CN109574799A - 一种利用异丁烯和甲醇制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用异丁烯和甲醇制备3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇的方法，其步骤主要为：先用氮气吹扫不锈钢高压反应容器，置换反应容器内的空气；将甲醇液体加入反应容器中，然后将异丁烯气体通入反应容器中，通入高压氮气增压，使异丁烯液化，与甲醇形成混合液；在固定床中加入催化剂，再将异丁烯与甲醇混合液泵送至固定床中，通入含氧气体进行反应，反应结束后冷却出料，蒸馏得到3‑甲基‑3‑丁烯‑1‑醇。本发明所述方法利用甲醇代替有毒的甲醛，环境友好，降低了制备成本，简化了工艺，并且使用固定床反应器，可以连续生产，具有较高的生产效率和产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及3-甲基-3-丁烯-1-醇的催化合成方法技术领域，尤其涉及一种利用异丁烯和甲醇制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的催化合成方法。
背景技术
3-甲基-3-丁烯-1-醇为无色液体，是一种重要的中间体，其用于合成聚羧酸类混凝土减水剂及转位合成菊酯类农药中间体3-甲基-2-丁烯-1-醇。3-甲基-2-丁烯-1-醇又称异戊烯醇，是一种无色透明液体，分子量86.13，密度0.853，沸点130-132℃，闪点43℃，蒸汽压1.4mmHg(20℃)，溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，主要用于合成高效低毒农药拟除虫菊酯类杀虫剂的中间体贲亭酸甲酯，以及其下游产品二氯菊酸酯，二氯菊酰氯等。也是合成香料、医药和农药等众多化工产品的中间体，是合成橡胶的重要原料。
根据合成异戊烯醇的原料的不同，可以把异戊烯醇的合成路线主要分成三种，第一种是丙酮法，也叫甲基丁烯醇异构法，第二种异戊二烯法，第三种是普林斯(Prins)法，也叫异丁烯法。
丙酮法(甲基丁烯醇异构法)是在碱性的环境下，丙酮和乙炔反应，合成乙炔基异丙醇，再经催化剂Pd/C催化加氢合成甲基丁烯醇，最后经异构反应生成异戊烯醇，以丙酮作为原料生成异戊烯醇的工艺路线，优点是我国乙炔的产量较大，容易获得，适合大规模生产，产物与中间体容易分离，缺点是该反应选择性较差，产品产率较低，要以贵金属作为催化剂，增加生产成本。
异戊二烯法是利用异戊二烯与氯化氢催化合成氯代异戊烯，产物1-氯-3-甲基-3-丁烯经转位生成1-氯-3-甲基-2-丁烯，产物与醋酸钠反应生成醋酸酯，经水解最终得到产物。该方法的优点是原料丰富，化学反应平缓，缺点是操作繁琐，设备投资大，且原料异戊二烯的沸点低，蒸汽有比较大的毒性危害，氯化氢对设备有较大的腐蚀。
普林斯(Prins)法，即异丁烯法，是将异丁烯和多聚甲醛在磷酸氢二钠的催化下进行Prins缩合反应主要生成3-甲基-3-丁烯-1-醇和少量异戊烯醇，3-甲基-3-丁烯-1-醇异构化得到异戊烯醇。普林斯法工艺路线较短，生产原料丰富，产物与中间体分离容易。随着我国石油化工产品的不断增加，石油化工的副产品C4也在不断增加，目前我国C4副产品的利用率仅有10％左右，其余均作为燃料烧掉，而利用C4副产品混合烯烃中的异丁烯和甲醛的Prins反应生成异戊烯醇，可以有效地提高C4利用率，异丁烯法是现在合成异戊烯醇工业生产的主要方法。普林斯缩合反应传统上使用质子酸、lewis酸做催化剂，存在腐蚀性强、副反应多和后处理工艺复杂等缺点。近年来，离子液体、杂多酸、负载固体酸、固体碱等催化剂已被应用于Prins缩合反应，取得了良好的效果。
CN102557876A公开了一种采用多聚甲醛、异丁烯为主要原料制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的生产工艺，以氯仿为溶剂，每克介孔分子筛MCM-41固载有1.25mol SnCl4为催化剂，经普林斯缩合反应制备3-甲基-3-丁烯-1-醇。
CN104788287A公开了一种Prins法制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，具体为(1)在不锈钢高压釜中加入95％聚甲醛；(2)将磷酸氢二钠作为催化剂，加入到不锈钢高压釜中，然后再加入叔丁醇；(3)上述各原料添加完毕后用氮气置换高压反应釜内的空气；(4)空气置换后加入异丁烯，进行匀速搅拌2小时；(5)搅拌后将温度加热至200℃，反应4h，然后冷却出料；(6)将反应后并冷却的物料投入到蒸馏器其中进行蒸馏；(7)蒸馏完成后得到产品，收率可达85％。
此外，CN102206136A公开了一种无催化剂合成3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，具体为将溶剂、甲醛、异丁烯在无催化条件下于密封容器中，在反应温度100-300℃之间，压力范围为5-50Mpa，反应2-12h，然后将反应产物蒸馏，得到3-甲基-3-丁烯-1-醇，最终所得产率可达90％以上。
然而，尽管现有技术中异丁烯法可以高效地制备3-甲基-3-丁烯-1-醇，但是其原料采用甲醛或者多聚甲醛，毒性大，一旦泄露将会对周围环境产生严重危害。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种环境友好，工艺简单，收率高的3-甲基-3-丁烯-1-醇制备方法，具体而言，采用甲醇和异丁烯反应制备3-甲基-3-丁烯-1-醇。
本发明所述制备方法具体包括以下步骤：
(1)用氮气或惰性气体或两者的混合气吹扫不锈钢高压反应容器，置换反应容器内的空气；
(2)将甲醇液体加入上述反应容器中，然后将异丁烯气体通入反应容器中，使反应容器里充满异丁烯气体，再通入高压纯氮气增压，使反应容器压力保持在液化压力0.2～1.2MPa，加压后异丁烯变为液态，与甲醇形成混合液；
(3)在固定床中加入催化剂，再将步骤(2)所得异丁烯与甲醇的混合液泵送至固定床中，同时通入含氧气体，固定床反应温度为50～200℃，反应压力为2～12MPa，持续反应2～8h；
(4)待反应结束后冷却出料，加入蒸馏器中进行蒸馏，即可得到3-甲基-3-丁烯-1-醇。
本发明所述制备方法步骤(2)中异丁烯和甲醇的摩尔比为15～25:1～5，优选20～22:2～5。
本发明所述制备方法步骤(3)中含氧气体可以为氧气和氮气的混合气体，或者氧气与惰性气体的混合气，其中氧气所占比例为30～60％，氧气与异丁烯的摩尔比为1:0.8～1.3。
本发明所述制备方法步骤(3)中反应压力优选10MPa，反应温度优选150℃。
本发明所述制备方法步骤(3)中催化剂由催化剂A、催化剂B组成，催化剂A和催化剂B的质量比为1:0.5～3。
本发明所述制备方法步骤(3)中催化剂由催化剂A、催化剂B混合而成。
所述催化剂A为过渡金属铁钼的复合氧化物，铁钼摩尔比为1:5～5:1；催化剂A可以采用如下方法制得：
所述催化剂A可按照以下方法制得：
方法一：配制浓度为0.1～0.5mol/L的钼酸铵溶液，在60～90℃条件下加入浓度为0.1～0.5mol/L的硝酸铁溶液中，用硝酸和氨水共同调节共沉淀体系的pH值，进行共沉淀反应，反应溶液在室温下静置和老化，过滤、洗涤、干燥、焙烧、研磨，最后得到铁钼复合氧化物催化剂样品。
方法二：将一定量硝酸铁溶于去离子水中，配置成浓度为0.1～0.5mol/L的溶液，将一定量的钼酸铵溶于去离子水配置成浓度为0.1～0.5mol/L的溶液。通过硝酸将钼酸铵溶液的pH值调至2～4。将配置好的钼酸铵溶液放置在50～80℃的水浴锅中，在搅拌的条件下将硝酸铁溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中。滴加结束后，在水浴条件下静置，然后室温条件下继续老化，老化结束后过滤、洗涤、干燥、焙烧、研磨，最后得到铁钼复合氧化物催化剂样品。
方法三：，将钼酸盐和铁盐按Mo/Fe摩尔比为1:5至5:1混合均匀，得到混合料；混合料经球磨机球磨后得到球磨料；球磨料经干燥、冷却和焙烧后，得到铁钼催化剂。
所述催化剂B为固体酸或固体碱催化剂，可以是磷酸氢二钠，或者活性组分为氧化锰或者碱土金属氧化物的负载型催化剂；其中，碱土金属氧化物优选氧化镁、氧化钙，载体为氧化铝、氧化硅、分子筛等，负载量为15～30wt％，优选20wt％。
所述催化剂B中磷酸氢二钠选自商业上常见的产品，纯度为98％以上；氧化锰或者碱土金属负载型催化剂可由以下方法制得：
首先将计量的硝酸镁、碳酸钙、乙酸锰等前驱体盐溶于去离子水中，加入载体室温搅拌浸渍，在水浴加热中持续搅拌，待溶液蒸干后，放入烘箱中进一步干燥，然后研磨、焙烧，得到催化剂B。
所述催化剂A、催化剂B的粒径为20～100目，优选40～60目。
与现有技术相比，本发明所述制备方法具有如下有益效果：
(1)环境友好，利用甲醇代替有毒的甲醛；
(2)制备简单，操作便捷，使用固定床反应器，可以连续生产，具有较高的生产效率和产品质量；
(3)相比甲醛，使用甲醇有效降低了3-甲基-3-丁烯-l-醇的生产成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例中催化剂由以下方法制得：
(1)催化剂A：称取16.16g Fe(NO3)·9H2O溶于100mL去离子水中，配置成浓度为0.4mol/L的溶液，称取24.71g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于100mL去离子水配置成浓度为0.2mol/L的溶液。通过硝酸将钼酸铵溶液的pH值调至2。将配置好的钼酸铵溶液放置在70℃的水浴锅中，在搅拌的条件下将硝酸铁溶液逐滴加入到钼酸铵溶液中。滴加结束后，在70℃水浴条件下静置4h，然后室温条件下继续老化4h，老化结束后过滤得到淡绿色固体，用去离子水洗涤三次，在100℃下干燥10h，在管式炉中以5℃/min的升温速率，空气气氛下500℃焙烧5h，研磨得到40目铁钼复合氧化物催化剂A样品。
(2)催化剂B：市购纯度＞98％的磷酸氢二钠；或者将计量的硝酸镁或碳酸钙或乙酸锰等前驱体盐溶于100mL去离子水中，加入10g载体SiO2或Al2O3室温搅拌浸渍2h，在80℃水浴加热条件下持续搅拌，待溶液蒸干后，放入120℃烘箱中干燥4h，然后研磨过筛，在马弗炉中600℃焙烧4h，得到50目的负载量为20wt％的催化剂B。
(3)分别称取5g催化剂A和催化剂B机械混合，加入适量聚乙烯醇、硝酸、天菁粉后挤条、干燥、焙烧、研磨、过筛，最终得到催化剂。
实施例1
(1)用氮气吹扫不锈钢高压反应容器，置换反应容器内的空气；
(2)将甲醇液体以5mL/min的流量加入反应容器中，然后将异丁烯气体以110mL/min的流量通入反应容器中，使高压反应容器里充满异丁烯气体，再通入高压纯氮气，给反应容器增压，使反应容器的压力保持为液化压力0.8MPa，加压后异丁烯变为液态，与甲醇形成混合液；
(3)向固定床中加入10g预先制备好的催化剂Fe/Mo-MnO/Al2O3，(Fe/Mo-MnO/Al2O3)再用泵将步骤(2)所得异丁烯与甲醇混合液加入固定床中，同时以337.5mL/min流量通入含氧气体(氧气含量为40％)，使异丁烯、甲醇、氧气的摩尔比为22:1:27，固定床反应温度为50℃，反应压力为2MPa，持续反应4h；
(4)待反应结束后冷却出料，加入蒸馏器中蒸馏，即可得到3-甲基-3-丁烯-1-醇。
利用气相色谱对产物中的3-甲基-3-丁烯-1-醇含量进行检测，并计算得到产率为32.99％。
实施例2
采用与实施例1同样的方法制备3-甲基-3-丁烯-1-醇，不同之处在于甲醇的流量为10ml/min，异丁烯流量为115ml/min，含氧气体(氧气含量50％)流量为250ml/min，异丁烯、甲醇、氧气的摩尔比为23:2:25，加入催化剂为Fe/Mo-Na2HPO4，反应压力为2MPa，反应温度为100℃。利用气相色谱对产物中的3-甲基-3-丁烯-1-醇含量进行检测，并计算得到产率为31.27％。
实施例3
采用与实施例1同样的方法制备3-甲基-3-丁烯-1-醇，不同之处在于甲醇的流量为15ml/min，异丁烯流量为125ml/min，含氧气体(氧气含量40％)流量为275ml/min，异丁烯、甲醇、氧气的摩尔比为23:3:25，加入催化剂为Fe/Mo-MgO/SiO2，反应压力为5MPa，反应温度为150℃。利用气相色谱对产物中的3-甲基-3-丁烯-1-醇含量进行检测，并计算得到产率为40.75％。
实施例4
采用与实施例1同样的方法制备3-甲基-3-丁烯-1-醇，不同之处在于甲醇的流量为20ml/min，异丁烯流量为115ml/min，含氧气体(氧气含量50％)流量为230ml/min，异丁烯、甲醇、氧气的摩尔比为23:4:23，加入催化剂为Fe/Mo-MnO/Al2O3，反应压力为5MPa，反应温度为200℃。利用气相色谱对产物中的3-甲基-3-丁烯-1-醇含量进行检测，并计算得到产率为38.92％。
实施例5
采用与实施例1同样的方法制备3-甲基-3-丁烯-1-醇，不同之处在于甲醇的流量为5ml/min，异丁烯流量为125ml/min，含氧气体(氧气含量60％)流量为200ml/min，异丁烯、甲醇、氧气的摩尔比为25:1:24，加入催化剂为Fe/Mo-CaO/SiO2，反应压力为8MPa，反应温度为50℃。利用气相色谱对产物中的3-甲基-3-丁烯-1-醇含量进行检测，并计算得到产率为47.33％。
实施例6
采用与实施例1同样的方法制备3-甲基-3-丁烯-1-醇，不同之处在于甲醇的流量为10ml/min，异丁烯流量为100ml/min，含氧气体(氧气含量40％)流量为350ml/min，异丁烯、甲醇、氧气的摩尔比为20:2:28，加入催化剂为Fe/Mo-CaO/Al2O3，反应压力为8MPa，反应温度为100℃。利用气相色谱对产物中的3-甲基-3-丁烯-1-醇含量进行检测，并计算得到产率为48.82％。
实施例7
采用与实施例1同样的方法制备3-甲基-3-丁烯-1-醇，不同之处在于甲醇的流量为15ml/min，异丁烯流量为105ml/min，含氧气体(氧气含量50％)流量为260ml/min，异丁烯、甲醇、氧气的摩尔比为21:3:26，加入催化剂为Fe/Mo-Na2HPO4，反应压力为10MPa，反应温度为150℃。利用气相色谱对产物中的3-甲基-3-丁烯-1-醇含量进行检测，并计算得到产率为64.38％。
实施例8
采用与实施例1同样的方法制备3-甲基-3-丁烯-1-醇，不同之处在于甲醇的流量为20ml/min，异丁烯流量为110ml/min，含氧气体(氧气含量60％)流量为200ml/min，异丁烯、甲醇、氧气的摩尔比为22:4:24，加入催化剂为Fe/Mo-CaO/SiO2，反应压力为10MPa，反应温度为200℃。利用气相色谱对产物中的3-甲基-3-丁烯-1-醇含量进行检测，并计算得到产率为61.20％。
表1实施例1～8反应条件及3-甲基-3-丁烯-1-醇的收率
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种利用异丁烯和甲醇制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于采用以下步骤：（1）用氮气或惰性气体或两者的混合气吹扫不锈钢高压反应容器，置换反应容器内的空气；（2）将甲醇液体加入上述反应容器中，然后将异丁烯气体通入反应容器中，使反应容器里充满异丁烯气体，再通入高压纯氮气增压，使反应容器压力保持在液化压力0.2~1.2MPa，加压后异丁烯变为液态，与甲醇形成混合液；（3）在固定床中加入催化剂，再将步骤（2）所得异丁烯与甲醇的混合液泵送至固定床中，同时通入含氧气体，固定床反应温度为50~200℃，反应压力为2~12MPa，持续反应2~8h；（4）待反应结束后冷却出料，加入蒸馏器中进行蒸馏，即可得到3-甲基-3-丁烯-1-醇；所述步骤（3）中催化剂由催化剂A、催化剂B组成，催化剂A和催化剂B的质量比为1:0.5~3；所述催化剂A为铁钼催化剂，所述催化剂B为固体酸催化剂或固体碱催化剂。
2.根据权利要求1所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：步骤（2）中异丁烯和甲醇的摩尔比为15~25:1~5，优选20~22:2~5。
3.根据权利要求1所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：步骤（3）中含氧气体可以为氧气和氮气的混合气体，或者氧气与惰性气体的混合气，其中氧气所占比例为30~60%，氧气与异丁烯的摩尔比为1:0.8~1.3。
4.根据权利要求1所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：步骤（3）中反应压力优选10MPa，反应温度优选150℃。
5.根据权利要求1所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：所述催化剂A铁钼摩尔比为1:5~5:1，优选2:1。
6.根据权利要求1所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：所述催化剂B优选磷酸氢二钠，其纯度＞98wt%。
7.根据权利要求1所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：所述催化剂B为以氧化锰或碱土金属氧化物为活性组分的负载型催化剂，碱土金属氧化物优选氧化镁或氧化钙，载体为氧化铝、氧化硅、分子筛中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：所述催化剂B的负载量为15~30wt%，优选20wt%。
9.根据权利要求5~8所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：所述催化剂A、催化剂B的粒径均为20~100目，优选40~60目。
10.根据权利要求1所述制备3-甲基-3-丁烯-1-醇的方法，其特征在于：步骤（3）催化剂由催化剂A、催化剂B混合而成。
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