CN110511124A - 一种制备双（二甲氧基乙氧基）甲烷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，涉及化工合成技术领域。所述方法包括步骤：将乙二醇单甲醚与甲醛在酸催化剂的作用下，进行醇醛缩合反应制得双(二甲氧基乙氧基)甲烷；其中，甲醛与乙二醇单甲醚的摩尔比为1:2‑4；所述酸催化剂的用量为0.1‑10％；反应温度为60‑140℃，反应时间为0.5‑24小时。本发明用酸催化乙二醇单甲醚与甲醛反应生成双(二甲氧基乙氧基)甲烷，属于经济反应，产物包括水，不含副产物，且催化剂对设备腐蚀很小，是一种能重复利用催化剂的清洁的双(二甲氧基乙氧基)甲烷合成方法，适宜工业上的连续生产。

Description

一种制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法
技术领域
本发明涉及化工合成技术领域，尤其涉及一种制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法。
背景技术
双(二甲氧基乙氧基)甲烷IUPAC命名为2,5,7,10-四氧十一烷，是一种无色透明液体，气味温和，沸点201.5℃，密度0.9921g/cm3，闪点88℃，凝固点小于-65℃，易溶于水，属于绿色可降解的缩醛类化合物。
双(二甲氧基乙氧基)甲烷可作为溶剂用于涂料，油墨，胶粘剂，农药等行业。它有极高的十六烷值，有极低的凝固点，因此也可以作为燃油添加剂用于柴油的添加。双(二甲氧基乙氧基)甲烷作为柴油添加剂还可以降低有害物质的排放，特别有利于降低柴油发动机尾气中PM2.5的排放。
目前，双(二甲氧基乙氧基)甲烷的合成方法有：(1)利用二碘甲烷与乙二醇单甲醚反应生成双(二甲氧基乙氧基)甲烷；(2)利用乙二醇单甲醚与2-甲氧基乙氧基甲基氯反应生成双(二甲氧基乙氧基)甲烷；(3)利用酸催化乙二醇单甲醚与甲醛缩合而成。美国专利US2036303，US2036304报道了用氯化铁作催化剂合成双(二甲氧基乙氧基)甲烷。SidneyD.ROS等人以及Sokolowski等人报道了用对甲苯磺酸作催化剂合成双(二甲氧基乙氧基)甲烷，收率达72％(Polish Journal of Chemistry1979vol.53p.905–912，Journal of theAmerican Chemical Society1973vol.95p.2193–2198)。此外，美国专利US2331367还报道了用硫酸作催化剂来合成双(二甲氧基乙氧基)甲烷。
然而，目前合成双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法都是均相催化反应，需要用到浓硫酸或对甲苯磺酸作催化剂，对设备腐蚀严重，且很难做成连续生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种催化剂对设备腐蚀作用小、反应经济、高效的制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法。
为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：
一种制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，包括步骤：
将乙二醇单甲醚与甲醛在酸催化剂的作用下，进行醇醛缩合反应制得双(二甲氧基乙氧基)甲烷；
其中，甲醛与乙二醇单甲醚的摩尔比为1:2-4；所述酸催化剂的用量为反应物质量的0.1-10％；反应温度为60-140℃，反应时间为0.5-24小时。
其进一步地，还包括，向反应体系中加入带水剂，所述带水剂的用量相当于反应物质量的0.5-1.5倍。
其进一步地，所述带水剂为甲苯、环已烷、甲基环己烷中的至少一种。
其进一步地，还包括产物分离提纯步骤，具体为：
所述醇醛缩合反应至不再有水生成后，过滤，中和，蒸除带水剂，得到含有剩余反应物及双(二甲氧基乙氧基)甲烷的混合物；
向所述混合物中加入水，分层后收集油相；对所述油相除水，减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃的馏分，即得到高纯度的双(二甲氧基乙氧基)甲烷。
其进一步地，所述甲醛为多聚甲醛，三聚甲醛或25％以上的甲醛水溶液。
其进一步地，所述酸催化剂包括固体酸催化剂、分子筛或离子液体。
其进一步地，所述固体酸催化剂包括烷基取代的苯磺酸、烷基取代的萘磺酸、非烷基取代的苯磺酸、非烷基取代的萘磺酸、聚磺酸型树脂、聚全氟磺酸型树脂、杂多酸及杂多酸盐、单一或复合载体的SO4 2-/MXOY固体超强酸、单一或复合载体的S2O8 2-/MXOY固体超强酸中的至少一种，其中，MXOY为NiO，TiO2，ZrO2，SiO2，SnO2，Fe2O3，Al2O3，WO3和MoO3中的至少一种。
与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：本发明用酸催化乙二醇单甲醚与甲醛反应生成双(二甲氧基乙氧基)甲烷，属于经济反应，产物包括水，不含副产物，且催化剂对设备腐蚀很小，是一种能重复利用催化剂的清洁的双(二甲氧基乙氧基)甲烷合成方法，适宜工业上的连续生产。
具体实施方式
下面将对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
本发明实施例提供一种制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，包括步骤：
将乙二醇单甲醚与甲醛在酸催化剂的作用下，进行醇醛缩合反应制得双(二甲氧基乙氧基)甲烷；
其中，甲醛与乙二醇单甲醚的摩尔比为1:2-4；所述酸催化剂的用量为反应物质量的0.1-10％；反应温度为60-140℃，反应时间为0.5-24小时。
反应化学式见下式(1)：
由式(1)可知，反应得到的产物中包括水，因此，在具体实施中，上述步骤还包括，向反应体系中加入带水剂，所述带水剂的用量相当于反应物质量的0.5-1.5倍。通过及时将水带出，促使反应正向进行，可以提高转化率，获得更高的收率。
具体实施中，所述带水剂为甲苯、环已烷、甲基环己烷中的至少一种。
在一实施例中，还包括将产物分离提纯的步骤，具体为：
所述醇醛缩合反应至不再有水生成后，过滤催化剂，对滤液中和，蒸除带水剂，得到含有剩余反应物及双(二甲氧基乙氧基)甲烷的混合物；
向所述混合物中加入水，分层后收集油相；对所述油相除水，减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃的馏分，即得到高纯度的双(二甲氧基乙氧基)甲烷。
需要说明的是，乙二醇单甲醚可与水互溶，通过色谱检测未反应的乙二醇单甲醚在混合物中的含量，从而确保加入合适量的水以萃取除去混合物中的乙二醇单甲醚。此步骤所用的水优选为双蒸水，双蒸水的用量为混合物中的乙二醇单甲醚质量的1-2倍，
向所述混合物中加入水，剩余反应物乙二醇单甲醚被洗到水相中，再通过分层收集油相，从而分离出水相及油相。在其他实施例中，可将双蒸水分两次加入混合物中萃取，以充分除去乙二醇单甲醚。
由于使用酸催化剂催化反应，为防止pH值影响产物的提纯效果，需对滤液进行中和，使pH值为中性，本领域技术人员可自行选择中和所需的试剂及用量，本发明对此不做限定。
具体实施中，所述甲醛为多聚甲醛，三聚甲醛或25％以上的甲醛水溶液。
具体实施中，所述酸催化剂包括固体酸催化剂、分子筛或离子液体。
具体实施中，所述固体酸催化剂包括烷基取代的苯磺酸、烷基取代的萘磺酸、非烷基取代的苯磺酸、非烷基取代的萘磺酸、聚磺酸型树脂、聚全氟磺酸型树脂、杂多酸及杂多酸盐、单一或复合载体的SO4 2-/MXOY固体超强酸、单一或复合载体的S2O8 2-/MXOY固体超强酸中的至少一种，其中，MXOY为NiO，TiO2，ZrO2，SiO2，SnO2，Fe2O3，Al2O3，WO3和MoO3中的至少一种。
具体实施例如下：
其中，乙二醇单甲醚又名2-甲氧基乙醇。
实施例一、
在1000mL的三口反应瓶中加入多聚甲醛30克，2-甲氧基乙醇193.2克，Amberlyst35催化剂15克，加入500mL的甲苯带水，加上分水器。升温至甲苯回流带水，至不再有水生成。降至室温，过滤掉催化剂，蒸除甲苯，并加入碳酸钾5克中和催化剂，滤除碳酸钾及其它盐，加入75mL×2的双蒸水，分层后收集油相。对油相用无水硫酸镁除水干燥，然后减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃馏分，产物150克，收率为91.4％。
实施例二、
在1000mL的三口反应瓶中加入多聚甲醛30克，2-甲氧基乙醇193.2克，Amberlyst15催化剂25克，加入500mL的甲苯带水，加上分水器。升温至甲苯回流带水，至不再有水生成。降至室温，过滤掉催化剂，蒸除甲苯，并加入碳酸钾5克中和催化剂，滤除碳酸钾及其它盐，加入75mL×2的双蒸水，分层后收集油相。对油相用无水硫酸镁除水干燥，然后减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃馏分，产物155克，收率为94.4％。
实施例三、
在2000mL的三口反应瓶中加入多聚甲醛60克，2-甲氧基乙醇400克，SO4 -2/ZrO2-MnO3催化剂5克，加入1000mL的环已烷带水，加上分水器。升温至环已烷回流带水，至不再有水生成。降至室温，过滤掉催化剂，蒸除环已烷，并加入碳酸钾10克中和催化剂，滤除碳酸钾及其它盐，加入150mL×2的双蒸水，分层后收集油相。对油相用无水硫酸镁除水干燥，然后减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃馏分，产物223克，收率为67.9％。
实施例四、
在1000mL的三口反应瓶中加入多聚甲醛30克，2-甲氧基乙醇228.2克，SO4 -2/ZrO2-Fe2O3催化剂5克，加入500mL的甲苯、环已烷混合带水剂(甲苯:环已烷＝1：1)，加上分水器。升温至甲苯及环已烷回流带水，直至不再有水生成。降至室温，过滤掉催化剂，蒸除甲苯及环已烷，并加入碳酸钾5克中和催化剂，滤除碳酸钾及其它盐，加入75mL×2的双蒸水，分层后收集油相。对油相用无水硫酸镁除水干燥，然后减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃馏分，产物145克，收率为88.3％。
实施例五、
在1000mL的三口反应瓶中加入多聚甲醛30克，2-甲氧基乙醇193.2克，H3PW12O4/MCM-41催化剂25克，加入500mL的甲基环己烷，加上分水器。升温至甲基环己烷回流带水，直至不再有水生成。降至室温，过滤掉催化剂，蒸除甲基环己烷，并加入碳酸钾5克中和催化剂，滤除碳酸钾及其它盐，加入75mL×2的双蒸水，分层后收集油相。对油相用无水硫酸镁除水干燥，然后减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃馏分，产物140克，收率为85.3％。
实施例六、
在1000mL的三口反应瓶中加入多聚甲醛30克，2-甲氧基乙醇193.2克，NafionNR50催化剂5克，并加入500mL的甲基环己烷，加上分水器。升温至甲基环己烷回流带水，直至不再有水生成。降至室温，过滤掉催化剂，蒸除甲基环己烷，并加入碳酸钾5克中和催化剂，滤除碳酸钾及其它盐，加入75mL×2的双蒸水，分层后收集油相。对油相用无水硫酸镁除水干燥，然后减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃馏分，产物152克，收率为92.6％。
实施例七、
在1000mL的三口反应瓶中加入多聚甲醛30克，2-甲氧基乙醇193.2克，1-甲基咪唑硫酸盐4.8g以及1-甲基-3-丁基咪唑硫酸氢盐200g用作催化剂，并加入500mL的甲基环己烷，加上分水器。升温至甲基环己烷回流带水，直至不再有水生成。降至室温分层，离子液体催化体系在下层，产物在上层，蒸除甲基环己烷，并加入碳酸钾5克中和催化剂，滤除碳酸钾及其它盐，加入75mL×2的双蒸水，分层后收集油相。对油相用无水硫酸镁除水干燥，然后减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃馏分，产物144克，收率为87.7％。
实施例八、
将36％甲醛水溶液以及乙二醇单甲醚分别泵入固定床反应器，该固定床反应器填充强酸性阳离子交换催化剂(丹东明珠特种树脂有限公司D002)，该固定床反应器包括3个串联反应器，直径为325mm，高度为4000mm。乙二醇单甲醚空速为1.2/h，所述甲醛水溶液中的甲醛与乙二醇单甲醚的摩尔比为1:2.5，反应温度控制在100℃，控制反应压力在2MPa。经色谱分析双(二甲氧基乙氧基)甲烷单程转化率为87.5％。
根据以上实施例可知，通过本发明的合成方法，获得的双(二甲氧基乙氧基)甲烷具有较高的收率，且对反应设备腐蚀作用小，反应条件要求低，适宜工业上的连续生产。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，其特征在于，包括步骤：
将乙二醇单甲醚与甲醛在酸催化剂的作用下，进行醇醛缩合反应制得双(二甲氧基乙氧基)甲烷；
其中，甲醛与乙二醇单甲醚的摩尔比为1:2-4；所述酸催化剂的用量为反应物质量的0.1-10％；反应温度为60-140℃，反应时间为0.5-24小时。
2.如权利要求1所述的制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，其特征在于，向反应体系中加入带水剂，所述带水剂的用量相当于反应物质量的0.5-1.5倍。
3.如权利要求2所述的制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，其特征在于，所述带水剂为甲苯、环已烷、甲基环己烷中的至少一种。
4.如权利要求2所述的制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，其特征在于，还包括产物分离提纯步骤，具体为：
所述醇醛缩合反应至不再有水生成后，过滤，中和，蒸除带水剂，得到含有剩余反应物及双(二甲氧基乙氧基)甲烷的混合物；
向所述混合物中加入水，分层后收集油相；对所述油相除水，减压蒸馏，收集24mm汞柱压力下，100-101℃的馏分，即得到高纯度的双(二甲氧基乙氧基)甲烷。
5.如权利要求1所述的制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，其特征在于，所述甲醛为多聚甲醛，三聚甲醛或25％以上的甲醛水溶液。
6.如权利要求1所述的制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，其特征在于，所述酸催化剂包括固体酸催化剂、分子筛或离子液体。
7.如权利要求6所述的制备双(二甲氧基乙氧基)甲烷的方法，其特征在于，所述固体酸催化剂包括烷基取代的苯磺酸、烷基取代的萘磺酸、非烷基取代的苯磺酸、非烷基取代的萘磺酸、聚磺酸型树脂、聚全氟磺酸型树脂、杂多酸及杂多酸盐、单一或复合载体的SO4 2-/MXOY固体超强酸、单一或复合载体的S2O8 2-/MXOY固体超强酸中的至少一种，其中，MXOY为NiO，TiO2，ZrO2，SiO2，SnO2，Fe2O3，Al2O3，WO3和MoO3中的至少一种。
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