一种环氧化合物氢酯基化制备β-羟基丁酸酯的方法

本发明涉及有机物合成，具体涉及一种环氧化合物与一氧化碳、低碳醇经氢酯基化高选择性制备β-羟基丁酸酯的方法。

背景技术：

1、β-羟基丁酸酯类化合物是一类非常有用的化合物，是合成聚（β-羟基丁酸酯）（phb）全生物可降解聚酯的核心单体，同时广泛应用于手性药物合成、保健食品中间体、高端环保溶剂及可降解涂层材料，市场需求逐年激增。相较于α-羟基丁酸酯，β-羟基丁酸酯的聚合物结晶度更高、力学性能更好、降解性能更稳定，是高端可降解材料的关键原料。

2、传统β-羟基丁酸酯制备主要采用微生物发酵法，存在发酵周期长、提纯成本高、产量低、规模化难度大的缺陷。化学合成法中，环氧丙烷羰化酯化（如下式）是最具工业化潜力的路线，原料廉价、原子经济性高、流程短、绿色低碳。

3、

4、现有钴-膦均相体系应用于该反应时，产物选择性存在难以克服的缺陷：环氧丙烷在传统催化体系中优先发生仲碳开环，主产物为2-羟基丙酸酯，β-羟基丁酸酯选择性普遍低于50%，无法满足工业生产要求。同时，传统三苯基膦体系高温易氧化失活，钴活性中心易团聚析出，体系稳定性差，批次波动大，副产丙二醇、聚醚、低碳酸酯等杂质多，产物分离能耗高，严重制约化学法制备β-羟基丁酸酯的工业化落地。现有相关专利技术同样存在明显的技术瓶颈：专利cn1401625a发明了一种以八羰基二钴-吡啶化合物-钠盐作为催化剂，从环氧丙烷羰基化制备其消旋体的方法。但该方法反应过程中压力达到6.0-8.0 mpa，且催化剂配制、工业生产操作条件严苛，设备投资与安全管控成本高。专利cn114890867a采用co2(co)8/3-羟基吡啶催化体系，实现环氧丙烷、一氧化碳与甲醇一步合成3-羟基丁酸甲酯；该方案利用氮杂环配体（如吡唑和3-羟基吡啶）稳定活性中间体[co(co)4]-，缓解钴簇团聚失活问题。但3-羟基吡啶带有酸性酚羟基，反应体系中微量水分即可诱发目标产物水解，显著降低β-羟基丁酸甲酯的选择性，工艺要求对原料与反应体系进行深度脱水处理，操作流程繁琐；而吡唑碱性偏弱，低温区间（＜65℃）活化钴能量低于3-羟基吡啶，低温下环氧化合物转化率大幅下降，生产效率受限。国内外学术研究同样证实上述瓶颈：wu 课题组开发的溴化钴基羰化体系虽简化催化剂制备，但开环区域选择性调控能力不足，高选择性依赖严苛无水、高压条件（j. org. chem., 2019, 84 (16), 9907-9912）；朱红平等开发n,o双齿配体钴配合物，最高目标产物收率仅88.6%，且配体合成步骤多、成本高，难以工业化批量制备催化剂（chinese j. org. chem., 2023, 43(11), 3907-3915）；coates团队开发的路易斯酸-四羰基钴离子对催化剂虽实现高伯碳开环选择性，但体系依赖高当量贵金属路易斯酸助剂，催化剂综合成本过高，无产业化价值（angew. chem. int. ed., 2002, 41(15),2781-2784）。

5、因此，本领域亟需开发一种兼具高催化活性、目标产物高选择性、长效稳定的新型催化体系，实现环氧化合物定向氢酯基化，高效制备β-羟基丁酸酯，解决现有工艺选择性差、催化剂易失活、反应条件苛刻、预处理流程复杂等系列技术痛点。

6、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种新型均相催化体系及其制备β-羟基丁酸酯的工艺，为改善现有环氧化合物氢酯基化工艺产物选择性差、丁酸酯收率低、催化剂易失活、金属析出严重、副产物复杂等问题。

2、为了达到上述目的，本发明通过咪唑基配体调控钴羰基活性物种结构，改变环氧化合物开环选择性，大幅提升β-羟基丁酸酯定向生成能力，同时提升催化体系稳定性与循环使用性能，具体包含如下：

3、本发明提供了一种环氧化合物氢酯基化制备β-羟基丁酸酯的方法，包括：

4、在如式20所示的咪唑基配体与钴化合物组成的组合催化体系作用下，使环氧化合物、一氧化碳和低碳醇在有机溶剂中进行氢酯基化反应，生成β-羟基丁酸酯；

5、

6、其中，在式20中，r1和r2各自独立的选自：h、-(c1~c4)烷基、-(c1~c4)烷基-oh、-(c1~c4)烷基-br、-co-(c1~c4)烷基、c1~c6的烯基、苯基、-苯基-o-(c1~c2)烷基、-苯基-cf3。

7、优选地，所述方法中的咪唑基配体选自以下结构中任意一种或多种；

8、。

9、优选地，所述方法中的钴化合物选自氯化钴、硝酸钴、乙酸钴、乙酰丙酮钴或八羰基二钴中的至少一种；更优选的方案为自氯化钴或八羰基二钴。

10、优选地，所述方法中的有机溶剂选自1,4-二氧六环、四氢呋喃、苯、甲苯、n,n-二甲基甲酰胺或乙腈中的至少一种。

11、优选地，所述方法中的低碳醇选自甲醇、乙醇、正丙醇中的至少一种；所述环氧化合物选自环氧乙烷、环氧丙烷、环氧氯丙烷中的至少一种。

12、优选地，所述方法中的氢酯基化反应的温度为40~60℃，且反应的一氧化碳压力为3~5 mpa。

13、优选地，所述方法中的钴化合物中的钴原子与环氧化合物的摩尔比为0.04~0.4:1；所述钴化合物中的钴原子与咪唑基配体的摩尔比为0.5~4:1。

14、更优选地，所述方法中的钴化合物中的钴原子与环氧化合物的摩尔比为0.05~0.3:1；所述钴化合物中的钴原子与咪唑基配体的摩尔比为0.5~2:1。

15、优选地，所述方法中的低碳醇与有机溶剂的体积比为0.15~1:1。

16、优选地，所述方法还包括：在反应结束后，将含有组合催化体系的母液不经固液分离，直接补充环氧化合物、低碳醇和有机溶剂，进行循环套用。

17、本发明提供的β-羟基丁酸酯制备方法具有以下优点：

18、本发明通过咪唑结构配位改性羰基钴活性中心，精准改变环氧化合物开环选择性，高定向生成β-羟基丁酸酯，彻底解决传统体系主产羟基丙酸酯的技术瓶颈。

19、本发明催化体系稳定、全程均相。母液可实现连续多次循环套用。

20、本发明在保证超高选择性的同时，仍能保持较高的原料转化率和产物收率，可在45-60℃的中低温度和3.5-6.0 mpa的中低压下高效进行，即可实现91.8%的β-羟基丁酸甲酯收率，综合性能远超对比例中的各类现有催化体系，设备要求低、能耗更低。

21、本发明催化体系全程液相均相反应，无需固液分离，可适配间歇釜式生产与连续管式羰化工艺，工业化放大风险低。

22、本发明绿色低副产，几乎无聚醚、丙二醇、碳酸酯类副产物，精馏分离负荷小，三废排放少，符合精细化工绿色低碳生产要求。

1.一种环氧化合物氢酯基化制备β-羟基丁酸酯的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述咪唑基配体选自以下结构中任意一种或多种；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钴化合物选自氯化钴、硝酸钴、乙酸钴、乙酰丙酮钴或八羰基二钴中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂选自1,4-二氧六环、四氢呋喃、苯、甲苯、n,n-二甲基甲酰胺或乙腈中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低碳醇选自甲醇、乙醇、正丙醇中的至少一种；所述环氧化合物选自环氧乙烷、环氧丙烷、环氧氯丙烷中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢酯基化反应的温度为40~60℃，且反应的一氧化碳压力为3~5 mpa。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钴化合物中的钴原子与环氧化合物的摩尔比为0.04~0.4:1；所述钴化合物中的钴原子与咪唑基配体的摩尔比为0.5~4:1。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述钴化合物中的钴原子与环氧化合物的摩尔比为0.05~0.3:1；所述钴化合物中的钴原子与咪唑基配体的摩尔比为0.5~2:1。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低碳醇与有机溶剂的体积比为0.15~1:1。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：反应结束后，将含有组合催化体系的母液不经固液分离，直接补充环氧化合物、低碳醇和有机溶剂，进行循环套用。