CN102503797A - 一种乙酰丙酮金属化合物的连续合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种乙酰丙酮金属化合物的连续合成方法及其装置,在反应器中加入金属化合物、乙酰丙酮,在产物收集器中加入乙酰丙酮;产物收集器中的乙酰丙酮在加热过程中被不断蒸馏进入反应器中与金属化合物反应,当反应器中液面高度高于虹吸管时,反应器中的液体包括已经反应生成的乙酰丙酮金属化合物被虹吸进入产物收集器,实现产物和反应物的分离。产物分离器中未反应的乙酰丙酮通过蒸馏可以进入反应器中继续和金属化合物反应;反应回流一段时间后,停止加热,将产物收集器中的溶液冷却,析出沉淀,过滤,干燥,即可得到产物。所述方法工艺简单、产品收率高、环境友好、具有普适性。
Description
技术领域
本发明涉及一种乙酰丙酮金属化合物的连续合成方法及其合成装置,具体是一种以金属化合物和乙酰丙酮为原料连续合成乙酰丙酮金属化合物的方法及其合成装置。
背景技术
乙酰丙酮金属化合物是一种常见的有机金属络合物,其在催化剂、催化剂制备、有机合成、材料制备中均具有广泛的应用。如乙酰丙酮氧钒可与叔丁基过氧化氢(TBHP)结合,在反应体系下迅速氧化成均相的五价钒化合物,可以有效氧化多种有机官能团;乙酰丙酮镍催化剂不但可以用作乙烯、丙烯、苯乙烯、二烯烃、环烯烃等非极性单体的齐聚及聚合催化剂,还可用作甲基丙烯酸甲酯,己内酯,降冰片烯等极性单体的聚合催化剂;乙酰丙酮铁可作为一种塑料光降解高效光敏剂。此外,根据乙酰丙酮金属化合物高温下易于分解的特点,可以将它作为前躯体制备金属或者金属氧化物纳米粒子,如利用乙酰丙酮铂为前躯体,可以制备具有高催化活的金属铂纳米颗粒,以乙酰丙酮铁为前躯体可以制备四氧化三铁纳米颗粒用于磁共振造影。
不同乙酰丙酮金属化合物的合成方法不尽相同,但主要可以分为以下几类:
(1)金属盐与乙酰丙酮在水相中反应(Richard A P.Synthesis and SpectralStudy of Copper(II)Complexes[J].J.Chem.Educ.,1974,51:539-540):将可溶性金属盐溶于水中,然后在搅拌下将加入乙酰丙酮和氢氧化钠的混合液,将得到的沉淀分离即得粗产品。CN 101417938A公开了一种制备乙酰丙酮铪[Hf(acac)4]的新工艺。工艺过程为:先将无水四氯铪(HfCl4)溶于甲醇中,并加入乙酰丙酮(Hacac),用NaOH调节溶液的PH值,反应生成了一种新的中间体配合物Hf2(OH)2(acac)6,然后再加入Hacac回流反应,使其转化为目标化合物Hf(acac)4。该类方法的不足之处在于:(1)产率低,反应过程中有盐生成,导致产物纯度低;(2)若要获得纯产品,必须对产物进行重结晶,工艺复杂;(3)由于采用过程中引入了大量的水,导致后期产生大量废液,容易造成环境污染。
(2)金属氢氧化物与乙酰丙酮直接反应:如美国专利US20040127690A1首先将可溶性金属盐和碱溶液反应(一般为氨水或者氢氧化钠),生成氢氧化物沉淀,然后对沉淀进行洗涤除去吸附的碱,然后用得到的氢氧化物和乙酰丙酮反应,合成乙酰丙酮金属化合物。CN 101033182A提供了一种乙酰丙酮钯的制备方法,该发明将可溶性钾盐或钠盐与可溶性钯盐在较温和的温度下溶解于去离子水中,然后在强碱的作用下使钯盐转变成Pd(OH)2,再直接向含有Pd(OH)2的反应混合物中加入乙酰丙酮,由于乙酰丙酮分子中的α活泼H原子与Pd(OH)2发生中和反应得到乙酰丙酮钯产品。此类方法的缺点在于:(1)操作过程复杂,费时长,生产成本高;(2)对于很难制备出氢氧化物,或者很难得到纯的氢氧化物的金属来说,该方法并不适用,如钒、铁(II)等。
(3)分步合成反应方法(Rowe R A,Jones M M.,et al.Vanadium(IV)Oxy(Acetylacetonate)[Bis(2,4-Pentanediono)Oxovanadium(IV)][J].Inorg.Synth.,1957,5:113~116):对于某些金属其氢氧化物不易得到,而纯的金属盐或者金属氧化物价格又十分昂贵时,其乙酰丙酮化合物的合成就更加复杂。如乙酰丙酮氧钒常用的合成方法是以V2O5、浓硫酸和乙醇为原料,通过还原反应得到四价的VOSO4,然后再与乙酰丙酮络合得到乙酰丙酮氧钒。反应过程中需要大量使用浓硫酸,对设备的要求较高,且络合反应在水溶液中进行,反应物损失严重,且造成严重污染。
为了克服上述现有技术存在的缺陷,我们发明了一种制备工艺简单、产品收率高、环境友好、具有普适性的乙酰丙酮金属化合物的连续合成方法。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种产物实时分离的、环境友好、具有普适性的乙酰丙酮金属化合物的连续合成方法。该方法是基于微量水与溶剂的共沸夹带、产物的溶液虹吸回流转移以及产物溶液中乙酰丙酮与溶剂蒸馏转移方法,实现反应的连续性与原子经济性。
本发明是利用金属化合物和乙酰丙酮直接反应(部分合成需要加入氧化剂),同时通过在反应过程中及时分离出产物乙酰丙酮金属化合物和副产物水,促使反应正向进行,缩短反应时间,提高反应产率。
所述乙酰丙酮金属化合物的连续合成方法,包括以下步骤:
(1)在反应器中加入金属化合物、乙酰丙酮,在产物收集器中加入乙酰丙酮;
(2)加热产物收集器和反应器,产物收集器中的乙酰丙酮在加热过程中被不断蒸馏进入反应器中与金属化合物反应,当反应器中液面高度高于虹吸管时,反应器中的液体包括已经反应生成的乙酰丙酮金属化合物被虹吸进入产物收集器,实现产物和反应物的分离;
(3)反应回流一段时间后,停止加热,将产物收集器中的溶液冷却,析出沉淀,过滤,干燥,即可得到产物。
作为优选方案,通过不断的向反应器中补加金属化合物和乙酰丙酮,实现乙酰丙酮金属化合物的连续制备。
作为优选方案,对于反应产物中金属元素价态高于金属化合物中金属价态的反应,在进行上述过程的同时,在反应过程中不断引入氧化剂,直至反应结束。
优选地,步骤(1)中先加热产物收集器,待产物收集器中液体回流时,开始加热反应器。
优选地,步骤(1)中所述金属化合物可以为金属盐和碱的混合物、金属氧化物、金属氢氧化物中的1种或至少2种的组合,所述组合典型但非穷尽的实例有:金属盐、碱、金属氧化物的组合,金属盐、碱、金属氢氧化物的组合,金属氧化物、金属氢氧化物的组合,金属盐和碱的混合物、金属氧化物、金属氢氧化物的组合等。
凡是相互反应能生成金属氢氧化物的金属盐和碱都在本发明的保护范围之内。
优选地,步骤(1)中所述乙酰丙酮的总用量为其与金属化合物反应所需化学计量量的1~20倍,进一步优选为1~10倍,特别优选2~5倍。
优选地,步骤(1)中,在反应器中还加入水夹带剂。
优选地,所述水夹带剂的用量为乙酰丙酮体积的0~5倍,例如0.01倍、0.02倍、0.05倍、0.1倍、0.5倍、1倍、4倍、4.5倍、4.9倍、4.95倍等,进一步优选为0~3倍,特别优选为0~2倍;所述0倍指不加入水夹带剂。
乙酰丙酮在反应器和产物收集器中具体的加入量可由所属领域的技术人员根据其掌握的专业知识,由反应器和产物收集器的容积和反应所需原料的量确定。
优选地,步骤(2)反应过程中生成的水,可通过与水夹带剂的共沸将其带出。
优选地,步骤(2)中,产物分离器中未反应的乙酰丙酮通过蒸馏可以进入反应器中继续和金属化合物反应。
优选地,步骤(2)中所述反应过程中生成的水,通过与水夹带剂的共沸将其带出后,在分水器中被不断除去。
优选地,步骤(2)反应过程中采用搅拌。
优选地,步骤(3)中所述反应回流时间为0.5h以上,进一步优选为0.5h~48h,例如0.55h、0.6h、0.7h、0.8h、1h、47h、47.5h、48h等,特别优选为0.5h~24h。
优选地,所述金属为铁、钒、钼、镍、锌、锰、铝、镁、铜、镉、钙、镓、钛、镧等,特别优选为铁、钒、钼、镍。
优选地,所述水夹带剂为能和水形成共沸物并且与水不混溶的有机溶剂。
优选地,所述水夹带剂为甲苯、氯仿、四氯化碳、苯、二甲苯、二氯乙烷、醇类、饱和烷烃中的1种或至少2种的组合,所述组合典型但非穷尽的实例有:甲苯、苯、二甲苯的组合,氯仿、四氯化碳的组合,苯、二甲苯的组合,四氯化碳、二氯甲烷的组合,二氯乙烷,饱和烷烃的组合,甲苯、氯仿的组合等,进一步优选为能和水形成共沸物的饱和烷烃,如正庚烷、正己烷、环己烷等,特别优选环己烷。
优选地,所述的氧化剂包括空气、氧气、臭氧、过氧化氢中的1种或至少2种的组合,特别优选空气或/和氧气。
所属领域技术人员可根据其掌握的专业知识,通过改变水夹带剂的种类、水夹带剂和乙酰丙酮的比例,来调节回流反应的温度。
本发明制备得到的产物,不含杂质成分,无需进一步纯化。
本发明的目的之一还在于提供一种乙酰丙酮金属化合物的合成装置,所述装置由反应器1、分水器2构成,所述反应器1和分水器2下端直接相连。
反应在反应器1中进行,乙酰丙酮与金属化合物反应,反应过程中生成的水,可通过与水夹带剂的共沸,到分水器2中,并被不断除去,反应结束后将反应器1中的混合物提纯,即可得到最终产物。
作为优选方案,所述装置由反应器1、分水器2、产物收集器3构成,反应器1和分水器2下端直接相连,产物收集器3通过产物输送管4与反应器1相连。
优选地,所述装置还包括蒸汽输送管5,用来连接产物收集器3与反应器1。
优选地,所述装置还可以包括冷凝器6,其与分水器2上端相连。
优选地,所述产物输送管4为虹吸管。
反应在反应器1中进行,产物收集器4中的乙酰丙酮在加热过程中被不断蒸馏经蒸汽输送管5进入反应器1中与金属化合物反应,当反应器1中液面高度高于产物输送管4时,反应器1中的液体包括已经反应生成的乙酰丙酮金属化合物被输送进入产物收集器3,实现产物和反应物的分离。产物分离器3中未反应的乙酰丙酮通过蒸馏可以经蒸汽输送管5进入反应器1中继续和金属化合物反应。反应过程中生成的水,可通过与水夹带剂的共沸,经分水器2到达冷凝器6被冷凝到分水器2中,并被不断除去。
图2所示装置为本发明所述装置典型但非限制性的实例,其为间歇反应过程装置,反应器1与分水器2相连,分水器2与冷凝管6连接实现反应过程中微量水的夹带分离。
本发明提供的合成装置,可在线添加乙酰丙酮与金属化合物原料,实现乙酰丙酮金属化合物的连续制备。
本发明所述方法操作过程简单,生产成本低,所得产物产率高,且具有普适性,环境友好,具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所采用的连续反应装置示意图。
图2为本发明所采用的实验室间歇反应装置图。
图3为本发明实施例1中合成的乙酰丙酮铁的红外谱图。
图4为本发明实施例2中合成的乙酰丙酮铁的红外谱图。
图5为本发明实施例3中合成的乙酰丙酮氧钒的X射线衍射谱图。
图6为本发明实施例4中合成的乙酰丙酮氧钒的红外谱图。
图7为本发明实施例5中合成的乙酰丙酮钼的红外谱图。
图8为本发明实施例6中合成的乙酰丙酮镍的红外谱图。
具体实施方式
为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
在本发明中,附图标记如下:
1-反应器; 2-分水器; 3-产物收集器;
4-产物输送管;5-蒸汽输送管;6-冷凝器。
实施例1
在反应器1中加入8g Fe2O3、20mL二甲苯和50mL的乙酰丙酮,在产物收集器3中加入50mL乙酰丙酮,开动磁力搅拌,首先加热产物收集器3至乙酰丙酮开始回流,然后开始加热反应器1至回流,反应2h后停止加热,待产物收集器3冷却后,将其置于冰浴中,析出红棕色晶体,抽滤,沉淀烘干后得到红棕色的乙酰丙酮铁,产率为90%。通过螯合滴定,测定所得乙酰丙酮铁的纯度为98.5%。所得乙酰丙酮铁的红外谱图如图3所示。
实施例2
在间歇反应器1中加入5g Fe2O3、50mL四氯化碳和50mL的乙酰丙酮,开动磁力搅拌,加热反应器1至回流,反应12h后停止加热,趁热过滤,将滤液置于冰浴中,析出红棕色晶体,抽滤,沉淀烘干后得到红棕色的乙酰丙酮铁,产率为85%。所得乙酰丙酮铁的X射线衍射谱图如附图4所示。
实施例3
在反应器1中加入5g V2O3、35mL环己烷和35mL的乙酰丙酮,在产物收集器3中加入60mL乙酰丙酮,开动磁力搅拌,往反应器1中通入90mL/min的氧气,首先加热产物收集器3至乙酰丙酮开始回流,然后开始加热反应器1至回流,反应2h后停止加热,待产物收集器3冷却后,将其置于冰浴中,析出蓝色晶体,抽滤,沉淀烘干后得到蓝色的乙酰丙酮氧钒,产率为87%。通过螯合滴定,测定所得的乙酰丙酮氧钒纯度为99%。所得乙酰丙酮氧钒的X射线衍射谱图如附图5所示。
实施例4
在反应器1中加入5g V2O3、35mL甲苯和35mL的乙酰丙酮,在产物收集器3中加入60mL乙酰丙酮,开动磁力搅拌,首先加热产物收集器3至乙酰丙酮开始回流,向反应器1以10mL/h的速度滴加质量分数为30%的过氧化氢,然后加热反应器1至回流,反应8h后停止加热,待产物收集器3冷却后,将其置于冰浴中,析出蓝色晶体,抽滤,沉淀烘干后得到蓝色的乙酰丙酮氧钒,产率为82%。通过螯合滴定,测定所得的乙酰丙酮氧钒纯度为99%。所得乙酰丙酮氧钒的红外谱图如附图6所示。
实施例5
在反应器1中加入10g MoO3、35mL苯和35mL的乙酰丙酮,在产物收集器3中加入65mL乙酰丙酮,开动磁力搅拌,首先加热产物收集器3至乙酰丙酮开始回流,然后开始加热反应器1至回流,反应24h后停止加热,待产物收集器3冷却后,将其置于冰浴中,析出棕黄色晶体,抽滤,沉淀烘干后即得棕黄色的乙酰丙酮氧钼,产率为96%。所得乙酰丙酮钼的红外谱图如附图7所示。
实施例6
在反应器1中加入5g NiO、50mL氯仿和20mL的乙酰丙酮,在产物收集器3中加入30mL乙酰丙酮,开动磁力搅拌,首先加热产物收集器3至乙酰丙酮开始回流,然后开始加热反应器1至回流,反应6h后停止加热,待产物收集器3冷却后,将其置于冰浴中,析出浅绿色晶体,抽滤,沉淀烘干后即得浅绿色的乙酰丙酮镍,产率为92%。所得乙酰丙酮镍的红外谱图如附图8所示。
实施例7
在反应器1中加入0.5g TiO2、2mL二氯乙烷和10mL的乙酰丙酮,在产物收集器3中加入15mL乙酰丙酮,开动磁力搅拌,首先加热产物收集器3至乙酰丙酮开始回流,然后开始加热反应器1至回流,反应0.5h后停止加热,待产物收集器3冷却后,将其置于冰浴中,析出淡黄色晶体,抽滤,沉淀烘干后即得淡黄色的乙酰丙酮氧钛,产率为94%。
实施例8
在反应器1中加入10g CdO、87.5mL二氯乙烷和6mL的乙酰丙酮,在产物收集器3中加入10mL乙酰丙酮,开动磁力搅拌,首先加热产物收集器3至乙酰丙酮开始回流,然后开始加热反应器1至回流,反应48h后停止加热,待产物收集器3冷却后,将其置于冰浴中,析出无色晶体,抽滤,沉淀烘干后即得无色的乙酰丙酮镉,产率为97%。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程,即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种乙酰丙酮金属化合物的连续合成方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)在反应器中加入金属化合物、乙酰丙酮,在产物收集器中加入乙酰丙酮;
(2)加热产物收集器和反应器,产物收集器中的乙酰丙酮在加热过程中被不断蒸馏进入反应器中与金属化合物反应,当反应器中液面高度高于虹吸管时,反应器中的液体包括已经反应生成的乙酰丙酮金属化合物被虹吸进入产物收集器,实现产物和反应物的分离;
(3)反应回流一段时间后,停止加热,将产物收集器中的溶液冷却,析出沉淀,过滤,干燥,即可得到产物。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,可以通过不断的向反应器中补加金属化合物和乙酰丙酮,实现乙酰丙酮金属化合物的连续制备。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,对于反应产物中金属元素价态高于金属化合物中金属价态的反应,在反应过程中需不断引入氧化剂,直至反应结束。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法,其特征在于,步骤(1)中所述金属化合物优选为金属盐和碱的混合物、金属氧化物、金属氢氧化物中的1种或至少2种的组合;
优选地,步骤(1)中先加热产物收集器,待产物收集器中液体回流时,开始加热反应器;
优选地,步骤(1)中所述乙酰丙酮的总用量为其与金属化合物反应所需化学计量量的1~20倍,进一步优选为1~10倍,特别优选2~5倍。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,优选在反应器中还加入水夹带剂;
优选地,所述水夹带剂的用量为乙酰丙酮体积的0~5倍,进一步优选为0~3倍,特别优选为0~2倍;所述0倍指不加入水夹带剂。
6.如权利要求1-3任一项所述的方法,其特征在于,优选地,步骤(2)反应过程中生成的水,优选通过与水夹带剂的共沸将其带出;
优选地,步骤(2)中,产物分离器中未反应的乙酰丙酮通过蒸馏可以进入反应器中继续和金属化合物反应;
优选地,步骤(2)中所述反应过程中生成的水,通过与水夹带剂的共沸将其带出后,在分水器中被不断除去;
优选地,步骤(2)反应过程中采用搅拌;
优选地,步骤(3)中所述反应回流时间为0.5h以上,进一步优选为0.5h~48h,特别优选为0.5h~24h。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法,其特征在于,所述金属优选为铁、钒、钼、镍、锌、锰、铝、镁、铜、镉、钙、镓、钛、镧等,特别优选为铁、钒、钼、镍;
优选地,所述水夹带剂为能和水形成共沸物并且与水不混溶的有机溶剂;
优选地,所述水夹带剂为甲苯、氯仿、四氯化碳、苯、二甲苯、二氯乙烷、醇类、饱和烷烃中的1种或至少2种的组合,进一步优选为能和水形成共沸物的饱和烷烃,如正庚烷、正己烷、环己烷等,特别优选环己烷;
优选地,所述的氧化剂包括空气、氧气、臭氧、过氧化氢中的1种或至少2种的组合,特别优选空气或/和氧气。
8.一种乙酰丙酮金属化合物的合成装置,其特征在于,所述装置由反应器1、分水器2构成,所述反应器1和分水器2下端直接相连。
9.如权利要求8所述的装置,其特征在于,所述装置由反应器1、分水器2、产物收集器3构成,反应器1和分水器2下端直接相连,产物收集器3通过产物输送管4与反应器1相连;
优选地,所述装置还包括蒸汽输送管5,用来连接产物收集器3与反应器1。
10.如权利要求8-9任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包括冷凝器6,其与分水器2上端相连;
优选地,所述产物输送管4为虹吸管。
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