)馏、结晶、水汽蒸馏等等，最终得到纯度在98％以上的2-烷基-1，3-丙二醇。
以下结合实施例进一步说明。
实施例1
合成路线如下式：
氮气保护下，向1000ml的三口玻璃瓶中加入460g(10mol)的无水乙醇，以及0.145g(0.0005mol)的3，4-二(甲酸乙酯基)-邻苯二甲酰亚胺。搅拌下，把反应液降温至0℃左右，然后加入8.4g(0.1mol)的2-乙基丙烯醛(2a)；加完后保温0-10℃继续搅拌48小时。
把上述反应液转入高压釜，并加入2.1g的兰尼镍。氮气置换后，持续通入氢气，并在液温110-120℃、氢气压力8mpa的条件下进行催化加氢。约10小时后，确认不再有吸氢现象。把加氢反应液降温至室温，然后氮气置换、取出反应液并过滤回收兰尼镍。
所得滤液转入另一干净的1000ml三口瓶，再另外加入100g的10％硫酸，搅拌下加热至乙醇回流8小时。降温后，反应液用氢氧化钠溶液中和至中性，然后减压浓缩除去乙醇和水。浓缩剩余物用乙酸乙酯萃取3次，每次用50ml的乙酸乙酯；合并乙酸乙酯层，再次减压浓缩，得到约10.2g(理论产量10.4g)的浓缩剩余物，即2-乙基-1，3-丙二醇(2d)的粗品。用气相色谱分析，其含量约为86.1％。
对比例1
把实施例1中采用的3，4-二(甲酸乙酯基)-邻苯二甲酰亚胺，用等质量的dbu(1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯)替代；其余的操作均与实施例1相同。最后得到的粗品用气相色谱进行分析，其中目标产物(2-乙基-1，3-丙二醇，2d)的含量仅为51％，另含有约29％的2-甲基丁醇，和其他多种杂质。可见，dbu催化剂不能达到本发明的目的，本发明优选的催化剂具有意料不到的技术效果。
对比例2
把实施例1中采用的，0.0145g的3，4-二(甲酸乙酯基)-邻苯二甲酰亚胺，用0.6g(0.01mol)的乙酸替代；其余的操作均与实施例1相同。最后得到的粗品用气相色谱进行分析，其中目标产物(2-乙基-1，3-丙二醇，2d)的含量仅为46％，另含有约33％的2-甲基丁醇，和约16％的2-甲基丁醛。可见，乙酸作为催化剂不能达到本发明的目的。
实施例2
合成路线如下式：
氮气保护下，向500ml的三口玻璃瓶中加入200g的甲苯、7.4g(0.1mol)的叔丁醇，以及2.68g(0.01mol)的5-甲酸乙酯基-2，3-萘二甲酰亚胺。搅拌下，向反应液中再加入16.8g(0.1mol)的2-(3，4-二氟)苯基丙烯醛(3a)；加完后保温70-80℃继续搅拌1小时。
把上述反应液转入高压釜，并加入0.084g的5％钯碳。氮气置换后，持续通入氢气，并在液温90-100℃、氢气压力0.4mpa的条件下进行催化加氢。约8小时后，确认不再有吸氢现象。把加氢反应液降温至室温，然后氮气置换、取出反应液并过滤回收钯碳。
所得滤液转入另一干净的500ml三口瓶，再另外加入50g的5％硫酸，搅拌下加热至甲苯回流5小时。再次降温至室温后，先分液除去硫酸层；再用100ml(每次)的2％的氢氧化钾溶液洗涤2次，除去5-甲酸乙酯基-2，3-萘二甲酰亚胺；最后再把有机层用水洗至中性、分液。有机层减压浓缩除去甲苯后，得到浅黄色糊状物(冷却后凝固)；将其用4倍(质量体积比)的氯仿结晶2遍后，得到14.7g(理论产量18.8g)的2-(3，4-二氟)苯基-1，3-丙二醇(3d),用气相色谱分析其纯度为98.3％。
实施例3
合成路线如下式：
氮气保护下，向1000ml的三口玻璃瓶中加入540g的四氢呋喃、21.6g(0.2mol)的苄醇，以及1.64g(0.005mol)的5，8-二(甲酸乙酯基)-2，3-萘二甲酰亚胺。搅拌下，向反应液中再加入18.0g(0.1mol)的2-(4-丙基)环己基丙烯醛(4a)；加完后保温40-50℃继续搅拌5小时。
把反应液转入高压釜，并加入0.9g的3％钯碳。氮气置换后，持续通入氢气，并在液温60-70℃、氢气压力2.0mpa的条件下进行催化加氢。约10小时，确认不再有吸氢现象后；把加氢反应液降温至室温，然后氮气置换、取出反应液并过滤回收钯碳。
所得滤液用50ml(每次)的2％的氢氧化钾溶液洗涤2次，除去5，8-二(甲酸乙酯基)-2，3-萘二甲酰亚胺；然后减压浓缩除去四氢呋喃，得到浅黄色糊状物(冷却后凝固)；将其用5倍(质量体积比)的石油醚结晶2遍后，得到15.4g(理论产量20.0g)的2-(4-丙基)环己基-1，3-丙二醇(4c),用气相色谱分析其纯度为98.6％。
综上所述，本发明用2-烷基丙烯醛为原料，在本发明设计的催化剂的作用下与醇类等化合物发生加成，得到β-醛基醚类中间体；再经催化氢化还原醛基、再脱去醚类保护基的经典化学反应，得到2-烷基-1，3丙二醇，总收率可达70％以上。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。