CN109704936A - 一种新型α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型α‑乙酰‑γ‑丁内酯的催化裂解方法，包括在外循环脉动式反应器中加入α‑乙酰‑γ‑丁内酯原料，并通入干燥氮气置换，开启换热器；置换过程完成后，体系进行抽真空等步骤。本发明采用了独特的外循环脉动式反应器及脉动输送外循环方式，极大的促进了反应器中各个反应物种间的传质，从而使得反应可以处于动力学控制，通过脉动方式，使得反应传质速率进一步提高一个数量级以上。本申请采用的组合催化剂催化效率高，活性高，选择性高，这样不仅降低了反应温度，也减少了高温下裂解的其他副反应，同时减少了能耗，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于有机化学技术领域，具体涉及一种新型α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解方法。
背景技术
α-乙酰-γ-丁内酯，简称ABL，分子式C6H8O3，分子量为128.13，是一种为无色透明的液体，有酯类气味，溶于有机溶剂，在水中溶解度为20％，室温下比较稳定。主要用途是用于合成维生素B1和农药。近年来，国外开发了α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解方法，可以制备得到环丙甲酮，从而获得更为广泛的应用。
环丙甲酮是一种重要的有机原料和中间体。在医药方面，主要用于抗艾滋病药依氟维仑和伊尔雷敏的合成；在农药方面主要用于杀菌剂嘧菌环胺和环唑醇的合成。其合成方法有多种，其中以原料α-乙酰-γ-丁内酯较有竞争力。原料α-乙酰-γ-丁内酯可以发生水解卤代反应，生成卤代戊酮，再进行环合反应得到产品环丙甲酮。这条路线三废太多，污染严重，成本高。
美国专利US5254739公开了一种新方法，原料α-乙酰-γ-丁内酯在高沸点溶剂和催化剂存在下进行高温裂解反应，反应温度为180-200℃，催化剂为碘化钠、溴化钾等卤代盐。反应结束后，需要回收催化剂、溶剂和再生催化剂和溶剂。该路线反应温度太高，一般企业难以达到，同时反应收率较低，一般低于90％，产品含量也较低，含有较多裂解副产物，催化剂活性不足导致。
现有的α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解方法，或多或少存在缺陷，或是产品收率较低，或是反应过程中腐蚀性太强，或是成本过高。现有的技术路线在环境友好性和成本方面都需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明公开了一种新型α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解方法，包括以下步骤：
1)在外循环脉动式反应器中，加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，并通入干燥氮气置换，开启换热器；
2)置换过程完成后，体系进行抽真空；
3)开启循环泵，α-乙酰-γ-丁内酯原料被泵抽入，并通过换热器，控制温度在100-140℃在反应器中与催化剂进行接触，发生催化裂解反应，并不断进行循环反应促进反应完全，其中，外循环脉动式反应器中的循环开关关闭和打开以1:1-10的脉动比进行流体脉动操作，实现脉动促进催化裂解反应；
4)从反应釜的顶部经过精馏，不断冷凝采出裂解产品环丙甲酮，同时反应器内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯原料，原料加入完成后，继续循环反应5-30分钟，收集完全产品环丙甲酮；
5)反应结束后，调节温度至室温。体系首先进行抽真空，尾气去尾气处理。然后再通入氮气进行置换循环至完全。
作为进一步的改进，本发明所述的催化剂为混合催化剂，包括组分1和组分2，所述的组分1为碘化钠、碘化钾、溴化钠、溴化钾、氯化钠、氯化钾中的一种，所述的组分2为沸石咪唑酯骨架配合物ZIF-67。
作为进一步的改进，本发明所述的混合催化剂中组分1和组分2的质量比为1:0.1-1:0.5。
作为进一步的改进，本发明所述的催化剂的粒径小于1000微米。
作为进一步的改进，本发明所述的催化剂的粒径小于500微米。
作为进一步的改进，本发明反应结束后，反应器内催化剂不经任何处理，直接用于下一批α-乙酰-γ-丁内酯的催化裂解产品的制备。
作为进一步的改进，本发明所述方法的所得产品环丙甲酮含量大于99％，反应总收率大于98％。
作为进一步的改进，本发明所述的外循环脉动式反应器中具有分布器，采用外循环换热器装置，通过阀门和泵实现流体的外循环，外循环反应器中的流体循环通过关闭和打开实现反应器的流体脉动输送。
作为进一步的改进，本发明所述的外循环脉动式反应器中的循环开关关闭和打开以1:1-10的脉动比进行流体脉动，实现脉动促进催化裂解反应。
作为进一步的改进，本发明所述的脉动以脉动时间分别为20-120秒：20-1200秒的比例进行脉动。
本发明的有益效果如下：
ZIF-67是硝酸钴和2-甲基咪唑配位形成的一种金属有机骨架配合物，具有无机分子筛拓扑网络结构、高比表面积、含钴金属位点、配体中氮含量高等特点，其比表面积超过1600平方米/克。本申请发现该催化剂对于本反应体系具有特别优异的催化裂解效果，得到了高选择性的产品，同时大幅度降低了反应温度。
本发明采用了独特的外循环脉动式反应器。根据测试，外循环流动式反应器的传质速率比传统的搅拌釜式反应器的传质速率提高了一个数量级以上，极大的促进了反应器中各个反应物种间的传质，从而使得反应可以处于动力学控制。此外，本发明进一步采用脉动输送外循环方式，通过脉动方式，将反应器内的流场进一步实现充分的紊流，同时由于脉动频率和反应器之间的耦合，使得流场进一步放大了紊流效应，消除了固体反应原料表面的边界层，使得反应传质速率进一步提高一个数量级以上。这种新型反应方法的应用是本发明得以实现快速催化高效裂解反应的核心和关键技术。
本申请采用的组合催化剂催化效率高，活性高，选择性高，这样不仅降低了反应温度，也减少了高温下裂解的其他副反应，同时减少了能耗，降低了成本。通过本催化体系催化裂解原料α-乙酰-γ-丁内酯，在所述条件下反应具有高度的选择性，反应几乎无杂质，同时不断通过精馏塔采出裂解产品环丙甲酮。反应温度仅仅在100-140℃下即可进行，这个温度普通企业的蒸汽温度即可达到。此外，所述方法不采用任何溶剂，所得产品环丙基甲基酮含量大于99％，反应总收率大于98％，都远高于传统方法和文献报道。反应过程中完全避免了三废的产生，保护了环境；避免了高温生产过程中可能发生的危险，更加安全，有利于提高操作效率。
附图说明
图1为外循环脉动式反应器的结构示意图。
图中，1是反应器；2是分布器；3是催化剂与原料混合液；4是去尾气处理；5是干燥氮气；6是α-乙酰-γ-丁内酯；7是泵；8是换热器；10是环丙甲酮采出口。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明：
实施例1
1)在外循环脉动式反应器1中，加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料，加入催化剂1.0kg(氯化钠：ZIF-67＝1:0.1)，催化剂的粒径小于1000微米，并通入干燥氮气5置换；开启换热器8；
2)置换过程完成后，体系进行抽真空；
3)开启循环泵7，α-乙酰-γ-丁内酯6原料被泵7抽入，并通过换热器8，控制温度在140℃在反应器1中与催化剂进行接触，催化剂与原料混合液3发生催化裂解反应，并不断进行循环反应促进反应完全。其中，外循环脉动式反应器1中的循环开关关闭和打开以20s:20s的脉动比进行流体脉动操作，实现脉动促进催化裂解反应。
4)从反应釜的顶部经过精馏，从环丙甲酮采出口10不断冷凝采出裂解产品环丙甲酮。同时反应器1内相应补充加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料。原料加入完成后，继续循环反应5分钟，收集完全产品环丙甲酮。
5)反应结束后，调节温度至室温。体系首先进行抽真空，尾气去尾气处理4。然后再通入氮气进行置换循环至完全。
收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.0％，反应总摩尔收率为98.0％。
实施例2
1)在外循环脉动式反应器1中，加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料，加入催化剂1.0kg(碘化钠：ZIF-67＝1:0.5)，催化剂的粒径小于500微米，并通入干燥氮气5置换；开启换热器8；
2)置换过程完成后，体系进行抽真空；
3)开启循环泵7，α-乙酰-γ-丁内酯6原料被泵7抽入，并通过换热器8，控制温度在100℃在反应器1中与催化剂进行接触，催化剂与原料混合液3发生催化裂解反应，并不断进行循环反应促进反应完全。其中，外循环脉动式反应器1中的循环开关关闭和打开以120s:1200s的脉动比进行流体脉动操作，实现脉动促进催化裂解反应。
4)从反应釜的顶部经过精馏，从环丙甲酮采出口10不断冷凝采出裂解产品环丙甲酮。同时反应器1内相应补充加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料。原料加入完成后，继续循环反应30分钟，收集完全产品环丙甲酮。
5)反应结束后，调节温度至室温。体系首先进行抽真空，尾气去尾气处理4。然后再通入氮气进行置换循环至完全。
收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.6％，反应总摩尔收率为99.5％。
实施例3
1)在外循环脉动式反应器1中，加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料，加入催化剂1.0kg(碘化钾：ZIF-67＝1:0.2)，催化剂的粒径小于500微米，并通入干燥氮气5置换；开启换热器8；
2)置换过程完成后，体系进行抽真空；
3)开启循环泵7，α-乙酰-γ-丁内酯6原料被泵7抽入，并通过换热器8，控制温度在130℃在反应器1中与催化剂进行接触，催化剂与原料混合液3发生催化裂解反应，并不断进行循环反应促进反应完全。其中，外循环脉动式反应器1中的循环开关关闭和打开以40s:80s的脉动比进行流体脉动操作，实现脉动促进催化裂解反应。
4)从反应釜的顶部经过精馏，从环丙甲酮采出口10不断冷凝采出裂解产品环丙甲酮。同时反应器1内相应补充加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料。原料加入完成后，继续循环反应10分钟，收集完全产品环丙甲酮。
5)反应结束后，调节温度至室温。体系首先进行抽真空，尾气去尾气处理4。然后再通入氮气进行置换循环至完全。
收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.5％，反应总摩尔收率为99.0％。
实施例4
1)在外循环脉动式反应器1中，加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料，加入催化剂1.0kg(溴化钠：ZIF-67＝1:0.3)，催化剂的粒径小于500微米，并通入干燥氮气5置换；开启换热器8；
2)置换过程完成后，体系进行抽真空；
3)开启循环泵7，α-乙酰-γ-丁内酯6原料被泵7抽入，并通过换热器8，控制温度在120℃在反应器1中与催化剂进行接触，催化剂与原料混合液3发生催化裂解反应，并不断进行循环反应促进反应完全。其中，外循环脉动式反应器1中的循环开关关闭和打开以20s:100s的脉动比进行流体脉动操作，实现脉动促进催化裂解反应。
4)从反应釜的顶部经过精馏，从环丙甲酮采出口10不断冷凝采出裂解产品环丙甲酮。同时反应器1内相应补充加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料。原料加入完成后，继续循环反应15分钟，收集完全产品环丙甲酮。
5)反应结束后，调节温度至室温。体系首先进行抽真空，尾气去尾气处理4。然后再通入氮气进行置换循环至完全。
收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.3％，反应总摩尔收率为98.4％。
实施例5
1)在外循环脉动式反应器1中，加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料，加入催化剂1.0kg(溴化钾：ZIF-67＝1:0.4)，催化剂的粒径小于500微米，并通入干燥氮气5置换；开启换热器8；
2)置换过程完成后，体系进行抽真空；
3)开启循环泵7，α-乙酰-γ-丁内酯6原料被泵7抽入，并通过换热器8，控制温度在110℃在反应器1中与催化剂进行接触，催化剂与原料混合液3发生催化裂解反应，并不断进行循环反应促进反应完全。其中，外循环脉动式反应器1中的循环开关关闭和打开以20s:60s的脉动比进行流体脉动操作，实现脉动促进催化裂解反应。
4)从反应釜的顶部经过精馏，从环丙甲酮采出口10不断冷凝采出裂解产品环丙甲酮。同时反应器1内相应补充加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料。原料加入完成后，继续循环反应20分钟，收集完全产品环丙甲酮。
5)反应结束后，调节温度至室温。体系首先进行抽真空，尾气去尾气处理4。然后再通入氮气进行置换循环至完全。
收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.1％，反应总摩尔收率为98.2％。
实施例6
1)在外循环脉动式反应器1中，加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料，加入催化剂1.0kg(氯化钾：ZIF-67＝1:0.15)，催化剂的粒径小于300微米，并通入干燥氮气5置换；开启换热器8；
2)置换过程完成后，体系进行抽真空；
3)开启循环泵7，α-乙酰-γ-丁内酯6原料被泵7抽入，并通过换热器8，控制温度在120℃在反应器1中与催化剂进行接触，催化剂与原料混合液3发生催化裂解反应，并不断进行循环反应促进反应完全。其中，外循环脉动式反应器1中的循环开关关闭和打开以20s:80s的脉动比进行流体脉动操作，实现脉动促进催化裂解反应。
4)从反应釜的顶部经过精馏，从环丙甲酮采出口10不断冷凝采出裂解产品环丙甲酮。同时反应器1内相应补充加入α-乙酰-γ-丁内酯6原料。原料加入完成后，继续循环反应20分钟，收集完全产品环丙甲酮。
5)反应结束后，调节温度至室温。体系首先进行抽真空，尾气去尾气处理4。然后再通入氮气进行置换循环至完全。
收集得到的环丙基甲基酮纯度为99.2％，反应总摩尔收率为98.8％。
以上列举的仅是本发明的部分具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在外循环脉动式反应器(1)中，加入α-乙酰-γ-丁内酯(6)原料，并通入干燥氮气(5)置换，开启换热器(8)；
2)置换过程完成后，体系进行抽真空；
3)开启循环泵(7)，α-乙酰-γ-丁内酯(6)原料被泵(7)抽入，并通过换热器(8)，控制温度在100-140℃在反应器(1)中与催化剂进行接触，发生催化裂解反应，并不断进行循环反应促进反应完全，其中，外循环脉动式反应器(1)中的循环开关关闭和打开以1:1-10的脉动比进行流体脉动操作，实现脉动促进催化裂解反应；
4)从反应釜的顶部经过精馏，不断冷凝采出裂解产品环丙甲酮，同时反应器(1)内可以补充加入α-乙酰-γ-丁内酯(6)原料，原料加入完成后，继续循环反应5-30分钟，收集完全产品环丙甲酮；
5)反应结束后，调节温度至室温，体系首先进行抽真空，尾气去尾气处理(4)。然后再通入氮气进行置换循环至完全。
2.根据权利要求1所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：所述的催化剂为混合催化剂，包括组分1和组分2，所述的组分1为碘化钠、碘化钾、溴化钠、溴化钾、氯化钠、氯化钾中的一种，所述的组分2为沸石咪唑酯骨架配合物ZIF-67。
3.根据权利要求2所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：所述的混合催化剂中组分1和组分2的质量比为1:0.1-1:0.5。
4.根据权利要求1所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：所述催化剂的粒径小于1000微米。
5.根据权利要求4所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：所述催化剂的粒径小于500微米。
6.根据权利要求所1或2或3或4或5所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：反应结束后，反应器(1)内催化剂不经任何处理，直接用于下一批α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解产品的制备。
7.根据权利要求6所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：所述方法的所得产品环丙甲酮含量大于99％，反应总收率大于98％。
8.根据权利要求1所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：所述的外循环脉动式反应器(1)中具有分布器(2)，采用外循环换热器(8)装置，通过阀门和泵(7)实现流体的外循环，外循环反应器(1)中的流体循环通过关闭和打开实现反应器(1)的流体脉动输送。
9.根据权利要求1所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：所述的外循环脉动式反应器(1)中的循环开关关闭和打开以1:1-10的脉动比进行流体脉动，实现脉动促进催化裂解反应。
10.根据权利要求1或2或3或4或5或7或8或9所述的新型α-乙酰-γ-丁内酯(6)的催化裂解方法，其特征在于：所述的脉动以脉动时间分别为20-120秒：20-1200秒的比例进行脉动。
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| GR01 | Patent grant | ||
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