CN110283056A - 一种微通道反应器连续合成4-氧代异佛尔酮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微通道反应器连续合成4‑氧代异佛尔酮的方法。该方法将计量的催化剂溶液、氧气和β‑异佛尔酮按比例送入微通道反应器中充分混合后进行反应,得到4‑氧代异佛尔酮。本发明工艺方法利用微通道反应器,反应传质效率高、反应温度稳定,大大提高了实验可操作性;使用计量的氧气作为氧化剂,反应器体积小,无废气产生,有效避免了传统釜式气液两相反应的闪爆风险,反应安全性能提高;采用专用的体系,避免了均相催化剂在反应过程中结渣,堵塞反应器,使得4‑氧代异佛尔酮的高效连续化生产成为可能。
Description
技术领域
本发明属于化学合成技术领域,涉及一种微通道反应器连续合成4-氧代异佛尔酮的方法,具体涉及一种气液两相催化氧化β-异佛尔酮制备4-氧代异佛尔酮的方法。
背景技术
4-氧代异佛尔酮(简称KIP)是一种重要的化工中间体产品,不仅能用于化妆品香料中,还可用于类胡萝卜素、维生素的合成。由于4-氧代异佛尔酮在化工产品中的重要性,合成4-氧代异佛尔酮长期以来一直是研究热点。
目前常用的合成KIP的方法主要有两种,分别是将β-异佛尔酮(简称β-IP)或α-异佛尔酮(简称α-IP)氧化合成KIP。
专利CN101417936A描述了一种在无金属催化体系下催化氧化α-IP制备KIP的方法,但α-IP难以氧化,反应转化率最高只有60%。
专利DE2526851公开了添加三氧化钼的情况下,催化氧化α-IP制备KIP的方法,但为了实现足够高的转化率,需要72h以上的反应时间和80℃以上的高温,在这些条件下能够实现的收率只有50%以内。
专利EP0425976中描述了使用磷钼酸盐作为催化剂氧化α-IP,反应结果与DE2526851接近。
在US4898985中,使用铁、铜、钴、锰的卟啉或酞菁配合物作为催化剂,同时用三乙胺或乙二醇二甲醚做溶剂,氧化β-异佛尔酮制备KIP。该方法虽然有很高的收率,但是卟啉或酞菁类过渡金属催化剂相当昂贵,且在反应中容易被破坏,使得反应工艺成本较高。另外乙二醇二甲醚与三乙胺在操作条件下十分危险,目前不具备实现工业化的条件。
专利US4046813描述了一种在吡啶存在下,使用钒、铁、钴、锰乙酰丙酮配合物为催化剂催化氧化β-异佛尔酮制备KIP的方法,虽然该方法有约100%的转化率,但是在反应过程中会产生大量的含有吡啶的废气,并且反应体系存在闪爆的风险,在实际运行过程,也会出现部分催化剂结渣的现象。
上述制备4-氧代异佛尔酮的这两种途径各有缺陷:将α-IP直接氧化为KIP,需要的时间长,转化率不高,选择性低;而β-IP可以很容易被氧气氧化来制备KIP,但是均相催化剂催化氧化会有大量三废生成,三废的处理及安全风险的规避都会使生产成本提高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种高效、安全的连续合成4-氧代异佛尔酮的方法。该方法将计量的催化剂溶液、氧气和β-异佛尔酮按比例送入微通道反应器中充分混合后进行反应,得到4-氧代异佛尔酮。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种微通道反应器连续合成4-氧代异佛尔酮的方法,包括以下步骤:将计量的β-异佛尔酮和催化剂溶液预热至一定温度后,进入微通道反应器,与进入微通道反应器的计量的氧气充分混合后进行反应,反应液冷却降温至一定温度,得到反应产物4-氧代异佛尔酮。反应方程式如下:
本发明工艺方法利用微通道反应器,反应传质效率高、反应温度稳定,大大提高了实验可操作性。
本发明的微通道反应器并无特别限制,可以为任何现有的气液反应专用微通道反应器或多流股物料专用微通道反应器。
本发明所述的催化剂选自乙酰丙酮钴、乙酰丙酮钼、乙酰丙酮氧钒、乙酰丙酮镍中的一种或多种;优选乙酰丙酮钼。
本发明所述的催化剂溶液中的溶剂选自四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃和2,2-二甲基四氢呋喃中的一种或多种,优选2-甲基四氢呋喃。
本发明所述的催化剂溶液中还含有反应助剂,所述的催化剂溶液中的反应助剂选自氨水、二乙胺、三乙胺中的一种或多种,优选氨水。
本发明所述的催化剂溶液中,催化剂的质量分数为0.1-0.5%,优选0.2-0.3%;反应助剂的质量分数为0.1-0.5%,优选0.2-0.3%(当反应助剂为氨水时,所述的反应助剂质量分数以NH3计)。
本发明的反应体系同时含有四氢呋喃类和胺类化合物,该体系可以有效避免均相催化剂在反应过程中结渣,减少堵塞微通道反应器的异常情况,大大提高了实验运行稳定性和可操作性。
本发明所述的β-异佛尔酮和催化剂溶液的计量质量流量比为1:1-10,优选1:2-5。
本发明所述的β-异佛尔酮和氧气的计量质量流量比为1:0.225-0.240,优选1:0.230-0.235。反应使用计量的氧气作为氧化剂,反应器体积小,无废气产生,有效避免了传统釜式气液两相反应的闪爆风险,反应安全性能提高。
本发明所述的反应物料预热后的温度为50-80℃,优选55-65℃;反应温度为60-90℃,优选75-85℃;反应压力为0.5-2MPaG,优选1-1.2MPaG;反应液冷却后的温度为20-40℃,优选25-30℃。
本发明所述的物料在微通道反应器内的停留时间为1-10min,优选2-8min。
本方法与现有技术相比,具有以下突出的效果:
本发明的方案使用计量的氧气作为氧化剂,无废气产生,有效避免了传统釜式气液两相反应的闪爆风险,反应安全性能提高;采用呋喃类化合物作为溶剂、胺类化合物作为反应催化助剂,避免了均相催化剂在反应过程中结渣,减少堵塞微通道反应器的异常工况,提高了实验稳定性和可操作性,使得4-氧代异佛尔酮的高效连续化生产成为可能。
附图说明
图1是本发明实施例的反应过程的一种示意图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
气相色谱分析条件:
色谱型号:Agilent WAX:1701.42249
载气:高纯氮气
进样模式:自动进样器
氮气流量:64.5ml/min
汽化室温度:280℃
分流进样,分流比:1:40
进样量:0.2μl
柱流速1.5ml/min
柱温:一阶程序升温,初始温度100℃,保持2分钟,然后以15℃/min的速率升至230℃,保持15分钟;运行总时间为25.67min
检测器温度300℃
选用外标法定量。
实施例中部分设备型号及厂家
试剂名称 | 型号 | 生产厂家 |
高压平流泵 | 2PB05C | 北京卫星 |
氧气质量流量计 | 5850E | Brooks Instrument |
超声波发生器 | GHB-2000 | Galileo |
微通道反应器 | Labtrix Start | EZONE |
实施例中部分试剂规格及来源
实施例中使用的微通道反应系统包括预热区、反应区(微通道反应器)和冷却区。将计量的β-异佛尔酮和催化剂溶液在预热区预热至一定温度后,进入反应区(微通道反应器),与计量的氧气充分混合后进行反应,反应液进入冷却区冷却降温至一定温度,得到反应产物4-氧代异佛尔酮。
实施例1
物料准备:
称量2.00g乙酰丙酮钼,8.00g氨水(25%),990g四氢呋喃,在2L玻璃广口瓶中混合均匀;称量400gβ-异佛尔酮装入500mL玻璃广口瓶。将β-异佛尔酮和催化剂溶液放入超声波发生器中30min,除去物料中溶解的气体。
系统准备:
开启微通道反应系统,设定预热区导热油温度为50℃,设定反应区导热油温度为60℃,冷却区导热油温度为20℃,等待温度平衡。
制备4-氧代异佛尔酮:
导热油温度平稳后,将β-异佛尔酮和催化剂溶液从超声发生器中取出,用平流泵将催化剂溶液以10g/min的速率打入微通道系统,用平流泵将β-异佛尔酮以1g/min的流速打入微通道系统(微通道系统反应区维持物料量约20g),微通道系统的冷却区出口端有物料流出后,开启氧气钢瓶的阀门,通过氧气流量计控制氧气以168mL/min的速率通入微通道系统,12min后系统稳定,物料停留时间为1.8min,平流泵出口端压力显示为2MPaG,对反应器出口液进行气相色谱分析,测得原料转化率为99.58%,产物4-氧代异佛尔酮选择性为92.15%。
实施例2
物料准备:
称量2.50g乙酰丙酮氧钒,3.50g三乙胺,994g四氢呋喃,在2L玻璃广口瓶中混合均匀;称量400gβ-异佛尔酮装入500mL玻璃广口瓶。将β-异佛尔酮和催化剂溶液放入超声波发生器中30min,除去物料中溶解的气体。
系统准备:
开启微通道反应系统,设定预热区导热油温度为50℃,设定反应区导热油温度为60℃,冷却区导热油温度为20℃,等待温度平衡。
制备4-氧代异佛尔酮:
导热油温度平稳后,将β-异佛尔酮和催化剂溶液从超声发生器中取出,用平流泵将催化剂溶液以8g/min的速率打入微通道系统,用平流泵将β-异佛尔酮以1g/min的流速打入微通道系统(微通道系统反应区维持物料量约20g),微通道系统的冷却区出口端有物料流出后,开启氧气钢瓶的阀门,通过氧气流量计控制氧气以168mL/min的速率通入微通道系统,15min后系统稳定,物料停留时间为2.2min,平流泵出口端压力显示为1.6MPaG,对反应器出口液进行气相色谱分析,测得原料转化率为99.19%,产物4-氧代异佛尔酮选择性为93.21%。
实施例3
物料准备:
称量3.00g乙酰丙酮镍,3.00g二乙胺,994g2-甲基四氢呋喃,在2L玻璃广口瓶中混合均匀;称量400gβ-异佛尔酮装入500mL玻璃广口瓶。将β-异佛尔酮和催化剂溶液放入超声波发生器中30min,除去物料中溶解的气体。
系统准备:
开启微通道反应系统,设定预热区导热油温度为65℃,设定反应区导热油温度为75℃,冷却区导热油温度为25℃,等待温度平衡。
制备4-氧代异佛尔酮:
导热油温度平稳后,将β-异佛尔酮和催化剂溶液从超声发生器中取出,用平流泵将催化剂溶液以2g/min的速率打入微通道系统,用平流泵将β-异佛尔酮以1g/min的流速打入微通道系统(微通道系统反应区维持物料量约20g),微通道系统的冷却区出口端有物料流出后,开启氧气钢瓶的阀门,通过氧气流量计控制氧气以164.5mL/min的速率通入微通道系统,35min后系统稳定,物料停留时间为6.7min,平流泵出口端压力显示为1.0MPaG,对反应器出口液进行气相色谱分析,测得原料转化率为97.13%,产物4-氧代异佛尔酮选择性为94.05%。
实施例4
物料准备:
称量5.00g乙酰丙酮钴,20.00g氨水(25%),975g 2-甲基四氢呋喃,在2L玻璃广口瓶中混合均匀;称量400gβ-异佛尔酮装入500mL玻璃广口瓶。将β-异佛尔酮和催化剂溶液放入超声波发生器中30min,除去物料中溶解的气体。
系统准备:
开启微通道反应系统,设定预热区导热油温度为65℃,设定反应区导热油温度为75℃,冷却区导热油温度为30℃,等待温度平衡。
制备4-氧代异佛尔酮:
导热油温度平稳后,将β-异佛尔酮和催化剂溶液从超声发生器中取出,用平流泵将催化剂溶液以5g/min的速率打入微通道系统,用平流泵将β-异佛尔酮以1g/min的流速打入微通道系统(微通道系统反应区维持物料量约20g),微通道系统的冷却区出口端有物料流出后,开启氧气钢瓶的阀门,通过氧气流量计控制氧气以161mL/min的速率通入微通道系统,35min后系统稳定,物料停留时间为3.3min,平流泵出口端压力显示为1.6MPaG,对反应器出口液进行气相色谱分析,测得原料转化率为97.26%,产物4-氧代异佛尔酮选择性为93.58%。
实施例5
物料准备:
称量1.00g乙酰丙酮钴,4.00g氨水(25%),995g 2,2-二甲基四氢呋喃,在2L玻璃广口瓶中混合均匀;称量400gβ-异佛尔酮装入500mL玻璃广口瓶。将β-异佛尔酮和催化剂溶液放入超声波发生器中30min,除去物料中溶解的气体。
系统准备:
开启微通道反应系统,设定预热区导热油温度为70℃,设定反应区导热油温度为75℃,冷却区导热油温度为35℃,等待温度平衡。
制备4-氧代异佛尔酮:
导热油温度平稳后,将β-异佛尔酮和催化剂溶液从超声发生器中取出,用平流泵将催化剂溶液以1g/min的速率打入微通道系统,用平流泵将β-异佛尔酮以1g/min的流速打入微通道系统(微通道系统反应区维持物料量约20g),微通道系统的冷却区出口端有物料流出后,开启氧气钢瓶的阀门,通过氧气流量计控制氧气以157.5mL/min的速率通入微通道系统,45min后系统稳定,物料停留时间为10min,平流泵出口端压力显示为0.5MPaG,对反应器出口液进行气相色谱分析,测得原料转化率为99.34%,产物4-氧代异佛尔酮选择性为90.93%。
实施例6
物料准备:
称量2.50g乙酰丙酮钼,10.00g氨水(25%),987.5g 2,2-二甲基四氢呋喃,在2L玻璃广口瓶中混合均匀;称量400gβ-异佛尔酮装入500mL玻璃广口瓶。将β-异佛尔酮和催化剂溶液放入超声波发生器中30min,除去物料中溶解的气体。
系统准备:
开启微通道反应系统,设定预热区导热油温度为80℃,设定反应区导热油温度为90℃,冷却区导热油温度为40℃,等待温度平衡。
制备4-氧代异佛尔酮:
导热油温度平稳后,将β-异佛尔酮和催化剂溶液从超声发生器中取出,用平流泵将催化剂溶液以1g/min的速率打入微通道系统,用平流泵将β-异佛尔酮以1g/min的流速打入微通道系统(微通道系统反应区维持物料量约20g),微通道系统的冷却区出口端有物料流出后,开启氧气钢瓶的阀门,通过氧气流量计控制氧气以157.5mL/min的速率通入微通道系统,40min后系统稳定,物料停留时间为10min,平流泵出口端压力显示为0.5MPaG,对反应器出口液进行气相色谱分析,测得原料转化率为99.71%,产物4-氧代异佛尔酮选择性为90.02%。
Claims (10)
1.一种微通道反应器连续合成4-氧代异佛尔酮的方法,包括以下步骤:将计量的β-异佛尔酮和催化剂溶液预热至一定温度后,进入微通道反应器,与进入微通道反应器的计量的氧气充分混合后进行反应,反应液冷却至一定温度,得到反应产物4-氧代异佛尔酮。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述催化剂溶液的溶剂选自四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃和2,2-二甲基四氢呋喃中的一种或多种,优选2-甲基四氢呋喃。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述催化剂溶液的催化剂选自乙酰丙酮钴、乙酰丙酮钼、乙酰丙酮氧钒、乙酰丙酮镍中的一种或多种,优选乙酰丙酮钼。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法,其特征在于,所述催化剂溶液中的催化剂的质量分数为0.1-0.5%,优选0.2-0.3%。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法,其特征在于,所述的催化剂溶液中还含有反应助剂,所述的反应助剂选自氨水、二乙胺、三乙胺中的一种或多种,优选氨水。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述的催化剂溶液中反应助剂的质量分数为0.1-0.5%,优选0.2-0.3%。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法,其特征在于,所述的β-异佛尔酮和催化剂溶液的计量质量流量比为1:1-10,优选1:2-5。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法,其特征在于,所述的β-异佛尔酮和氧气计量质量流量比为1:0.225-0.240,优选1:0.230-0.235。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法,其特征在于,所述的反应物料预热温度为50-80℃,优选55-65℃;反应温度为60-90℃,优选75-85℃;反应压力为0.5-2MPaG,优选1-1.2MPaG;反应液冷却温度为20-40℃,优选25-30℃。
10.根据权利要求1-9所述的方法,其特征在于,所述的物料在微通道反应器内的停留时间为1-10min,优选2-8min。
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PB01 | Publication | ||
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