CN103998438B - 用于制造包含腈官能团的化合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有通式I或III的包含腈官能团的化合物的制造。更具体地,本发明涉及从包含羧基官能团的化合物(有利的是天然和可再生来源的)制造包含腈官能团的化合物。

Description

用于制造包含腈官能团的化合物的方法
本发明涉及包含腈官能团的化合物的制造。
它更具体地涉及从包含羧基官能团的化合物(有利的是天然和可再生来源的)制造包含腈官能团的化合物。
包含腈官能团的化合物在制造胺化合物中是很重要的。二腈化合物产生胺类,这些胺类是,例如,为聚合物(例如像聚酰胺)来源的单体。单腈化合物产生胺或酰胺,它们例如用于制造阳离子表面活性剂。
已经提供了许多用于合成腈类的方法,尤其是从氨和从羧酸起始的合成方法。这些方法主要使用从炼油产生的烃化合物作为起始材料。
鉴于石油资源正在枯竭,开展了许多探索研究以便开发用于合成这些化合物的方法,这在从被称作可再生的原料或资源或从通常被摧毁或仅以能量形式给出附加值的再循环原料来制造用于众多应用的材料方面是重要的。这些可再生资源可以是由栽培植物物质或非栽培植物物质获得,如树木、植物、例如甘蔗、玉米、木薯、小麦、油菜、向日葵、棕榈、蓖麻油作物等。
通过一般包括几个机械、化学、和生物阶段的方法转换这些植物质。
具体地,2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一种从生物质得到的产物(它可以具体地从来自纤维素的粘酸或羟甲基糠醛获得)。因此,这是作为制备相应的生物来源二腈的起始材料的先验的良好候选。
问题是,这种化合物(FDCA)不是非常易溶于常规溶剂,特别不是热稳定的:它脱羧以形成呋喃,这是一种致癌、致基因突变或生殖毒性(CMR)的化工产品。
通过酸的腈化制备腈的传统过程,是在高温及压力下的过程,因此不能采用,特别是从FDCA开始。
因此,仍在搜索不表现出这些缺点的由FDCA或衍生物制备腈的方法。
为此,本发明提供了一种制备具有通式(I)的化合物的方法:
或者具有以下通式(III)的化合物:
其中R象征一个或多个任选的取代基,
x、y等于0或1,其中(x+y)等于1或2。
该方法包括在包含晶体正磷酸硅Si3(PO4)4的催化剂的存在下用具有通式(II)的化合物与氨反应:
或者用具有通式(IV)的化合物与氨反应:
其中R1和R2,是相同或不同的,表示-NH2或–ONH4或–OR3,R3是具有从1至4个碳原子的烷基基团,
并且其中x、y和R具有以上指示的含义。
具有通式(I)或(III)的化合物可以携带一个或多个取代基。
有利地,具有通式(II)或(IV)的化合物产生自植物来源的可再生材料。
可再生材料或资源是其存量可以在短周期(按人类时间尺度)内重构的天然资源、动物资源或植物资源。尤其需要这种原料能够以与其消耗相同的速度再生。
不同于产生自化石材料的材料,可再生原料含有高比例的14C。优选地,本发明的腈由产生自可再生原料的有机碳组成。因此,这种优选的特征可以通过根据标准ASTM D6866中所述的方法之一,尤其根据这项标准中描述的质谱法或液态闪烁谱法测定14C含量来证实。
这些可再生资源通常是由栽培或非栽培植物物质产生,如树木、植物,例如甘蔗、玉米、木薯、小麦、油菜、向日葵、棕榈、蓖麻油植物等。
例如,具有通式(II)或(IV)的化合物可以产生自可再生资源,如天然多糖,例如像淀粉或纤维素,淀粉有可能例如从小麦、玉米、或马铃薯中提取。它尤其可以源自多种转化过程,尤其源自常规的化学过程,还源自酶促转化过程或发酵转化过程。
例如,具有式(II)的化合物可以从2,5-呋喃二羧酸(其本身具体地是从粘酸或从羟甲基糠醛获得(羟甲基糠醛是从纤维素获得的))获得的。
有利地,R选自:
-优选具有从1至6个碳原子并且仍更优选从1至4个碳原子的直链或支链烷基基团,
-优选具有从1至6个碳原子和从1至13个卤素原子、并且仍更优选从1至4个碳原子和从1至9个卤素原子的直链或支链的单、多、或全卤化的烷基基团,
-醚R4-O-或硫醚R4-S-基团,其中R4表示具有从1至6个碳原子、并且仍更优选从1至4个碳原子的直链或支链的烷基基团或苯基基团,
-酰氧基或芳酰氧基R4-CO-O-基团,其中该R4基团具有以上给出的含义,
-酰基或芳酰基R4-CO-基团,其中该R4基团具有以上给出的含义,
-羟基基团,
-卤素原子、优选氟原子。
有利的是,R1和R2是–OR3基团。换句话说,式(II)或式(IV)所示的化合物是酯。
根据本发明的方法的一个具体实施例,x+y等于2并且R1和R2是相同的。
优选地,具有式(II)或(IV)的化合物是2,5-呋喃二羧酸甲酯、2,5-呋喃二羧酸乙酯、2,5-呋喃二羧酸铵、2-糠酸甲酯,2-糠酸乙酯或2-糠酸铵。
按照本发明的方法,将包含具有式(II)或(IV)的化合物和氨的气体流传递通过本发明的催化剂。
虽然涉及的氨的量可以等于由该反应的化学计量确定的理论量(即,每摩尔酯官能团的1摩尔氨),优选使用过量的氨进行该反应。通常,每摩尔酯官能团优选使用至少2mol并且更特别是从2mol至10mol的氨。导致该反应的气体流中存在的过量的氨在纯化后可以被回收。
气体流与催化剂的表观接触时间,其定义为一个单位体积的气体混合物(标准压力和温度条件下测量的)与该单位的表观体积的催化剂接触期间的以秒为单位的持续时间,可以在0.001s与10min之间并且优选地在0.01s与2min之间。
该方法通常在大气压力下以及在温度通常为在200℃与600℃之间,优选在300℃与450℃之间,更优选地仍然在350℃与425℃之间进行。
具有式(II)或(IV)的化合物通常在其与催化剂接触之前被蒸发。
例如,一般在预热后,它可以在汽化装置中被汽化或通过喷入过热的(300℃-400℃)氨流中被汽化。这两种汽化方法仅以指示的方式给出。
具有式(II)或(IV)的化合物,在其被蒸发之前,通常以液体形式提供。它可以熔融态或以溶液的形式提供。它可以是水溶液或溶剂中的溶液。
当R1和R2在式(II)或(IV)中表示–ONH4时,具有式(II)或(IV)的化合物通常为水溶液的形式。最大合适的浓度由在提供溶液给用于供给溶液到催化剂的气化装置的温度下,水中的具有式(II)或(IV)的化合物的溶解度极限设定。
当R1和R2表示–OR3基团时,即当具有式(II)或(IV)的化合物是酯时,这种化合物可以为熔融形式或为溶剂(有利地为醇或醚)中的溶液的形式。优选地,使用的是具有式(II)或(IV)的酯化合物的制备过程中所用的醇。
最大合适的浓度由在提供溶液给用于供给溶液到催化剂的气化装置的温度下,溶剂中的具有式(II)或(IV)的化合物的溶解度极限设定。
作为溶剂的实例,可以提及的是,例如,甲醇、乙醇、THF、1,4-二恶烷或二甲氧基乙烷。
有利地,所述催化剂包含小于5wt.%的无定形正磷酸硅。
适用于本发明的催化剂可有利地通过用水溶液中的磷酸浸渍二氧化硅,随后在空气中煅烧以便形成正磷酸硅来获得。煅烧温度有利的是在450℃与800℃之间,例如在450℃与550℃之间。这种制造方法特别是在法国专利申请号2810317中进行了描述。
也可以使用由不同的公司出售的催化剂,如UOP。然而,可能需要处理这些商业催化剂以便提高结晶形态的含量也,例如通过加热处理。
该催化剂通常是固体形式,例如玻璃珠、圆柱形挤出物、蜂窝状、等形式。该催化剂通常定位在处于固定床形式的反应器中,具有式(II)或(IV)的化合物和氨以蒸汽形式送过其中。
本发明的催化剂还可以包括掺杂元素或助催化剂。
根据本发明的另一个特征,用于实施本发明的方法的催化剂可以通过在450℃与500℃之间的温度下用空气处理催化剂床持续10个小时至20个小时得到再生。再生处理可以通过检测反应器出口处空气中二氧化碳的存在进行监测。当观察到空气中不存在CO2时停止处理。因此,再生的催化剂可用于以等效的催化性能新鲜地实施本发明的方法。
反应器出口处回收的蒸汽被冷凝,以回收包含腈官能团的化合物。这些化合物可以随后通过常规技术如蒸馏、结晶、萃取等技术进行纯化。
有利地,该催化剂在供给化合物(II)或(IV)之前被活化,具体地是在350℃与500℃之间的温度下通过用空气处理。
根据本发明的具体实施例,根据本领域技术人员公知的方法,将如此回收的具有式(I)或(III)的腈进行氢化,以便形成相应的胺。因此,获得其中所有的碳原子都是生物来源的胺(如从生物来源的羧酸得到的,即从可再生原料得到的羧酸)。这些胺可以用作生产聚酰胺的起始材料,其中取决于聚合所用的酸,所述聚酰胺因此将部分地或完全地为生物来源的。这些胺也可以用于制备表面活性剂。
根据本发明的另一个具体实施例,如此回收的具有式(I)的腈被氢化,以便形成具有式(V)的胺:
鉴于以下给出的实例,本发明的其他细节或优点将变得更明显。
实例
实例1
使用具有2.54cm内径的管状不锈钢反应器,该反应器配备了一个1mm温度探头并且由一个管式电炉加热。催化床,由3毫升源自UOP的催化剂组成,称为SPA1,催化剂研磨并筛分在2mm与3mm之间,在3l/h的空气流中450℃下活化经过15个小时。
这种活化后,使催化床回到400℃并且空气流被替换为2.7l/h的氨流。然后,催化床再加热到425℃,20%w/w的2,5-呋喃二羧酸甲酯的甲醇溶液以6ml/h的流量注入到催化床,同时保持氨的流量为2.7l/h。注射50ml后,冷凝物由GC分析。然后获得了12%的2,5-二氰呋喃产率,对于二酯的转化率为38%。
实例2
使用具有2.54cm内径的管状不锈钢反应器,该反应器配备了一个1mm温度探头并且由一个管式电炉加热。催化床,由3毫升源自UOP的催化剂组成,称为SPA1,催化剂研磨并筛分在2mm与3mm之间,在3l/h的空气流中450℃下活化15个小时。这种活化后,使催化床回到400℃并且空气流被替换为2.7l/h的氨流。然后,催化床再加热到425℃,20wt.%的2,5-呋喃二羧酸乙酯的乙醇溶液以5ml/h的流量注入到催化床,同时保持氨的流量为2.7l/h。
注射50ml溶液后,冷凝物由GC分析。获得了15%的二腈产率,对于二酯的转化率为30%。
实例3
使用具有2.54cm内径的管状不锈钢反应器,该反应器配备了一个1mm温度探头并且由一个管式电炉加热。催化床,由3毫升源自UOP的催化剂组成,称为SPA1,催化剂研磨并筛分在2mm与3mm之间,在3l/h的空气流中450℃下活化15个小时。这种活化后,使催化床回到400℃并且空气流被替换为2.4l/h的氨流。然后,催化床再加热到425℃,45%w/w浓度的2,5-呋喃二甲酸乙酯THF在THF中的溶液以1.5ml/h的流量注入到催化剂,同时保持氨的流量为2.4l/h。注射50ml后,冷凝物由GC分析。获得了14%的二腈产率,28%的酯腈产率,对于二酯的转化率为45%。
实例4:催化剂的再生
该催化剂,当其活性降低时,可以在空气存在下通过热处理进行再生。空气流以10l/h的流量通过冷催化床,并经过个4小时逐渐进行加热到500℃。随后将这些条件维持15个小时。从反应器退出的气体必须无二氧化碳。
在10l/h氮下使温度随后回到400℃,并在此温度下,氮气的流速是逐渐用氨的流量代替。不应观察到放热。然后催化剂被再生。

Claims (11)

1.一种方法,该方法用于制备分别具有以下通式 (I) 的化合物:
(I)
或者具有以下通式 (III) 的化合物:
(III)
其中x、y等于0或1,而(x + y)等于1或2,
R选自:
- 具有从1至6个碳原子的直链或支链烷基基团,
- 具有从1至6个碳原子和从1至13个卤素原子的直链或支链的单、多、或全卤化的烷基基团,
- 醚R4-O-或硫醚R4-S-基团,其中R4表示具有从1至6个碳原子的直链或支链的烷基基团或苯基基团,
- 酰基或芳酰基R4-CO-基团,其中该R4基团具有以上给出的含义,
- 羟基基团,
- 卤素原子;
该方法包括在包含具有式Si3(PO4)4的正磷酸硅的催化剂的存在下,在气相中用具有以下通式 (II) 的化合物与氨反应:
(II)
或者相应地,用具有以下通式 (IV) 的化合物与氨反应:
(IV)
其中R1和R2,是相同或不同的,表示–OR3,R3是具有从1至4个碳原子的烷基基团。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于具有通式 (II) 和/或 (IV) 的化合物产生自植物来源的可再生材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于R选自:
- 具有从1至4个碳原子的直链或支链烷基基团,
- 具有从1至4个碳原子和从1至9个卤素原子的直链或支链的单、多、或全卤化的烷基基团,
- 醚R4-O-或硫醚R4-S-基团,其中R4表示具有从1至4个碳原子的直链或支链的烷基基团或苯基基团,
- 酰基或芳酰基R4-CO-基团,其中该R4基团具有以上给出的含义,
- 羟基基团,
- 氟原子。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于x + y等于2并且R1和R2是相同的。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于具有式 (II) 或 式 (IV) 的化合物选自2,5-呋喃二羧酸甲酯、2,5-呋喃二羧酸乙酯、2-糠酸甲酯、或2-糠酸乙酯。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于该反应在300℃与450℃之间的温度下进行。
7.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于该反应在包含固定催化床的反应器中进行。
8.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于该催化剂通过用磷酸浸渍二氧化硅并且在空气中煅烧来获得。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于该煅烧在400℃与800℃之间的温度下进行。
10.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于将所形成的腈 (I) 和/或 (III) 氢化,以便形成相应的胺。
11.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于将所形成的腈 (I) 氢化,以便形成具有以下通式 (V) 的胺:
(V)。
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