本发明属于薄荷酮制备领域，具体涉及一种由l-异胡薄荷醇经钌配合物和n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体的协同催化作用下制备高纯度l-薄荷酮的方法以及用于该方法的催化剂体系。
背景技术：
薄荷酮，别名孟酮，具有天然薄荷的清凉特征香气。薄荷酮以两种立体异构体的形式存在：薄荷酮和异薄荷酮，其各自又以两种对映异构体的形式存在。薄荷酮应用于日化、食品、医药等行业，可生产、调配薄荷、花香味香精；同时，可以通过它制备各种衍生物，因此薄荷酮的合成一直受到人们的关注。
专利us3124614报道利用百里酚在pd催化剂作用下氢化可以得到薄荷酮，但原料百里酚不易得到，且只能得到消旋产品，气味与手性薄荷酮有所差别。
专利cn106061933a报道了气相中的异胡薄荷醇与经活化的氧化性铜催化剂接触制备薄荷酮的方法，该方法中可以制得手性薄荷酮，但反应前铜催化剂需要用氢和醇活化，活化效果对反应收率影响较大，不适宜大规模工业生产，且整个过程需要使用氢气工艺风险较高，不利于安全生产。
专利cn105061175a报道了一种使用香茅醛在游离基引发剂作用下经分子内环合得到薄荷酮，该方法需要引入其他溶剂，对后期处理产生不利影响，增加了工艺操作的复杂性，且该专利只适用于合成消旋薄荷酮。
专利cn106068160a描述用于转移氢化反应的钌～酚催化剂，并且该催化剂在转移氢化反应中具有优异的性能，将该催化剂用于由异胡薄荷醇制备薄荷酮，具有较高的转化率和选择性。但是，该工艺的周转数(ton)提高有限，催化剂寿命仍然较短，得到的l-薄荷酮纯度较差的问题，增加了整个工艺的复杂性。
因此，急需一种工艺简单，反应条件温和，经济高效、环保友好且易于实现工业化的方法来实现薄荷酮的制备。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种连续制备高纯度l～薄荷酮的方法，从而解决现有制备薄荷酮工艺中存在的诸多问题，本发明在温和的反应条件下，利用钌配合物和n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体的协同作用催化l-异胡薄荷醇高收率制备l-薄荷酮，无需引入外来氢源工艺安全，离子液体和催化剂的混合液回收套用方便，具有较好的工业化前景。
其中，l-薄荷酮和d-异薄荷酮结构如下：
l-异胡薄荷酮结构如下:
为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种由l-异胡薄荷醇合成手性薄荷酮对映体l-薄荷酮和d-异薄荷酮的方法，该方法包括：使l-异胡薄荷醇在包括钌配合物和n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体的催化剂体系的存在下发生分子内氢转移，经过反应精馏，制备l-薄荷酮。
本发明中，所述l-异胡薄荷醇优选纯度≥97％。
本发明中，n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体的结构式如下所示：
本发明中，所述钌配合物非限定性实例为三氯化钌、乙酰丙酮钌、ru(cod)cl2、[ru(cod)](bf4)2、[ru(cod)](clo4)2、[ru(cod)](pf6)2、双(2-甲基烯丙基)(l,5-环辛二烯)钌、二氯(对甲基异丙基苯基)钌二聚体中的一种或多种，优选三氯化钌和/或乙酰丙酮钌，更优选三氯化钌。
本发明中，优选地，反应精馏是在温度80-150℃，优选110-120℃，10-150pa，优选10-100pa的绝对压力下进行10-40小时，优选15-25小时。
本发明中，以起始化合物l-异胡薄荷醇的物质的量计算，所述钌配合物的摩尔分数为0.0001％～l％，优选0.001％～0.1％。
本发明中，以起始化合物l-异胡薄荷醇的质量计算，所述手性离子液体的质量分数为0.01wt％～0.05wt％，优选0.03wt％～0.04wt％。
本发明中，反应精馏在填料塔(精馏塔)中进行，填料塔具有30～100个理论塔板，优选50～80个理论塔板，采用塔釜进料的方式。
本发明中，填料塔中装填散装填料与碱性阴离子树脂的混合物，散装填料与碱性阴离子树脂的体积比为6/1～3/1，优选5/1～4/1。
本发明中，所述散装填料包括但不限于三角螺旋、拉西环、螺旋环、矩鞍、鲍尔环等。
本发明中，所述碱性阴离子树脂可选自强碱性阴离子树脂和/或弱碱性阴离子树脂，优选强碱性阴离子树脂，更优选大孔强碱性阴离子树脂。
本发明中所述阴离子树脂需要经由乙醇浸泡、搅拌工序，从而去除树脂中的杂质和制备过程中残留的单体，搅拌结束后，静置半小时，去除上清液，再经由洗涤、烘干工序，直至重量恒定。
本发明中，由l-异胡薄荷醇制得l-薄荷酮需要两个步骤：
a)将钌配合物和手性离子液体加入到精馏反应器中，将l-异胡薄荷醇输送至精馏反应器内，充分搅拌，反应温度为80～150℃，优选为110～130℃，维持体系压力为10～100pa(绝对)，进行减压蒸馏，塔顶冷凝温度低于10℃，回流比控制器设置为全回流模式。
b)反应进行3-7h，优选约5h后，回流比控制器由全回流切换至采出模式，回流比控制为5:1～10:1，优选7:1～8:1，反应时间为15～25小时，优选18～20小时。
本发明中所制备的n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体营造的手性微环境促大大提高了l-异胡薄荷醇制得l-薄荷酮的选择性；离子液体无蒸气压，液相温度范围宽，使分离易于进行，离子液体和催化剂的混合液可以重复利用；精馏过程中在碱性阴离子树脂的催化作用下，又实现了d-异薄荷酮向l-薄荷酮的异构，进一步提高了l-薄荷酮的选择性。
根据本发明的方法，反应转化率为95％～99.9％，最终产物化学选择性为90％～99％，l-薄荷酮/d-异薄荷酮>95/5。
本发明的第二个方面涉及一种催化剂体系，其包括钌配合物和n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体。优选地，n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体与钌配合物的质量比可以为1：0.5-10，优选1：1.5-5。
优选地，n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体的结构式如下所示：
所述钌配合物为三氯化钌、乙酰丙酮钌、ru(cod)cl2、[ru(cod)](bf4)2、[ru(cod)](clo4)2、[ru(cod)](pf6)2、双(2-甲基烯丙基)(l,5-环辛二烯)钌、二氯(对甲基异丙基苯基)钌二聚体中的一种或多种，优选三氯化钌和/或乙酰丙酮钌，更优选三氯化钌。
本发明的第三个方面涉及n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体，其结构式如下：
本发明的第四个方面涉及一种制备n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体的方法，该方法包括：
(a)使β-环糊精与对甲基苯磺酰氯在碱性条件下反应，反应后将产物重结晶，干燥，得到下式化合物a：
(b)使步骤(a)获得的化合物a与碘化钾在溶剂中反应，然后减压蒸馏除去溶剂，除去未反应的碘化钾，得到下式的化合物b：
(c)使化合物b和n-甲基咪唑在溶剂中在搅拌条件下反应，过滤白色沉淀物，并洗涤，抽滤后干燥，得到下式的化合物c：
优选地，步骤(a)中，β-环糊精与对甲基苯磺酰氯的摩尔比为1:1-6，优选1:2～4。碱性条件可以为氢氧化钠的水溶液。步骤(a)可以在氮气环境和室温条件下反应5-20小时，优选8-12小时。
优选地，步骤(b)中，步骤(a)获得的化合物a与碘化钾的质量比可以为1：0.5-5，优选1：0.8-1.5。步骤(b)中，化合物a和碘化钾的质量之和与溶剂的质量比可以为1：5-20，优选1：8-15。溶剂可以是酰胺类溶剂例如二甲基甲酰胺。反应条件可以为氮气气氛、反应温度80-100℃，优选85-95℃，反应时间可以为5-48小时，优选10-20小时。
优选地，步骤(c)中，化合物b和n-甲基咪唑的摩尔比为1:1-5，优选1:2-4。步骤(c)中，化合物b和n-甲基咪唑的质量之和与溶剂的质量比可以为1：1-10，优选1：2-4。溶剂可以是酰胺类溶剂例如二甲基甲酰胺。反应条件可以为氮气气氛、反应温度80-100℃，优选85-95℃，反应时间可以为24-96小时，优选20-40小时。
在一个具体实施方案中，所述n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体为环糊精以加成方式与n-甲基咪唑反应制得，合成路线如下：
(1)化合物a：称取β-环糊精与对甲基苯磺酰氯溶于氢氧化钠的饱和碱性水溶液中，氮气环境下室温搅拌5-20小时，优选约10小时，丙酮重结晶(例如3次)，真空干燥，得到白色化合物a；
(2)化合物b：称取化合物a和碘化钾溶于溶剂例如dmf中，在氮气氛围下加热到80-100℃，优选约90℃恒温搅拌10-30小时，优选约15小时，然后减压蒸馏除去溶剂，加入去离子水溶解，用丙酮沉淀产物，优选重复三次，以除去未反应的碘化钾，过滤，真空干燥，得到白色化合物b；
(3)化合物c：称取化合物b和n-甲基咪唑溶于溶剂例如dmf中，在氮气氛围下加热到80-100℃，优选约90℃恒温搅拌1-3天，优选约2天，再剧烈搅拌一段时间(例如20分钟到1小时，优选约半小时)，过滤白色沉淀物，并洗涤，抽滤后干燥，得到白色化合物c。
发明方法的积极效果在于：在钌配合物和n-甲基咪唑-β-环糊精手性离子液体的协同催化作用下，在温和的反应条件下，就能够高收率、高效的由l-异胡薄荷醇制备l-薄荷酮，具有显著的可操作性及经济性。同时，离子液体和催化剂的混合液回收套用方便。其次，其氢化转移的工艺路线，避免了引入氢气作为氢源，所以极大的提高了工艺安全性。碱性阴离子树脂作为填料的一部分又实现了d-异薄荷酮向l-薄荷酮的异构。
具体实施方式
以下实施例用于解释说明本发明，但没有任何限制性质：
分析仪器：
气相色谱仪：agilent7890，色谱柱inno～wax，进样口温度：300℃；分流比50:1；载气流量：30ml/min；升温程序：80～230℃,3℃/min，检测器温度：280℃。
原料及试剂：
l-异胡薄荷醇98wt％，湖北巨龙堂医药化工有限公司；
三氯化钌98wt％，阿拉丁试剂有限公司；
乙酰丙酮钌98wt％，阿拉丁试剂有限公司；
双(2-甲基烯丙基)(l,5-环辛二烯)钌99％，alfa试剂；
β-环糊精99wt％,阿拉丁试剂有限公司；
对甲基苯磺酰氯99wt％,阿拉丁试剂有限公司；
氢氧化钠98wt％，四川西陇化工有限公司；
丙酮98wt％，四川西陇化工有限公司；
氯化钾98wt％，四川西陇化工有限公司；
n,n-二甲基甲酰胺98wt％，四川西陇化工有限公司；
n-甲基咪唑99wt％,阿拉丁试剂有限公司；
d201大孔强碱性阴离子树脂，lr国营临海树脂厂；
d301大孔弱碱性阴离子树脂，lr国营临海树脂厂。
实施例1
称取4g(3.52mmol)β-环糊精与对甲基苯磺酰氯2g(10.56mmol)溶于20ml氢氧化钠的饱和碱性水溶液中，氮气环境下室温搅拌10小时，丙酮重结晶3次，真空干燥；得到白色化合物a3.85g，1hnmr(300mhz,dmso-d6):2.34(t,3h,-ch3-ts),3.20～3.67(br,m,42h,-ch),4.47(m,6h,oh),4.82～4.86(br,d,7h,-ch),5.68～5.79(br,m,14h,oh),7.07(t,2h,-ch-ts),7.27(t,2h,-ch-ts)。
称取3g(0.234mmol)干燥的化合物a和2g碘化钾(18.06mmol)溶于60ml经5a分子筛除水过的dmf中，在氮气氛围下加热到90℃恒温搅拌15小时，然后减压蒸馏除去溶剂，加入15ml去离子水溶解，用300ml丙酮沉淀产物，重复三次以除去未反应的碘化钾，过滤，50℃下真空干燥，得到白色化合物b2.58g，1hnmr(300mhz,dmso-d6):3.20～3.67(br,m,42h,-ch),4.47(m,6h,oh),4.82～4.86(br,d,7h,-ch),5.68～5.79(br,m,14h,oh)。
称取2g(1.61mmol)干燥的化合物b和0.40g(4.83mmol)n-甲基咪唑溶于5ml经5a分子筛除水过的dmf中，在氮气氛围下加热到90℃恒温搅拌2天，加入25ml丙酮剧烈搅拌半小时，过滤白色沉淀物，并用丙酮洗涤，抽滤后50℃真空干燥，得到白色化合c1.95g,1hnmr(300mhz,dmso-d6):2.73(s,1h,-ch),2.89(s,1h,-ch),3.14～3.46(m,12h,-ch),3.55～3.66(m,26h,-ch),3.82～3.95(m,2h,-ch),4.14～4.28(m,1h,-oh),4.43～4.46(m,3h,-oh),4.54～4.56(m,2h,-oh),4.77～4.85(m,6h,-ch),5.04(s,1h,-ch),5.35(t,3h,-ch3-pyr),5.65～5.84(m,13h,-oh),6.07～6.09(d,1h,-oh),8.12～8.16(t,1h,＝ch-pyr),8.64(t,1h,＝ch-pyr),9.01～9.03(d,1h,＝ch-pyr)。
实施例2
d201树脂在95％乙醇中浸泡搅拌十分钟，搅拌结束后，静置半小时，去除上清液，去离子水清洗三次，50℃条件下将树脂烘干，直至重量恒定。
实施例3
d301树脂在95％乙醇中浸泡搅拌十分钟，搅拌结束后，静置半小时，去除上清液，去离子水清洗三次，50℃条件下将树脂烘干，直至重量恒定。
实施例4
精馏塔填入体积比为5/1的1.5*1.5三角螺旋和d201混合填料，称取1.35g三氯化钌和0.3g实施例1中制得的化合物c放入塔釜容积为2l的精馏反应器中，再通入1000gl-异胡薄荷醇，搅拌均匀，反应温度为120℃，维持体系压力为100pa，进行减压蒸馏，塔顶冷凝温度低于10℃，回流比控制器设置为全回流模式。
反应进行5h后，回流比控制器由全回流切换至采出模式，回流比控制为8:1，随着采出进行，逐渐降低体系压力至10pa，反应时间20h。
反应结束后，使用气相色谱仪对塔顶采出液及塔釜残留反应液进行气相检测。经核算得到l-异胡薄荷醇的转化率为99.9％，反应的选择性为98.9％，l-薄荷酮/d-异薄荷酮＝98.5/1.5。
实施例5
精馏塔填入体积比为4/1的1.5*1.5三角螺旋和d201混合填料，称取0.81g三氯化钌和0.4g实施例1中制得的化合物c放入塔釜容积为2l的精馏反应器中，再通入1000gl-异胡薄荷醇，搅拌均匀，反应温度为100℃，维持体系压力为100pa，进行减压蒸馏，塔顶冷凝温度低于10℃，回流比控制器设置为全回流模式。
反应进行5h后，回流比控制器由全回流切换至采出模式，回流比控制为7:1，随着采出进行，逐渐降低体系压力至10pa，反应时间15h。
反应结束后，使用气相色谱仪对塔顶采出液及塔釜残留反应液进行气相检测。经核算得到l-异胡薄荷醇的转化率为99.1％，反应的选择性为97.6％，l-薄荷酮/d-异薄荷酮＝97.3/2.7。
实施例6
精馏塔填入体积比为6/1的1.5*1.5三角螺旋和d301混合填料，称取0.81g乙酰丙酮钌和0.5g实施例1中制得的化合物c放入塔釜容积为2l的精馏反应器中，再通入1000gl-异胡薄荷醇，搅拌均匀，反应温度为150℃，维持体系压力为100pa，进行减压蒸馏，塔顶冷凝温度低于10℃，回流比控制器设置为全回流模式。
反应进行5h后，回流比控制器由全回流切换至采出模式，回流比控制为5:1，随着采出进行，逐渐降低体系压力至10pa，反应时间25h。
反应结束后，使用气相色谱仪对塔顶采出液及塔釜残留反应液进行气相检测。经核算得到l-异胡薄荷醇的转化率为96.8％，反应的选择性为95.7％，l-薄荷酮/d-异薄荷酮＝96.3/3.7。
实施例7
精馏塔填入体积比为3/1的1.5*1.5三角螺旋和d301混合填料，称取0.81g双(2-甲基烯丙基)(l,5-环辛二烯)钌和0.4g实施例1中制得的化合物c放入塔釜容积为2l的精馏反应器中，再通入1000gl-异胡薄荷醇，搅拌均匀，反应温度为120℃，维持体系压力为100pa,进行减压蒸馏，塔顶冷凝温度低于10℃，回流比控制器设置为全回流模式。
反应进行5h后，回流比控制器由全回流切换至采出模式，回流比控制为10:1，随着采出进行，逐渐降低体系压力至10pa，反应时间22h。
反应结束后，使用气相色谱仪对塔顶采出液及塔釜残留反应液进行气相检测。经核算得到l-异胡薄荷醇的转化率为95.3％，反应的选择性为93.1％，l-薄荷酮/d-异薄荷酮＝95.1/4.9。
对比例1：
精馏塔填入1.5*1.5三角螺旋，称取1.35g三氯化钌放入塔釜容积为2l的精馏反应器中，再通入1000gl-异胡薄荷醇，搅拌均匀，反应温度为120℃，维持体系压力为100pa，进行减压蒸馏，塔顶冷凝温度低于10℃，回流比控制器设置为全回流模式。
反应进行5h后，回流比控制器由全回流切换至采出模式，回流比控制为8:1，随着采出进行，逐渐降低体系压力至10pa，反应时间20h。
反应结束后，使用气相色谱仪对塔顶采出液及塔釜残留反应液进行气相检测。经核算得到l-异胡薄荷醇的转化率为90.3％，反应的选择性为86.5％，l-薄荷酮/d-异薄荷酮＝86.5/13.5。