CN108569996A - 一种高效阻聚剂701的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮氧自由基哌啶醇的合成工艺，包括以下步骤：向反应容器中加入四甲基哌啶醇、催化剂和稳定剂，任选加入水；任选在搅拌下，加入双氧水，进行反应；反应结束后，加入淬灭剂；经后处理，得到目标产物。本发明采用双氧水与四甲基哌啶醇发生的氧化反应制备701，大大降低了三废的产生，由于选择特定的催化剂使氧化反应的选择性极高，反应结束后，使用淬灭剂破坏残留的双氧水，再进行后处理直接得到701成品。后处理步骤简单，产品的收率高，产生的三废也极少，大大降低了生产成本。

Description

一种高效阻聚剂701的合成方法

技术领域

本发明涉及精细化工领域，特别涉及一种701(氮氧自由基哌啶醇)的合成工艺。

背景技术

阻聚剂701，又称为氮氧自由基哌啶醇，化学名为4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧(自由基)，分子量为172.24，是烯烃单体、丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、丙烯酸、丙烯腈、苯乙烯、丁二烯、氯乙烯、不饱和聚酯等不饱和化合物及农药的新型、高效阻聚剂。其阻聚性能优于酚类、芳胺类、醚类、醌类和硝基化合物等阻聚剂，能替代对环境污染较大的对苯二酚，其阻聚效果是对苯二酚的4倍左右。适用于防止烯烃和不饱和单体在生产、分离、精制、储存、运输过程中的自聚，控制和调节烯烃及其衍生物在有机合成反应中的聚合度，具有广阔的市场前景。

目前国内外生产701的现有工艺的反应过程步骤多，导致产品收率不高，同时耗费大量人工成本，而且重氮化、氯化以及反应过程中较多萃取操作也会产生大量废液和废固，对环境污染严重，制约了该产品的工业化生产规模，不符合我国节能减排、绿色生产的要求。

例如ZL2015210092903公开一种阻聚剂的生产装置，包括四个滴加槽，四个滴加槽与四个氧化釜相连，四个氧化釜连接有一个萃取釜，萃取釜连接有粗压滤器，粗压滤器连接有精压滤器，精压滤器连接有两个结晶釜，两个结晶釜连接有一个离心机，离心机连接有烘干机。虽然提高了产品精度，但设备复杂，能耗过大，产生大量废液和废固。

因此，有必要研发一种安全、绿色、简单高效的701新合成工艺，生产出质量合格的701成品，产品收率高，在市场上具有成本优势。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，采用双氧水与四甲基哌啶醇发生的氧化反应制备701，大大降低了三废的产生，由于选择特定的催化剂使氧化反应的选择性极高。反应结束后，使用淬灭剂破坏残留的双氧水，再进行后处理直接得到701成品。后处理步骤简单，产品的收率高，产生的三废也极少，大大降低了生产成本，从而完成本发明。

因此，本发明的目的在于提供一种氮氧自由基哌啶醇的合成工艺，包括以下步骤：

步骤1，向反应容器中加入四甲基哌啶醇、催化剂和稳定剂，任选加入水；

步骤2，任选在搅拌下，加入双氧水，进行反应；

步骤3，反应结束后，加入淬灭剂；

步骤4，经后处理，得到目标产物。

以下对本发明进行具体描述和说明。

根据本发明一个方面，提供一种阻聚剂701(即，氮氧自由基哌啶醇)的合成工艺，包括以下步骤：

步骤1，向反应容器中加入四甲基哌啶醇、催化剂和稳定剂，任选加入水。

本发明中，四甲基哌啶醇作为反应原料，其结构如下：

其可以溶于溶剂(如水)，然后加入反应容器，也可以以固体直接加入反应容器中，但本发明中应控制过多水的加入，因此优选直接加入四甲基哌啶醇。

本发明中，原则上可以使用能够催化氧化反应的催化剂，但对于本发明而言，对于特定的氧化试剂以及将-NH-氧化为氮氧自由基而言，并非任何氧化催化剂均能实现。

根据本发明，所述催化剂选自特定过渡金属的碱金属盐，优选为钨酸碱金属盐或钼酸碱金属盐，更优选为钨酸钠、钨酸钾、钼酸钠、钼酸钾；还选自特定过渡金属的有机化合物，优选为钨或钼的有机配合物，更优选为乙酰丙酮钼和乙酰丙酮钨；还选自无机碱，优选第二主族氢氧化物，更优选氢氧化钙、氢氧化镁等。

本发明中，上述催化剂可以使用其中的一种或多种。根据本发明一种优选的实施方式，使用无机氢氧化物，优选以氢氧化镁为催化剂。生产实践表明，钨酸钠、钨酸钾、钼酸钠、氢氧化钙、乙酰丙酮钼、氢氧化镁等均获得较高的催化效率和选择性，其中尤以氢氧化镁催化效率和选择性最为优异。

根据本发明，为保证催化剂的有效催化，所述催化剂与原料四甲基哌啶醇的重量比为1:60～1:300，优选1:100～1:200，更优选为1:150～1:160。

本发明中，为了有效控制氧化反应顺利进行，特别是避免特定的氧化剂不能稳定发挥氧化作用，例如氧化过于剧烈，或者氧化剂自身损耗部分丧失氧化性(尤其是诸如双氧水在反应中快速分解等)，需加入稳定剂。

根据本发明优选的实施方式，所述稳定剂可以是简单的无机盐，例如碱金属碳酸盐或碳酸氢盐，优选碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾；也可以是碱金属盐的多元多齿配合物，例如乙二胺四乙酸二钠。

根据本发明，上述稳定剂可以使用其中的一种或多种。本发明中，优选使用碳酸氢盐，尤其是碳酸氢钠作为稳定剂。生产实践表明，碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、乙二胺四乙酸二钠等均获得较好的稳定效果，其中尤以碳酸氢钠最为优异，其除了起到稳定氧化剂的作用之外，特别是在于氢氧化镁催化剂配合使用时，还有助于提高反应的转化率。

根据本发明，所述稳定剂与原料四甲基哌啶醇的重量比为1:300～1:1500，优选1:500～1:1200，优选为1:900～1:1000。

本发明可以不使用溶剂，特别是不使用有机溶剂，但可以使用适量的水作为溶剂，虽然氧化反应有部分水产生，但为了反应体系中催化剂和稳定剂更好地分散并发挥作用，适量的水是有利的，另外，特别是在反应初期，水的存在会使生成水的氧化反应可以温和进行。

根据本发明，水的加入量可以酌情考虑，一般与原料四甲基哌啶醇的重量比为1:1～1:10，优选1:2～1:5，更优选1:3～1:4。

步骤2，任选在搅拌下，加入双氧水，进行反应。

本发明中，使用较高浓度的双氧水，双氧水浓度不宜过低，以免引入过多的水，影响反应原料四甲基哌啶醇的转化率。

根据本发明，双氧水的浓度(或质量分数)为25％～60％，优选28％～45％，更优选30％～40％。

本发明中，需要控制双氧水的加入速度和加入量，一方面，加入速度过快使得氧化反应进行过快，难以控制，散热不易进行，容易产生副反应，另一方面，加入量过大会造成后期淬灭需要的淬灭剂消耗量大，而且产生大量的水。

根据本发明，双氧水的加入方式为滴加，在滴加的同时加热反应容器，使温度升高，并优选进行搅拌，搅拌有助于原料分散，充分混合，也有利于散热，使得反应体系温度均匀。

本发明中，按以下反应式1进行反应：

根据本发明，在反应中维持反应容器中低于100℃，优选反应温度介于40～80℃，更优选45～60℃，尤其是50～55℃。

根据本发明，在反应过程中随着双氧水的加入以及反应进行，会不断有水产生。

步骤3，反应结束后，加入淬灭剂。

根据本发明，反应后期，随着原料的消耗以及产物的生成，反应进行缓慢，直至主反应基本停止，此时需加入淬灭剂，其目的和作用是破坏多余的双氧水，避免具有氧化性的双氧水继续存在于体系中，造成生产和安全隐患，从而确保生产安全。

本发明中，所述淬灭剂可以是常见的还原剂，但为了避免产生气泡以及难以除去的杂质(容易加重废液处理的难度)，优选采用亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、二氧化锰中的一种或多种。

根据本发明，亚硫酸钠、亚硫酸氢钠和二氧化锰都能有效分解双氧水，但生产实践表明，二氧化锰作为淬灭剂的效果最佳。

根据本发明，淬灭剂与原料四甲基哌啶醇的重量比为1:100～1:500，优选1:250～1:300，更优选为1:200～1:250。

步骤4，经后处理，得到目标产物。

根据本发明，反应结束后，对反应液进行后处理，包括固液分离、蒸馏、切片，其中：

对加入淬灭剂破坏多余双氧水后的体系进行固液分离，分离方式为离心或过滤，优选为过滤；

对收集到的滤液进行蒸馏，蒸馏方式为常压蒸馏或低压蒸馏，优选为低压蒸馏(例如≥0.095MPa)，蒸馏的温度一般设定为100℃以下，优选80～98℃，更优选85～95℃；

蒸馏后的固体进行切片，切片温度为75℃～85℃。

通过上述反应步骤和后处理操作，在大大降低三废产生的情况下以高选择性和高产率获得目标产物氮氧自由基哌啶醇，以GC法测得其含量(或归一化纯度)≥99.2％，为桔黄色固体或结晶，灰分≤0.1％。

根据本发明另一方面，提供一种根据以上描述的合成方法制得的阻聚剂701，其纯度较高，为桔黄色固体或结晶。

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

(1)、采用双氧水与四甲基哌啶醇发生氧化反应直接制备701，反应历程简单，避免副反应或中间阶段或中间产物，简化了工业化生产对设备和工艺的要求。

(2)、避免使用强酸强碱等苛性物质，降低了对设备的腐蚀，并很大程度上降低了三废的产生和排放，反应温度仅为数十度，条件温和，降低了能源消耗。

(3)、选择特定的氧化剂和催化剂进行氧化反应，反应结束后，使用淬灭剂破坏残留的双氧水，保障了生产的安全性，经简单后处理即以高选择性和97％以上，甚至98％以上的高收率获得纯度(或含量)为98％以上，甚至99.2％以上的701产品。

(4)、本发明从根本上改变了现有技术阻聚剂701合成工艺复杂、产率低、纯度差的现状，本发明方法还具有简便、易于控制和工业化生产的特点，能够实现大规模工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例1获得产物的GC色谱图。

具体实施方式

以下通过具体实例进一步描述本发明。不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。

实施例1

将120g四甲基哌啶醇、35g水、0.8g氢氧化镁和0.12g碳酸氢钠加入到反应瓶中；

在搅拌下，缓慢滴加30(重量)％双氧水，维持反应瓶中温度50～55℃，滴加双氧水完成后，继续在50～55℃下保温反应；

反应结束后，加入0.5克二氧化锰破坏多余的双氧水；

过滤，所得到滤液进行低压蒸馏，蒸馏结束后固体进行切片，得到产品701(氮氧自由基哌啶醇)，收率为98.5％，为桔黄色晶体，GC色谱检测其纯度约为99.5％，其GC色谱图如图1所示，可见，在1.572、4.658、5.598、6.531、7.129、21.019和21.627的停留时间(min.)处有峰位，其中，对应7.129的氮氧自由基哌啶醇含量(纯度)为99.533％，对应4.658杂质峰的原料哌啶醇的含量(纯度)为0.202％。

实施例2

将100g四甲基哌啶醇、30g水、0.7g氢氧化镁和0.1g碳酸氢钠加入到反应瓶中；

在搅拌下，缓慢滴加30(重量)％双氧水，维持反应瓶中温度50～55℃，滴加双氧水完成后，继续在50～55℃下保温反应；

反应结束后，加入0.4克二氧化锰破坏多余的双氧水；

过滤，所得到滤液进行低压蒸馏，蒸馏结束后固体进行切片，得到产品701(氮氧自由基哌啶醇)，收率为98.3％，为桔黄色晶体，GC色谱检测其纯度约为99.4％。

实施例3

将120g四甲基哌啶醇、35g水、0.8g钨酸钠和0.12g乙二胺四乙酸钠加入到反应瓶中；

缓慢滴加30(重量)％双氧水，维持反应瓶中温度50～55℃，滴加双氧水完成后，继续在50～55℃下保温反应；

反应结束后，加入0.5克亚硫酸钠破坏多余的双氧水；

过滤，所得到滤液进行低压蒸馏，蒸馏结束后固体进行切片，得到产品701(氮氧自由基哌啶醇)，收率为98.1％，为桔黄色混晶粉末，GC色谱检测其纯度约为99.3％。

实施例4

将1200kg四甲基哌啶醇、400kg水、8kg氢氧化镁和1.2kg碳酸氢钠加入到反应釜中；

在搅拌下，缓慢滴加30(重量)％双氧水，维持反应瓶中温度50～55℃，滴加双氧水完成后，继续在50～55℃下保温反应；

反应结束后，加入5kg二氧化锰破坏多余的双氧水；

过滤，所得到滤液进行低压蒸馏，蒸馏结束后固体进行切片，得到产品701(氮氧自由基哌啶醇)，收率为98.3％，为桔黄色晶体，GC色谱检测其纯度约为99.3％。

对比例1

将120g四甲基哌啶醇、35g水、0.8g氢氧化镁加入到反应瓶中；

在搅拌下，缓慢滴加30(重量)％双氧水，维持反应瓶中温度50～55℃，滴加双氧水完成后，继续在50～55℃下保温反应；

反应结束后，加入0.5克二氧化锰破坏多余的双氧水；

过滤，所得到滤液进行低压蒸馏，蒸馏结束后固体进行切片，得到产品701(氮氧自由基哌啶醇)，收率为95.7％，得到深黄色固体，GC色谱检测其纯度约为95.8％。

对比例2

将120g四甲基哌啶醇、35g水、0.8g乙酰丙酮钼加入到反应瓶中；

在搅拌下，缓慢滴加30(重量)％双氧水，维持反应瓶中温度50～55℃，滴加双氧水完成后，继续在50～55℃下保温反应；

反应结束后，加入0.5克亚硫酸钠破坏多余的双氧水；过滤，所得到滤液进行低压蒸馏，蒸馏结束后固体进行切片，得到产品701(氮氧自由基哌啶醇)，收率为45％，为黄色粉末，GC色谱检测其纯度约为92.9％。

对比例3

将120g四甲基哌啶醇、35g水、0.8g氢氧化镁和0.12g碳酸氢钠加入到反应瓶中；

在搅拌下，缓慢滴加30(重量)％双氧水，维持反应瓶中温度60～65℃，滴加双氧水完成后，继续在60～65℃下保温反应；

反应结束后，加入0.5克二氧化锰破坏多余的双氧水；

过滤，所得到滤液进行低压蒸馏，蒸馏结束后固体进行切片，得到产品701(氮氧自由基哌啶醇)，收率为92.4％，为黄色固体粉末，GC色谱检测其纯度约为93.5％。

应该理解，虽然本发明结合实例进行了详细的说明，但上述说明旨在举例说明，而不以任何方式限制其发明内容。对本领域技术人来说，基于本文的说明可以最大程度地利用本发明，并可在没有脱离本发明的权利要求范围或精神内进行多种修改或修饰。本申请所引用的各个参考文献，在此全文引入作为参考。

Claims (10)

1.一种氮氧自由基哌啶醇的合成工艺，包括以下步骤：

步骤1，向反应容器中加入四甲基哌啶醇、催化剂和稳定剂，任选加入水；

步骤2，任选在搅拌下，加入双氧水，进行反应；

步骤3，反应结束后，加入淬灭剂；

步骤4，经后处理，得到目标产物。

2.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，步骤1中，

所述催化剂选自钨酸碱金属盐或钼酸碱金属盐，更优选为钨酸钠、钨酸钾、钼酸钠、钼酸钾；还选自钨或钼的有机配合物，更优选为乙酰丙酮钼和乙酰丙酮钨；还选自第二主族氢氧化物，更优选氢氧化钙、氢氧化镁等，

优选地，所述催化剂与原料四甲基哌啶醇的重量比为1:60～1:300，优选1:100～1:200，更优选为1:150～1:160。

3.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，步骤1中，

所述稳定剂是无机盐，例如碱金属碳酸盐或碳酸氢盐，优选碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾；也可以是碱金属盐的多元多齿配合物，例如乙二胺四乙酸二钠，

优选地，所述稳定剂与原料四甲基哌啶醇的重量比为1:300～1:1500，优选1:500～1:1200，优选为1:900～1:1000。

4.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，步骤1中，

水的加入量与原料四甲基哌啶醇的重量比为1:1～1:10，优选1:2～1:5，更优选1:3～1:4。

5.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于，步骤2中，

双氧水的质量分数为25％～60％，优选28％～45％，更优选30％～40％。

6.根据权利要求5所述的合成工艺，其特征在于，步骤2中，

双氧水的加入方式为滴加，同时加热，优选进行搅拌。

7.根据权利要求5或6所述的合成工艺，其特征在于，步骤2中，反应温度介于40～80℃，更优选45～60℃，尤其是50～55℃。

8.根据权利要求1至7之一所述的合成工艺，其特征在于，步骤3中，

所述淬灭剂采用亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、二氧化锰中的一种或多种，优选二氧化锰，

所述淬灭剂与原料四甲基哌啶醇的重量比为1:100～1:500，优选1:250～1:300，更优选为1:200～1:250。

9.根据权利要求1至8之一所述的合成工艺，其特征在于，步骤3中，后处理，包括固液分离、蒸馏、切片，蒸馏温度为80～98℃，更优选85～95℃，切片温度为75℃～85℃。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法制得的氮氧自由基哌啶醇，其纯度≥99％，灰分≤0.1％。