金属复合物催化剂、其制备方法以及在制备d,l-薄荷醇中的应用
金属复合物催化剂、其制备方法以及在制备d,l-薄荷醇中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种D，L-薄荷醇的合成方法，对L-薄荷 醇的其它七种异构体（包括D-薄荷醇、D，L新薄荷醇，D，L异薄荷醇，D，L新异薄荷醇）的 异构化合成D，L薄荷醇的方法。
【背景技术】
[0002] L-薄荷醇，结构如式（I)所示，由于其具有独特的清凉作用而被广泛运用，目前全 球每年消耗量约4万吨，在香料行业中占据重要地位。L-薄荷醇来源有两种方式，天然提取 以及化学合成，目前天然提取仍占支配地位，约占80%的市场分额。另外约20%为化学合 成，化学合成中又分为消旋薄荷醇拆分合成法和不对称合成法。目前由于不对称合成方法 受手性催化剂及过渡金属催化剂的制约，还只有少数公司得到运用。消旋薄荷醇合成L-薄 荷醇虽方法比较简单，但它面临的一个问题是产生与L-薄荷醇等当量的D-薄荷醇（II)，但 D-薄荷醇目前市场容量非常小，现在通常采取把D-薄荷醇先转化为消旋薄荷醇，然后继续 拆分得到L-薄荷醇，如此往复，直到全部转化成L-薄荷醇为止。另外，消旋薄荷合成方法 最普遍的方式是由百里酚氢化而成，但从目前的技术手段来看，很难把它控制在只生成消 旋薄荷醇，还有很大部分生成了其它三对异构体。因此，在这种合成L-薄荷醇的方式中，如 何能够高效地从D-薄荷醇及其它三对异构转化成消旋薄荷醇是能否高收率获得L-薄荷醇 的关键因素。
[0003] (I)
[0004] (II)
[0005] 下面依次介绍几种报道的由D-薄荷醇及其它三对异构转化成消旋薄荷醇方法：
[0006] DE 2314813A1描述了使用Co/Mn催化剂固定床，在170~220°C温度和20MPa压 力下，将百里酚氢化。该专利的实施例在180~210°C温度和20MPa以上压力下进行，并且 生成了 8种薄荷醇立体异构体的混合物，该混合物由56. 5~59%消旋薄荷醇和10. 6~ 10. 8%消旋异薄荷醇组成。且混合物中存在4~5%轻组份，这些轻组份是不可循环利用的 副产物。
[0007] 德国拜尔公司在专利US 5756864中描述了在固定床反应中，使用不含载体的镍、 锰和碱土金属氢氧化物或氧化物为催化剂，在200-250°C和100-300巴氢气压力下，将D-薄 荷醇异构化得59. 8%的消旋薄荷醇，反应中使用的催化剂在反应6000小时后仍具有高活 性。
[0008] WO 2012/010695A1专利中叙述了采用γ -Al2O3载体负载Ru催化剂以及含碱金属 的稀土催化转化薄荷醇重排异构化，该方法在90~120°C、1~I. 2Mpa反应可获得68%的 D，L-薄荷醇，以及该D，L-薄荷醇/D，L-异薄荷醇比率为6~8. 5。
[0009] CN 103143363 A专利中发明了以氧化铝为载体的Cu/Ni催化剂，它可以使薄荷醇 的非对映异构体异构化后薄荷醇的含量达到62. 8%。
【发明内容】
[0010] 本发明提供了一种金属复合物催化剂、其制备方法以及在制备D，L-薄荷醇中的 应用，该金属复合物催化剂可以提高加氢反应中D，L-薄荷醇的含量。
[0011] 一种金属复合物催化剂，由如下重量百分比的元素组成：
[0012]
[0013]
[0014] 本发明中，通过控制所述金属复合物催化剂中各个特定元素的含量，有效地提高 了该催化剂的催化效率，当应用于D，L-薄荷醇的制备时，比传统的雷尼镍的催化效率更 尚。
[0015] 本发明还提供了一种所述的金属复合物催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0016] (1)将镍铝合金用稀氢氧化钠溶液进行处理，然后水洗至中性；
[0017] 所述的稀氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为3~8% ;
[0018] (2)将步骤（1)处理过的镍铝合金分批加入浓氢氧化钠溶液中进行反应，反应结 束后静置、洗涤，得到中间体；
[0019] 所述的浓氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为15~25% ;
[0020] (3)向步骤（2)得到的中间体中加入硝酸钒溶液和硝酸钴溶液进行置换反应，反 应完全后经过后处理得到所述的金属复合物催化剂。
[0021] 本发明中，对镍铝合金依次采用不同浓度的氢氧化钠进行处理，不仅可以调整其 中镍和铝的含量，而且可以调整中间体的形貌，最后铝与硝酸钒溶液和硝酸钴溶液进行置 换反应，得到的含有镍、铝、钒和钴四种合金的金属复合物。
[0022] 镍铝合金经过氢氧化钠处理后，其中，镍的含量会上升，铝的含量会下降，镍铝合 金中镍和铝的初始含量会对最终产物中的各个成分的含量产生影响，进而影响金属复合 物催化剂的催化活性，作为优选，步骤（1)中，所述的镍铝合金中镍的重量百分比含量为 50%~60%，铝的重量百分比含量为40%~50%。
[0023] 作为优选，步骤（1)中，所述的稀氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为5% ;处理温 度为20~25°C，处理时间为1~3小时。
[0024] 作为优选，步骤（2)中，浓氢氧化钠溶液的浓度为20%;反应温度为10~25°C，反 应时间为8~12小时。
[0025] 硝酸钒和硝酸钴的浓度也会影响到金属复合物催化剂的成分，进而影响到催化剂 的催化效率，作为优选，步骤（3)中，硝酸f凡的浓度为1~2mol/L，硝酸钴的浓度为0. 5~ lmol/L ；
[0026] 硝酸钒与镍铝合金中镍的摩尔比为I :8~15 ;
[0027] 硝酸钴与镍铝合金中镍的摩尔比为1 :30~40。
[0028] 本发明还提供了一种D，L-薄荷醇的制备方法，包括以下步骤：
[0029] (1)在所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下，百里酚进行加氢反应，生成的加 氢产物经过精馏得到所述的D，L-薄荷醇和剩余馏分；
[0030] (2)步骤（1)得到的剩余馏份进一步在所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下 进行异构化反应，生成的异构化产物经过精馏得到D，L-薄荷醇。
[0031] 本发明中的D，L-薄荷醇指消旋薄荷醇，包含D-薄荷醇和L-薄荷醇。
[0032] 试验结果表明，采用本发明的制备方法获得的催化剂应用于D，L-薄荷醇的制备 时，催化效率更高，能够提高产物中D，L-薄荷醇的比例。
[0033] 步骤（1)中，加氢反应的压力为2~8Mpa，加氢反应的温度为120~220°C。
[0034] 步骤（1)中，加氢反应在pH8~10的碱性条件下进行，所用的碱为碱金属或碱土 金属氢氧化物。具体为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙、碳酸钾、碳酸钙中的一种 或两种组合，如果采用组合方式，则所加入的两种碱一般采用相同的重量。
[0035] 步骤⑴中，加氢反应在非极性溶剂中进行，例如各种低级烷烃溶剂，包括正己 烷、环己烷、正戊烷等，优选为环己烷。
[0036] 步骤（1)中，所述的加氢产物经过精馏可以得到99%以上含量的D, L-薄荷醇，同 时，得到含有3~5%重量DL-薄荷醇的剩余馏分。
[0037] 步骤⑵中，异构化反应的压力为2~3Mpa，异构化反应的温度为80~120°C。
[0038] 步骤（2)中，异构化反应的原料包括薄荷醇的各种异构体（包括新薄荷醇、新异薄 荷醇、异薄荷醇以及薄荷醇）或其混合物。
[0039] 步骤⑵中，异构化反应的溶剂为非极性饱和脂肪烃类溶剂，包括：正己烷、环己 烷、石油醚中的一种，优选为环己烷。
[0040] 步骤⑴和⑵中，所述的金属复合物催化剂与原料较佳的重量比为1:10~30。
[0041] 步骤（2)中，异构化反应加入催化量的碱有助于减少烃基化副产物，所述的异构 化反应优选在碱的催化下进行，碱与原料的较佳重量比为1:10~30。作为优选，所述碱为 碱金属或碱土金属氢氧化物。具体为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙、碳酸钾、碳 酸钙中的一种或两种组合，如果采用组合方式，则所加入的两种碱重量一般相同。
[0042] 步骤（2)中，所得异构化反应产物包含约60~70 %重量的D，L-薄荷醇，约7~ 9%重量的D, L-异薄荷醇，20~25%重量的新薄荷醇、1-5%重量的新异薄荷醇。经过蒸馏 后可以得到含量高达99%以上的D，L-薄荷醇。
[0043] 步骤（1)的加氢反应的溶剂与步骤⑵的异构化反应的溶剂可以相同。
[0044] 本发明还提供了另一种D，L-薄荷醇的制备方法，包括以下步骤：
[0045] 在所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下，含有薄荷醇异构体的原料进行异构 化反应，生成的异构化产物经过精馏得到D，L-薄荷醇。
[0046] 其中，含有薄荷醇异构体的原料可以使用从异构体混合物精馏分离D，L-薄荷醇 之后剩下的混合物，还可以是将L-薄荷醇拆分后的D-薄荷醇，也可以是购买来的天然薄荷 脑。其成分包括：L-薄荷醇、D-薄荷醇、D, L-异薄荷醇、D, L-新薄荷醇、D, L-新异薄荷醇或 这些异构体的混合物，L-薄荷醇为天然薄荷脑，D-薄荷醇中通常含有5~7% L-薄荷醇， 其它原料中通常含有3~6%的D，L-薄荷醇。
[0047] 异构化反应的溶剂为非极性饱和脂肪烃类溶剂，包括：正己烷、环己烷、石油醚中 的一种。
[0048] 本发明的有益效果体现在：将几种金属元素通过优化组合，提高了异构化反应中 D，L薄荷醇的含量，反应活性更高，同时催化量碱的加入减少了不可利用的烷烃副产物的生 成。
【具体实施方式】
[0049] 实施例1金属复合物催化剂A的制备
[0050] 本实施例中的金属复合物催化剂A由85%的镍、8%的铝、5%的钒和2%的钴（重 量百分比）组成。其合成步骤如下：
[0051] (1)在25°C，以质量百分比浓度5%的氢氧化钠溶液处理镍铝合金（该合金中镍重 量百分比含量为56%，铝为44% )，处理2小时，水洗至中性，该阶段镍铝合金的含量不发生 明显变化。
[0052] (2)再于4L烧杯中，把380g氢氧化钠溶解在I. 5L蒸馏水中，搅拌，在冰浴上冷至 10°c。在搅拌下，把300g经过步骤（1)处理的镍铝合金分批小量加到碱液中，加入的速度 应控制在使溶液温度不超过25°C (在冰浴上）。当全部加完后（约需2小时），停止搅拌， 将烧杯从冰浴上取下，使反应液升至室温。当氢气发生缓慢时，可在沸水浴上徐徐加热（避 免升温太快，以防气泡过多，使反应液溢出），直到气泡发生再度变慢为止（约8~12小时， 此时溶液的体积应靠补加蒸馏水维持基本恒定）。然后静置，让镍粉沉下，倾去上清液。加 蒸馏水至原体积，搅拌溶液使镍粉悬浮，再次静置使镍粉沉下，倾去上清液。然后转移到2L 烧杯中，除去上清液，加入500ml含50g氢氧化钠的水溶液，搅拌，放置，倾去上清液。再加 入500ml蒸馏水，搅拌，放置，倾去上清液。如此水洗重复数次，直到洗出液对石蕊试纸呈 中性后，再洗10次（约洗涤20~40次）。倾去上清液，倾入IOOmL硝酸钒（2N)和硝酸钴 (0.8N)溶液搅拌4小时后，让催化剂沉下，倾去上清液。加200mL 95%乙醇，用滗析法洗涤 三次，再用无水乙醇洗三次。制得的金属复合物催化剂应贮存在充有无水乙醇的磨口瓶中 (不得与空气接触），催化剂必 须保存在液面下，悬浮在液体中的金属复合物催化剂A重约 150g。产物经过XPS分析，其中，含有镍85 %、铝8 %、钒5 %、钴2 %。
[0053] 实施例2金属复合物催化剂B的制备
[0054] 本实施例中的金属复合物催化剂B由75 %的镍、10 %的错、10 %的钒和5 %的钴 (重量百分比）组成。其合成步骤如下：
[0055] (1)在25°C，以质量百分比浓度5%的氢氧化钠溶液处理镍铝合金（该合金中镍重 量百分比含量为50 %，铝为50 % )，反应2小时，水洗至中性。
[0056] (2)再于4L烧杯中，把380g氢氧化钠溶解在I. 5L蒸馏水中，搅拌，在冰浴上冷至 10°c。在搅拌下，把300g经过步骤（1)处理的镍铝合金分批小量加到碱液中，加入的速度 应控制在使溶液温度不超过25°C (在冰浴上）。当全部加完后（约需2小时），停止搅拌， 将烧杯从冰浴上取下，使反应液升至室温。当氢气发生缓慢时，可在沸水浴上徐徐加热（避 免升温太快，以防气泡过多，使反应液溢出），直到气泡发生再度变慢为止（约8~12小时， 此时溶液的体积应靠补加蒸馏水维持基本恒定）。然后静置，让镍粉沉下，倾去上清液。加 蒸馏水至原体积，搅拌溶液使镍粉悬浮，再次静置使镍粉沉下，倾去上清液。然后转移到2L 烧杯中，除去上清液，加入500ml含50g氢氧化钠的水溶液，搅拌，放置，倾去上清液。再加 入500ml蒸馏水，搅拌，放置，倾去上清液。如此水洗重复数次，直到洗出液对石蕊试纸呈 中性后，再洗10次（约洗涤20~40次）。倾去上清液，倾入200mL硝酸钒（2N)和硝酸钴 (0.8N)溶液搅拌4小时后，让催化剂沉下，倾去上清液。加200mL 95%乙醇，用滗析法洗涤 三次，再用无水乙醇洗三次。制得的金属复合物催化剂应贮存在充有无水乙醇的磨口瓶中 (不得与空气接触），催化剂必须保存在液面下，悬浮在液体中的金属复合物催化剂B重约 144g。产物经过XPS分析，其中，含有镍75%、铝10%、钒10%、钴5%。
[0057] 实施例3金属复合物催化剂C的制备
[0058] 本实施例中的金属复合物催化剂C由80%的镍、8%的铝、7%的钒和5%的钴（重 量百分比）组成。其合成步骤如下：
[0059] (1)在25°C，以质量百分比浓度5%的氢氧化钠溶液处理镍铝合金（该合金中镍重 量百分比含量为54%，铝为46% )，反应2小时，水洗至中性。
[0060] (2)再于4L烧杯中，把380g氢氧化钠溶解在I. 5L蒸馏水中，搅拌，在冰浴上冷至 10°c。在搅拌下，把300g经过步骤（1)处理的镍铝合金分批小量加到碱液中，加入的速度 应控制在使溶液温度不超过25°C (在冰浴上）。当全部加完后（约需2小时），停止搅拌， 将烧杯从冰浴上取下，使反应液升至室温。当氢气发生缓慢时，可在沸水浴上徐徐加热（避 免升温太快，以防气泡过多，使反应液溢出），直到气泡发生再度变慢为止（约8~12小时， 此时溶液的体积应靠补加蒸馏水维持基本恒定）。然后静置，让镍粉沉下，倾去上清液。加 蒸馏水至原体积，搅拌溶液使镍粉悬浮，再次静置使镍粉沉下，倾去上清液。然后转移到2L 烧杯中，除去上清液，加入500ml含50g氢氧化钠的水溶液，搅拌，放置，倾去上清液。再加 入500ml蒸馏水，搅拌，放置，倾去上清液。如此水洗重复数次，直到洗出液对石蕊试纸呈 中性后，再洗10次（约洗涤20~40次）。倾去上清液，倾入150mL硝酸钒（2N)和硝酸钴 (0.8N)溶液搅拌4小时后，让催化剂沉下，倾去上清液。加200mL 95%乙醇，用滗析法洗涤 三次，再用无水乙醇洗三次。制得的金属复合物催化剂应贮存在充有无水乙醇的磨口瓶中 (不得与空气接触），催化剂必须保存在液面下，悬浮在液体中的金属复合物催化剂C重约 146g。产物经过XPS分析，其中，含有镍80 %、铝8 %、钒7 %、钴5 %。
[0061] 实施例4~9百里酷氢化反应
[0062] 操作步骤如下：
[0063] (1)准备：高压釜洗净，试压，检查气密性。改性金属复合物催化剂A用乙醇洗涤 去水，再用环己烷洗涤去乙醇。环己烷液封备用。
[0064] (2)投物料：在高压釜气密性良好的情况下，加入百里酷，环己烷溶剂和I. 5g已洗 绦的金属复合物催化剂A，加入0. 5N的氢氧化钠调节pH至9。
[0065] (3)置换：重复充、放氮气3次，将高压釜内的空气基本排除，再重复充、放氢气3 次，将高压釜内的氮气基本排除，然后通入氢气使釜内压力达到4MPa。
[0066] (4)开始反应：设置温度为150°C，使高压釜缓慢升温，开搅拌和循环冷却水，搅拌 速度设为500r/min，待温度升至180°C时，将设置温度调为180°C，氢气压力升至6. OMPa，两 小时后取样检测异构情况，各异构体含量达到平衡，记录各个异构体的质量百分比含量，结 果见表1。
[0067] (5)压料：反应结束后，将反应混合物压出，过滤除去催化剂，用过的催化剂密封 保存在环己烷溶剂中，备下一次套用。对高压釜进行洗涤，为下一次反应做好准备。
[0068] (6)去环己烷：将滤液旋转蒸馏处理除去环己烷溶剂，得到薄荷醇异构体混合物 粗品。
[0069] (7)蒸馏：对薄荷醇异构体混合物粗品蒸馏，去除分解的低沸物（前份），除去高沸 物（脚料），得薄荷醇异构体混合物成品。经过精馏得到D，L-薄荷醇产品和剩余馏分（含 少量的D，L-薄荷醇、新薄荷醇、新异薄荷醇和异薄荷醇）。
[0070] 表1实施例4~9的反应条件和反应结果
[0071]
[0073] 3以市售的雷尼镍作为催化剂。
[0074] 实施例4~9的结果表明，采用了本发明的金属复合物催化剂代替雷尼镍后，氢化 反应中薄荷醇的含量获得了明显地提高。
[0075] 实施例10~11异构化反应
[0076] 操作步骤如下：
[0077] (1)准备：高压釜洗净，试压，检查气密性。改性金属复合物催化剂A用乙醇洗涤 去水，再用环己烷洗涤去乙醇。环己烷液封备用。
[0078] (2)投物料：在高压釜气密性良好的情况下，加入异构化原料，100mL环己烷溶剂 和I. 5g已洗绦的金属复合物催化剂A，加入0. 5N的氢氧化钠调节pH至9。
[0079] (3)置换：重复充、放氮气3次，将高压釜内的空气基本排除，再重复充、放氢气3 次，将高压釜内的氮气基本排除，然后通入氢气使釜内压力达到2MPa。
[0080] (4)开始反应：设置温度为80°C，使高压釜缓慢升温，开搅拌和循环冷却水，搅拌 速度设为500r/min，待温度升至100°C时，将设置温度调为100°C，氢气压力升至3. OMPa，两 小时后取样检测异构情况，各异构体含量达到平衡，记录各个异构体的质量百分比含量，结 果见表2。
[0081] (5)压料：反应结束后，将反应混合物压出，过滤除去催化剂，用过的催化剂密封 保存在环己烷溶剂中，备下一次套用。对高压釜进行洗涤，为下一次反应做好准备。
[0082] (6)去环己烷：将滤液旋转蒸馏处理除去环己烷溶剂，得到薄荷醇异构体混合物 粗品。
[0083] (7)蒸馏：对薄荷醇异构体混合物粗品蒸馏，去除分解的低沸物（前份），除去高沸 物（脚料），得薄荷醇异构体混合物成品。
[0084] 表2实施例10~12的反应条件和反应结果
[0085]
[0086] a实施例10~12中反应时间均为11小时。
[0087] 实施例10~12的结果表明，本发明的金属复合物催化剂用于薄荷醇的异构化反 应，也能取得较好的结果。
【主权项】
1. 一种金属复合物催化剂，其特征在于，由如下重量百分比的元素组成：2. -种如权利要求1所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步 骤： (1) 将镍铝合金用稀氢氧化钠溶液进行处理，然后水洗至中性； 所述的稀氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为3~8% ; (2) 将步骤（1)处理过的镍铝合金分批加入浓氢氧化钠溶液中进行反应，反应结束后 静置、洗涤，得到中间体； 所述的浓氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为15~25% ; (3) 向步骤（2)得到的中间体中加入硝酸钒溶液和硝酸钴溶液进行置换反应，反应完 全后经过后处理得到所述的金属复合物催化剂。3. 根据权利要求2所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1)中，所 述的镍铝合金中镍的重量百分比含量为50 %~60 %，铝的重量百分比含量为40 %~50 %。4. 根据权利要求2所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1)中，所 述的稀氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为5% ;处理温度为20~25°C，处理时间为1~3 小时。5. 根据权利要求2所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（2)中，浓 氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为20%;反应温度为10~25°C，反应时间为8~12小时。6. 根据权利要求2所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（3)中，硝 酸钒的浓度为1~2mol/L，硝酸钴的浓度为0· 5~lmol/L ; 硝酸钒与镍铝合金中镍的摩尔比为I :8~15 ; 硝酸钴与镍铝合金中镍的摩尔比为1 :30~40。7. -种D，L-薄荷醇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 在权利要求1所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下，百里酚进行加氢反应，生 成的加氢产物经过精馏得到所述的D，L-薄荷醇和剩余馏分； (2) 步骤（1)得到的剩余馏份进一步在权利要求1所述的金属复合物催化剂和氢气的 作用下进行异构化反应，生产的异构化产物经过精馏得到D，L-薄荷醇。8. 根据权利要求7所述的D，L-薄荷醇的制备方法，其特征在于，步骤（1)中，加氢反应 的压力为2~8Mpa，加氢反应的温度为120~220°C。9. 根据权利要求7所述的D，L-薄荷醇的制备方法，其特征在于，步骤（2)中，异构化反 应的压力为2~3Mpa，异构化反应的温度为80~120°C ; 所述的异构化反应在碱的催化下进行，碱与原料的重量比为1:10~30。10. -种D，L-薄荷醇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 在权利要求1所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下，含有薄荷醇异构体的原料进 行异构化反应，生成的异构化产物经过精馏得到D，L-薄荷醇。
【专利摘要】本发明公开了一种金属复合物催化剂、其制备方法以及在制备D,L-薄荷醇中的应用，该金属复合物催化剂由如下重量百分比的元素组成：镍70-85％、铝8-10％、钒5-10％、钴2-10％。该金属复合物催化剂应用于百里酚加氢制备D,L-薄荷醇时，具有反应活性高，手性化合物消旋化速度快的特点。同时异构化中加入的某种碱是减少轻组分副产物的关键。整个工艺反应选择性好，制备工艺简单，生产成本低，合成路线对环境友好。
【IPC分类】B01J23/847, C07C29/20, C07C35/12, C07C29/56
【公开号】CN104888794
【申请号】CN201510264486
【发明人】于明, 袁金桃, 俞海东, 邵卫康, 张玉红
【申请人】浙江新和成股份有限公司, 浙江大学, 山东新和成药业有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月21日
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种D，L-薄荷醇的合成方法，对L-薄荷 醇的其它七种异构体（包括D-薄荷醇、D，L新薄荷醇，D，L异薄荷醇，D，L新异薄荷醇）的 异构化合成D，L薄荷醇的方法。
【背景技术】
[0002] L-薄荷醇，结构如式（I)所示，由于其具有独特的清凉作用而被广泛运用，目前全 球每年消耗量约4万吨，在香料行业中占据重要地位。L-薄荷醇来源有两种方式，天然提取 以及化学合成，目前天然提取仍占支配地位，约占80%的市场分额。另外约20%为化学合 成，化学合成中又分为消旋薄荷醇拆分合成法和不对称合成法。目前由于不对称合成方法 受手性催化剂及过渡金属催化剂的制约，还只有少数公司得到运用。消旋薄荷醇合成L-薄 荷醇虽方法比较简单，但它面临的一个问题是产生与L-薄荷醇等当量的D-薄荷醇（II)，但 D-薄荷醇目前市场容量非常小，现在通常采取把D-薄荷醇先转化为消旋薄荷醇，然后继续 拆分得到L-薄荷醇，如此往复，直到全部转化成L-薄荷醇为止。另外，消旋薄荷合成方法 最普遍的方式是由百里酚氢化而成，但从目前的技术手段来看，很难把它控制在只生成消 旋薄荷醇，还有很大部分生成了其它三对异构体。因此，在这种合成L-薄荷醇的方式中，如 何能够高效地从D-薄荷醇及其它三对异构转化成消旋薄荷醇是能否高收率获得L-薄荷醇 的关键因素。
[0003] (I)
[0004] (II)
[0005] 下面依次介绍几种报道的由D-薄荷醇及其它三对异构转化成消旋薄荷醇方法：
[0006] DE 2314813A1描述了使用Co/Mn催化剂固定床，在170~220°C温度和20MPa压 力下，将百里酚氢化。该专利的实施例在180~210°C温度和20MPa以上压力下进行，并且 生成了 8种薄荷醇立体异构体的混合物，该混合物由56. 5~59%消旋薄荷醇和10. 6~ 10. 8%消旋异薄荷醇组成。且混合物中存在4~5%轻组份，这些轻组份是不可循环利用的 副产物。
[0007] 德国拜尔公司在专利US 5756864中描述了在固定床反应中，使用不含载体的镍、 锰和碱土金属氢氧化物或氧化物为催化剂，在200-250°C和100-300巴氢气压力下，将D-薄 荷醇异构化得59. 8%的消旋薄荷醇，反应中使用的催化剂在反应6000小时后仍具有高活 性。
[0008] WO 2012/010695A1专利中叙述了采用γ -Al2O3载体负载Ru催化剂以及含碱金属 的稀土催化转化薄荷醇重排异构化，该方法在90~120°C、1~I. 2Mpa反应可获得68%的 D，L-薄荷醇，以及该D，L-薄荷醇/D，L-异薄荷醇比率为6~8. 5。
[0009] CN 103143363 A专利中发明了以氧化铝为载体的Cu/Ni催化剂，它可以使薄荷醇 的非对映异构体异构化后薄荷醇的含量达到62. 8%。
【发明内容】
[0010] 本发明提供了一种金属复合物催化剂、其制备方法以及在制备D，L-薄荷醇中的 应用，该金属复合物催化剂可以提高加氢反应中D，L-薄荷醇的含量。
[0011] 一种金属复合物催化剂，由如下重量百分比的元素组成：
[0012]
[0013]
[0014] 本发明中，通过控制所述金属复合物催化剂中各个特定元素的含量，有效地提高 了该催化剂的催化效率，当应用于D，L-薄荷醇的制备时，比传统的雷尼镍的催化效率更 尚。
[0015] 本发明还提供了一种所述的金属复合物催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0016] (1)将镍铝合金用稀氢氧化钠溶液进行处理，然后水洗至中性；
[0017] 所述的稀氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为3~8% ;
[0018] (2)将步骤（1)处理过的镍铝合金分批加入浓氢氧化钠溶液中进行反应，反应结 束后静置、洗涤，得到中间体；
[0019] 所述的浓氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为15~25% ;
[0020] (3)向步骤（2)得到的中间体中加入硝酸钒溶液和硝酸钴溶液进行置换反应，反 应完全后经过后处理得到所述的金属复合物催化剂。
[0021] 本发明中，对镍铝合金依次采用不同浓度的氢氧化钠进行处理，不仅可以调整其 中镍和铝的含量，而且可以调整中间体的形貌，最后铝与硝酸钒溶液和硝酸钴溶液进行置 换反应，得到的含有镍、铝、钒和钴四种合金的金属复合物。
[0022] 镍铝合金经过氢氧化钠处理后，其中，镍的含量会上升，铝的含量会下降，镍铝合 金中镍和铝的初始含量会对最终产物中的各个成分的含量产生影响，进而影响金属复合 物催化剂的催化活性，作为优选，步骤（1)中，所述的镍铝合金中镍的重量百分比含量为 50%~60%，铝的重量百分比含量为40%~50%。
[0023] 作为优选，步骤（1)中，所述的稀氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为5% ;处理温 度为20~25°C，处理时间为1~3小时。
[0024] 作为优选，步骤（2)中，浓氢氧化钠溶液的浓度为20%;反应温度为10~25°C，反 应时间为8~12小时。
[0025] 硝酸钒和硝酸钴的浓度也会影响到金属复合物催化剂的成分，进而影响到催化剂 的催化效率，作为优选，步骤（3)中，硝酸f凡的浓度为1~2mol/L，硝酸钴的浓度为0. 5~ lmol/L ；
[0026] 硝酸钒与镍铝合金中镍的摩尔比为I :8~15 ;
[0027] 硝酸钴与镍铝合金中镍的摩尔比为1 :30~40。
[0028] 本发明还提供了一种D，L-薄荷醇的制备方法，包括以下步骤：
[0029] (1)在所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下，百里酚进行加氢反应，生成的加 氢产物经过精馏得到所述的D，L-薄荷醇和剩余馏分；
[0030] (2)步骤（1)得到的剩余馏份进一步在所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下 进行异构化反应，生成的异构化产物经过精馏得到D，L-薄荷醇。
[0031] 本发明中的D，L-薄荷醇指消旋薄荷醇，包含D-薄荷醇和L-薄荷醇。
[0032] 试验结果表明，采用本发明的制备方法获得的催化剂应用于D，L-薄荷醇的制备 时，催化效率更高，能够提高产物中D，L-薄荷醇的比例。
[0033] 步骤（1)中，加氢反应的压力为2~8Mpa，加氢反应的温度为120~220°C。
[0034] 步骤（1)中，加氢反应在pH8~10的碱性条件下进行，所用的碱为碱金属或碱土 金属氢氧化物。具体为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙、碳酸钾、碳酸钙中的一种 或两种组合，如果采用组合方式，则所加入的两种碱一般采用相同的重量。
[0035] 步骤⑴中，加氢反应在非极性溶剂中进行，例如各种低级烷烃溶剂，包括正己 烷、环己烷、正戊烷等，优选为环己烷。
[0036] 步骤（1)中，所述的加氢产物经过精馏可以得到99%以上含量的D, L-薄荷醇，同 时，得到含有3~5%重量DL-薄荷醇的剩余馏分。
[0037] 步骤⑵中，异构化反应的压力为2~3Mpa，异构化反应的温度为80~120°C。
[0038] 步骤（2)中，异构化反应的原料包括薄荷醇的各种异构体（包括新薄荷醇、新异薄 荷醇、异薄荷醇以及薄荷醇）或其混合物。
[0039] 步骤⑵中，异构化反应的溶剂为非极性饱和脂肪烃类溶剂，包括：正己烷、环己 烷、石油醚中的一种，优选为环己烷。
[0040] 步骤⑴和⑵中，所述的金属复合物催化剂与原料较佳的重量比为1:10~30。
[0041] 步骤（2)中，异构化反应加入催化量的碱有助于减少烃基化副产物，所述的异构 化反应优选在碱的催化下进行，碱与原料的较佳重量比为1:10~30。作为优选，所述碱为 碱金属或碱土金属氢氧化物。具体为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙、碳酸钾、碳 酸钙中的一种或两种组合，如果采用组合方式，则所加入的两种碱重量一般相同。
[0042] 步骤（2)中，所得异构化反应产物包含约60~70 %重量的D，L-薄荷醇，约7~ 9%重量的D, L-异薄荷醇，20~25%重量的新薄荷醇、1-5%重量的新异薄荷醇。经过蒸馏 后可以得到含量高达99%以上的D，L-薄荷醇。
[0043] 步骤（1)的加氢反应的溶剂与步骤⑵的异构化反应的溶剂可以相同。
[0044] 本发明还提供了另一种D，L-薄荷醇的制备方法，包括以下步骤：
[0045] 在所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下，含有薄荷醇异构体的原料进行异构 化反应，生成的异构化产物经过精馏得到D，L-薄荷醇。
[0046] 其中，含有薄荷醇异构体的原料可以使用从异构体混合物精馏分离D，L-薄荷醇 之后剩下的混合物，还可以是将L-薄荷醇拆分后的D-薄荷醇，也可以是购买来的天然薄荷 脑。其成分包括：L-薄荷醇、D-薄荷醇、D, L-异薄荷醇、D, L-新薄荷醇、D, L-新异薄荷醇或 这些异构体的混合物，L-薄荷醇为天然薄荷脑，D-薄荷醇中通常含有5~7% L-薄荷醇， 其它原料中通常含有3~6%的D，L-薄荷醇。
[0047] 异构化反应的溶剂为非极性饱和脂肪烃类溶剂，包括：正己烷、环己烷、石油醚中 的一种。
[0048] 本发明的有益效果体现在：将几种金属元素通过优化组合，提高了异构化反应中 D，L薄荷醇的含量，反应活性更高，同时催化量碱的加入减少了不可利用的烷烃副产物的生 成。
【具体实施方式】
[0049] 实施例1金属复合物催化剂A的制备
[0050] 本实施例中的金属复合物催化剂A由85%的镍、8%的铝、5%的钒和2%的钴（重 量百分比）组成。其合成步骤如下：
[0051] (1)在25°C，以质量百分比浓度5%的氢氧化钠溶液处理镍铝合金（该合金中镍重 量百分比含量为56%，铝为44% )，处理2小时，水洗至中性，该阶段镍铝合金的含量不发生 明显变化。
[0052] (2)再于4L烧杯中，把380g氢氧化钠溶解在I. 5L蒸馏水中，搅拌，在冰浴上冷至 10°c。在搅拌下，把300g经过步骤（1)处理的镍铝合金分批小量加到碱液中，加入的速度 应控制在使溶液温度不超过25°C (在冰浴上）。当全部加完后（约需2小时），停止搅拌， 将烧杯从冰浴上取下，使反应液升至室温。当氢气发生缓慢时，可在沸水浴上徐徐加热（避 免升温太快，以防气泡过多，使反应液溢出），直到气泡发生再度变慢为止（约8~12小时， 此时溶液的体积应靠补加蒸馏水维持基本恒定）。然后静置，让镍粉沉下，倾去上清液。加 蒸馏水至原体积，搅拌溶液使镍粉悬浮，再次静置使镍粉沉下，倾去上清液。然后转移到2L 烧杯中，除去上清液，加入500ml含50g氢氧化钠的水溶液，搅拌，放置，倾去上清液。再加 入500ml蒸馏水，搅拌，放置，倾去上清液。如此水洗重复数次，直到洗出液对石蕊试纸呈 中性后，再洗10次（约洗涤20~40次）。倾去上清液，倾入IOOmL硝酸钒（2N)和硝酸钴 (0.8N)溶液搅拌4小时后，让催化剂沉下，倾去上清液。加200mL 95%乙醇，用滗析法洗涤 三次，再用无水乙醇洗三次。制得的金属复合物催化剂应贮存在充有无水乙醇的磨口瓶中 (不得与空气接触），催化剂必 须保存在液面下，悬浮在液体中的金属复合物催化剂A重约 150g。产物经过XPS分析，其中，含有镍85 %、铝8 %、钒5 %、钴2 %。
[0053] 实施例2金属复合物催化剂B的制备
[0054] 本实施例中的金属复合物催化剂B由75 %的镍、10 %的错、10 %的钒和5 %的钴 (重量百分比）组成。其合成步骤如下：
[0055] (1)在25°C，以质量百分比浓度5%的氢氧化钠溶液处理镍铝合金（该合金中镍重 量百分比含量为50 %，铝为50 % )，反应2小时，水洗至中性。
[0056] (2)再于4L烧杯中，把380g氢氧化钠溶解在I. 5L蒸馏水中，搅拌，在冰浴上冷至 10°c。在搅拌下，把300g经过步骤（1)处理的镍铝合金分批小量加到碱液中，加入的速度 应控制在使溶液温度不超过25°C (在冰浴上）。当全部加完后（约需2小时），停止搅拌， 将烧杯从冰浴上取下，使反应液升至室温。当氢气发生缓慢时，可在沸水浴上徐徐加热（避 免升温太快，以防气泡过多，使反应液溢出），直到气泡发生再度变慢为止（约8~12小时， 此时溶液的体积应靠补加蒸馏水维持基本恒定）。然后静置，让镍粉沉下，倾去上清液。加 蒸馏水至原体积，搅拌溶液使镍粉悬浮，再次静置使镍粉沉下，倾去上清液。然后转移到2L 烧杯中，除去上清液，加入500ml含50g氢氧化钠的水溶液，搅拌，放置，倾去上清液。再加 入500ml蒸馏水，搅拌，放置，倾去上清液。如此水洗重复数次，直到洗出液对石蕊试纸呈 中性后，再洗10次（约洗涤20~40次）。倾去上清液，倾入200mL硝酸钒（2N)和硝酸钴 (0.8N)溶液搅拌4小时后，让催化剂沉下，倾去上清液。加200mL 95%乙醇，用滗析法洗涤 三次，再用无水乙醇洗三次。制得的金属复合物催化剂应贮存在充有无水乙醇的磨口瓶中 (不得与空气接触），催化剂必须保存在液面下，悬浮在液体中的金属复合物催化剂B重约 144g。产物经过XPS分析，其中，含有镍75%、铝10%、钒10%、钴5%。
[0057] 实施例3金属复合物催化剂C的制备
[0058] 本实施例中的金属复合物催化剂C由80%的镍、8%的铝、7%的钒和5%的钴（重 量百分比）组成。其合成步骤如下：
[0059] (1)在25°C，以质量百分比浓度5%的氢氧化钠溶液处理镍铝合金（该合金中镍重 量百分比含量为54%，铝为46% )，反应2小时，水洗至中性。
[0060] (2)再于4L烧杯中，把380g氢氧化钠溶解在I. 5L蒸馏水中，搅拌，在冰浴上冷至 10°c。在搅拌下，把300g经过步骤（1)处理的镍铝合金分批小量加到碱液中，加入的速度 应控制在使溶液温度不超过25°C (在冰浴上）。当全部加完后（约需2小时），停止搅拌， 将烧杯从冰浴上取下，使反应液升至室温。当氢气发生缓慢时，可在沸水浴上徐徐加热（避 免升温太快，以防气泡过多，使反应液溢出），直到气泡发生再度变慢为止（约8~12小时， 此时溶液的体积应靠补加蒸馏水维持基本恒定）。然后静置，让镍粉沉下，倾去上清液。加 蒸馏水至原体积，搅拌溶液使镍粉悬浮，再次静置使镍粉沉下，倾去上清液。然后转移到2L 烧杯中，除去上清液，加入500ml含50g氢氧化钠的水溶液，搅拌，放置，倾去上清液。再加 入500ml蒸馏水，搅拌，放置，倾去上清液。如此水洗重复数次，直到洗出液对石蕊试纸呈 中性后，再洗10次（约洗涤20~40次）。倾去上清液，倾入150mL硝酸钒（2N)和硝酸钴 (0.8N)溶液搅拌4小时后，让催化剂沉下，倾去上清液。加200mL 95%乙醇，用滗析法洗涤 三次，再用无水乙醇洗三次。制得的金属复合物催化剂应贮存在充有无水乙醇的磨口瓶中 (不得与空气接触），催化剂必须保存在液面下，悬浮在液体中的金属复合物催化剂C重约 146g。产物经过XPS分析，其中，含有镍80 %、铝8 %、钒7 %、钴5 %。
[0061] 实施例4~9百里酷氢化反应
[0062] 操作步骤如下：
[0063] (1)准备：高压釜洗净，试压，检查气密性。改性金属复合物催化剂A用乙醇洗涤 去水，再用环己烷洗涤去乙醇。环己烷液封备用。
[0064] (2)投物料：在高压釜气密性良好的情况下，加入百里酷，环己烷溶剂和I. 5g已洗 绦的金属复合物催化剂A，加入0. 5N的氢氧化钠调节pH至9。
[0065] (3)置换：重复充、放氮气3次，将高压釜内的空气基本排除，再重复充、放氢气3 次，将高压釜内的氮气基本排除，然后通入氢气使釜内压力达到4MPa。
[0066] (4)开始反应：设置温度为150°C，使高压釜缓慢升温，开搅拌和循环冷却水，搅拌 速度设为500r/min，待温度升至180°C时，将设置温度调为180°C，氢气压力升至6. OMPa，两 小时后取样检测异构情况，各异构体含量达到平衡，记录各个异构体的质量百分比含量，结 果见表1。
[0067] (5)压料：反应结束后，将反应混合物压出，过滤除去催化剂，用过的催化剂密封 保存在环己烷溶剂中，备下一次套用。对高压釜进行洗涤，为下一次反应做好准备。
[0068] (6)去环己烷：将滤液旋转蒸馏处理除去环己烷溶剂，得到薄荷醇异构体混合物 粗品。
[0069] (7)蒸馏：对薄荷醇异构体混合物粗品蒸馏，去除分解的低沸物（前份），除去高沸 物（脚料），得薄荷醇异构体混合物成品。经过精馏得到D，L-薄荷醇产品和剩余馏分（含 少量的D，L-薄荷醇、新薄荷醇、新异薄荷醇和异薄荷醇）。
[0070] 表1实施例4~9的反应条件和反应结果
[0071]
[0073] 3以市售的雷尼镍作为催化剂。
[0074] 实施例4~9的结果表明，采用了本发明的金属复合物催化剂代替雷尼镍后，氢化 反应中薄荷醇的含量获得了明显地提高。
[0075] 实施例10~11异构化反应
[0076] 操作步骤如下：
[0077] (1)准备：高压釜洗净，试压，检查气密性。改性金属复合物催化剂A用乙醇洗涤 去水，再用环己烷洗涤去乙醇。环己烷液封备用。
[0078] (2)投物料：在高压釜气密性良好的情况下，加入异构化原料，100mL环己烷溶剂 和I. 5g已洗绦的金属复合物催化剂A，加入0. 5N的氢氧化钠调节pH至9。
[0079] (3)置换：重复充、放氮气3次，将高压釜内的空气基本排除，再重复充、放氢气3 次，将高压釜内的氮气基本排除，然后通入氢气使釜内压力达到2MPa。
[0080] (4)开始反应：设置温度为80°C，使高压釜缓慢升温，开搅拌和循环冷却水，搅拌 速度设为500r/min，待温度升至100°C时，将设置温度调为100°C，氢气压力升至3. OMPa，两 小时后取样检测异构情况，各异构体含量达到平衡，记录各个异构体的质量百分比含量，结 果见表2。
[0081] (5)压料：反应结束后，将反应混合物压出，过滤除去催化剂，用过的催化剂密封 保存在环己烷溶剂中，备下一次套用。对高压釜进行洗涤，为下一次反应做好准备。
[0082] (6)去环己烷：将滤液旋转蒸馏处理除去环己烷溶剂，得到薄荷醇异构体混合物 粗品。
[0083] (7)蒸馏：对薄荷醇异构体混合物粗品蒸馏，去除分解的低沸物（前份），除去高沸 物（脚料），得薄荷醇异构体混合物成品。
[0084] 表2实施例10~12的反应条件和反应结果
[0085]
[0086] a实施例10~12中反应时间均为11小时。
[0087] 实施例10~12的结果表明，本发明的金属复合物催化剂用于薄荷醇的异构化反 应，也能取得较好的结果。
【主权项】
1. 一种金属复合物催化剂，其特征在于，由如下重量百分比的元素组成：2. -种如权利要求1所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步 骤： (1) 将镍铝合金用稀氢氧化钠溶液进行处理，然后水洗至中性； 所述的稀氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为3~8% ; (2) 将步骤（1)处理过的镍铝合金分批加入浓氢氧化钠溶液中进行反应，反应结束后 静置、洗涤，得到中间体； 所述的浓氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为15~25% ; (3) 向步骤（2)得到的中间体中加入硝酸钒溶液和硝酸钴溶液进行置换反应，反应完 全后经过后处理得到所述的金属复合物催化剂。3. 根据权利要求2所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1)中，所 述的镍铝合金中镍的重量百分比含量为50 %~60 %，铝的重量百分比含量为40 %~50 %。4. 根据权利要求2所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1)中，所 述的稀氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为5% ;处理温度为20~25°C，处理时间为1~3 小时。5. 根据权利要求2所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（2)中，浓 氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为20%;反应温度为10~25°C，反应时间为8~12小时。6. 根据权利要求2所述的金属复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（3)中，硝 酸钒的浓度为1~2mol/L，硝酸钴的浓度为0· 5~lmol/L ; 硝酸钒与镍铝合金中镍的摩尔比为I :8~15 ; 硝酸钴与镍铝合金中镍的摩尔比为1 :30~40。7. -种D，L-薄荷醇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 在权利要求1所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下，百里酚进行加氢反应，生 成的加氢产物经过精馏得到所述的D，L-薄荷醇和剩余馏分； (2) 步骤（1)得到的剩余馏份进一步在权利要求1所述的金属复合物催化剂和氢气的 作用下进行异构化反应，生产的异构化产物经过精馏得到D，L-薄荷醇。8. 根据权利要求7所述的D，L-薄荷醇的制备方法，其特征在于，步骤（1)中，加氢反应 的压力为2~8Mpa，加氢反应的温度为120~220°C。9. 根据权利要求7所述的D，L-薄荷醇的制备方法，其特征在于，步骤（2)中，异构化反 应的压力为2~3Mpa，异构化反应的温度为80~120°C ; 所述的异构化反应在碱的催化下进行，碱与原料的重量比为1:10~30。10. -种D，L-薄荷醇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 在权利要求1所述的金属复合物催化剂和氢气的作用下，含有薄荷醇异构体的原料进 行异构化反应，生成的异构化产物经过精馏得到D，L-薄荷醇。
【专利摘要】本发明公开了一种金属复合物催化剂、其制备方法以及在制备D,L-薄荷醇中的应用，该金属复合物催化剂由如下重量百分比的元素组成：镍70-85％、铝8-10％、钒5-10％、钴2-10％。该金属复合物催化剂应用于百里酚加氢制备D,L-薄荷醇时，具有反应活性高，手性化合物消旋化速度快的特点。同时异构化中加入的某种碱是减少轻组分副产物的关键。整个工艺反应选择性好，制备工艺简单，生产成本低，合成路线对环境友好。
【IPC分类】B01J23/847, C07C29/20, C07C35/12, C07C29/56
【公开号】CN104888794
【申请号】CN201510264486
【发明人】于明, 袁金桃, 俞海东, 邵卫康, 张玉红
【申请人】浙江新和成股份有限公司, 浙江大学, 山东新和成药业有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月21日
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