單乙醇胺氣固相催化合成哌嗪及其衍生物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)藥中間體哌嗪及其衍生物的合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用單乙醇胺合成哌嗪、三乙烯二胺、N-乙基哌嗪和2-乙基吡嗪等的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]哌嗪及其衍生物是一類重要的有機化工中間體，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、表面活性劑和染料等行業(yè)。例如:哌嗪可用于合成驅(qū)腸蟲藥磷酸哌嗪、枸櫞酸哌嗪，以及氟奮乃靜、強痛定、利福平等藥物；三乙烯二胺是農(nóng)藥生產(chǎn)引發(fā)劑，是聚氨酯泡沫塑料硬化劑，也是環(huán)氧樹脂固化、乙烯及環(huán)氧化物的聚合催化劑；N-乙基哌嗪是合成獸藥乙基環(huán)丙沙星(蒽氟沙星)的重要中間體，同時還是染料、植物保護劑的合成原料；2-乙基吡嗪則可用作日用、食用香精。
[0003]對于此類化合物的合成，國內(nèi)外研究較多，合成哌嗪及其衍生物的原料主要為Ν-β-羥乙基乙二胺、單乙醇胺、乙二胺、多乙烯多胺等，以單乙醇胺為原料為例，ΕΡ163，253，04等報道了以鐵-鎳(鈷)為催化劑，在壓力5.0MPa、溫度800°C下使單乙醇胺和氨反應(yīng)生產(chǎn)哌嗪和乙二胺，哌嗪收率一般在15%?25%之間，乙二胺收率為43%?47%。
[0004]CN1354174A報道了以K、N1、Fe和Sn改性的沸石催化劑，在常壓或加壓和280?380°C下，以55%單乙醇胺水溶液為原料生產(chǎn)哌嗪和三乙烯二胺，獲得的產(chǎn)物重量組成為:水50.1%、哌嗪16.8%、三乙烯二胺18.4%、單乙醇胺5.6%、其他9.1%。
[0005]CN1106000A和CN103433050A公開了一種連續(xù)從單乙醇胺生產(chǎn)哌嗪的方法，以單乙醇胺和NH3為原料，催化劑為含N1、Fe、Co、Mo的γ_Α1 203或者Θ -Al 203，反應(yīng)溫度為200?400°C，于壓力小于1atm的高壓反應(yīng)釜中合成哌嗪，其收率達(dá)65%以上。
[0006]CN1442402A以單乙醇胺、氨和水為原料，不使用載氣，以小晶粒沸石為催化劑合成三乙烯二胺，單乙醇胺轉(zhuǎn)化率達(dá)95%以上，三乙烯二胺選擇性達(dá)85%以上。
[0007]CN1182744A、CN14179423A和CN1234401A介紹了高溫下以單乙醇胺、亞乙基胺、哌嗪或者嗎啉為原料制備三乙烯二胺的方法，所使用沸石催化劑分別是使用苛性堿水溶液、草酸水溶液或者含硅化合物處理后，以氫或銨形式的ZSM-5沸石，以上三種改性方法均可以毒化或減少催化劑表面的一部分酸中心，降低表面酸中心強度和數(shù)量，使三乙烯二胺選擇性得以提高，但此工藝單乙醇胺和哌嗪轉(zhuǎn)化率低于72%，三乙烯二胺選擇性仍低于30%。在此基礎(chǔ)上，CN103240116A使用苛性堿水溶液以及金屬硝酸鹽溶液改性H-ZSM-5沸石為催化劑，將單乙醇胺轉(zhuǎn)化率提高至85%以上，三乙烯二胺選擇性達(dá)90%。
[0008]華月明等人在“改性ZSM-5分子篩上乙醇胺催化胺化合成乙撐胺”中采用改性的ZSM-5沸石分子篩為催化劑，通過比較研究指出，中等強度的酸性有利于三乙烯二胺的生成，使用中等酸強度的N1-ZSM-5為催化劑在340°C、氨氣氣氛下，單乙醇胺轉(zhuǎn)化率為96.4%，三乙烯二胺的選擇性為66.1 %，但反應(yīng)副產(chǎn)物多。
[0009]CN102000602A公開了一種環(huán)胺催化劑，該環(huán)胺催化劑將Pb3 (PO4) 2、Zr3(P04)^Cd3(P04)2負(fù)載在銳鈦型T1 2上，干燥后與H-ZSM-5混合制得。該催化劑用于單乙醇胺和氨為原料合成哌嗪和三乙烯二胺，轉(zhuǎn)化率達(dá)90%以上，哌嗪和三乙烯二胺選擇性達(dá)85%以上，其壽命可達(dá)600h。
[0010]綜上所述:目前已有合成哌嗪和三乙烯二胺的原料需混合大量的稀釋劑，造成了原料的浪費，且部分工藝需高溫高壓的條件，反應(yīng)條件苛刻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種以酸活化蒙脫土或者負(fù)載磷酸鹽的酸活化蒙脫土為催化劑，在較低的溫度及常壓條件下催化單乙醇胺反應(yīng)，合成哌嗪、三乙烯二胺、N-乙基哌嗪和2-乙基吡嗪等哌嗪及其衍生物的方法。
[0012]解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:以酸活化蒙脫土或者負(fù)載磷酸鹽的酸活化蒙脫土為催化劑，將催化劑裝填于固定床反應(yīng)器中，加熱至250?350°C，通氮氣和單乙醇胺氣體，單乙醇胺氣體與氮氣的體積比為1:10?15，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計氣體總空速為1500?3000h \在常壓條件下進行反應(yīng)，得到哌嗪、三乙烯二胺、N-乙基哌嗪和2-乙基吡嗪。
[0013]本發(fā)明進一步優(yōu)選以酸活化蒙脫土或者負(fù)載磷酸鹽的酸活化蒙脫土為催化劑，將催化劑裝填于固定床反應(yīng)器中，加熱至300°C，通氮氣和單乙醇胺氣體，單乙醇胺氣體與氮氣的體積比為1:10，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計氣體總空速為2500h \在常壓條件下進行反應(yīng)，得到哌嗪、三乙烯二胺、N-乙基哌嗪和2-乙基吡嗪。
[0014]上述酸活化蒙脫土或負(fù)載磷酸鹽的酸活化蒙脫土中硅鋁比為5?100:1(摩爾比)，優(yōu)選硅鋁比為20?50:1，其中負(fù)載磷酸鹽的酸活化蒙脫土中，磷酸鹽的負(fù)載量為1%?10% (以P2O5的質(zhì)量計)。
[0015]本發(fā)明酸活化蒙脫土的制備方法為:將蒙脫土分散于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?30%的酸的水溶液中，所述的酸為磷酸、硝酸、硫酸中的任意一種，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%?10%的蒙脫土懸浮液，攪拌，100?104°C活化4?36小時，離心分離，沉淀用蒸餾水洗至中性，60?80°C干燥10?12小時，350?1000°C焙燒2?6小時，制備成酸活化蒙脫土。
[0016]本發(fā)明負(fù)載磷酸鹽的酸活化蒙脫土的制備方法為:采用等體積浸漬法，以上述酸活化蒙脫土為載體，將酸活化蒙脫土加入浸漬液中，室溫靜置12小時，120°C干燥12小時，350?1000°C焙燒2?6小時，優(yōu)選450?750°C焙燒4小時，自然冷卻至室溫，取出，壓片，造粒，過40?60目篩，得到負(fù)載磷酸鹽的酸活化蒙脫土，其中所述的浸漬液是正磷酸、焦磷酸、偏磷酸、亞磷酸或多磷酸、磷酸銨、磷酸氫二銨、磷酸二氫銨中任意一種的水溶液。
[0017]本發(fā)明的有益效果如下:
[0018](I)本發(fā)明以具有高硅鋁比的酸活化蒙脫土為催化劑，在較低的溫度及常壓條件下反應(yīng)，即可使單乙醇胺的轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%以上，獲得不同產(chǎn)率的高價值產(chǎn)物哌嗪、三乙烯二胺、N-乙基哌嗪和2-乙基吡嗪。
[0019](2)本發(fā)明以負(fù)載磷酸鹽的酸活化蒙脫土為催化劑，磷酸鹽的引入改變了催化劑的酸性，不但可使單乙醇胺的轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%以上，且較大幅度提高了哌嗪及其衍生物的選擇性。
[0020](3)本發(fā)明方法簡單，條件可控，催化劑廉價易得，且催化活性高、穩(wěn)定性好。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護范圍不僅限于這些實施例。
[0022]實施例1
[0023]將16.33g鈉基蒙脫土分散于SOOg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硝酸水溶液中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %的蒙脫土懸浮液，攪拌，104°C活化4小時，用離心機8000轉(zhuǎn)/分鐘離心6分鐘，沉淀用蒸餾水洗滌至中性，置于烘箱內(nèi)80°C干燥12小時，置于馬弗爐中以2.(TC /分鐘的升溫速率升溫至550°C，恒溫焙燒4小時，自然冷卻至室溫，取出，壓片，造粒，過40?60目篩，制備成酸活化蒙脫土，其比表面積為220.25m2/g、孔容為0.61cm3/g、平均孔徑為11.15nm，硅鋁比為32:1 (摩爾比)。
[0024]將制備的酸活化蒙脫土裝填內(nèi)徑為12mm、管長250mm的固定床管式反應(yīng)器中，裝填量為2g，加熱至300°C，通入單乙醇胺和氮氣，單乙醇胺氣體與氮氣的體積比為1:10，反應(yīng)氣體總空速(以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計)為2500h 反應(yīng)在常壓條件下進行，反應(yīng)10小時，反應(yīng)產(chǎn)物用冷浴捕集，尾氣用水吸收。經(jīng)氣相色譜分析(含量采用安捷倫公司HP-1毛細(xì)管柱測定)，單乙醇胺轉(zhuǎn)化率為99.0%，哌嗪選擇性為36.0%、三乙烯二胺選擇性為13.4%, N-乙基哌嗪選擇性為7.56%,2-乙基吡嗪選擇性為15.03%。
[0025]實施例2
[0026]將16.33g鈉基蒙脫土分散于SOOg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硝酸水溶液中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的蒙脫土懸浮液，攪拌，104°C活化24小時，其它步驟與實施例1相同，制備成酸活化蒙脫土，其比表面積為191.69m2/g、孔容為0.96cm3/g、平均孔徑為20.02nm，硅鋁比為46:1(摩爾比)。
[0027]將制備的酸活化蒙脫土按照實施I的方法催化單乙醇胺反應(yīng)10小時，經(jīng)氣相色譜分析，單乙醇胺轉(zhuǎn)化率為100%，哌嗪選擇性為9.2%、三乙烯二胺選擇性為13.7%,N-乙基哌嗪選擇性為8.76%,2-乙基吡嗪選擇性為34.2%。
[0028]實施例3
[0029]在實施例2中，將鈉基蒙脫土用等質(zhì)量的鈣基蒙脫土替換，其它步驟與實施例2相同，制備成酸活化蒙脫土，其比表面積為213.9m2/g、孔容為0.89cm3/g、平均孔徑為16.6nm，硅鋁比為42:1(摩爾比)。
[0030]將制備的酸活化蒙脫土按照實施I的方法催化單乙醇胺反應(yīng)10小時，經(jīng)氣相色譜分析，單乙醇胺轉(zhuǎn)化率為99.3%，哌嗪選擇性為30.6%、三乙烯二胺選擇性為3.2%、N-乙基哌嗪選擇性為5.0%,2~乙基吡嗪選擇性為32.4%。
[0031]實施例4
[0032]先按照實施例1的方法制備酸活化蒙脫土，然后采用等體積浸漬法，將0.1Og三水合磷酸銨加入去離子水中，靜置15分鐘，得到浸漬液，再按照磷酸鹽的負(fù)載量為1.8% (以P2O5的質(zhì)量計)，將2.0g酸