一种β-甲萘醌的制备方法

一种
β-甲萘醌的制备方法
技术领域
1.本发明涉及有机技术领域，具体而言，涉及一种β-甲萘醌的制备方法。

背景技术：

2.β-甲萘醌：维生素k3，又名2-甲基-1,4-萘醌，2-甲基-1,4萘二酮，2-甲基-1,4-萘酚喹酮，英文名称为：menadione，其结构式为：
[0003][0004]
β-甲萘醌，简称2-mnq，是最早使用的维生素k3，也是合成多种维生素k的重要中间体，可用于促凝血药，有效地激活生物体内的抗凝血因子，维生素k缺乏所引起的出血性疾病，如新生儿出血、肠道吸收不良所致维生素k缺乏及低凝血酶原血症等。作为添加剂也可促进家畜生长发育及代谢，同时对于人类健康和畜牧业发展具有重要意义。
[0005]
据报道，β-甲萘醌的工业制备方法主要有两种：一是以2-甲基萘为原料，铬酸酐、等为氧化剂氧化反应制备(cn103254056a、cn108299177a)，该法收率为58-65％，且产生含铬废水、含铬有机废弃物及大量含铬无机固体废弃物、严重污染环境，且目标产物也含有不同含量的铬。二是将甲苯醌与丁二烯发生diels-alder反应生成2-甲基氢醌，然后以铬酸为氧化剂将2-甲基氢醌氧化生成β-甲萘醌，产率大约为50％，该法工序繁琐，同样产生含铬废水，污染严重。
[0006]
近些年来，关于β-甲萘醌的合成也逐渐有些新的进展，比如2-甲基萘空气氧化法(cn110845317a)，通过v2o5的复合型催化剂，催化氧化空气法制备β-甲萘醌，但该法选择性低、收率低、能耗高，产生大量副产物。比如2-甲基萘与间氯过氧苯甲酸(cn103833541a)、双氧水(cn101575276a、cn102516054a)、聚苯乙烯型高分子过氧酸(cn105669413a)、功能化碳材料(cn 110845317a)、含钛或铝有序介孔硅分子筛(cn110845318a)于冰醋酸中进行氧化反应制备β-甲萘醌。
[0007]
另外还有以2-甲基-1-萘酚为原料，直接氧化法制备2-甲基-1,4-萘醌。如cn 109384660 a公开了一种在硫酸存在下，高浓度双氧水在非水溶剂中两相反应，氧化2-甲基-1-萘酚的方法制备得到2-甲基-1,4-萘醌。双氧水、特别是高浓度(》30％)双氧水由于易分解、易爆、害怕撞击，储存、运输、使用存在重大的安全隐患，由于浓度低，其有效成分低，因此，双氧水成本高，同时由于低浓度双氧水氧化活性低，不能有效循环使用，因此，氧化反应后大量的低浓度(通常《20％)双氧水作为危险废弃物，必须单独进行存放、处理，废弃物(废水)多，处理成本高，也存在较大的安全隐患；由于大多有机物都难溶解于水中(包括双氧水)，因此，反应通常都是在(不均匀)分离的两相反应中进行、反应转化率及效率低，为提高反应速率与效率，通常会加入第三相有机溶剂，使分离纯化变得复杂，分离纯化成本显著增加；同时，在其公开的方案中，有水存在下，反应是不能进行的，通过共沸脱水，无水的浓
硫酸极易与萘酚发生磺化副反应、双氧水脱水后(无水过氧化氢极易爆炸)有重大安全隐患，浓硫酸与高浓度双氧水加热存在分解爆炸的危险、由于(硫酸)磺化副反应的存在，导致该反应选择性差、收率低。该方法不具备安全工业化的价值。
[0008]
总之，目前β-甲萘醌制备中主要存在以下问题：1、反应使用复合型催化剂，产物选择性低、收率低、能耗高，产生大量副产物；2、双氧水氧化体系产品收率低，能耗高、成本高且会产生大量废液固废，环境污染严重。因此，开辟一条操作简单、经济环保、绿安全、适宜工业化生产的制备方法尤为紧迫。

技术实现要素：

[0009]
本发明针对上述提出的问题，旨在提供一种新的β-甲萘醌的制备方法，该法以2-甲基-1-萘酚为原料、空气或者氧气为氧化剂进行氧化反应，工艺简单、绿环保、收率和选择性高、分离容易、安全经济、适合工业化规模生产的新工艺。
[0010]
我们都知道，氧化反应(包括空气或者氧气为氧化剂进行的氧化反应)是最常用但却是最复杂、最难控制的反应之一，其反应机理、传热、传质复杂，而且呈现不可预测的非线性关系，因此，其影响要素复杂、多变且对条件的变化十分敏感，很难同时兼顾选择性及反应性，因此，控制性的氧化反应一直是有机合成的难点及挑战。发明人研究发现：对于2-甲基-1-萘酚的氧化反应，采用本发明所用的催化剂与有机溶剂并在密闭条件下，二者的配合能使该氧化反应高效、高选择性进行，同时在前述的所有公开方法中所提及的溶剂都不适用本反应体系，本发明所选择的溶剂通过大量实验发现：该类溶剂不仅可以充分溶解反应物，还可溶解金属催化剂从而提高催化剂的效率、显著减少其用量、同时提高氧气在溶剂中的溶解度及浓度，利于反应更快、更高效地进行。催化剂与溶剂的搭配，保证了反应的充分、高效、可控，安全、环保进行，有利于工业化生产。另外，发明人发现催化剂选择溴代物在密闭、非开放体系中是非必要的，简单价廉、易得的铜粉、铜盐、亚铜盐等都能高效催化本反应，最重要的是，通过梯度控制反应压力变化，催化剂用量可低至ppm级，相对现有技术公开的方法降低100倍以上，同时使得氧化反应制备目标产物β-甲萘醌的转化率、选择性、收率及纯度均得到大幅提高，极大简化了β-甲萘醌分离纯化方法及流程，具有显著的经济与环保效益。
[0011]
具体地，本发明提出的β-甲萘醌的制备方法，包括以下步骤：以2-甲基-1-萘酚为原料、氧气或者空气为氧化剂，在-20-100℃，优选-10-50℃、溶剂及催化剂条件下，同时反应在密闭体系下并控制氧气的压力梯度上升，以近乎均相催化的方式，进行氧化反应，过滤催化剂后，反应液经蒸馏即可回收溶剂并分离出目标产品β-甲萘醌。本方法的显著特征在于催化剂用量可低至1ppm以下，催化剂可完全溶解于溶剂中，以近乎均相催化的方式直接氧化2-甲基-1-萘酚得到目标产物，显著提高了反应转化率、收率以及选择性，降低了原材料成本，更安全、更环保，适合规模化生产；本方法另一个显著特征在于溶剂的选择，只有在本发明所用溶剂中，所述的氧化反应才得以高效、高选择性地进行，所选择的溶剂不仅可以充分溶解反应物，还可溶解金属催化剂从而提高催化剂的效率、显著减少其用量、同时提高氧其在溶剂中的溶解度及浓度，利于反应更快、更高效地进行。催化剂与溶剂的搭配以及氧气和/或含氧气体压力的梯度(阶段性)控制，保证了反应的充分、高效、可控，安全、环保进行，有利于工业化生产。
吡咯烷酮、n-甲基吡咯烷酮，二甲亚砜(dmso)、环丁砜、二苯砜，甲叔醚、二氧六环等醚类等能一定程度溶解金属化合物的溶剂中的一种或两种以上的组合。从来源及经济性考虑，优选n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n-二甲基乙酰胺等酰胺类溶剂的一种或两种以上的组合，它们不仅能保持对金属化合物的适度溶解，同时也能显著增加氧气的溶解度及浓度，有利于反应的进行。其用量没有特别限制，从经济性考虑，3-10倍底物的重量体积比(m/v)的溶剂用量能满足绝大部分需求；特别地，伯醇及烷基取代芳烃等由于自身也有被氧化的可能，不适宜做本反应的溶剂。
[0017]
进一步地，在该压力条件下，所述反应的温度为-20-100℃，氧化反应通常为放热反应，太高温度不不利于传热，太低温度反应过慢，通常-10℃-25℃反应较佳。
[0018]
由于本发明提供的控制性氧化反应，在保证了氧化反应的高选择性(》95％)条件下，同时实现了氧化反应的彻底性(》95％)，因此，大大降低了目标产物的分离纯化难度，反应完成后，反应液经蒸馏即可回收溶剂并分离出高纯度目标产品β-甲萘醌，极大简化了β-甲萘醌分离纯化方法及流程，相对现有方法，具有简单、高效、经济、环保的显著优势。
[0019]
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
[0020]
1、本发明通过在密闭体系中反应并设置梯度控制氧气压力的反应及控制方式，可大幅减少催化剂的使用量，在保证氧化反应制备β-甲萘醌的转化率高达100％的同时、使反应选择性高达98％、收率及纯度均高达95％以上，同时简化了β-甲萘醌分离纯化方法及流程，经济及环保效益十分显著。
[0021]
2、本发明制备反应中以空气或者氧气为氧化剂，并通过在密闭体系中反应并设置梯度氧气升压的方式，使得反应简易且可顺利的进行，且不需要额外添加其他的氧化剂或添加剂，同时反应条件温和，无废水和重金属污染，环境友好，符合绿化学理念。
具体实施方式
[0022]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。实施例中的收率均为摩尔收率。
[0023]
实施例1
[0024]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，乙腈100g，搅拌至溶解，物料温度调节至20℃后，投加0.5gcucl2作为催化剂，通入氧气，开启背压阀，调节气体流速以300ml/min逐步上升，至气体压力1.0mpa；保温反应8h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度98％)。
[0025]
实施例2
[0026]
在250ml玻璃反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，n,n-二甲基乙酰胺30g，搅拌至溶解，物料温度调节至0℃后，投加0.1gmno2作为催化剂，通入o2，调节气体流速以100ml/min逐步上升，至2mpa；保温反应2h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度97％)。
[0027]
实施例3
[0028]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，正己烷100g，搅拌至溶解，物料温度调节至50℃后，投加0.5gcubr作为催化剂，通入空气，开启背压阀，调节气体流速以1000ml/min逐步上升，至气体压力2.5mpa；保温反应3h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧，泄压(hplc检测计算转化率99％，选择性96％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率97％，纯度96％)。
[0029]
实施例4
[0030]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，甲苯150g，搅拌至溶解，物料温度调节至-10℃后，投加0.1gcucl2作为催化剂，通入o2，开启背压阀，调节气体流速以700ml/min逐步上升，至气体压力2.0mpa；保温反应4h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性98％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度98％)。
[0031]
实施例5
[0032]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，甲苯100g，搅拌至溶解，物料温度调节至-10℃后，投加0.1gfecl2作为催化剂，通入o2，开启背压阀，调节气体流速以700ml/min逐步上升，至气体压力2.0mpa；保温反应10h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性98％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度97％)。
[0033]
实施例6
[0034]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，乙酸乙酯150g，搅拌至溶解，物料温度调节至40℃后，投加0.5gfecl3作为催化剂，通入空气，开启背压阀，调节气体流速以1500ml/min逐步上升，至气体压力2.5mpa；保温反应10h，过程取样hplc检测，反应结束，关闭气体，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性98％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度98％)。
[0035]
实施例7
[0036]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，乙腈150g，搅拌至溶解，物料温度调节至10℃后，投加1.0gcuo作为催化剂，通入氧气，开启背压阀，调节气体流速以500ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应10h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供气，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率97％，纯度97％)。
[0037]
实施例8
[0038]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，n,n-二甲基甲酰胺50g，搅拌至溶解，物料温度调节至20℃后，投加0.5gco(oac)2作为催化剂，通入氧气，开启背压阀，调节气体流速以500ml/min逐步上升，至气体压力2.5mpa；保温反应10h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供气，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率97％，纯度95％)。
[0039]
实施例9
[0040]
在250ml玻璃反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，二氯乙烷150g，搅拌至溶解，
物料温度调节至20℃后，投加1.0gcuo作为催化剂，通入氧气，开启背压阀，调节气体流速以400ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应10h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率97％，纯度95％)。
[0041]
实施例10
[0042]
在250ml玻璃反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，n,n-二甲基甲酰胺100g，搅拌至溶解，物料温度调节至10℃后，投加0.5gfecl
2-0.5gcucl作为催化剂，通入空气，开启背压阀，调节气体流速为900ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应2h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供气，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性98％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度97％)。
[0043]
实施例11
[0044]
在250ml玻璃反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，乙腈150g，搅拌至溶解，物料温度调节至10℃后，投加0.1gfecl
2-0.1gcubr2作为催化剂，通入氧气，开启背压阀，调节氧气流速以450ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应2h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度98％)。
[0045]
实施例12
[0046]
在250ml玻璃反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，n,n-二甲基乙酰胺100g，搅拌至溶解，物料温度调节至10℃后，投加0.05gfecl
2-0.05gmncl2作为催化剂，通入空气，开启背压阀，调节气体流速以500ml/min逐步上升，至气体压力2mpa；保温反应3h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供气，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度98％)。
[0047]
实施例13
[0048]
在250ml玻璃反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，二氯甲烷150g，搅拌至溶解，物料温度调节至-10℃后，投加0.05gcocl2作为催化剂，通入氧气，开启背压阀，调节气体流速以500ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应3h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供气，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率97％，纯度98％)。
[0049]
实施例14
[0050]
在250ml玻璃反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，乙腈100g，搅拌至溶解，物料温度调节至0℃后，投加0.01gcubr
2-0.01cocl2作为催化剂，通入氧气，开启背压阀，调节气体流速以500ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应4h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供气，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性96％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率95％，纯度97％)。
[0051]
实施例15
[0052]
在250ml玻璃反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，n,n-二甲基乙酰胺100g，搅拌至溶解，物料温度调节至10℃后，投加0.04g0.01cocl
2-0.02fecl3作为催化剂，通入空气，开
启背压阀，调节气体流速以1000ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应1-3h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供气，泄压(hplc检测计算转化率100％，选择性95％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率96％，纯度96％)。
[0053]
实施例16
[0054]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，甲苯150g，搅拌至溶解，物料温度调节至-10℃后，投加0.1gcu(oac)2作为催化剂，通入o2，开启背压阀，调节氧气流速以700ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应5h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧(hplc检测计算转化率100％，选择性98％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率95％，纯度98％)。
[0055]
实施例16
[0056]
在250ml微型高压反应釜中加入原料2-甲基-1-萘酚10g，甲苯150g，搅拌至溶解，物料温度调节至10℃后，投加0.1gfe(oac)3作为催化剂，通入o2，开启背压阀，调节氧气流速以500ml/min逐步上升，至气体压力1.5mpa；保温反应5h，过程取样hplc检测，反应结束，停止供氧(hplc检测计算转化率100％，选择性99％)。减压蒸馏，回收溶剂后，加入少量(约20ml)乙醇，搅拌、冷却、过滤即得目标产品β-甲萘醌(收率97％，纯度98％)。
[0057]
对比例1
[0058]
本对比例与实施例1的区别在于：氧气一次性通入至1.0mpa；即没有采用梯度升压的方式通入氧气。最终所需要使用的催化剂用量高达65g，且目标产品β-甲萘醌的收率82％，纯度78％。由此可知，本发明通过梯度提高反应压力，不仅催化剂用量可降低100倍以上，具有显著的经济与环保效益；更重要的是，产物的收率及纯度还可得到大幅提升。
[0059]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以2-甲基-1-萘酚为原料、氧气和/或含氧气体为氧化剂，在一定的温度、溶剂、催化剂及密闭条件下，通过梯度控制氧化剂的反应压力变化，进行控制性氧化反应，最后经蒸馏即可回收溶剂并分离出目标产品β-甲萘醌。2.根据权利要求1所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，所述催化剂包括但不限于钴、锰、铁、铜金属单质及其多价态的金属盐和金属配合物中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，所述催化剂包括但不限于cu、cuo、cu2o、cucl
2-licl、cucl、cucl2、cubr、cubr2、cui、cu(oac)2，8-羟基喹啉铜；fecl2、fecl3、fe(oac)2、fe(oac)3；有机钴、无机钴盐，有机锰、无机锰盐中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，所述催化剂为铜单质、无机亚铜盐、无机铜盐、铜及亚铜的有机配合物中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，所述催化剂的重量与2-甲基-1-萘酚的重量比为(0.001-1.0)：1。6.根据权利要求1所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，在梯度控制氧化剂的反应压力变化时：先低压反应一段时间，待反应平稳后，再梯度逐渐升高反应氧压力，直到反应完全充分。7.根据权利要求6所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，反应通入的氧气，以每分钟通入的体积为0.01-10倍反应物料质量的速率梯度上升。8.根据权利要求1所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，反应压力为0.01-10mpa，反应温度为-20～100℃，反应时间为0.5-20h。9.根据权利要求1所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，所述溶剂为c3～c18的仲醇及叔醇、c3～c28的酯类溶剂、c2～c18的腈类溶剂、c3～c20的酰胺类溶剂中的一种或两种以上的组合。10.根据权利要求9所述的β-甲萘醌的制备方法，其特征在于，所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺或n,n-二甲基乙酰胺。

技术总结

本发明涉及有机技术领域，具体而言，提出了一种β-甲萘醌的制备方法，包括以下步骤：以2-甲基-1-萘酚为原料、氧气或者空气为氧化剂，在一定的温度、溶剂、催化剂及密闭条件下，通过梯度控制氧气的压力，进行控制性氧化反应，在保证反应的高选择性条件下同时使反应充分进行，过滤催化剂后，反应液经蒸馏即可回收溶剂并分离出目标产品β-甲萘醌。本发明通过在密闭体系中反应并设置梯度氧气压力的反应及控制方式，不仅大幅减少了催化剂的用量，同时使得氧化反应制备目标产物β-甲萘醌的转化率、选择性、收率及纯度均得到大幅提高，极大简化了β-甲萘醌分离纯化方法及流程，具有明显的经济效益。经济效益。