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甲基环戊烯醇酮的制备和应用

发布日期:2019/12/26 10:25:23

背景及概述

甲基环戊烯醇酮是一种重要的原料,目前国内生产甲基环戊烯醇酮的生产量达到2000吨以上。甲基环戊烯醇酮天然存在于木焦油中,具有咖啡似的焦糖香味,外观是白色结晶体,作为香精中常用的香原料,广泛用于食品、日化、烟草香精的调配中。因此对该类产品的含量香气均有较高的要求。目前国内市场上该产品的制备方法主要有两种。一种方法是以甲基呋喃、甲醛、二甲胺为原料经过迈克尔加成,再进行重排、水解的方法。该方法是目前生产的主流工艺。另一种是以己二酸为原料,经过酯化、环化、甲基化、水解脱羧的方法。该方法的生产周期较长,且生产过程中产生大量酸性废水,环保压力较大,不符合当前绿色化工的要求,所以该方法正在逐步被淘汰。但是不管使用哪种方法,最终的提纯都是采用结晶的方法。目前结晶工业生产都采用间歇结晶,存在周期长、能耗高、生产效率低等问题。因此寻求一种简单方便、可连续操作的结晶生产工艺,降低生产成本,减少三废排放成为甲基环戊烯醇酮结晶生产过程中亟待解决的技术问题。

制备

1)草酸二乙酯法

Strunz等[5]通过混合草酸二乙酯与戊二酸二甲酯,在甲醇钠的催化下加热回流反应,然后再与戊二酸二甲酯混合加热反应,最后用碘化钾进行加成反应,通过用42%磷酸溶液脱羧后得到MCP,产品总得率为80%。此方法采用一锅法反应,操作简便,但反应时间极长,并且利用碘甲烷作为反应物,成本较高,不利于工业化生产。利用草酸二乙酯、丙酸乙酯、丙烯酸乙酯、无水乙醚、N,N-二甲基二甲酰胺、浓盐酸、金属钠、磷酸、乙酸乙酯、无水乙醇等合成MCP,产品总得率为51.09%。在乙醇钠的催化下,丙酸乙酯与草酸二乙酯在60℃的无水条件下反应,得到的Claisen缩合反应产物2-甲基-3-羰基-丁二酸二乙酯再与丙烯酸乙酯在80℃的条件下反应,最后以50%磷酸为催化剂,在90~100℃下水解反应,可制得甲基环戊烯醇酮。该工艺虽避免了使用昂贵的碘甲烷,但反应时间依然较长,而且反应涉及金属钠的使用,提高了生产的危险性。

2)2,5-己二酮法

利用2,5-己二酮与1%w/v的NaOH溶液反应能获得3-甲基-2-环戊烯-1-酮,但反应物转化率并不理想,反应结束后仍检测出20%的2,5-己二酮。后来改良了该方法,利用0.076%w/vNaOH溶液在高温条件下反应制备的3-甲基-2-环戊烯-1-酮。通过利用H2O2在碱性条件下氧化并用酸水解3-甲基-2-环戊烯-1-酮制备出甲基环戊烯醇酮。该工艺涉及高温和氧化反应,提高了生产的危险性,且原料成本不低,不适宜工业化生产。

3)2-甲基呋喃法

以甲醛水溶液、二甲胺水溶液与2-甲基呋喃在弱酸性(pH4-5)的条件下加热,得到Mannich反应产物N,N-二甲基-5-甲基糠胺。然后通过用稀盐酸催化N,N-二甲基-5-甲基糠胺在98~100℃的条件下反应开环重排,再调节pH至12~13在70~80℃的条件下反应得到1-二甲基氨基-2,5己二酮。最后经水解、重结晶可制得甲基环戊烯醇酮。该工艺原料廉价易得,操作简便,在国内目前已有工业化生产。但原料毒性较大,反应过程产生大量刺激性气体,而且产生的污水量大,如何处理生产过程对环境造成的污染,是该工艺的难题。

4)己二酸二甲酯法

先利用己二酸与甲醇或乙醇制备己二酸二酯,己二酸二酯经过Dieckmann缩合反应得到环戊-2-酮酸酯。在碱性条件下,与甲基化试剂进行反应,得到2-甲基环戊-2-酮酸酯。最后经过氧氯化,并在酸性条件下水解、脱羧后制得甲基环戊烯醇酮。该工艺原料廉价易得,已有工业化生产。但生产过程中需要通入氯气进行氯化反应,对温度与整个反应体系的含水量的控制要求较高:温度过高,会产生副反应,降低产品得率;温度过低,反应不完全,回收溶剂时会有大量的氯气逃逸,需要消耗大量的水与碱液吸收并中和废气,极大地增加废气回收成本和污水的排放。

5)异戊二烯法

以异戊二烯为原料制备MCP的工艺。该工艺利用三甲基苄基氯化铵催化异戊二烯与氯仿反应合成1,1-二氯-2-甲基-2-乙烯基环丙烷。1,1-二氯-2-甲基-2-乙烯基环丙烷通过9次高温裂解后迅速冷却重排得到1-甲基-4,4-二氯环戊-1-烯,再在酸性条件下水解成3-甲基-2-环戊烯-1-酮。最后通过氧化水解3-甲基-2-环戊烯-1-酮可制得甲基环戊烯醇酮。该工艺步骤繁多,操作复杂且难度大,涉及高温裂解与快速冷却,耗费能源极大,不利于工业化生产。

6)2-乙氧基乙醛法

以2-乙氧基乙醛为原料,在碱性条件下利用噻唑鎓盐催化与丁烯酮反应,得到1-乙氧基-2,5-二己酮,再通过分子内缩合得到2-乙氧基-3-甲基环戊-2-烯酮,最后经酸性水解可制得甲基环戊烯醇酮。该工艺需要使用溶剂萃取和盐水洗涤,生产成本较高,而且产生废盐水废酸较多,如何处理污水和回收的溶剂是该工艺的难题。

7)2-甲基环戊酮法

利用2-甲基环戊酮与亚硝酸异丙酯在酸性条件下反应,2-甲基环戊酮亚硝化得到3-甲基-1,2-环戊酮单肟。3-甲基-1,2-环戊酮单肟在酸性条件下水解,可制得甲基环戊烯醇酮。该工艺所使用的原料廉价易得,反应条件温和,工艺操作简单且产量较高,工业化前景良好,但水解反应产生的废酸废水废盐较多,如何解决环保问题是该工艺的难点。

应用

甲基环戊烯醇酮是一种良好的增香剂和低热甜味剂,已被广泛用于食品、饮料行业中。我国《食品添加剂卫生标准》(GB2760-2011)规定甲基环戊烯醇酮为允许使用的食用香料,执行标准为《食品添加剂甲基环戊烯醇酮》(QB/T2641-2004)。因此研究甲基环戊烯醇酮的合成方法具有重要意义。

主要参考资料

[1] CN201810524480.X结晶法纯化甲基环戊烯醇酮的生产工艺

[2] 甲基环戊烯醇酮合成的研究进展

[3] CN201611092100.7一种1-羟基-2,5-己二酮制甲基环戊烯醇酮的方法

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