CN102895974B

CN102895974B - 合成n-甲基哌啶的方法及所用的负载型催化剂

Info

Publication number: CN102895974B
Application number: CN201210349301.6A
Authority: CN
Inventors: 陈新志; 黄佳民; 钱超
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-09-19
Also published as: CN102895974A

Abstract

本发明公开了一种用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂，以焙烧后γ-氧化铝为载体，在上述载体上负载活性组分，活性组分由Cu和Ni组成，铜、镍和焙烧后γ-氧化铝的重量之和称为总量，铜占总量的16.5～18.6%，镍占总量的4.0～4.8%。本发明还同时提供了利用上述负载型催化剂合成N-甲基哌啶的方法，包括将哌啶和甲醇的混合液作为原料液置于原料罐中，利用进样泵匀速进样，原料液汽化后通过含有活化后负载型催化剂的固定床反应器，与固定床反应器中的活化后负载型催化剂进行临氢醇的催化胺化反应；收集反应产物进行除水，再进行常压精馏，得到N-甲基哌啶。

Description

合成N-甲基哌啶的方法及所用的负载型催化剂

技术领域

本发明涉及一种化工中间体N-甲基哌啶的合成方法以及所用负载型催化剂的制备方法。

背景技术

N-甲基哌啶（N-Methylpiperidine），其分子式为C₆H₁₃N，其结构式如下所示：

N-甲基哌啶是一种重要的精细化学中间体，主要用于药品的合成，还可以用作环氧树脂固化剂、橡胶促进剂等等。其合成方法主要可以分为以吗啉为原料的N-甲基化法和以1,5-戊二醇或者5-氨基-1-戊醇为原料的环合法。具体如下：

1）、以碘甲烷和哌啶为原料，得到产品N-甲基哌啶，虽然此方法在收率方面比较高，但是会生成大量卤代铵盐，容易对设备造成腐蚀，对环境不友好。而且此方法卤代烷用的是碘甲烷，成本过高，不适合工业生产。

2）、在铜基催化剂作用下，以1,5-戊二醇和甲胺为原料，得到产品N-甲基哌啶，此方法虽然比较绿色，但是其收率并不高（仅为62～82%），会有较多的副反应。而且此反应需要高压下进行，压力达到20MPa，这对于反应设备要求很高，从而会增加工业生产成本，对安全生产也存了很大的隐患。

3）、在铱的络合物作为均相催化剂的情况下，以哌啶和甲醛为原料合成N-甲基哌啶，此反应条件温和，产品收率不错，但是催化剂的回收再利用是个很大难题，从而造成了成本的升高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种环境友好、毒性低、成本低和收率高的N-甲基哌啶的合成方法及所用的负载型催化剂。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂（以下简称负载型催化剂），以焙烧后γ-氧化铝为载体，在上述载体上负载活性组分，活性组分由Cu和Ni组成，铜、镍和焙烧后γ-氧化铝的重量之和称为总量，所述铜占总量的16.5～18.6%，镍占总量的4.0～4.8%。

焙烧后γ-氧化铝可采用以下方法制备而得：将γ-氧化铝先于350～450℃焙烧3.5～4.5h，然后于750～850℃焙烧4.5～5.5h，得到焙烧后γ-氧化铝。

经检测，该焙烧后γ-氧化铝的比表面积为190～220m²g^-1，孔径为13.2～14.0nm。γ-氧化铝（即焙烧前的γ-氧化铝）为普通市售产品，其颗粒直径为2～3mm，而且焙烧前后γ-氧化铝的颗粒直径基本不变。

本发明还同时提供了上述于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂（以下简称负载型催化剂）的制备方法，包括以下步骤：

1）、初次焙烧：

将γ-氧化铝先于350～450℃焙烧3.5～4.5h，然后于750～850℃焙烧4.5～5.5h（较佳为：将γ-氧化铝先于400℃焙烧4h，然后于800℃焙烧5h，），得到焙烧后γ-氧化铝；

2）、溶液配制：

将硝酸铜和硝酸镍（例如为三水硝酸铜和六水硝酸镍，）溶解于水中，得到混合溶液；

3）、浸渍：

将步骤1）所得的焙烧后γ-氧化铝浸渍于步骤2）配制的混合溶液中（一般浸渍至少36小时），过滤，得到滤液和滤饼，滤饼为催化剂；

4）、再次焙烧：

将步骤3）所得的催化剂于50～70℃干燥1.5～2.5h，然后于300～400℃焙烧5～7h（较佳为：将步骤3）所得的催化剂于60℃干燥2h，然后于350℃焙烧6h），再自然降温至室温；得焙烧后催化剂；

5）、将步骤4）所得的焙烧后催化剂反复的依次进行如步骤3）所述的浸渍（即浸渍等同于步骤3）的浸渍的工艺条件）和如步骤4）所述的再次焙烧（即，焙烧的工艺条件等同于步骤4）的再次焙烧的工艺条件），直至步骤2）中配制的混合溶液被吸收完毕及后续相对应的再次焙烧完毕后，结束上述反复，得到用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂（以下简称负载型催化剂）。

备注说明：

硝酸铜和硝酸镍经上述高温焙烧后，会转化成氧化铜和氧化镍；再根据实际所需的铜占总量（铜、镍和焙烧后γ-氧化铝的重量之和称为总量）的百分比以及镍占总量的百分比，可换算出步骤1）所得的焙烧后γ-氧化铝和步骤2）的混合溶液中的硝酸铜、硝酸镍的用量比。

为了控制上述重复浸渍和焙烧的次数，在步骤2）中的混合溶液中，控制硝酸铜的质量浓度为≥20%（最大至饱和浓度），同理，控制硝酸镍的质量浓度为≥5%（最大至饱和浓度）。

本发明还同时提供了利用上述负载型催化剂合成N-甲基哌啶的方法：

1）、将负载型催化剂进行活化，得到活化后负载型催化剂，活化后负载型催化剂被置于固定床反应器中；

2）、将哌啶和甲醇的混合液作为原料液置于原料罐中，利用进样泵匀速进样，原料液汽化后通过含有活化后负载型催化剂的固定床反应器，与固定床反应器中的活化后负载型催化剂进行临氢醇的催化胺化反应；

原料液中哌啶与甲醇的物质的量比为1：1.5～3，原料液的体积空速为0.1～0.3h^-1，调节氢压使固定床反应器内的压力为0.8～1.2MPa，固定床反应器内的温度为130～170℃；

3）、收集步骤2）所得的产物进行除水，再进行常压精馏（收集107～109℃的馏分），得到N-甲基哌啶。

备注说明：汽化室内的温度只需能使哌啶和甲醇汽化即可。

作为本发明的合成N-甲基哌啶的方法的改进：将负载型催化剂进行活化包括如下步骤：

1）、先将负载型催化剂进行初步活化，初步活化时在不同活化时间段的通气时间、通气流量和加热温度如下表1所示：

表1

2）、将初步活化后的负载型催化剂在氢气作用下于120～240℃进行再次活化，直至无冷凝水产生；得到活化后的负载型催化剂。

备注说明：上述步骤1）的先将负载型催化剂进行初步活化，可以在本发明的固定床反应器内进行，也可以在本发明的装置外完成初步活化后再置于固定床反应器内。

在本发明的合成N-甲基哌啶的方法中，

备注说明：上述催化剂指的是用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂（简称为：负载型催化剂），负载型催化剂在活化前后的体积改变量几乎没有，此微乎其微的变量可忽略不计。

本发明的N-甲基哌啶的合成方法，找到了一条甲醇与哌啶进行醇的催化胺化反应得到N-甲基哌啶的方法，反应式如下:

。

本发明的N-甲基哌啶的合成方法的优点是：

1）、使用铜镍负载型催化剂，在气固相中进行反应，产物与催化剂的分离简单方便，而且催化剂廉价，活性高，选择好，寿命长。

2）、反应原料来源广泛，价格低廉，反应过程绿色清洁，污染少，反应结果收率高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的N-甲基哌啶的合成方法中所用装置的示意图。

备注说明：图中的

代表流量计，起监测的作用。

具体实施方式

实施例1、用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂的制备方法，依次进行以下步骤：

1）、初次焙烧：

准确称取1000g颗粒直径2～3mm的γ-氧化铝，将γ-氧化铝先于400℃焙烧4h，然后于800℃焙烧5h，得到焙烧后γ-氧化铝；

2）、溶液配制：

准确称取789.3g三水硝酸铜和249.2g六水硝酸镍，将三水硝酸铜和六水硝酸镍溶解于水中，并且定容到2000mL，得混合溶液；

3）、浸渍：

将步骤1）所得的焙烧后γ-氧化铝浸渍于步骤2）配制的混合溶液中，浸渍至少36小时，过滤，得到滤液和滤饼，滤饼为催化剂；

4）、再次焙烧：

将步骤3）所得的催化剂于60℃干燥2h，然后于350℃焙烧6h，再自然降温至室温（一般指5~35℃）；得焙烧后催化剂；

5）、将步骤4）所得的焙烧后催化剂反复的依次进行如步骤3）所述的浸渍和如步骤4）所述的再次焙烧，直至步骤2）中配制的混合溶液被吸收完毕及后续相对应的再次焙烧完毕后，结束上述反复（反复约4次，即浸渍→再次焙烧共约5次），得到用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂（以下简称负载型催化剂）。

该负载型催化剂中，铜占催化剂总重量的16.5%，镍占催化剂总重量的4.0%，铜、镍和焙烧后γ-氧化铝的重量之和称为总重量。

实施例2、一种N-甲基哌啶的合成方法，依次进行以下步骤：

1）、将制备好的负载型催化剂（实施例1所得）进行活化：

①、先将负载型催化剂进行初步活化，初步活化时在不同活化时间段的通气时间、通气流量和加热温度如上文中的表1所示，此步骤可在固定床反应器外进行，也可利用固定床反应器(但需要加N₂连接管道)。

②、将初步活化后的负载型催化剂装填到固定床反应器中，在氢气作用下于120℃进行再次活化，直至活化完成(即固定床反应器下部无冷凝水产生)；得活化后负载型催化剂。

2）、将哌啶766.4g（9.0mol）与甲醇432.5g（13.5mol）混合后置于原料罐中（哌啶与甲醇物质的量比为1:1.5），得到混合液（即反应物，原料液），利用进样泵匀速地将混合液打入位于固定床反应器顶部的汽化室（汽化室内的温度要求能够使哌啶和甲醇汽化），经汽化后与氢气共同进入含有活化后负载型催化剂的固定床反应器，进行临氢醇的催化胺化反应，原料液的体积空速为0.2h^-1，调节氢压使固定床反应器内的压力为0.8MPa，固定床反应器内的温度控制为130℃；随着反应进行产物经过冷凝器后以液态形式收集。

3）、收集步骤2）所得的产物（即反应液）进行除水（向反应液中加入足够的固碱，直至反应液分成液固相，取液相即为除完水的反应液），再进行常压精馏，收集64℃的馏分为过量的甲醇，可再次循环使用。107～109℃收集的馏分为作为本发明产物的N-甲基哌啶，得到产物866.1g，收率为97.2%，纯度为99%，所得产物经表征结构正确。

改变实施例2中哌啶与甲醇的物质的量之比，活化（再次活化）温度、反应温度、反应压力、原料液的体积空速和所用的催化剂（改变实施例1中的三水硝酸铜和六水硝酸镍的用量，从而改变了铜镍在焙烧后γ-氧化铝上的负载量，其余同实施例1）；其余步骤均同实施例2，分别得到实施例3～16，所得的N-甲基哌啶（纯度均为99%）收率如表2所示：

表2

实施例17、相对于实施例2作如下改动：

将步骤1）中固定床反应器内放置的“活化后负载型催化剂”改成“按照实施例2所述合成方法已经使用了30000分钟后所得的活化后负载型催化剂”，其余同实施例2。最终所得的N-甲基哌啶纯度99%，收率为96.9%。

对比例1~3、

改变实施例2中所用的催化剂（即，改变实施例1中的六水硝酸镍、三水硝酸铜的用量，从而改变了镍、铜在焙烧后γ-氧化铝上的负载量，其余步骤均实施例1），其余同实施例2，分别得到对比例1~3，所得的N-甲基哌啶的收率如表3所示：

表3

对比例4~5、

改变实施例2中的反应温度，其余步骤均同实施例2，分别得到对比例4～5，所得的N-甲基哌啶的收率如表4所示：

表4

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.合成N-甲基哌啶的方法，其特征是：

用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂为：以焙烧后γ-氧化铝为载体，在上述载体上负载活性组分，所述活性组分由Cu和Ni组成，所述铜、镍和焙烧后γ-氧化铝的重量之和称为总量，所述铜占总量的16.5～18.6%，镍占总量的4.0～4.8%；

合成方法包括以下步骤：

所述原料液中哌啶与甲醇的物质的量比为1：1.5～3，原料液的体积空速为0.1～0.3h^-1，调节氢压使固定床反应器内的压力为0.8～1.2MPa，固定床反应器内的温度为130～170℃；

3）、收集步骤2）所得的产物进行除水，再进行常压精馏，得到N-甲基哌啶。

2.根据权利要求1所述的合成N-甲基哌啶的方法，其特征是：所述用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂的制备方法包括以下步骤：

1）、初次焙烧：

将γ-氧化铝先于350～450℃焙烧3.5～4.5h，然后于750～850℃焙烧4.5～5.5h，得到焙烧后γ-氧化铝；

2）、溶液配制：

将硝酸铜和硝酸镍溶解于水中，得到混合溶液；

3）、浸渍：

将步骤1）所得的焙烧后γ-氧化铝浸渍于步骤2）配制的混合溶液中，过滤，得到滤液和滤饼，所述滤饼为催化剂；

4）、再次焙烧：

将步骤3）所得的催化剂于50～70℃干燥1.5～2.5h，然后于300～400℃焙烧5～7h，再自然降温至室温；得焙烧后催化剂；

5）、将步骤4）所得的焙烧后催化剂反复的依次进行如步骤3）所述的浸渍和如步骤4）所述的再次焙烧，直至步骤2）中配制的混合溶液被吸收完毕及相对应的再次焙烧完毕后，得到用于合成N-甲基哌啶的负载型催化剂。