CN102149670B - 胺的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过氢化包含腈官能团的化合物来生产胺化合物、更具体地为二胺化合物的方法。本发明更具体地涉及适于将腈化合物氢化为胺类化合物的氢化催化剂，所述催化剂包括阮内镍和作为搀杂剂元素的铁、铬和锌。

Description

胺的生产方法
本发明涉及一种通过氢化包含腈官能团的化合物来生产胺化合物、更具体地为二胺化合物的方法。
更具体地涉及通过氢化四亚甲基二腈生产六亚甲基二胺。
六亚甲基二胺是用于许多应用的化合物，其中主要为聚酰胺类诸如聚己二酰己二胺的生产和二异氰酸酯类的生产。
已经提出了一些生产六亚甲基二胺的方法，其一般包括在氢化催化剂的存在下氢化包含腈官能团的化合物(例如四亚甲基二腈)。两种类型的使用不同的催化剂及不同的温度和压力条件的方法用于工业中。
因此，文献中利用并描述的第一种类型的氢化方法包括：例如使用钌基催化剂，在氨的存在下和高压下氢化腈化合物。
第二种类型的方法包括在接近大气压的压力下和在不是很高的温度下，在碱性化合物和阮内镍(Raney nickel)基催化剂的存在下，进行腈化合物的氢化。
在后一种类型的方法中，在任选掺杂的阮内镍基催化剂的存在下，将腈化合物氢化为胺。通过在强碱性介质下，从富含铝的Ni-Al合金浸出铝来制备这些催化剂。获得的催化剂由镍晶粒的附聚物组成，具有高的比表面积和可变的残留铝含量。
已经设想了：通过向镍铝合金添加金属，进行阮内镍的结构和电子因数(electronic factor)的改造。按照惯例，通过将这种掺杂剂引入熔化的Ni-Al前体合金进行掺杂剂的添加。这是冶金学的掺杂。因此，通过各种金属促进剂(Fe、Co、Cr、Mn、V、Mo、Zr、Ta、Ti)对阮内镍的掺杂，以及这些金属促进剂对催化剂的活性、选择性和稳定性的作用，是大量的科学和技术文献的主题。
Freidlin等人(Russian Chemical Review，第33卷，第6期，1964年6月)的文章涉及二腈类的催化还原，并列出了一定数量的用于各种氢化条件(温度、氢气压力(
Figure BPA00001329198200021
)、反应介质)下的掺杂阮内镍催化剂。特别提及了掺杂有铬、铜或钛的阮内镍基催化剂。
专利FR-A 2 068 953涉及到通过冶金学途径掺杂有铬的阮内镍催化剂。
然而，掺杂有铬的阮内镍的使用使得不可能达到腈氢化介质中的可以忽略不计的杂质含量，诸如低浓度的环己二胺(DCH)。然而，这些杂质诸如DCH特别难处理，因为它们具有与目标胺大致相同的沸点，因此非常难以分离。
因此，存在对于以下的工业需要：利用掺杂的阮内镍型催化剂，优化将腈类氢化为胺类、特别是将二腈类氢化为氨基腈类和/或二胺类的条件，特别是有关操作条件，以及优化最终催化剂的活性、选择性和稳定性。
这种优化构成了本发明的一个基本主题，它包括用于将腈类氢化为胺类的方法，其易于使用、无污染、经济，而且，使得以下成为可能：一方面，实现以相对于最初的腈底物表示的大于90％的胺选择性，另一方面，尽可能减少杂质的形成，特别是DCH的形成。
本发明的主题尤其是通过在阮内镍基氢化催化剂的存在下与氢或包含分子氢的气体反应来氢化包含腈官能团的化合物诸如二腈化合物，以生产二胺化合物的方法，其特征在于催化剂包括阮内镍和作为金属搀杂剂元素的铁、铬和锌。
根据本发明的一个优选特征，由金属元素的重量表示的催化剂的重量组成如下：
0.3％至3％的铁的重量浓度，
0.5％至5％的铬的重量浓度，
0.5％至5％的锌的重量浓度，
2％至10％的铝的重量浓度，
至100％的余量是镍。
更为有利的是，根据本发明的催化剂的重量浓度如下：
1％至2％的铁的重量浓度，
1.5％至2.5％的铬的重量浓度，
1％至3％的锌的重量浓度，
5％至7％的铝的重量浓度，
至100％的余量是镍。
用于本方法的掺杂的阮内镍催化剂一般来源于熔化的Ni-Al前体合金(镍含量为28重量％至59重量％)，根据已知称为“冶金学”掺杂程序的掺杂程序，向其中添加金属搀杂剂元素：铁、铬和锌。冷却后，以传统的方式，使掺杂的前体合金经受引起铝和任选的一部分的掺杂剂元素的或多或少的除去的碱蚀(alkaline attack)。
使用的起始合金有利地选自下列形式的二元镍/铝组合：NiAl3、Ni2Al3和先共晶Al/NiAl3。
也可以通过化学途径进行阮内镍催化剂的掺杂。因此，可以通过这种掺杂方法向组合物添加至少一种掺杂剂。通过这种“化学”掺杂也可能引入所有掺杂剂。
根据化学掺杂的第一实施方式，用包含掺杂剂元素前体的溶液浸渍阮内镍催化剂。本领域的技术人员公知的各种标准浸渍方法都是可能的。浸渍包括混合催化剂与掺杂剂前体的溶液。蒸发大部分溶剂，然后热处理催化剂，并任选地用水洗涤。
根据化学掺杂方法的第二实施方式，掺杂剂元素沉积在阮内镍催化剂上。在这种情况下，将阮内镍催化剂悬浮在溶剂中。一种化合物(掺杂剂的前体)被添加到悬浮液，然后沉积在催化剂上。根据前体的性质，例如通过以下方式获得沉积：通过加入碱来改变悬浮液的pH或通过在室温(大约20-25℃)至所用溶剂的沸点之间的温度下在0.5至10小时的时间内增加介质温度。催化剂沉降后，提取上清液并用水洗涤催化剂。
在化学掺杂的这两种实施方式中，使用的溶剂优选是水。根据掺杂剂前体化合物的溶解度，可以使用有机溶剂。作为掺杂剂的前体，可以使用有机或无机化合物。作为有机化合物的实例，可以提及金属羧酸盐或金属醇化物。作为无机化合物的实例，可以提及氯化物、硝酸盐、硫酸盐、氢氧化物或氧化物。作为碱，可以使用各种碱性化合物诸如胺类或碱金属或碱土金属碳酸盐类和氢氧化物类。优选地，使用氢氧化钠或氢氧化钾。
最后，根据最后的实施方式，可以在阮内合金的碱蚀过程中，引入掺杂剂的前体化合物。阮内合金悬浮于氢氧化钠水溶液中，以获得大于10、优选大于12的pH值。将掺杂剂的前体化合物添加到悬浮液中，且调节温度为90至100℃持续0.5小时至10小时。在催化剂沉降或沉淀后，提取上清液并用水洗涤催化剂。
本发明的氢化方法更特别地但不是限制性地适用于式(I)的腈化合物：
NC-R-CN    (I)
其中，R代表直链或支链的具有1至12个碳原子的亚烷基或亚链烯基，或取代或未取代的亚芳基或亚芳烷基或亚芳链烯基。
优选地，在本发明的方法中，使用式(I)的二腈化合物，其中R代表直链或支链的具有2至6个碳原子的亚烷基。
作为这种二腈化合物的实例，尤其提及己二腈或四亚甲基二腈、甲基戊二腈、乙基丁二腈、丙二腈、丁二腈和戊二腈及其混合物，尤其是来自一个用于合成己二腈的相同方法的己二腈、甲基戊二腈和乙基丁二腈的混合物。
将腈底物(例如己二腈)引入反应介质中，同时保持相对于反应介质的总重量(重量比)0.001重量％至30重量％、优选0.1重量％至20重量％的浓度。
优选地，使用的强碱选自下列化合物：LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH及其混合物。
在实践中，由于良好的性/价比，优选使用NaOH和KOH。
氢化反应介质优选是液体。它可能包含适于溶解待氢化的腈底物的溶剂，已知当所述底物处于溶液状态时这种转化更容易发生。
根据本发明方法的一种优选的实施方式，使用至少部分水性、无溶剂的液体反应介质。水一般以相对于总反应介质小于或等于50重量％的量存在，有利地为小于或等于20重量％。更优选地，反应介质中的水含量为相对于所述介质的所有成分的0.1重量％至15重量％。
为了补充或替换水，适当的话，可以：提供醇和/或酰胺类的至少一种其他溶剂。尤其更适合的醇类是，例如，甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、二醇类诸如乙二醇和/或丙二醇、多元醇类和/或所述化合物的混合物。
在溶剂由酰胺组成的情况下，它可以是，例如，二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。
当溶剂，优选是醇性溶剂，与水一起使用时，为每份重量水2至4份重量，优选每份水3份。
根据本发明的另一个优选特征，将其制备为本方法目标的胺掺入反应介质中。当腈底物是己二腈时，它是例如六亚甲基二胺。
反应介质中的目标胺的浓度相对于反应介质的总重量有利地为50重量％至99重量％，更优选为60重量％至99重量％。
反应介质中碱的量根据反应介质的性质而变化。
当反应介质只包含水和作为液体溶剂的目标胺时，碱的量有利地大于或等于0.1摩尔/千克催化剂，优选0.1至2摩尔/千克催化剂，和更优选0.5至1.5摩尔/千克催化剂。
在反应介质包括水、醇和/或酰胺的情况下，碱的量大于或等于0.05摩尔/千克催化剂，优选0.1至10.0摩尔/千克，和更优选1.0至8.0摩尔/千克。
一旦反应介质的组成和催化剂的选择已经决定，混合这两种组分，然后在小于或等于150℃、优选小于或等于120℃和更优选小于或等于100℃的反应温度下加热这种混合物。
具体而言，温度为室温(大约20℃)至100℃。
在加热之前、同时或之后，使反应室处于合适的氢压下，也就是说，在实践中为0.10至10MPa。
反应时间根据反应条件和催化剂是可变的。
在批处理运行模式下，它可以从几分钟至几小时改变。
在连续运行模式(其根据本发明的方法是完全可以设想的)下，持续时间显然不是可以设置的参数。
应当指出，本领域的技术人员可以根据操作条件，调节本发明方法的阶段的进度。上述给出的顺序只对应本发明方法的优选但非限制性的形式。
控制本发明的氢化(连续或批处理模式)的其他条件包括它们自身为常规和已知的技术安排。
通过上述所有有利的安排，本发明的方法使得有可能以选择性、快速、方便和经济的方式将腈底物氢化为胺类，其中伴有杂质尤其是DCH的形成，所述杂质形成远远低于用掺杂有铬或铁和铬的阮内镍催化剂获得的杂质。
该方法完全适合于转化己二腈为六亚甲基二胺，这是特别用于聚酰胺PA-6，6合成的单体。
可以从下面的以非限制的方式说明本发明的氢化方法的实施例更好地理解本发明，以及清楚地了解其优势和其实施方式的变化。
实施例1：
在本实施例中，描述了掺杂有铁和铬的阮内镍催化剂的制备。这种催化剂用作参比催化剂。
-合金的生产：
在坩埚中，在大约800℃的温度下熔化75千克的铝锭。将75千克镍和2.7千克铁/铬合金添加到坩埚中，将温度升高至1450℃。将介质均一化。将获得的熔化的合金在锭模中铸造、冷却、脱模、压碎，并碾压以获得粉末。
合金的重量组成如下：
Ni：47.80％
Al：50.15％
Fe：0.85％
Cr：1.20％。
-碱蚀：
向装备有搅拌器的反应器中引入0.5升30重量％的氢氧化钠水溶液。将介质的温度升高到97℃，并用氩气吹扫反应器的顶部。将50克合金粉末逐步引入到仍处于氩气吹扫的反应器中。一旦合金加入完成，碱蚀持续3小时。催化剂沉淀后，提取上清液。用水洗涤催化剂，直到获得pH值7，然后储存在0.05摩尔/升的氢氧化钠溶液中。
获得的催化剂的重量组成如下：
Ni：88.1％
Al：8.0％
Fe：1.5％
Cr：2.4％。
即重量比率：
Al/Ni：9.0％
Fe/Ni：1.7％
Cr/Ni：2.7％。
实施例2：
在本实施例中，描述了掺杂有铁、铬和锌的阮内镍催化剂的制备。
向装备有搅拌器的反应器中引入415毫升20重量％的氢氧化钠水溶液和1.0克氧化锌。将介质的温度升高到90℃，并用氩气吹扫反应器的顶部。将实施例1中获得的81克合金以0.7克/分钟的流速引入反应器中。一旦合金加入完成，碱蚀在98℃的温度下持续3小时。催化剂沉淀后，提取上清液。用水洗涤催化剂，直到获得pH值7，然后储存在0.05摩尔/升的氢氧化钠溶液中。
获得的催化剂的重量组成如下：
Ni：87.80％
Al：8.00％
Fe：1.05％
Cr：2.15％
Zn：1.00％。
即重量比率：
Al/Ni：9.10％
Fe/Ni：1.20％
Cr/Ni：2.45％
Zn/Ni：1.15％。
实施例3：
在本实施例中，描述了掺杂有铁、铬和锌的阮内镍催化剂的制备。
向装备有搅拌器的反应器中引入415毫升20重量％的氢氧化钠水溶液和1.67克无水氯化锌。将介质的温度升高到90℃，并用氩气吹扫反应器的顶部。将实施例1中获得的80克合金以0.7克/分钟的流速引入反应器中。一旦合金加入完成，碱蚀在98℃的温度下持续3小时。催化剂沉淀后，提取上清液。用水洗涤催化剂，直到获得pH值7，然后储存在0.05摩尔/升的氢氧化钠溶液中。
获得的催化剂的重量组成如下：
Ni：87.95％
Al：8.30％
Fe：1.10％
Cr：2.10％
Zn：1.05％
Cl：＜10ppm。
即重量比率：
Al/Ni：9.40％
Fe/Ni：1.25％
Cr/Ni：2.40％
Zn/Ni：1.20％。
实施例4
在本实施例中，描述了在实施例1的阮内镍催化剂存在下通过使用氢将己二腈(AdN)氢化为六亚甲基二胺(HMD)的催化测试。
氢化反应在300毫升装备有以下器件的不锈钢反应器中进行：
●温度探针；
●Rushton自吸式涡轮；
●压力调节器，使得可能保持反应器压力恒定；
●泵，使得可能连续引入AdN；
●注射器驱动器，使得能够连续引入氢氧化钾(KOH)水溶液；和
●连续取样阀，使得能够取出反应介质。
在该反应器中，起初引入以下物质：
●114.5克HMD和16.5克软化水；
●通过实施例1获得的3.5克催化剂；和
●0.42克的6.8摩尔/升的氢氧化钾溶液。
将反应器温度设定在80℃。涡轮以1300rpm启动。反应器在置于25巴氢压力下之前用氮气吹扫。
在时间t＝0时，启动连续注射和取出器件：
●以0.45毫升/分的流速向反应器注射AdN；
●以0.05毫升/分的流速注射400ppm的氢氧化钾溶液；和
●每分钟通过取样阀取出0.63毫升。
通过压力调节器将氢气连续送入反应器。通过监测氢进料储库中的压力下降来追踪随时间的氢消耗，使得可以测量催化剂的活性。
在恒温60℃下，在惰性气体下，将取出的反应介质收集在烧瓶中，持续测试3小时。
通过气相色谱(GC)分析测试过程中定时取出的样品，以监测AdN氢化为HMD过程中形成的杂质的形成，更具体地为以下两种杂质：
●环己二胺(DCH)和
●双-(六亚甲基)三胺(BHT)。
使用来自J&W Scientific的装配有30m CAM毛细管柱的HewlettPackard HP 6890色谱仪进行气相色谱分析。实验条件如下：
●氢气载气；
●在250℃下的注射器；
●在250℃下的火焰离子化检测器(FID)；
●80％的裂解比例；
●温度程序：维持60℃/4分钟-以4℃/分钟升温速率上升至100℃-维持100℃/5分钟-以10℃/分钟升温速率上升至210℃-维持210℃/2分钟-以10℃/分钟升温速率上至220℃-维持220℃/27分钟。
通过混合下述物质制备GC样品：
●大约2克精确称重的反应介质；
●大约30毫克精确称重的壬胺(内标)；和
●大约0.5至1毫升的甲醇。
实施例5
在本实施例中，描述了在实施例2的阮内镍催化剂存在下通过使用氢将己二腈(AdN)氢化为六亚甲基二胺(HMD)的催化测试。
按照实施例4的程序，但使用实施例2的催化剂。
实施例6
在本实施例中，描述了在实施例3的阮内镍催化剂存在下通过使用氢将己二腈(AdN)氢化为六亚甲基二胺(HMD)的催化测试。
按照实施例4的程序，但使用实施例3的催化剂。
下面的表1比较在实施例4、实施例5和实施例6的氢化试验中获得的结果。
Figure BPA00001329198200101
这些测试清楚地表明，本发明的催化剂具有等于或大于已知催化剂的活性的催化活性，并使得可能通过显著减少杂质形成而获得更加选择性的反应。

Claims (8)

1.通过在阮内镍基氢化催化剂的存在下与氢或包含氢的气体反应来氢化包含腈官能团的化合物以生产二胺化合物的方法，其特征在于氢化催化剂包含阮内镍、作为搀杂剂元素的铁、铬和锌；其中所述包含腈官能团的化合物为二腈化合物。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于由金属元素的重量表示的所述氢化催化剂的重量组成是：
-Al：从2％至10％；
-Fe：从0.3％至3％；
-Cr：从0.5％至5％；
-Zn：从0.5％至5％；和
-Ni：至100％的余量。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于所述氢化催化剂的重量组成是：
-Al：从5％至7％；
-Fe：从1％至2％；
-Cr：从1.5％至2.5％；
-Zn：从1％至3％；和
-Ni：至100％的余量。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于所述包含腈官能团的化合物是四亚甲基二腈。
5.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于所述二胺化合物是六亚甲基二胺。
6.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于所述氢化在碱性化合物的存在下进行。
7.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于所述氢化反应在0.1至10MPa的压力下进行。
8.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于所述氢化反应在20至100℃的温度下进行。
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