CN101255115A - 一种酯交换法合成长链烷基碳酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是以碳酸二甲酯和长链烷基醇为原料,在负载型催化剂存在下进行酯交换制备长链烷基碳酸酯,催化剂由可溶性碱金属及碱土金属的盐通过等体积浸渍法负载在各种载体上,其中被负载组分碱金属或碱土金属的可溶性盐与载体的质量比值范围为:0.05~0.25,焙烧温度400~900℃。该催化剂对酯交换法合成长链烷基碳酸酯反应具有良好的催化活性和很高的选择性,长链烷基碳酸酯的收收率可达75%以上,选择性可达95%以上。尤其是该催化剂具有对环境无污染、对设备无腐蚀、易于分离回收和制备等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种以碳酸二甲酯和长链烷基醇为原料,负载型催化剂存在下酯交换法合成长链烷基碳酸酯的方法。
背景技术
长链烷基碳酸酯是一种透明的液体或油状物,具有较低的倾点、良好的润滑性、耐磨性、自清洁性、耐腐蚀性与烃类油具有很好的可溶性,较高的热氧化稳定性,是一种很好的润滑油基材,可广泛用于金属加工制造业,高档仪器设备、汽车等的润滑中;还可应用于纺织、化妆品、金属除油、皮革处理等行业。目前对这类长链烷基碳酸酯的研究相对较少,合成方法主要有光气法、氧化羰化法、尿素醇解法、酯交换法等。光气法存在着原料剧毒、操作周期长、副产物严重腐蚀设备等缺点,正在逐步被淘汰。氧化羰化法一般使用钯等贵金属及其化合物做催化剂,但所使用的催化剂价格昂贵,催化剂回收循环利用困难,生产过程操作控制要求高,安全性差,且长链碳酸酯收率低;尿素醇解法合成高碳醇酯的产率较低,且高温尿素易分解。酯交换法采用了绿色环保原料碳酸二甲酯与脂肪族醇酯交换合成长链烷基碳酸酯,反应过程中不会产生污染,且反应条件较温和,易于合成,产率较高。
目前,酯交换法合成长链烷基碳酸酯的报道较少,所用的催化剂大多为均相催化剂。欧阳秋等(Ou Yangqiu(欧阳秋),Li Gang(李刚).Synthetic Lubricants(合成润滑材料)[J],1995,22(3)1-5,8)用碳酸二甲酯与异十三醇酯交换制备出碳酸二异十三酯,所选催化剂为碳酸盐、钛酸盐及甲醇钠。碳酸盐催化剂活性适中,产品收率为81%;钛酸酯的催化活性最高,产品收率为94.8%,但其易水解;甲醇钠的催化活性较好,产品收率为74.3%,但也易水解。钱锦华等(钱锦华,王庆印,王公应等.精细化工[J],2006,23(4):403-406)对碳酸二甲酯(DMC)与月桂醇酯交换合成碳酸二月桂酯的催化剂进行了筛选,在所选催化剂KI、KBr、K2CO3及Bu2Sn中,K2CO3具有良好的活性,DMC的单程转化率为59.4%,碳酸二月桂酯产率55.3%,碳酸二月桂酯选择性93%。Gryglewicz等(Gryglewiez S,Oko F A,GryglewiezG.Ind.Eng.Chem.Res.[J],2003,42:5007-5010)采用两步合成法,用碳酸二甲酯(DMC)与2-乙基己醇酯交换反应生成碳酸二(2-乙基)己酯.催化剂主要有Na、Mg、Ca、Ba、Al的氧化物、氢氧化物和甲氧基化合物。实验表明,(CH3O)2Ca催化效果最好,碳酸二(2-乙基)己酯,收率为65.9%,产品纯度为98.5%。此外,他们在相同的条件下,仍用(CH3O)2Ca作催化剂,碳酸二甲酯(DMC)与3,5,5-三甲基己醇反应生成碳酸二(3,5,5-三甲基)己酯,收率为70%,纯度为98.1%。王庆印等(王庆印,钱锦华,姚洁等,分子催化[J],2005,19(6):462-467)以碳酸二甲酯与正辛醇酯交换制备了碳酸二正辛酯(DOC),其中以KI为催化剂,DMC的转化率为83.7%,DOC的收率为70.0%,DOC的选择性为83.7%。
均相催化体系存在着产物与催化剂分离、回收困难的问题,因此,多相催化剂成为了研究的热点。任勃等(任勃,李茹民,董国君.应用科技[J],2006,33(11):66-68)以CaO/ZrO2固体碱为催化剂,碳酸二甲酯、异辛醇为原料,通过酯交换反应合成碳酸二异辛酯,实验结果表明,催化剂在活化温度873K,质量分数为1.5%的条件下,产品收率达到62.2%
在CN 1785506A中以固体酸催化体系,考察了其在合成高碳醇碳酸酯的催化活性,但作者未给出高碳醇碳酸酯的收率。
酯交换合成长链烷基碳酸酯的多相催化剂研究相对较少,已有的固体碱碱催化剂长链烷基碳酸酯的收率较低;固体酸催化剂存在制备步骤复杂,且高碳醇碳酸酯的收率不详。
因此,本发明提供了一种以碳酸二甲酯和长链烷基醇为原料,在负载型催化剂存在条件下酯交换法合成长链烷基碳酸酯的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易操作,高收率、高选择性的合成长链烷基碳酸酯的方法。
本发明的技术路线如下:
本发明提供的酯交换法合成长链烷基碳酸酯的方法是以碳酸二甲酯与长链烷基醇(碳数≥8)为原料,在负载型催化剂存在的条件下进行的酯交换反应,应用的工艺条件是碳酸二甲酯与长链烷基醇的摩尔比为2~6∶1,反应温度120~170℃,反应时间2~7小时,催化剂占反应物总质量分数为0.25~5%。
负载型催化剂由可溶性碱金属及碱土金属的盐通过等体积浸渍法负载在各种载体上。其中碱金属或碱土金属与载体的质量比值范围为:0.05~0.25。
催化剂的步骤如下:
(1)测定所选载体的饱和吸附水量;
(2)配制一定含量的可溶性碱金属或碱土金属盐溶液;
(3)按照所需比例加入可吸附等体积上述溶液的载体;
(4)将上述混合物搅拌均匀2~4h,再静置2~24h;
(5)将所得固体在90~120℃干燥2~10h;
(6)将所得产物在400~900℃下焙烧2~8h;
(7)研磨所得产物,即得所需催化剂。
等体积浸渍法中所用的碱金属或碱土金属可溶性盐为:碱金属或碱土金属的硝酸盐;碱金属或碱土金属的醋酸盐;碱金属的其它可溶性盐,如:氟化钠、氟化钾、碳酸钾、碘化钾等之中的一种。
等体积浸渍法中所用的载体选自Al2O3、SiO2、ZrO2、TiO2、ZnO、Y型分子筛、4A分子筛、5A分子筛中的一种。
等体积浸渍法中所说的焙烧温度最好为400~600℃。
本发明比现有技术的优势如下:
(1)酯交换反应在反应-精馏装置中进行,操作简单。
(2)酯交换法合成长链烷基碳酸酯反应中使用的负载型催化剂催化活性高,选择性好。,长链碳酸二烷基酯的收率可达75%以上,选择性可达95%以上。
(3)酯交换法合成长链烷基碳酸酯反应中使用的催化剂易于分离、回收。
(4)酯交换法合成长链烷基碳酸酯反应中使用的催化剂对环境无污染且不会腐蚀设备。
(5)酯交换法合成长链烷基碳酸酯反应中使用的催化剂稳定性好可以重复使用多次。
具体实施方式
实施例1
将载体Al2O3在600℃焙烧4h,按照KNO3为10%,Al2O3为90%的组成(质量百分比)称取一定的KNO3配制成水溶液,将Al2O3加入上述水溶液中搅拌2h后静置10h,将所得试样在110℃烘箱中干燥5h,并在马弗炉中于500℃下焙烧4h,取出磨细即得负载型催化剂。在连有氮气导入管、恒压滴液漏斗、温度计及精馏柱的三口烧杯中,加入所制得的催化剂0.84g,月桂醇74.5g。待升温到140℃,开始滴加碳酸二甲酯,碳酸二甲酯的总加入量为9.07g,从开始滴加碳酸二甲酯计算反应时间,反应4h;反应中不断由精馏柱蒸出甲醇和碳酸二甲酯的共沸物。反应液用气相色谱仪分析,用校正归一法进行定量分析,测得碳酸二甲酯的转化率为80.79%,碳酸二月桂酯的收率为80.03%,选择性为99.06%。
实施例2
催化剂的制备及评价方法同实施例1,调变长链醇的碳原子数,以正辛醇为原料,在连有氮气导入管、恒压滴液漏斗、温度计及精馏柱的三口烧杯中,加入所制得的催化剂0.59g,正辛醇50.09g。待升温到140℃,开始滴加碳酸二甲酯,碳酸二甲酯的总加入量为9.07g,从开始滴加碳酸二甲酯计算反应时间,反应4h;反应中不断由精馏柱蒸出甲醇和碳酸二甲酯的共沸物。反应液用气相色谱仪分析,用校正归一法进行定量分析,测得碳酸二甲酯的转化率为82.56%,碳酸二正辛酯的收率为80.65%,选择性为97.69%。
实施例3
催化剂的制备及评价方法同实施例1,调变长链醇的碳原子数,以正十六醇为原料,在连有氮气导入管、恒压滴液漏斗、温度计及精馏柱的三口烧杯中,加入所制得的催化剂1.06g,正十六醇96.98g。待升温到160℃,开始滴加碳酸二甲酯,碳酸二甲酯的总加入量为9.07g,从开始滴加碳酸二甲酯计算反应时间,反应4h;反应中不断由精馏柱蒸出甲醇和碳酸二甲酯的共沸物。反应液用气相色谱仪分析,用校正归一法进行定量分析,测得碳酸二甲酯的转化率为79.37%,碳酸二正十六酯的收率为76.05%,选择性为95.82%。
实施例4
催化剂的制备及评价方法同实施例1,调变催化剂的负载量,按照KNO3为12.5%,Al2O3为87.5%的组成(质量百分比)制备催化剂。催化剂的反应条件和产物的分析方法同实施例1,催化剂的活性结果如下:碳酸二甲酯的转化率为81.03%,碳酸二月桂酯的收率为80.40%,选择性为99.22%。
实施例5
催化剂的制备及评价方法同实施例1,改变催化剂的载体,以SiO2为载体,KNO3为10%,SiO2为90%的组成(质量百分比),催化剂的反应条件和产物的分析方法同实施例1,催化剂的活性结果如下:碳酸二甲酯的转化率为78.26%,碳酸二月桂酯的收率为77.59%,选择性为99.14%。
实施例6-8
在例6-8中,将实施例1中反应结束后的催化剂回收,连续3次重复使用,反应条件同实施例1。反应结果见表1。
Claims (5)
1.一种酯交换法合成长链烷基碳酸酯的方法,其特征是以碳酸二甲酯和长链烷基醇为原料,负载型催化剂存在的条件下进行酯交换反应的过程,碳酸二甲酯与长链烷基醇(C≥8)的进料摩尔比为1∶2~1∶6,反应时间为2~7小时,反应温度为120~170℃,负载型催化剂的用量为原料总质量的0.25~5%。
2.根据权利要求1所述制备长链烷基碳酸酯的方法,其特征在于所述负载型催化剂被负载物选自碱金属或碱土金属的硝酸盐、碱金属或碱土金属的醋酸盐、氟化钠、氟化钾、碳酸钾或碘化钾。
3.根据权利要求1所述的合成长链烷基碳酸酯的方法,其特征在于所述负载型催化剂的载体选自Al2O3、SiO2、ZrO2、TiO2、ZnO、Y型分子筛、4A分子筛、5A分子筛中的一种。
4.根据权利要求1所述制备长链烷基碳酸酯的方法,其特征在于负载型催化剂的基本组成为被负载物与载体的质量比为0.05~0.25∶1。
5.根据权利要求1所述制备长链烷基碳酸酯的方法,其特征在于所述负载型催化剂的制备方法为等体积浸渍法,制备催化剂的步骤如下:
(1)测定所选载体的饱和吸附水量;
(2)配制一定含量的可溶性碱金属或碱土金属盐溶液;
(3)按照所需比例加入可吸附等体积上述溶液的载体;
(4)将上述混合物搅拌均匀2~4h,再静置2~24h;
(5)将所得固体在90~120℃干燥2~10h;
(6)将所得产物在400~1000℃下焙烧2~8h;
(7)研磨所得产物,即为所需负载型催化剂。
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