CN104276953A - 一种制备1,4-环己烷二甲酸二酯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新方法,该方法以丁二酸二酯为原料,经酯缩合得到丁二酰丁二酸二酯,然后丁二酰丁二酸二酯加氢脱水得到1,4-环己烷二甲酸二酯。本发明提供了一条制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新路线,具有非常重要的发展潜力和广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种重要化工中间体1,4-环己烷二甲酸二酯的制备方法,尤其涉及一种以丁二酸二酯为原料制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新方法,该方法以丁二酸二酯为原料,经酯缩合得到的丁二酰丁二酸二酯,再经加氢脱水转化为1,4-环己烷二甲酸二酯。
背景技术
1,4-环己烷二甲酸二酯是一种重要的化工中间体,不仅可以用于聚合物的改性材料,而且还是生产1,4-环己烷二甲醇的重要原料。1,4-环己烷二甲醇是生产饱和聚酯树脂和聚酯纤维的重要原料。
目前1,4-环己烷二甲酸二酯主要是由对苯二甲酸二酯加氢还原制得,通常采用的催化剂有Pd、Rh、Ru、Ni等负载型催化剂。早在1959年,美国专利US3334149就报道了采用Pd/Al2O3催化对苯二甲酸二甲酯在高压氢气气氛中(>34MPa)加氢还原得到1,4-环己烷二甲酸二甲酯,但是较高的氢气压力增加了设备的成本。US5319129和CN1099744A公开了Pd/Al2O3在较低氢气压力下(<20MPa)催化对苯二甲酸二烷基酯加氢制备相应的环己烷二羧酸二烷基酯。US5286898又发展了在Pd/Al2O3中添加第二种Ⅷ族金属(Ni、Ru、Pt等),这种方法使催化剂活性明显提高,氢气压力降低。CN1380282A公开了一种由主活性组分Pd,第一助剂元素(ⅡA族金属)和第二助剂元素(Ⅷ族金属)组合而成的催化剂,在更低的氢气压力(<10MPa)下,催化对苯二甲酸二甲酯制备1,4-环己烷二甲酸二甲酯。总之,目前生产1,4-环己烷二甲酸二酯的原料主要是对苯二甲酸二酯,而原料对苯二甲酸二酯主要依赖于化石资源。反应条件较为苛刻,氢气压力普遍高于5MPa。
丁二酸二酯是一种重要的精细化工原料及中间体。由丁二酸二酯可以生产许多精细化学品,包括丁二酸、1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯,γ-丁内酰胺,N-甲基吡咯烷酮及聚丁二酸丁二醇酯等,因此,目前丁二酸二酯广泛应用于食品、香料、医药、涂料、橡胶和塑料行业。丁二酸二酯来源广泛,传统的生产方法有两种,(1)葡萄糖等碳水化合物通过发酵得到丁二酸,丁二酸与醇在酸催化作用下酯化得到丁二酸二酯(US5723322,US5143834,US5143833,US5168055,US5573931)。(2)C4烃类或苯氧化得到马来酸或马来酸酐,然后马来酸或马来酸酐经酯化、加氢得到丁二酸二酯(EP844231,EP728731,CN102070448A,CN101824627A,CN101343210A)。(3)我们课题组还报道了由生物质基平台化合物乙酰丙酸或乙酰丙酸酯在温和条件下制备丁二酸二酯的新方法(专利申请号201210237579.4,PCT/CN2012/087089;201310148566.4)。
本专利报道了一种制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新方法,该方法以丁二酸二酯为原料,经酯缩合得到丁二酰丁二酸二酯(EP0536083,EP0764630),然后丁二酰丁二酸二酯加氢脱水得到1,4-环己烷二甲酸二酯。本专利提供的制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新方法,以无毒无害的丁二酸二酯为原料,避免了使用有毒的危险化学品对二甲苯(PX),有广泛的发展潜力和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新方法,该方法以丁二酸二酯为原料,经酯缩合得到丁二酰丁二酸二酯,然后丁二酰丁二酸二酯加氢脱水得到1,4-环己烷二甲酸二酯(本专利提供制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新路线主要产物分布如图1所示)。
该方法中所用原料为丁二酸二酯,包括丁二酸二甲酯、丁二酸二乙酯、丁二酸二正丙酯、丁二酸二异丙酯、丁二酸二正丁酯和丁二酸二异丁酯中的一种。
丁二酸二酯经酯缩合得到丁二酰丁二酸二酯,其中酯缩合反应的催化剂为强碱,可以是低碳醇钠或醇钾,氨基钠、氨基钾,氢化钠、氢化钾、三苯基钠、三苯基钾或二异丙基氨基锂中的一种或二种以上,以物质的量计,催化剂用量为底物的0.5-20%。酯缩合所用溶剂为低碳醇中的甲醇、乙醇、异丙醇、异丁醇中的一种或二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、乙醚、液氨、苯、甲苯中的一种,溶剂与原料丁二酸二酯的质量比为5-100。酯缩合反应的规律符合典型酯缩合反应的特点,不在本发明的权利要求范围内,本发明不再详细描述。
丁二酸二酯经酯缩合得到丁二酰丁二酸二酯;丁二酰丁二酸二酯加氢脱水所用催化剂为活性金属组分负载的金属负载型催化剂,活性金属组分为Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd和Pt中的一种或二种以上,载体为Amberlyst酸性树脂或酸性的A型分子筛、X型分子筛、β型分子筛、Y型分子筛、丝光沸石、ZSM-5、MCM-41等中的一种或二种以上混合;以金属计,活性金属组分的负载量为催化剂质量的0.5-10%,较佳为0.5-5%。
丁二酰丁二酸二酯加氢脱水所用催化剂为活性金属组分负载的金属负载型催化剂,活性金属组分为Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd和Pt中的一种或二种以上,载体为活性炭、Al2O3或SiO2;以金属计,活性金属组分的负载量为催化剂质量的0.5-10%,较佳为0.5-5%。使用这些金属负载型催化剂时,于反应体系中添加硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、磷钼杂多酸、磷钨杂多酸、Amberlyst酸性树脂或酸性的A型分子筛、X型分子筛、β型分子筛、Y型分子筛、丝光沸石、ZSM-5、MCM-41等中的一种或二种以上;添加量为催化剂质量的0.5-10%。
丁二酰丁二酸二酯加氢脱水所用活性金属组分负载的金属负载型催化剂的制备方法采用沉淀法、浸渍法、水热合成法中的一种将金属活性组分负载在载体上。活性金属组分负载的金属负载型催化剂在加氢脱水前用氢气活化,活化条件为:氢气流量为5-50ml/min,活化温度150-450℃,活化时间为1-10h。
加氢脱水所用溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、异丁醇、乙酸乙酯、乙酸甲酯、二乙二醇单甲醚、二乙二醇二甲醚、二苯醚、二苄醚等中的一种或多种。加氢脱水温度为100-200℃,较佳温度为140-180℃,氢气压力为1-10MPa,较佳氢气压力为1-5MPa,反应时间为2-12h。
本发明提供的路线具有以下特点:
1)本发明报道了一种由丁二酸二酯制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新方法,文献中未见以丁二酸二酯为原料制备1,4-环己烷二甲酸二酯的相关报道。
2)本专利提供的制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新方法,以无毒无害的丁二酸二酯为原料,避免了使用有毒的危险化学品对二甲苯(PX),有广泛的发展潜力和应用前景。
附图说明
图1本专利提供制备1,4-环己烷二甲酸二酯的新路线主要产物分布;
图2实施例1所得产品的1H NMR和13C NMR;
图3反应温度对丁二酰丁二酸二正丙酯转化率和1,4-环己烷二甲酸二正丙酯选择性的影响;
图4丁二酰丁二酸二异丙酯转化率和1,4-环己烷二甲酸二异丙酯选择性在不同反应时间的变化趋势。
下面以实施例详述本发明。
具体实施方式
实施例1:以丁二酸二甲酯制备丁二酰丁二酸二甲酯为例,详述由丁二酸二酯制备丁二酰丁二酸二酯的过程:在装有温度计、滴液漏斗和分馏装置的500ml圆底烧瓶中,加入73g丁二酸二甲酯,搅拌下升温至回流。氮气保护下向体系中滴入20ml甲醇钠的甲醇溶液(含5.4g甲醇钠)。继续回流4h后冷却。向体系中加入甲醇析出大量沉淀,抽滤、用无水甲醇洗涤,得到淡黄色固体。对得到的固体进行1H NMR和13C NMR(如图2所示)。
实施例2:将1.0g丁二酰丁二酸二甲酯,0.1g还原好的负载量5wt.%的Ru/H-β催化剂,20mL异丙醇加入到50mL高压反应釜中,密封后用氢气置换反应釜内气体6次。然后充入10MPa氢气,搅拌下升温至120℃,维持10h,然后冷却到室温,停止搅拌,小心减压到常压。滤出催化剂后,将全部产物转移到25mL容量瓶,加入内标均三甲苯后用异丙醇定容,然后取样使用GC-MS和标准物质的气相色谱保留时间对主要产物定性。使用气相色谱分析定量,内标定量法得到原料丁二酰丁二酸二甲酯转化率和产物1,4-环己烷二甲酸二甲酯的选择性。丁二酰丁二酸二酯的转化率和1,4-环己烷二甲酸二酯的选择性按照下面公式计算:
计算得到丁二酰丁二酸二甲酯的转化率为85.3%,1,4-环己烷二甲酸二甲酯的选择性为62.9%。
实施例3-12:
这几个实施例考察了不同催化剂,对丁二酰丁二酸二乙酯加氢脱水制备1,4-环己烷二甲酸二乙酯这一反应转化率和产物选择性得影响,具体如下:
将1.0g丁二酰丁二酸二乙酯,0.05g还原好的负载量10wt.%的催化剂,0.2g添加剂,20mL异丙醇加入到50mL高压反应釜中,密封后用氢气置换反应釜内气体6次。然后充入5MPa氢气,搅拌下升温至150℃,维持6h,然后冷却到室温,停止搅拌,小心减压到常压。滤出催化剂后,将全部产物转移到25mL容量瓶,加入内标后用异丙醇定容。按照实施例2中的方法分析产物,得到丁二酰丁二酸二乙酯的转化率和1,4-环己烷二甲酸二乙酯的选择性如表二所示。
表一不同催化剂对反应转化率和产物选择性的影响
对不同催化剂考察结果表明:酸性载体负载的Ru、Pd、Ru和惰性载体负载的Pt、Ru催化剂,然后添加酸性组分都能高效地催化丁二酰丁二酸二乙酯加氢脱水得到1,4-环己烷二甲酸二乙酯。
实施例13-20:
这几个实施例考察了不同溶剂,对丁二酰丁二酸二异丁酯加氢脱水制备1,4-环己烷二甲酸二异丁酯的转化率和产物选择性的影响,具体如下:
将1.0g丁二酰丁二酸二异丁酯,0.1g还原好的负载量5wt.%的Pd/C催化剂,0.1g磷钼杂多酸,20mL溶剂加入到50mL高压反应釜中,密封后用氢气置换反应釜内气体6次。然后充入2MPa氢气,搅拌下升温至130℃,维持8h,然后冷却到室温,停止搅拌,小心减压到常压。滤出催化剂后,将全部产物转移到25mL容量瓶,加入内后用溶剂定容。按照实施例2中的方法分析产物,得到丁二酰丁二酸二异丁酯的转化率和1,4-环己烷二甲酸二异丁酯的选择性如表二所示。
表二不同溶剂对反应转化率和产物选择性的影响
对不同溶剂考察结果表明:Pd/C作为催化剂,体系中添加磷钼杂多酸时,丙醇、异丙醇、异丁醇、乙二醇二甲醚和二苯醚都是催化丁二酰丁二酸二酯加氢脱水效果较好的溶剂。
实施例21-26:
这几个实施例考察了不同反应温度条件下,丁二酰丁二酸二正丙酯加氢脱水制备1,4-环己烷二甲酸二正丙酯转化率和产物选择性的变化,具体如下:
将1.0g丁二酰丁二酸二正丙酯,0.2g还原好的负载量2.5wt.%的Ru/H-β催化剂,40mL乙二醇二甲醚加入到50mL高压反应釜中,密封后用氢气置换反应釜内气体6次。然后充入4MPa氢气,搅拌下升温至一定反应温度,维持10h,然后冷却到室温,停止搅拌,小心减压到常压。滤出催化剂后,将全部产物转移到25mL容量瓶,加入内标后用溶剂定容。按照实施例2中的方法分析产物,得到丁二酰丁二酸二正丙酯的转化率和1,4-环己烷二甲酸二正丙酯的选择性如图3所示。
结论:反应温度在100-200℃进行考察,反应温度在140-180℃原料转化率和目标产物选择性较高。
实施例27-31:
这几个实施例考察了不同反应时间条件下,丁二酰丁二酸二异丙酯加氢脱水制备1,4-环己烷二甲酸二异丙酯的转化率和产物选择性的变化,具体如下:
将1.0g丁二酰丁二酸二异丙酯,0.1g还原好的负载量5wt.%的Pt/C催化剂,0.1g磷钨杂多酸,20mL异丙醇加入到50mL高压反应釜中,密封后用氢气置换反应釜内气体6次。然后充入3MPa氢气,搅拌下升温至180℃,维持一定反应时间,然后冷却到室温,停止搅拌,小心减压到常压。滤出催化剂后,将全部产物转移到25mL容量瓶,加入内标后用溶剂定容。按照实施例2中的方法分析产物,得到丁二酰丁二酸二异丙酯的转化率和1,4-环己烷二甲酸二异丙酯的选择性如图4所示。
结论:反应时间在2-12h进行考察,反应时间在4-10h原料转化率和目标产物选择性较高。
实施例32:将10.0g丁二酰丁二酸二甲酯,2.0g还原好的负载量2.5wt.%的Ni/C催化剂,1.0g Amberlyst-15,250mL乙二醇单甲醚加入到500mL高压反应釜中,密封后用氢气置换反应釜内气体6次。然后充入5MPa氢气,搅拌下升温至140℃,维持10h,然后冷却到室温,停止搅拌,小心减压到常压。滤出催化剂后,将全部产物转移到容量瓶,加入内标后用溶剂定容。按照实施例2中的方法分析产物,得到原料丁二酰丁二酸二甲酯转化率65.3%,产物1,4-环己烷二甲酸二甲酯的选择性49.6%。
实施例33:将100.0g丁二酰丁二酸二甲酯,10.0g还原好的负载量5wt.%的Ru/Al2O3催化剂,10.0g HY,2000mL二苄醚加入到5000mL高压反应釜中,密封后用氢气置换反应釜内气体6次。然后充入3MPa氢气,搅拌下升温至150℃,维持8h,然后冷却到室温,停止搅拌,小心减压到常压。滤出催化剂后,将全部产物转移到容量瓶,加入内标后用溶剂定容。按照实施例2中的方法分析产物,内标定量法得到原料丁二酰丁二酸二甲酯转化率69.2%,产物1,4-环己烷二甲酸二甲酯的选择性53.6%。
以上所述,仅为本发明部分的具体实施例,但是本发明的保护范围并不仅限于此,也不因各实施例的先后次序对本发明造成任何限制,任何熟悉本发明技术领域的技术人员在本发明报道的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围不仅限于以上实施例,应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种制备1,4-环己烷二甲酸二酯的方法,其特征在于:以丁二酸二酯为原料,经酯缩合得到丁二酰丁二酸二酯,然后丁二酰丁二酸二酯通过加氢脱水得到1,4-环己烷二甲酸二酯。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:原料丁二酸二酯为丁二酸二甲酯、丁二酸二乙酯、丁二酸二正丙酯、丁二酸二异丙酯、丁二酸二正丁酯和丁二酸二异丁酯等中的一种或二种以上。
3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:丁二酸二酯经酯缩合得到丁二酰丁二酸二酯;丁二酰丁二酸二酯加氢脱水所用催化剂为活性金属组分负载的金属负载型催化剂,活性金属组分为Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd和Pt中的一种或二种以上,载体为Amberlyst酸性树脂或酸性的A型分子筛、X型分子筛、β型分子筛、Y型分子筛、丝光沸石、ZSM-5、MCM-41等中的一种或二种以上混合;以金属计,活性金属组分的负载量为催化剂质量的0.5-10%,较佳为0.5-5%。
4.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:丁二酰丁二酸二酯加氢脱水所用催化剂为活性金属组分负载的金属负载型催化剂,活性金属组分为Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd和Pt中的一种或二种以上,载体为活性炭、Al2O3或SiO2;以金属计,活性金属组分的负载量为催化剂质量的0.5-10%,较佳为0.5-5%。
5.按照权利要求4所述的方法,其特征在于:采用权利要求4所述金属负载型催化剂时,于反应体系中添加硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、磷钼杂多酸、磷钨杂多酸、Amberlyst酸性树脂或酸性的A型分子筛、X型分子筛、β型分子筛、Y型分子筛、丝光沸石、ZSM-5、MCM-41等中的一种或二种以上;添加量为催化剂质量的0.5-10%。
6.按照权利要求3或4所述的方法,其特征在于:催化剂的制备过程采用沉淀法、浸渍法、水热合成法中的一种将活性组分负载在载体上。
7.按照权利要求3或4所述的方法,其特征在于:所述催化剂在加氢脱水前需进行活化,活化温度为150-450℃,氢气流量5-50ml/min,活化时间1-10h。
8.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:加氢脱水所用溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、异丁醇、乙酸乙酯、乙酸甲酯、二乙二醇单甲醚、二乙二醇二甲醚、二苯醚、二苄醚等中的一种或二种,溶剂与丁二酰丁二酸二酯的质量比为5-100。
9.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:加氢脱水温度为100-200℃,较佳温度为140-180℃;氢气压力为1-10MPa,较佳氢气压力为1-5MPa;反应时间为2-12h。
10.按照权利要求1所述的方法,其特征在于:丁二酸二酯经酯缩合得到丁二酰丁二酸二酯,其中酯缩合反应的催化剂为强碱,可以是低碳醇钠或醇钾,氨基钠、氨基钾,氢化钠、氢化钾、三苯基钠、三苯基钾或二异丙基氨基锂中的一种或二种以上,以物质的量计,催化剂用量为底物的0.5-20%。酯缩合所用溶剂为低碳醇中的甲醇、乙醇、异丙醇、异丁醇中的一种或二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、乙醚、液氨、苯、甲苯中的一种,溶剂与原料丁二酸二酯的质量比为5-100。
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