一种制备异山梨醇乙醚的方法
【专利摘要】本发明涉及一种异山梨醇和乙醇直接醚化制备异山梨醇乙醚的方法。以异山梨醇和乙醇为原料在酸性催化剂作用下直接醚化合成2-乙氧基异山梨醇（2-MEI）、5-乙氧基异山梨醇（5-MEI）以及异山梨醇二乙醚（DEI），所得异山梨醇乙醚总收率可达65%以上。本发明采用环境友好型酸性催化剂催化异山梨醇与乙醇直接醚化的方法，避免了高毒性卤代烃的引入及大量卤化盐副产物的生成，避免了强酸、强碱所致的腐蚀性问题，提供了一种高效制备异山梨醇单、二乙醚的绿色合成方法。
【专利说明】-种制备异山梨醇乙醚的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种制备异山梨醇乙醚的方法，具体地说是酸性催化剂催化异山梨醇 和乙醇直接醚化制备2-乙氧基异山梨醇（2-MEI)、5-乙氧基异山梨醇（5-MEI)以及异山梨 醇二乙醚（DEI)。
【背景技术】
[0002] 化石资源为人类社会的生存和发展提供了必要的能源及化学品保障。随着化石资 源的日益枯竭、温室气体危害的愈加突显，寻求可再生资源替代化石资源以获取燃料及化 学品的研究愈来愈受到广泛关注。生物质作为可再生有机含碳资源可转化制备燃料及化学 品，为社会发展提供了一条可持续路线。
[0003] 异山梨醇是一种重要的生物质基化合物，它可由葡萄糖的加氢产物山梨醇经两步 脱水获得。异山梨醇是一个呈"V"型结构的不对称二元醇化合物，具体包含两个稠合的四 氢呋喃环以及分别处于面内（C 2)、面外（C5)的仲羟基。其中，位于C5位的羟基与相邻四氢 呋喃环的氧原子能形成分子内氢键，而位于(： 2位的羟基则不能形成，致使两个羟基的反应 活性存在差异。鉴于其分子结构的特性，异山梨醇衍生物在绿色溶剂、手性液晶材料、表面 活性剂、医药、聚合物以及液体燃料等领域具有广阔的应用前景。
[0004] 值得关注的是，异山梨醇的醚化衍生物因在绿色溶剂、燃料、手性助剂、助溶剂及 聚合物等方面的潜在应用而备受研究者的青睐(见Palkovits等，ChemSusChem，2012,5， 167)。其中，异山梨醇二甲醚作为绿色高沸点有机溶剂已实现商业化生产。
[0005] 目前，异山梨醇醚化物制备方法集中于醚化试剂的选择及催化剂的开发，可归纳 为以下几种合成方法。（1)异山梨醇与卤代经在强碱作用下发生Williamson反应。Loupy 等在强碱性条件下，利用微波辅助加热，采用相转移催化剂高效催化异山梨醇与溴辛烷转 化生成异山梨醇二辛醚，收率可达90%(Loupy等，Tetrahedron Lett.，2000,41，3367)。高 正松等在CN101445508中阐述了以低分子量聚醚为溶剂，相转移催化剂高效催化异山梨醇 与氯甲烷醚化，所得异山梨醇二甲醚收率高达95%。然而，卤代烃的高毒性以及大量副产物 卤化盐的生成均限制了该方法的应用。（2)异山梨醇与碳酸二甲酯在强碱存在下发生醚化 反应。Tundo等在甲醇钠存在下，利用绿色溶剂碳酸二甲酯为醚化试剂，高选择性制备异山 梨醇二甲醚，收率高达98% (Tundo等，〇161113118〇16111，2010,3,566)。（3)异山梨醇与烯经发 生醚化反应。Sauthier等报道了催化剂Pd-TPPTS高效催化异山梨醇与1，3- 丁二烯调聚 反应，其中，异山梨醇完全转化，异山梨醇单醚选择性达94%。然而异山梨醇醚取代基结构 的多样性导致异山梨醇醚化产物种类复杂，且此方法不能合成烷基碳数小于8的异山梨醇 醚（Sauthier等，ChemSusChem，2011，4,1104)。之后，Palkovits等采用酸性离子交换树脂 Amberlyst-15催化异山梨醇与异丁烯醚化，获得总收率为97%的异山梨醇叔丁醚，其中，二 醚收率达 55% (Palkovis 等，Catal.Sci.Technol.，2013,3,938)。（4)异山梨醇与醇在酸 催化作用下直接醚化。最近，Decampo等发现了 Lewis酸Bi(0Tf)jf异山梨醇与丁醇直接 醚化具有较佳的催化活性，异山梨醇丁醚收率为44% (Decampo等，Green Chem. ,2013,15， 901)。同年，Palkovits等采用Amberlyst-15催化异山梨醇与叔丁醇直接醚化，所得异山梨 醇醚化衍生物收率低于40%。这是因为酸性催化条件下醚化反应的可逆性制约了醚化反应 的程度。综上，异山梨醇醚化衍生物的制备过程中存在以高毒性卤代烃为醚化试剂，或者采 用强腐蚀性酸、碱为催化剂，或者副产物较多，或者醚化产物收率低等诸多问题，限制了异 山梨醇醚化物的发展和应用，因此寻求高效、绿色的醚化方法具有重要的科学意义和应用 前景。基于此，酸催化异山梨醇与乙醇直接醚化的绿色合成路线可有效解决上述问题。本 发明以来源广泛的生物质基乙醇为醚化试剂，首次实现了酸性催化剂催化异山梨醇与乙醇 直接醚化制备2-乙氧基异山梨醇（2-MEI)、5-乙氧基异山梨醇（5-MEI)以及异山梨醇二乙 醚（DEI)。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种由异山梨醇和乙醇直接醚化制备异山梨醇单、二乙醚 的绿色合成方法，以避免高毒性卤代烃的引入、大量副产物卤化盐的生成以及强酸、强碱所 致的腐蚀性问题，能够高效催化异山梨醇与乙醇醚化制备异山梨醇乙醚。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0008] 一种制备异山梨醇乙醚的方法，以异山梨醇和乙醇为原料，在酸性催化剂作用下， 直接醚化制备2-乙氧基异山梨醇（2-MEI)、5-乙氧基异山梨醇（5-MEI)和异山梨醇二乙醚 (DEI)。
[0009] 按照本发明，醚化反应采用的酸性催化剂选自杂多酸、离子交换树脂、沸石、固体 超强酸的一种。在某些具体的实施例中，杂多酸优选磷钨杂多酸、磷钥杂多酸、硅钨杂多 酸、硅钥杂多酸、锗钨杂多酸、锗钥杂多酸、硼钨杂多酸或钴钨杂多酸；在某些具体的实施 例中，选用的离子交换树脂为磺酸型阳离子交换树脂，优选Amberylst-15、Amberlyst-35、 Amberlyst-70或Nafion-H ;在某些具体的实施例中，沸石固体酸选自Η-β、H_Y或H-ZSM-5 分子筛；在某些具体的实施例中，固体超强酸优选硫酸化氧化锆、硫酸化氧化铝、硫酸化氧 化钛。
[0010] 按照本发明，酸性催化剂用量为异山梨醇质量的〇. 2?50%，优选2?40%，更优选 5?30%。催化剂用量低于0. 2%时，反应物分子与催化剂接触不够充分导致异山梨醇转化 率低；催化剂用量高于50%时，其催化结果与催化剂用量为50%的结果无明显差别。
[0011] 按照本发明，制备过程是在密闭反应釜中进行，酸催化异山梨醇与乙醇醚化反应 是在自生压力或预先充入0. 5?3MPa氮气条件下进行。
[0012] 按照本发明，异山梨醇与乙醇醚化反应温度为120?260° C，优选130?240° C， 更优选140?220° C。反应温度低于120° C时，低温提供的能量远低于异山梨醇与乙醇 醚化反应的活化能，故醚化反应不能进行；反应温度高于260° C时，副反应加剧，反应体系 中生成大量黑色不溶物，降低异山梨醇的有效利用率。
[0013] 按照本发明，异山梨醇与乙醇醚化反应时间为0. 25?24小时，优选0. 5?20小 时，更优选1?15小时。反应时间超过24小时后，由于异山梨醇与乙醇醚化反应为平衡反 应，继续延长反应时间对醚化反应结果无益，相反会加剧副反应的发生，导致醚化产物收率 降低。而且，反应时间影响异山梨醇醚化产物的分布。
[0014] 按照本发明，乙醇与异山梨醇的摩尔比为0. 25?100:1，优选0. 5?70:1，更优选 1?50:1。乙醇与异山梨醇比例低于0.25:1时，异山梨醇的原子利用率明显降低，经济效 益低；乙醇与异山梨醇的摩尔比例高于100:1时，酸性催化剂被乙醇稀释，酸强度降低，导 致异山梨醇转化率降低。
[0015] 按照本发明，醚化反应体系中除原料外不添加或添加有醚化溶剂中的一种或二种 以上；所述的醚化溶剂选自二甲基亚砜、环丁砜、四氢呋喃、1，4-二氧六环、、苯、甲苯或环 己烷的一种或二种以上的混合物。上述溶剂起到溶解反应物及催化剂、分散反应体系和促 进异山梨醇转化等作用。醚化反应溶剂用量是异山梨醇质量的〇. 1?50倍，优选0. 5?40 倍，更优选1. 5?30倍。反应溶剂用量低于异山梨醇质量的0. 1倍时，反应体系过于粘稠， 不利于反应物的分散；反应溶剂用量高于异山梨醇质量的50倍时，底物和催化剂被过度稀 释，不利于异山梨醇醚化反应进行。醚化反应溶剂的用量为异山梨醇质量的〇. 1?50倍， 优选0. 5?40倍，更优选1. 5?30倍。
[0016] 本发明为一种酸催化异山梨醇与乙醇醚化制备异山梨醇单、二乙醚的绿色合成方 法，解决异山梨醇和乙醇直接醚化存在的异山梨醇乙醚收率低、催化剂活性低等问题。
[0017] 本发明具有如下优点：
[0018] 1.与异山梨醇和卤代烃反应制醚的方法相比较，异山梨醇与乙醇直接醚化的优势 在于原料来源于可再生资源。其中，异山梨醇与乙醇均为生物质衍生物，来源广泛，且主要 的醚化副产物为水，故酸催化异山梨醇与乙醇直接醚化制备异山梨醇乙醚是一种绿色的合 成方法。
[0019] 2.与文献中提及的酸催化异山梨醇与醇醚化方法相比较，本发明首次实现了酸催 化异山梨醇与乙醇直接醚化制备5-乙氧基异山梨醇（5-MEI)、2-乙氧基异山梨醇（2-MEI) 和异山梨醇二乙醚（DEI )，所得异山梨醇乙醚总收率可达65%以上，此收率远大于文献报道 的结果。
[0020] 3.本发明采用环境友好型酸性催化剂催化异山梨醇和乙醇直接醚化，所采用的酸 性催化剂为催化剂用量，对设备的腐蚀性轻微，实现了绿色、高效催化异山梨醇与乙醇醚化 制备5-乙氧基异山梨醇（5-MEI)、2-乙氧基异山梨醇（2-MEI)和异山梨醇二乙醚（DEI)。
【具体实施方式】
[0021] 以下结合实施例将对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于 此。
[0022] 实施例1
[0023] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比50:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量5%的磷钨杂多 酸，以环丁砜为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的5倍)，预先充入3MPa氮气，密闭反应器，于 200° C磁力搅拌反应2小时。待反应器冷却至室温，取反应液用气相色谱分析，原料异山 梨醇转化率及醚化产物收率按气相色谱内标法计算。所得异山梨醇醚化产物有5-乙氧基 异山梨醇（5-MEI)、2-乙氧基异山梨醇（2-MEI)和异山梨醇二乙醚（DEI)。实施例2
[0024] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比50:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的磷钨杂多 酸，以环丁砜为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的5倍)，预先充入3MPa氮气，密闭反应器，于 200° C磁力搅拌反应2小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法 计算。
[0025] 实施例3
[0026] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比50:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量50%的磷钨杂多 酸，以环丁砜为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的5倍)，预先充入3MPa氮气，密闭反应器，于 200° C磁力搅拌反应2小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法 计算。
[0027] 实施例4
[0028] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和 异山梨醇按照摩尔比0.25:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的 Nafion-H，以1，4_二氧六环为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的10倍)，密闭反应器，在 180° C自生压力条件下，磁力搅拌反应5小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过 气相色谱内标法计算。
[0029] 实施例5
[0030] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇 和异山梨醇按照摩尔比30:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的 Nafion-H，以1，4_二氧六环为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的10倍)，密闭反应器，在 180° C自生压力条件下，磁力搅拌反应5小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过 气相色谱内标法计算。
[0031] 实施例6
[0032] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇 和异山梨醇按照摩尔比70:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的 Nafion-H，以1，4_二氧六环为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的10倍)，密闭反应器，在 180° C自生压力条件下，磁力搅拌反应5小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过 气相色谱内标法计算。
[0033] 实施例7
[0034] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比30:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的磷钥杂多 酸，以苯为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的0. 5倍)，密闭反应器，在160° C自生压力条件 下，磁力搅拌反应12小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法计 算。
[0035] 实施例8
[0036] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比30:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的磷钥杂多 酸，以苯为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的5倍)，密闭反应器，在160° C自生压力条件下， 磁力搅拌反应12小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法计算。
[0037] 实施例9
[0038] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比30:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的磷钥杂多 酸，以苯为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的50倍)，密闭反应器，在160° C自生压力条件下， 磁力搅拌反应12小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法计算。
[0039] 实施例10
[0040] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比100:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量20%的H-Y分 子筛，预先充入3MPa氮气，密闭反应器，于180° C磁力搅拌反应2小时。原料异山梨醇转 化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法计算。
[0041] 实施例11
[0042] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比1〇〇: 1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量20%的H-Y分 子筛，预先充入3MPa氮气，密闭反应器，于200° C磁力搅拌反应2小时。原料异山梨醇转 化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法计算。
[0043] 实施例12
[0044] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比1〇〇: 1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量20%的H-Y分 子筛，预先充入3MPa氮气，密闭反应器，于220° C磁力搅拌反应2小时。原料异山梨醇转 化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法计算。
[0045] 实施例13
[0046] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比30:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的硫酸化氧 化锆，以环己烷为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的20倍)，密闭反应器，在200° C自生压力 条件下,磁力搅拌反应〇. 5小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标 法计算。
[0047] 实施例14
[0048] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比30:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的硫酸化氧 化锆，以环己烷为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的20倍)，密闭反应器，在200° C自生压力 条件下，磁力搅拌反应2小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法 计算。
[0049] 实施例15
[0050] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比30:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的硫酸化氧 化锆，以环己烷为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的20倍)，密闭反应器，在200° C自生压力 条件下，磁力搅拌反应6小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法 计算。
[0051] 实施例16
[0052] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比20:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的硅钨杂 多酸，以二甲基亚砜(异山梨醇质量的5倍）和环己烷为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的15 倍)，密闭反应器，预先充入3MPa氮气，于170° C磁力搅拌反应10小时。原料异山梨醇转 化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法计算。
[0053] 实施例17
[0054] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比20:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的锗钨杂多 酸，以甲苯为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的〇. 1倍)，密闭反应器，预先充入3MPa氮气，于 200° C磁力搅拌反应4小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过气相色谱内标法 计算。
[0055] 实施例18
[0056] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇 和异山梨醇按照摩尔比5:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量30%的 Amberlyst-15,以四氢呋喃为醚化反应溶剂(异山梨醇质量的3倍)，密闭反应器，预先充入 0. 5MPa氮气，于120° C磁力搅拌反应24小时。原料异山梨醇转化率及醚化产物收率通过 气相色谱内标法计算。
[0057] 实施例19
[0058] 在典型的制备中，异山梨醇与乙醇醚化反应是在密闭反应釜中进行。将乙醇和异 山梨醇按照摩尔比50:1的比例投入到不锈钢反应釜中，加入异山梨醇质量0. 2%的H-ZSM-5 分子筛，密闭反应器，在260° C自生压力下，磁力搅拌反应0.25小时。原料异山梨醇转化 率及醚化产物收率通过气相色谱内标法计算。
[0059] 使用实施例1?19所述的方法，酸性催化剂催化异山梨醇与乙醇醚化的反应结果 列于表1。
[0060] 表 1 :
[0061]
【权利要求】
1. 一种制备异山梨醇乙醚的方法，其特征在于：以异山梨醇和乙醇为原料，在酸性催 化剂存在下直接醚化制备2-乙氧基异山梨醇（2-MEI)、5-乙氧基异山梨醇（5-MEI)以及异 山梨醇二乙醚（DEI)。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的用于异山梨醇与乙醇醚化的酸性 催化剂选自杂多酸、离子交换树脂、沸石、固体超强酸中的一种。
3. 按照权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的杂多酸优选磷钨杂多酸、磷钥杂多 酸、硅钨杂多酸、硅钥杂多酸、锗钨杂多酸、锗钥杂多酸、硼钨杂多酸或钴钨杂多酸中的一种 或二种以上。
4. 按照权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的离子交换树脂为磺酸型阳离子交 换树脂，优选 Amberlyst-15、Amberlyst-35、Amberlyst-70 或 Naf ion-Η 中的一种或二种以 上； 所述的沸石固体酸优选Η- β、H-Y或H-ZSM-5分子筛中的一种或二种以上； 所述的固体超强酸优选硫酸化氧化锆、硫酸化氧化铝、硫酸化氧化钛的一种或二种以 上组合。
5. 按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：酸性催化剂用量为异山梨醇质量的 0· 2?50%，优选2?40%，更优选5?30%。
6. 按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的制备过程在密闭反应釜中进 行，酸催化异山梨醇与乙醇醚化反应是在自生压力或预先充入〇. 5?3MPa氮气条件下进 行。
7. 按照权利要求1?6中任一项所述的方法，其特征在于：醚化反应温度为120? 260° C，优选 130 ?240° C，更优选 140 ?220° C。
8. 按照权利要求1?7中任一项所述的方法，其特征在于醚化反应时间为0. 25?24 小时，优选〇. 5?20小时，更优选1?15小时。
9. 按照权利要求1?8中任一项所述的方法，其特征在于：乙醇与异山梨醇的摩尔比 为0· 25?100:1，优选0· 5?70:1，更优选1?50:1。
10. 按照权利要求1?9中任一项所述的方法，其特征在于：醚化反应体系中除原料外 不添加或添加有醚化溶剂中的一种或二种以上； 所述的醚化溶剂选自二甲基亚砜、环丁砜、四氢呋喃、1，4-二氧六环、、苯、甲苯或环己 烷的一种或二种以上的混合物； 醚化反应溶剂的用量为异山梨醇质量的〇. 1?50倍，优选0. 5?40倍，更优选1. 5? 30倍。
【文档编号】C07D493/04GK104250256SQ201310273317
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】徐杰, 车鹏华, 路芳, 聂鑫, 黄义争, 高进, 苗虹 申请人:中国科学院大连化学物理研究所