发明内容
本发明的目的是提供一种离子液催化剂及其制备方法,同时提供该催化剂在调聚反应制备五氟二氯丙烷中的应用。该离子液催化剂催化活性好,制备方法简单、反应时间短、条件温和。用离子液催化剂制备五氟二氯丙烷工艺简单,产品收率高,易于工业化大生产。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种离子液催化剂,包括离子液体和无机化合物,所述的离子液体的阳离子为C1~C12烷基取代的咪唑或吡啶,其中取代基至少一个,阴离子为Cl-,Br-、I-、F-、BF4 -或PF6 -;所述无机化合物为金属氯 化物、金属氟化物、金属氟氯化物、过渡金属氯化物、过渡金属氟化物和过渡金属氟氯化物中的至少一种;无机化合物与离子液体的摩尔比为0.1~3∶1。
其中无机化合物与离子液体的摩尔比优选0.5~2∶1,无机化合物优选AlCl3、AlF3、AlFxCly、FeCl3、BaCl2、BaF2、SnCl4、SnF4、SbCl5、SbF3、SbF5、SbCl4F、SbCl2F3、SbF2Cl3、SbF4Cl、TiCl4和TiF4中的至少一种,其中x=3-y,0<y<3。
一种离子液催化剂的制备方法,采用以下步骤:
(1)、将咪唑或吡啶与氯代正烷烃按摩尔比1∶1~2混合,通氮气保护,在催化剂作用下,微波辐射加热,功率为200~500W,温度为40-80℃,搅拌反应1~5小时,反应得到粘稠液体,用乙酸乙酯反复洗涤,60-80℃真空干燥得到离子液体;所述催化剂为Li2CO3和Al(OH)3的复配物,质量比为20∶0.6;
(2)、在氮气保护下,将步骤(1)所得离子液体和无机化合物充分混合,在密闭反应器中微波辐射加热,功率为100~300W,温度为-30℃~50℃,搅拌反应2~12小时,得到离子液催化剂。其中反应温度优选-20℃~10℃。
一种离子液催化剂的制备方法,采用以下步骤:
(1)、将咪唑或吡啶与氯代正烷烃按摩尔比1∶1~2混合,通氮气保护,在催化剂作用下,微波辐射加热,功率为200~500W,温度为40-80℃,搅拌反应1~5小时,反应得到粘稠液体,用乙酸乙酯反复洗涤,60-80℃真空干燥,将干燥产物与四氟硼酸盐或六氟磷酸盐等摩尔溶于去离子水中,常温搅拌24-48小时,过滤,用二氯甲烷萃取即得离子液体;所述催化剂为Li2CO3和Al(OH)3的复配物,质量比为20∶0.6;
(2)、在氮气保护下,将步骤(1)所得离子液体和无机化合物充分混合,在密闭反应器中微波辐射加热,功率为100~300W,温度为-30℃~50℃,搅拌反应2~12小时,得到离子液催化剂。其中,优选-20℃~10℃。
一种离子液催化剂在制备五氟二氯丙烷中的应用,其步骤为:在高压反应釜中加入离子液催化剂与卤代烷烃,在-30℃充分搅拌混合,然后加入氟烯烃,加入时间为0.5-6.5小时,在-10℃~30℃下搅拌反应,反应压力为体系自身压力,随着反应的进行压力逐渐降低,当压力不变时,反应结束,反应时间为2~6小时,产物分馏,51~53℃的馏分即为五氟二氯丙烷;氟烯烃为四氟乙烯或三氟氯乙烯,卤代烷烃为一氟二氯甲烷或二氟一氯甲烷,氟烯烃与卤代烷烃摩尔比为0.8~3∶1,离子液催化剂的用量按重量计为总量的0.5~8%。
其中,氟烯烃与卤代烷烃摩尔比优选0.9~1.8∶1,离子液催化剂的用量优选按重量计为总量的1%~4%。
有益效果:
1、该离子液催化剂稳定性好、不挥发,是优异的有机溶剂,具有很好的催化活性,经过适当处理,能够再生,可反复使用。
2、通过微波辐射,使离子液体的制备方法操作简单、反应时间短、条件温和、产率高。
3、用离子液催化剂制备的五氟二氯丙烷由两种异构体(CF3CF2CHCl2和CF2ClCF2CHFCl)组成,是一种环保型化工助剂、清洗剂,有广阔的应用前景。该制备方法产品纯度高、收率高,能耗低,工艺简单易控,易于工业化大生产。
具体实施方式
下面通过实例例进一步说明本发明,但本发明并不限于此。
实施例中反应式如下:
或
实例1
离子液催化剂的制备:
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和氮气导管的三口瓶中加入1mol的N-甲基咪唑与1mol氯代正丁烷,加入1g的Li2CO3和Al(OH)3(质量比为20∶0.6)的复配物为催化剂,通氮气保护,微波辐射加热,功率为200W,40℃搅拌反应5h,得到粘稠液体,用少量乙酸乙酯反复洗涤,在70℃下真空干燥脱除残留的乙酸乙酯后,得到产率为94%白色固体产品氯化1-正丁基-3-甲基咪唑[bmim]Cl。在氮气保护的下,将所得到的[bmim]Cl和1.4mol SbF5在密闭的玻璃反应釜中充分混合,微波辐射加热,功率250W,-20℃下搅拌12小时,得到[bmim]Cl/SbF5离子液体催化剂,密封保存备用。
实例2
离子液催化剂的制备:
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和氮气导管的三口瓶中加入1mol吡啶与1.1mol氯代正庚烷,加入1g的Li2CO3和Al(OH)3(质量比为20∶0.6)的复配物为催化剂,通氮气保护,微波辐射加热,功率为500W,60℃搅拌反应3h,得到粘稠液体,用少量乙酸乙酯反复洗涤,在70℃下真空干燥脱除残留的乙酸乙酯后,得到产率为95%白色固体产品——氯化庚基吡啶。在氮气保护的下,将氯化庚基吡啶和1.1mol SbCl5和SbF3的混合物(等摩尔比混合)在密闭的玻璃反应釜中充分混合,微波辐射加热,功率200W,50℃下搅拌2小时,得到吡啶型离子液体催化剂,密封保存备用。
实例3
离子液催化剂的制备:
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和氮气导管的三口瓶中加入1mol的N-甲基咪唑与1.5mol氯代正丁烷,加入1gLi2CO3和Al(OH)3(质量比为20∶0.6)的复配物为催化剂,通氮气保护,微波辐射加热,功率为300W,80℃搅拌反应1h,得到粘稠液体,用少量乙酸乙酯反复洗涤,在70℃下真空干燥脱除残留的乙酸乙酯后,得到产率为98%白色固体产品氯化1-正丁基-3-甲基咪唑[bmim]Cl。在氮气保护的下,将所得到的[bmim]Cl和1.1mol SbCl5在密闭的玻璃反应釜中充分混合,微波辐射加热,功率300W,10℃下搅拌2小时,得到[bmim]Cl/SbCl5离子液体催化剂,密封保存备用。
实例4
离子液催化剂的制备:
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和氮气导管的三口瓶中加入1molN-甲基咪唑与2mol氯代正辛烷,加入1g的Li2CO3和Al(OH)3(质量比为20∶0.6)的复配物为催化剂,通氮气保护,微波辐射加热,功率为400W,70℃搅拌反应4h,得到的粘稠液体,用少量乙酸乙酯反复洗涤,在70℃下真空干燥脱除残留的乙酸乙酯后,得到产率为98.5%白色固体产品氯化1-正辛基-3-甲基咪唑。在氮气保护的下,将所得到的氯化1-正辛基-3-甲基咪唑和0.9mol SbCl2F3在密闭的玻璃反应釜中充分混合,微波辐射加热,功率100W,在-30℃下搅拌7小时,得到[bmim]Cl/SbCl2F3离子液体催化剂,密封保存备用。
实例5~10
采用与实施例2同样的方式得到的本发明离子液催化剂的另一些实施例汇总于表1中。
表1
实例 |
金属卤化物 |
金属卤化物/[bmim]Cl摩尔比 |
5 |
AlCl3 |
1.21 |
6 |
AlF2.1Cl0.9 |
1.5∶1 |
7 |
TiCl4 |
0.2∶1 |
8 |
AlF3+FeCl3 * |
2∶1 |
9 |
BaF2 |
0.5∶1 |
10 |
SnCl4 |
2.5∶1 |
*是两者的等摩尔混合物。
实例11
离子液催化剂的制备:
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和氮气导管的三口瓶中加入1molN-甲基咪唑与1.2mol氯代正丁烷,加入1g的Li2CO3和Al(OH)3(质量比为20∶0.6)的复配物为催化剂,通氮气保护,微波辐射加热,功率为500W,40℃搅拌反应5h,得到的粘稠液体,用少量乙酸乙酯反复洗涤,在70℃下真空干燥脱除残留的乙酸乙酯后,得到白色固体产品氯化1-正丁基-3-甲基咪唑([bmim]Cl)。取等摩尔的氯化1-正丁基-3-甲基咪唑和六氟磷酸铵溶于适量去离子水中,常温下搅拌24小时,除去不溶固体,用二氯甲烷萃取离子液,然后除去二氯甲烷,即可得到六氟磷酸1-正丁基-3-甲基咪唑离子液。然后在氮气保护的下,将所得到的六氟磷酸1-正丁基-3-甲基咪唑离子液和1.1mol SbF5在密闭的玻璃反应釜中充分混合,微波辐射加热,功率150W,30℃下搅拌5小时,得到离子液体催化剂,密封保存备用。
实例12
离子液催化剂的制备:
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和氮气导管的三口瓶中加入1molN-甲基咪唑与1.1mol氯代正十二烷,加入1g的Li2CO3和Al(OH)3(质量比为20∶0.6)的复配物为催化剂,通氮气保护,微波辐射加热,功率为500W,80℃搅拌反应4h,得到的粘稠液体,用少量乙酸乙酯反复洗涤,在70℃下真空干燥脱除残留的乙酸乙酯后,得到白色固体产品氯化1-正十二烷基-3-甲基咪唑。取等摩尔的氯化1-正十二烷基-3-甲基咪唑和NH4BF4溶于适量甲醇中,微波辐射加热,40℃下搅拌2小时,除去不溶固体,过滤后的清液经蒸馏除去甲醇,即可得到四氟硼酸1-正十二烷基-3-甲基咪唑离子液。然后在氮气保护的下,将所得到的四氟硼酸1-正十二烷基-3-甲基咪唑离子液和1.3mol AlCl3在密闭的玻璃反应釜中充分混合,微波辐射加热,功率300W,10℃下搅拌12小时,得到离子液体催化剂,密封保存备用。
实例13
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降到-30℃温度下,相继加入10g实例1中的离子液催化剂、204g一氟二氯甲烷(R21),搅拌半小时;然后在半小时内压入180g四氟乙烯,在1小时内缓慢升温到30℃,在此温度下搅拌4小时,停止搅拌,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的四氟乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物263g,其产率为72.5%。
实例14
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降 到-30℃温度下,相继加入3g实例2中的离子液催化剂、204g一氟二氯甲烷(R21),搅拌半小时;然后在半小时内压入280g四氟乙烯,在1小时内缓慢升温到15℃,在此温度下搅拌3小时,停止搅拌,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的四氟乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物329g,产率为81.4%。
实例15
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降到-30℃温度下,相继加入15g实例6中的离子液催化剂、204g一氟二氯甲烷(R21),搅拌半小时;然后在半小时内压入400g四氟乙烯,在1小时内缓慢升温到0℃,在此温度下搅拌6小时,停止搅拌,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的四氟乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物385g,产率为95.2%。
实例16
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降到-30℃温度下,相继加入5g实例3中的离子液催化剂、204g一氟二氯甲烷(R21),搅拌半小时;然后在半小时内压入285g四氟乙烯,在1小时内缓慢升温到20℃,在此温度下搅拌6小时,停止搅拌,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的四氟乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物312g,产率为77.2%。
实例17
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降到-30℃温度下,相继加入30g实例10中的离子液催化剂、204g一氟二氯甲烷(R21),搅拌半小时;然后在半小时内压入280g四氟乙烯,在半小时内缓慢升温到10℃,在此温度下搅拌3小时,停止搅拌,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的四氟乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物307g,产率为75.9%。
实例18
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降到-30℃温度下,相继加入20g实例12中的离子液催化剂、204g一氟二氯甲烷(R21),搅拌半小时;然后 在半小时内压入310g四氟乙烯,在1小时内缓慢升温到-10℃,在此温度下搅拌6小时,停止搅拌,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的四氟乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物358g,产率为88.6%。
实例19
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降到-30℃温度下,相继加入25g实例11中的离子液催化剂、204g一氟二氯甲烷(R21),搅拌半小时;反应釜升温到20℃,然后在1小时内压入四氟乙烯320g时,停止反应,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的四氟乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物297g,产率为73.5%。
实例20
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降到-30℃温度下,相继加入65g实例7中的离子液催化剂、204g一氟二氯甲烷(R21),搅拌半小时;然后在半小时内压入580g四氟乙烯,在1小时内缓慢升温到15℃,在此温度下搅拌3小时,停止搅拌,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的四氟乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物394g,产率为97.5%。
实例21
1升的不锈钢高压反应釜带有精馏塔、加热套、冷却水盘管、压力表,用冰盐水把反应釜内温度降到-30℃,相继加入28g实例9中的离子液催化剂、204g二氟一氯甲烷(R22),搅拌半小时;然后在半小时内压入280g三氟氯乙烯,在1小时内缓慢升温到30℃,在此温度下搅拌4小时,停止搅拌,降温到-20℃,打开反应釜出口阀,回收未反应的三氟氯乙烯,打开反应釜上精馏塔物料进出口阀门,不锈钢反应釜温度控制在80℃,在精馏塔出口回收51~53℃的馏分即五氟二氯丙烷,得到五氟二氯丙烷合成物344g,产率为85.6%。
上述反应所使用的离子液催化剂,经过三氟三氯乙烷萃取、洗涤,然后真空干燥,可重复使用。