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一种制备R-香茅醛的方法

技术摘要:
本发明提供一种制备R‑香茅醛的方法。包括以下步骤:(1)柠檬醛与氮杂环苯基手性砌块合成含有顺反异构体的手性不饱和化合物;(2)手性不饱和化合物在低温下结晶分离,得到顺式异构体和反式异构体;(3)顺式异构体在R,R‑型手性金属催化剂作用下进行不对称氢化制备R‑型手  全部
背景技术:
香茅醛,学名3,7-二甲基-6-辛烯醛,分子式C10H18O,是链状的单萜醛。香茅醛天然 存在于香茅油和柠檬桉油,具有强烈、新鲜的青柑橘气息,香茅醛可以配制柑橘和樱桃类香 精,也用作调制皂用香精,但是这两方面的用量较小;更多的香茅醛被用于合成薄荷醇、薄 荷酰胺等凉味剂。因其分子结构中有一个手性中心,香茅醛具有两种光学异构体—(R)-香 茅醛和(S)-香茅醛,其中(R)-香茅醛可以用于天然L-薄荷醇的合成,因而具有更高的经济 价值。 由于其重要的经济价值,(R)-香茅醛的手性合成很早就引起了人们的关注,经过 多年努力,化学家发展了多种(R)-香茅醛的手性合成方法,橙花醛或香叶醛不对称氢化法, 即采用手性催化剂对橙花醛或香叶醛进行不对称氢化,从而得到手性香茅醛 (J.Mol.Cat.1982,16,51;Helv.Chim.Acta.2001,84,230.)。由于橙花醛和香叶醛是一对双 键顺反异构体,采用同一构型的催化剂,二者加氢分别得到(R)-香茅醛和(S)-香茅醛,因此 二者的混合物直接氢化得到的是消旋的香茅醛;要选择性的得到(R)-香茅醛,必须以纯净 的橙花醛或香叶醛为原料。由于橙花醛和香叶醛物理性质十分相似,沸点仅差1℃左右,化 学性质又比较活泼,分离二者得到纯净的橙花醛或香叶醛比较困难,目前大多数使用的精 馏方式进行的分离总收率低,进而导致成本昂贵(EP0000315、CN101039894A、 CN101675020A、CN101932543A)。 Journal  of  Molecular  Catalysis.16(1982)51-59研究了α,β-不饱和醛的均相 催化氢化,并将该方法用于制备光学活性的R-香茅醛。该研究所用催化剂为羰基铑和手性 膦的配合物,使用此方法实现了较高的化学选择性,但立体选择性提高有限,并且氢化效率 低。WO2009068444公开了使用羰基铑和手性膦的配合物均相催化氢化橙花醛制备光学活性 的R-香茅醛,催化剂先经过CO与H2混合气预制,反应在混有少量CO的H2中进行。采用此催化 剂可有效提高产物化学及立体选择性,但存在氢化效率低的弊端,特别是在高底物/催化剂 的条件下,催化剂转化频率明显降低,导致催化剂需要多次循环套用,工艺操作复杂,并且 催化剂寿命短,容易发生贵金属偶联失活等缺点。 早在1991年,Tani等人就报道了以1mol%的R-BINAP-Rh为催化剂,催化香叶醇异 构合成手性的香茅醛,但是仅得到70%的收率和37%的ee值(Otsuka ,S .;Tani , 4 CN 111718250 A 说 明 书 2/12 页 K.Synthesis  1991,665.)。2001年,针对橙花醇或香叶醇异构合成香茅醛,Chapuis等人筛 选了多个轴手性、二茂铁手性双膦配体,转化率可以达到90%,但是ee值最高仅有61% (Chapuis,C.;Barthe,M.;LauMer,J.D.S.Helv.Chim.Acta.2001,84,230)。2010年,Mazet等 人报道了一系列的手性N,P配体,这些配体和金属Ir配位后可以有效催化烯丙醇的异构反 应,对香叶醇的效果较好,得到49%的收率和82%的ee值,但是催化剂用量高达7.5mol% (Mantilli ,L .;Gerard ,D .;Torche ,S .;Besnard ,C .;Mazet ,C .Chem .Eur .J .2010 ,16 , 12736.)。2011年,Andersson等人也使用Ir-N,P催化剂,催化香叶醇异构,产物香茅醛的ee 高达94%,但是收率仅有11%(Li,J.Q.;Peters,B.;Andersson,P.G.Chem.-Eur.J .2011 , 17,11143.)。 综上所述,手性香茅醛不但是有用的香料,而且又是清凉剂L-薄荷醇的重要合成 中间体,具有重要的经济价值。需要一种更高收率和ee值制备手性香茅醛产物的方法。
技术实现要素:
本发明的目的在于提供一种制备R-香茅醛的方法。柠檬醛(顺反异构体混合)先与 氮杂环苯基手性砌块合成手性不饱和化合物,所得手性不饱和化合物包含顺反异构体,根 据两种顺反异构体的溶解度不同将二者通过结晶法分离,二者分别在不同手性金属催化剂 作用下进行不对称氢化,随后水解,得到手性香茅醛。原料转化率高,产品收率高,ee值高, 氮杂环苯基手性砌块可回用。 为实现上述发明目的和达到上述技术效果,本发明的技术方案如下: 一种制备R-香茅醛的方法,包括以下步骤: (1)柠檬醛与氮杂环苯基手性砌块合成含有顺反异构体的手性不饱和化合物; (2)手性不饱和化合物在低温下结晶分离,得到顺式异构体和反式异构体; (3)顺式异构体在R,R-型手性金属催化剂作用下进行不对称氢化制备R-型手性饱 和化合物;反式异构体在S,S-型手性金属催化剂作用下进行不对称氢化制备R-型手性饱和 化合物; (4)R-型手性饱和化合物发生水解反应得到R-香茅醛。 本发明中,所述的氮杂环苯基手性砌块选自以下化合物中的一种或多种:(R)-1- 苄基-3-氨基吡咯烷、(R)-( )-N-苄基-3-羟基吡咯烷、(3R)-(-)-1-苄基-3-(乙氨基)吡咯 烷、(3R)-( )-1-苄基-3-(叔丁氧羰基氨基)吡咯烷、(R)-(-)-1-苄基-3-羟基哌啶、(R)-1- 苄基-3-甲氨基吡咯烷、(R)-3-氨基-1-苄基哌啶,优选(R)-1-苄基-3-氨基吡咯烷。 本发明所述氮杂环苯基手性砌块与柠檬醛的摩尔比为1.0~2.4:1,优选1.1~ 2.1:1。 本发明所述步骤(1)在布朗斯特酸催化剂的存在下进行,所述布朗斯特酸催化剂 优选对甲苯磺酸、甲磺酸、三氟甲磺酸和磷酸中的一种或多种,更优选磷酸;所述布朗斯特 5 CN 111718250 A 说 明 书 3/12 页 酸催化剂的用量为柠檬醛的2.0~5.0wt%,优选2.0~3.0wt%。 作为优选的方案,本发明所述步骤(1)在溶剂的存在下进行,所述溶剂为四氢呋 喃、乙酸乙酯、甲苯和1,4-二氧六环中的一种或多种,优选乙酸乙酯;所述柠檬醛在溶剂中 的浓度为0.5~1.0mol/L。 本发明所述步骤(1)的反应温度为60~80℃,优选65~75℃;反应时间为2-4小时。 本发明所述步骤(2)中,结晶采用梯度降温的方式,从10~30℃降温至0℃,保持 0.5~1.5h,然后开始梯度降温,降幅为0.2℃/min,最低温度为-30~-5℃,保持1~3h。 本发明所述的步骤(1)中,柠檬醛的两种顺反异构体均与氮杂环苯基手性砌块发 生缩合反应,生成包含顺式异构体、反式异构体的手性不饱和化合物,顺式异构体、反式异 构体结构极其相似,溶解度亦十分接近,本发明中以梯度降温的方式为推动力进行结晶,该 方法利用了溶液浓度中微小扰动选择性的控制了晶体生长的竞争过程,使结构中含有R型 手性砌块的顺式异构体优先结晶,实现了二者的分离。 本发明中所述步骤(3)的R,R-型手性金属催化剂包括金属前体和R,R-型手性双膦 配体。所述金属前体选自[Ir(COD)OMe]2(甲氧基(环辛二烯)合铱二聚体)和/或[Ir(COD) 2BRAF](双(1,5-环辛二烯)铱(I)四[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼酸),优选[Ir(COD)OMe]2;所 述R,R-型手性双膦配体选自(R,R)-(-)-2,3-双(叔丁基甲基膦基)喹喔啉、(R,R)-1 ,2-双 [(2-甲氧基苯基)苯基膦基]乙烷、(2R,4R)-( )-2,4-双(二苯基磷)戊烷等中的一种或多 种,优选(R,R)-(-)-2,3-双(叔丁基甲基膦基)喹喔啉。其中,R,R-型手性双膦配体与金属前 体的摩尔比为1:1。 本发明所述的R,R-型手性金属催化剂的制备方法,包括以下步骤:在惰性气体气 氛下,R,R-型手性双膦配体、金属前体、手性不饱和化合物的顺式异构体室温下搅拌混合10 ~20分钟。其中,R,R-型手性双膦配体与金属前体的摩尔比为1:1;步骤(2)所得顺式异构体 与R,R-型手性双膦配体的质量比为5~15:1,用做R,R-型手性金属催化剂的溶剂。 本发明中所述步骤(3)的S,S-型手性金属催化剂包括金属前体和S,S-型手性双膦 配体。所述金属前体选自[Ir(COD)OMe]2和/或[Ir(COD)2BRAF],优选[Ir(COD)OMe]2;所述S, S-型手性双膦配体选自(S,S)-(-)-2,3-双(叔丁基甲基膦基)喹喔啉、(S,S)-1,2-双[(2-甲 氧基苯基)苯基膦基]乙烷、(2S,4S)-( )-2,4-双(二苯基磷)戊烷等中的一种或多种,优选 (S,S)-(-)-2,3-双(叔丁基甲基膦基)喹喔啉。其中,S,S-型手性双膦配体与金属前体的摩 尔比为1:1。 本发明所述的S,S-型手性金属催化剂的制备方法,包括以下步骤:在惰性气体气 氛下,S,S-型手性双膦配体、金属前体、手性不饱和化合物的反式异构体室温下搅拌混合10 ~20分钟。其中,S,S-型手性双膦配体与金属前体的摩尔比为1:1;步骤(2)所得反式异构体 与S,S-型手性双膦配体的质量比为5~15:1,用做S,S-型手性金属催化剂的溶剂。 本发明所述步骤(3)中,R,R-型手性金属催化剂的用量以金属前体和R,R-型手性 双膦配体的质量和计为手性不饱和化合物的顺式异构体质量的0.1~1.0wt%。 本发明所述步骤(3)中,S,S-型手性金属催化剂的用量以金属前体和S,S-型手性 双膦配体的质量和计为手性不饱和化合物的反式异构体质量的0.1~1.0wt%。 本发明所述步骤(3)中,手性不饱和化合物的顺式异构体在氮杂环苯基手性砌块 携带的手性碳诱导作用及R,R-型手性金属催化剂的双重作用下,氢原子绝大多数从碳碳双 6 CN 111718250 A 说 明 书 4/12 页 键所在平面位阻较小的方向攻击从而完成不对称加氢,生成R-型手性饱和化合物。 本发明所述步骤(3)中,手性不饱和化合物的反式异构体在氮杂环苯基手性砌块 携带的手性碳诱导作用及S,S-型手性金属催化剂的双重作用下,氢原子绝大多数从碳碳双 键所在平面位阻较小的方向攻击完成不对称加氢,生成R-型手性饱和化合物。 作为优选的方案,本发明中所述步骤(3)中,不对称加氢反应温度为30-100℃,优 选50-80℃;反应时间为1-12小时,优选6-10小时;反应表压为1-7MPa,优选3-5MPa。 作为优选的方案,本发明中所述步骤(4)中,水解反应在水解催化剂的存在下进 行,所述水解催化剂选自H2SO4、H3PO4、HClO4、HCl、HBr和HI中的一种或多种,优选H2SO4;所述 水解催化剂的用量为R-型手性饱和化合物的1.0~5.0wt%,优选2.0~3.0wt%。 本发明所述步骤(4)中,水解反应在有机溶剂和水组成的混合溶剂中进行,其中有 机溶剂选自四氢呋喃、甲醇、乙醇和丙酮中的一种或多种,优选乙醇;R-型手性饱和化合物 在混合溶剂中的浓度为0.5~0.8mol/L。 本发明所述步骤(4)中,所述水解反应的温度为60~80℃;反应时间为1~2小时。 氮杂环苯基手性砌块以(R)-1-苄基-3-氨基吡咯烷为例,下式为合成R-香茅醛的 反应式: 7 CN 111718250 A 说 明 书 5/12 页 本发明中,所述压力均为表压。 本发明具有以下有益效果: (1)直接以柠檬醛为原料,不需要进行预处理将其分成橙花醛与香叶醛,极大地降 低了原料浪费; (2)氮杂环苯基手性砌块与手性金属催化剂双手性物质协同作用,产品选择性极 高; (3)氮杂环苯基手性砌块常温下为固体与产品极易分离回收方便,可重复利用,原 子经济性高。
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