CN105646223B

CN105646223B - 一种乙酰丙酸催化氧化酯化制备丁二酸二酯的方法

Info

Publication number: CN105646223B
Application number: CN201410729760.6A
Authority: CN
Inventors: 徐杰; 马阳阳; 杜中田; 夏飞; 苗虹; 马红
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2017-12-26
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: CN105646223A

Abstract

一种乙酰丙酸催化氧化酯化制备丁二酸二酯的方法，该方法以分子氧为氧源，以杂原子锰取代的磷铝分子筛材料为催化剂，无溶剂条件下催化氧化乙酰丙酸，之后结合酯化反应得到丁二酸二酯。该种催化剂具有特殊的孔道结构为活性中心提供了合适的空间，使其具有高效催化性能，可以提高目标产物丁二酸二酯的选择性。

Description

一种乙酰丙酸催化氧化酯化制备丁二酸二酯的方法

技术领域

本发明涉及杂原子锰取代的磷铝分子筛在催化C-C键氧化断裂反应中的应用，具体来讲：以杂子锰取代的磷铝分子筛材料作为催化剂，结合催化氧化反应以及酯化反应将乙酰丙酸氧化到丁二酸二酯，提高目标产物丁二酸二酯的选择性。

背景技术

丁二酸二酯作为一种重要的精细化工中间体，其广泛应用于香料、涂料、食品、橡胶、医药、塑料行业；其可用于四氢呋喃、1,4-丁二醇、N-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯等的生产。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)材料具有良好的生物降解性，其也可由丁二酸二甲酯或丁二酸二乙酯与1,4-丁二醇作为单体聚合而成，应用价值高、发展前景广阔。

目前丁二酸二酯的生产方法主要分为化学合成以及生物转化两类。化学合成法中主要是通过顺丁烯二酸酐催化加氢而得。其中顺丁烯二酸酐需要通过气相催化氧化苯或丁烷等原料得到，这种方法中关键原料C4烃类或苯来自不可再生的化石资源。生物转化法可以将糖类等生物质温和地转化为丁二酸，之后催化酯化得到丁二酸二酯。但生物转化过程面临着许多问题：微生物受pH值影响大、微生物易失活、产品分离成本高等。因此，发展新的制备丁二酸二酯的方法具有重要的意义和应用背景。

乙酰丙酸(levulinic acid)是一种同时含有羰基，α-氢以及羧基的多官能团化合物，其可以由葡萄糖、纤维素等多羟基化合物脱水降解得到；被认为是一种重要的生物基平台化合物，是合成各种轻化工产品的基本原料；在有机合成、工农业、医药行业上有着广泛应用价值。酸催化作用下，林业废弃物如木屑、农业废弃物如秸秆、生活废弃物和造纸业均可用于制备乙酰丙酸；同时其也可以从半纤维素、木糖以及淀粉、果糖等生物质资源转化而来。乙酰丙酸与丁二酸二酯存在着相似的结构单元，通过C-C键氧化断裂可将其转化为丁二酸二酯。

迄今为止，以乙酰丙酸为原料制备得到丁二酸二酯的报道较少。Ponsford等人报道了以H₂O₂作为氧化剂，铜盐催化乙酰丙酸制备丁二酸(Biochem.J.,1934,28,892-897)。美国专利报道了气相条件下V₂O₅催化乙酰丙酸制备丁二酸(US2676186)，该方法反应温度高、能耗大；专利CN201210237579.4中报道了锰催化分子氧温和条件下氧化乙酰丙酸或乙酰丙酸酯制备丁二酸二酯。先前研究中存在催化剂不可循环或目标产物丁二酸或丁二酸二酯的选择性低的问题。

杂原子(如锰、钴、铁等)取代的磷铝分子筛催化剂在烃类氧化中具有优异的催化性能，但在催化C-C键氧化断裂反应中的应用研究鲜有报道。本发明采用具有特殊孔道结构的杂原子锰取代的磷铝分子筛为催化剂，提高催化剂的稳定性，同时利用催化剂中特殊的骨架结构，提高丁二酸二酯的选择性；属于杂原子锰取代的磷铝分子筛作为催化剂在催化C-C键氧化断裂反应中的应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用杂原子锰取代的磷铝分子筛为催化剂，无溶剂条件下以分子氧氧化乙酰丙酸制备丁二酸二酯的方法。该催化剂具有优异的催化性能，同时可提高目标产物丁二酸二酯的选择性。

本发明所提供的杂原子锰取代的磷铝分子筛催化剂，其结构表示为MnAPO-n(n代表不同构型)。催化剂中金属锰与铝的摩尔比为0.01-0.5；金属锰组分在催化剂中质量含量为0.1-20％；材料孔径在0.2-20nm。所述n值为5，8，11，14中的一种，分别对应AFI，AET，AEL，AFN结构。

所述含锰的磷铝分子筛的制备方法如下：将金属锰源、铝源、磷源、模板剂、去离子水为原料，按摩尔记各原料比例关系：Mn_xO_y：Al₂O₃：P₂O₅：R：H₂O＝0.01～0.5:1.0～1.5:1.0～1.5:1.5～2.0:50～100混合；其中，x、y分别代表金属源中金属Mn与O原子的原子个数；R代表模板剂；上述混合物在10～30℃下混合，搅拌均匀，然后140-200℃晶化，过滤、干燥、煅烧既得杂原子锰取代的磷铝分子筛。其中煅烧温度400-600℃，时间12-48h。

所述的金属锰源选自醋酸锰、氯化锰、硫酸锰、硝酸锰、碳酸锰中的一种；所述的铝源选自拟薄水铝石、异丙氧基铝中的一种；所述的磷源为85％的正磷酸；所述的模板剂选自三乙胺、二正丙胺、三乙烯二胺、四乙基溴化铵中的一种。

本发明提供的材料用于以分子氧为氧源，无溶剂液相条件下催化乙酰丙酸氧化制备丁二酸二酯。催化剂用量为乙酰丙酸质量的5-50％，反应温度为80-200℃；氧化反应中氧气分压为0.1-2.0MPa；反应时间为5-20h；乙酰丙酸转化率为20-80％，丁二酸选择性达80％以上；氧化反应在无溶剂条件下进行，不需要加入DMSO、乙腈等惰性溶剂。缩短反应时间可提高温度、增大催化剂用量，但也提高成本；增大氧气压力有助提高反应速率，但对反应器的要求也大幅提高。

反应结束后，加入甲醇等溶解反应后的有机混合物，离心分离、洗涤、干燥。按照此方法所得固体催化剂可重复使用5次以上。

本发明的有益效果

本发明利用杂原子锰取代的磷铝分子筛材料为催化剂，无溶剂条件下催化氧化乙酰丙酸制备丁二酸二酯。该材料具有特殊孔道结构同时由于杂原子取代可表现出优异的催化性能。与先前技术相比，本发明提供的无溶剂液相条件下多相催化氧化乙酰丙酸制备丁二酸二酯的方法，催化剂稳定性较好，可多次回收利用，目标产物丁二酸二酯的选择性也显著提高；不同于先前杂原子取代的磷铝分子筛在烃类C-H键氧化活化中的应用，本发明属于杂原子锰取代的磷铝分子筛作为催化剂在催化C-C键氧化断裂反应中的应用。

附图说明

图1为制得的MnAPO-5成品的X射线衍射图。

具体实施方式

本发明首先将一定量的金属锰盐溶液、铝源、磷酸、模板剂、去离子水在剧烈搅拌条件下充分混合。得到的胶体转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，晶化一定时间过滤、洗涤、干燥、煅烧既得催化剂材料。

不同结构的杂原子锰取代的磷铝分子筛材料合成方法类似，不同之处在于锰金属源或模板剂的种类上，具体采用的锰金属源和模板剂的种类见表1。

表1

材料编号	锰金属源	模板剂	材料构型
				1	醋酸锰	三乙胺	MnAPO-5
2	硫酸锰	二正丙胺	MnAPO-8
				3	硝酸锰	二正丙胺	MnAPO-8
4	硫酸锰	四乙基溴化铵	MnAPO-5
				5	氯化锰	三乙胺	MnAPO-5
6	碳酸锰	二正丙胺	MnAPO-11
				7	碳酸锰	三乙胺	MnAPO-5
8	醋酸锰	四乙基溴化铵	MnAPO-5
				9	硝酸锰	三乙胺	MnAPO-5
10	醋酸锰	三乙烯二胺	MnAPO-14

本发明实施例中，制得成品的X射线衍射测定是用日本理学Rigaku D/Max3400X射线衍射仪，Cu Kα靶。分析条件：管电压40kV，管电流30mA，扫描速度5°/min，扫描范围5-70°。

实施例1：

材料MnAPO-5的制备

取10.6g拟薄水铝石分散于60mL水中，搅拌0.5h。将1.9g醋酸锰溶于9mL去离子水中，加入上述体系，搅拌1h后，逐滴加入11.1mL磷酸，继续搅拌20h。之后缓慢将17.6mL三乙胺加入，再搅拌1h。最后将得到的凝胶转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，180℃晶化48h。冷却后，过滤，去离子水洗涤至pH 6-7，120℃干燥12h得到分子筛原粉。550℃空气中焙烧24h既得成品，所得成品的X射线衍射数居见附图1。

乙酰丙酸氧化：

将1g乙酰丙酸，10wt％(相对于原料乙酰丙酸)MnAPO-5加入到30mL反应釜中，充入氧气至1.0MPa，不断搅拌下升温至150℃，并保持10h。冷却到室温，分离出催化剂，将液体全部转移至圆底烧瓶中，加入20mL无水甲醇和0.2g磷钼杂多酸，加热回流6h。使用内标法利用气相色谱分析得到原料的转化率和产物丁二酸二甲酯的选择性。按照下列公式计算乙酰丙酸的转化率和丁二酸二甲酯的选择性。

转化率[mol％]＝(A₀-A)/A₀×100％

选择性[mol％]＝B/(A₀-A)×100％

公式中，A₀为反应前加入乙酰丙酸的物质的量[mol]，A为反应后乙酰丙酸甲酯的物质的量。[mol]，B为反应过程中生成丁二酸二甲酯的物质的量[mol]。

计算的乙酰丙酸的转化率为59％，丁二酸二甲酯的选择性为87％。

实施例2：

材料MnAPO-11的制备

取10.3g拟薄水铝石分散于65mL水中，搅拌0.5h。逐滴加入10.8mL磷酸，继续搅拌20h。再将1.7g碳酸锰溶于5mL去离子水中，加入上述体系，搅拌1h。之后缓慢将21.3mL二正丙胺加入，搅拌1h。最后将得到的凝胶转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，160℃晶化48h。冷却后，过滤，去离子水洗涤至pH 6-7，120℃干燥12h得到分子筛原粉。500℃空气中焙烧24h既得成品。

乙酰丙酸氧化：

将1g乙酰丙酸，5wt％(相对于原料乙酰丙酸)MnAPO-11加入到30mL反应釜中，充入氧气至0.5MPa，不断搅拌下升温至130℃，并保持8h。冷却到室温，分离出催化剂，将液体全部转移至圆底烧瓶中，加入20mL无水甲醇和0.2g三氟化硼乙醚，加热回流6h。计算的乙酰丙酸的转化率为73％，丁二酸二甲酯的选择性为85％。

实施例3：材料MnAPO-8的制备

将2.0g硫酸锰溶于70mL去离子水中，搅拌0.5h，取10.3g异丙基铝分散其中，搅拌1h。之后逐滴加入12.5mL磷酸，继续搅拌20h。缓慢将20.4mL二正丙胺加入上述体系，搅拌1h。最后将得到的凝胶转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，140℃晶化48h。冷却后，过滤，去离子水洗涤至pH 6-7，120℃干燥12h得到分子筛原粉。450℃空气中焙烧24h既得成品。

乙酰丙酸氧化：

将1g乙酰丙酸，20wt％(相对于原料乙酰丙酸)MnAPO-8加入到30mL反应釜中，充入氧气至1.5MPa，不断搅拌下升温至150℃，并保持10h。冷却到室温，分离出催化剂，将液体全部转移至圆底烧瓶中，加入20mL无水乙醇和0.2g硫酸，加热回流6h。计算的乙酰丙酸的转化率为64％，丁二酸二乙酯的选择性为89％。

实施例4：材料MnAPO-14的制备

取9.8g异丙基铝分散于58mL水中，搅拌0.5h。将1.8g醋酸锰溶于10mL去离子水中，加入上述体系，搅拌1h。逐滴加入10.7mL磷酸，继续搅拌20h。之后缓慢将20.2mL三乙烯二铵加入上述体系，搅拌1h。最后将得到的凝胶转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，180℃晶化48h。冷却后，过滤，去离子水洗涤至pH 6-7，120℃干燥12h得到分子筛原粉。550℃空气中焙烧24h既得成品。

乙酰丙酸氧化：

将1g乙酰丙酸，5wt％(相对于原料乙酰丙酸)MnAPO-14加入到30mL反应釜中，充入氧气至0.5MPa，不断搅拌下升温至100℃，并保持5h。冷却到室温，分离出催化剂，将液体全部转移至圆底烧瓶中，加入20mL无水乙醇和0.2g三氟化硼乙醚，加热回流6h。计算的乙酰丙酸的转化率为78％，丁二酸二乙酯的选择性为83％。

Claims

1.一种乙酰丙酸催化氧化酯化制备丁二酸二酯的方法，其特征在于：该方法以分子氧为氧源，以杂原子锰取代的磷铝分子筛为催化剂，在无溶剂条件下催化氧化乙酰丙酸，之后结合酯化反应制备丁二酸二酯。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述杂原子锰取代的磷铝分子筛催化剂，其结构表示为MnAPO-n(n代表不同构型)，催化剂中金属锰与铝的摩尔比为0.01-0.5；金属锰组分在催化剂中质量含量为0.1-20％；催化剂孔径为0.2-20nm，所述n值为5，8，11，14中的一种，分别对应AFI，AET，AEL，AFN结构。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：杂原子锰取代的磷铝分子筛的制备方法如下：将金属锰源、铝源、磷源、模板剂、去离子水混合，搅拌均匀，140-200℃晶化，过滤、干燥、400-600℃煅烧既得杂原子锰取代的磷铝分子筛；

所述的金属锰源选自醋酸锰、氯化锰、硫酸锰、硝酸锰或碳酸锰中的一种；所述的铝源选自拟薄水铝石、异丙氧基铝中的一种；所述的磷源为85％的正磷酸；所述的模板剂选自三乙胺、二正丙胺、三乙烯二胺或四乙基溴化铵中的一种。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述乙酰丙酸氧化制备丁二酸二酯的反应采用无溶剂液相条件进行，反应温度为80-200℃，催化剂用量为原料乙酰丙酸质量的5-50％；其中氧化反应中氧气分压为0.1-2.0MPa，反应时间为5-20h。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：氧化反应结束后，过滤出催化剂，向反应液中直接加入酯化催化剂和醇，回流酯化得到丁二酸二酯。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的醇与原料乙酰丙酸的摩尔比为50-500，所述醇为甲醇、乙醇中的一种；所述酯化催化剂为硫酸、三氟化硼乙醚、磷钼杂多酸中的一种；其中，酯化催化剂的用量为底物乙酰丙酸的2.0-10.0mol％,酯化反应时间为5-12h。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反应中，原料乙酰丙酸转化率为20-80％，丁二酸二酯的选择性达80％以上。