CN111841618A - 用于合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的催化剂制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于催化剂技术领域,公开了一种用于合成2,2,4‑三甲基‑1,3‑戊二醇双异丁酸酯的催化剂制备方法及其应用,本发明使用Y型分子筛作为载体并进行金属改性,使金属分布均匀,再将其和硅源、铝源以及碱溶液混合,以炭黑为惰性基质,通过空间合成法制备了改性Y型分子筛负载金属催化剂,催化剂有良好的结构,具有较好的表面分布状态。用于合成2,2,4‑三甲基‑1,3‑戊二醇双异丁酸酯(TXIB)酯化反应中,不仅能显著提高TXIB的收率,而且能显著改善催化剂活性稳定性和多孔结构。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,特别涉及一种用于制备2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯酯化反应改性Y型分筛负载金属催化剂的及制备方法。
背景技术
酸催化在化学反应中有着重要应用,酯化反应是典型的酸催化反应,催化剂是影响反应的重要因素。在酯化反应的传统工艺中通常使用浓硫酸作为催化剂,但是会有很多不足,排放酸性废水,造成环境污染,酸耗大,易腐蚀设备。固体酸可以很好的替代液体酸,使用固体酸作为催化剂,酸强度高、选择型好易分离,无设备腐蚀,环境相对友好。但是固体酸催化剂仍存在不足,酸中心密度小、活性低、比表面积小、热稳定性差。专利CN103191782A中将硅钨酸、磷钨酸负载在分子筛上,用于催化酯化反应中,在各种酯化反应中,其收率均可达到80%以上。2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯(TXIB)是一种小分子多元醇结构的增塑剂,具有增塑效果好、安全无毒、环保等优点。其中有2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯和异丁酸经酯化反应合成TXIB的方法,但是该方法使用的原料2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酸酯比较昂贵,使生产成本增加。
以青叶噁烷和异丁酸为原料合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸,是本领域常见的合成路线。其中,在专利CN104341304A中采用的是将青叶噁烷和异丁酸为原料在催化剂的作用下,经过催化裂化和酯化反应,合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯,其中以硫酸、对甲苯磺酸、对甲苯磺酸铜或固载杂多酸等为催化剂,不仅存在环境污染、损坏设备等问题,而且其收率仅能达到60%多,难以满足生产要求,且目前现有反应中,较好效果的催化剂也仅能达到80%左右转化率,难以进一步提高,且活性稳定低,经多次循环使用后,催化效果明显降低。
沸石是结晶多孔固体,有规则而均匀的孔道结构和较高的表面积,具有较好的热稳定性和高酸强度。随着精细化工的发展,多相催化剂逐渐取代均相催化剂,意味着需要新多孔的催化材料。但是沸石是微孔结构,其大分子并不能通过,对反应速率加以限制。所以,如何得到一种新催化剂,不仅能满足绿色环保的要求,而且还能显著提高青叶噁烷合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯(TXIB)的收率以及催化活性稳定性,是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
本发明为了克服沸石微孔结构和扩散限制,提供了一种新催化剂的制备方法。该催化剂是以金属离子置换Y型分子筛中的钠离子,再采用炭黑为惰性基质,采用空间合成法制备了尺寸定制的晶体尺寸在20到40nm的纳米沸石催化剂。本发明制备的催化剂具有结构良好、使金属分布均,具有较好的表面分布状态、酸强度高等优点。将其用于催化青叶噁烷和异丁酸合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯中,不仅多次循环使用仍能保证由于的催化活性,使用寿命增长,而且能显著提高青叶噁烷的转化率,提高2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯(TXIB)的收率。
为了达到上述技术目的,本发明提供了一种用于酯化反应改性孔Y型分子筛负载金属催化剂的制备方法,其具体制备方法步骤如下:
(1)取金属盐溶液与NaY分子筛混合,硝酸将金属离子调节约为0.1-0.3mol/L,溶液剧烈搅拌10-12h;
所述金属盐为Co(NO3)26H2O、Ni(NO3)26H2O、Cu(NO3)23H2O中的一种或几种混合。将多种金属混合时,各金属的摩尔质量相同。
进一步,金属盐总质量与NaY沸石分子筛的质量比为10:1。
在搅拌过程中,金属离子与分子筛骨架、Na+相互作用,得到Co2+、Cu2+、Ni2+金属离子搅拌改性后的Y分子筛,即为M-Y沸石分子筛。
(2)步骤(1)得到的混合液离心分离,收集样品,用蒸馏水洗涤多次,则洗涤结束,然后在50℃干燥12h。
(3)将步骤(2)得到干燥后的分子筛放到硅源、铝源、碱溶液中充分混合,在100~150℃下反应6h,得到前驱体;
进一步,硅源为水玻璃;铝源为偏铝酸钠;碱溶液为8mol/L氢氧化钠溶液,硅源、铝源、碱(NaOH)的摩尔比分别(5-20):(1-5):(0.1-5);
进一步,分子筛为硅源、铝源和碱溶液总质量的2-10%。
作为优选,反应温度为120℃。
这里加入硅源、铝源、碱是为了后续制备得到复合Y型分子筛。
(4)将步骤(3)得到的前驱体和预处理之后得到的炭黑加入到TPAOH碱溶液,混合均匀,形成混合凝胶。
进一步,炭黑的预处理为将炭黑在150℃下干燥24h,然后再用乙醇浸渍炭黑,乙醇蒸发完就可以使用,目的在于对炭黑进行表面活性处理,使其吸附能力增强。
处理后的炭黑与前驱体质量比为1:3-1:8;前驱体与TPAOH碱溶液固液比为(3g/50ml-7g/100ml)。
(5)将步骤(4)得到的混合凝胶进行老化,老化之后,进行过滤,洗涤,干燥,然后在马弗炉中450℃,煅烧5h,即得到了改性Y型分子筛负载金属催化剂。
进一步,步骤(5)老化处理为将混合凝胶放入高压釜中,在180℃下有足够的水产生饱和蒸汽,晶粒按照结晶习性快速生长,在这过程中,将杂质排出,生成纯度较高的产物(优选1~3h),然后再在室温老化3h,将产物加入蒸馏水,进行抽滤,洗涤,重复三遍,在烘箱110℃干燥。最后在马弗炉中450℃,煅烧5h,即得到产物,作为催化剂。
本发明方法制备的催化剂用于2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的酯化反应中,具体如下:
异丁醛为原料,氢氧化钠作为催化剂,2,4-三甲基-1,3-戊二醇(TMPD),然后使用2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇(TMPD)和异丁醛作为原料进行青叶噁烷的合成,以对苯磺酸催化合成青叶噁烷,工艺简单易操作,采用常规方法合成即可。然后再使用青叶噁烷和异丁酸为原料合成TXIB,具体为:
将温度计、分水器、磁力搅拌器与三口烧瓶连接起来,依次加入青叶噁烷、异丁酸和制备改性Y型分子筛负载金属催化剂,控制反应温度在150℃,进行加热回流搅拌,反应时间5h,得到的产物用碳酸钠进行中和,分离干燥,减压蒸馏,即得到2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯。
其中,青叶噁烷与异丁酸的摩尔比为1:3~1:5,催化剂的用量为青叶噁烷和异丁酸总质量的0.2%~2%。
本发明先采用离子交换法制备得到Y型分子筛负载金属,成型后作为载体,以炭黑为惰性基质,通过空间合成法得到复合Y型分子筛负载金属催化剂,Y型分子筛中含有介孔且具有结构良好、金属分布均,具有较好的表面分布状态、酸强度高等优点,作为合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯反应中的催化剂,能显著提高青叶噁烷的转化率,转化率达到94%以上,提高2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯(TXIB)的收率,收率达到93%以上。
有益效果:
本实验中使用Y型分子筛作为固体酸的载体并进行金属改性,使金属分布均匀,再通过空间合成法制备了催化剂,分子筛有良好的结构,具有较好的表面分布状态。制得的催化剂的选择性达到98%,并且催化剂既有酸活性中心又有金属活性中心,催化活性较高,并且不易脱落,减少设备腐蚀性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的方案作进一步说明。其中实施例中所用原料、设备,若无特别说明,均为本领域的常用原料、设备;本发明中所用方法,若无特别说明,均为本领域的常规方法。在下述工艺中,未公开的条件常用的已知方法。
实施例1
一、制备催化剂
(1)称取0.50gCo(NO3)26H2O、0.50gNi(NO3)26H2O、0.41g Cu(NO3)23H2O加入水溶液中进行混合,先其中加入混合金属盐质量10%NaY分子筛(温州华华基团生产)混合,质量分数65%硝酸溶液将Co2+、Cu2+、Ni2+调节约为0.2mol/L,溶液剧烈搅拌12h。
(2)步骤(1)得到的混合溶液离心分离,收集样品,用蒸馏水洗涤多次,然后在50℃干燥12h,得到M-Y沸石分子筛。
(3)再将步骤(2)得到的分子筛放到水玻璃硅源、偏铝酸钠铝源、8mol/L氢氧化钠的混合溶液中充分混合,在120℃下反应6h,得到前驱体;其中硅源、铝源、氢氧化钠的摩尔比为20:5:3,分子筛为硅源、铝源的碱溶液总质量的2.6%。
(4)将炭黑在150℃下干燥24h,然后乙醇充分浸渍炭黑,乙醇蒸发完,得到预处理后的炭黑。将步骤(3)得到的前驱体和预处理后得到的炭黑加入到浓度为0.100mol/LTPAOH碱溶液,混合均匀,形成混合凝胶,其中炭黑与前驱体质量比质量比1:7,前驱体与TPAOH碱溶液的固液比为3g/50mL。
(5)将步骤(4)得到的混合凝胶进行老化,180℃高压釜出现足够多的水蒸气,晶粒按照结晶习性快速生长,在这过程中,将杂质排出,生成纯度较高的产物,在室温老化3h,将产物加入蒸馏水,进行抽滤,洗涤,重复三遍,在烘箱110℃干燥。在马弗炉中450℃,煅烧5h,即得到催化剂。
二、合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯
青叶噁烷和异丁酸为原料合成TXIB的步骤为:
在三口烧瓶中,加入0.1mol青叶噁烷、0.3mol异丁酸、0.2g改性Y型分子筛负载金属催化剂,控制反应温度在150℃,进行加热回流搅拌,反应时间5h,得到的反应产物用碳酸钠进行中和,分离干燥,减压蒸馏,即得到2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯。并且回收改性Y型分子筛负载金属催化剂进行重复使用。
实施例2
将实施例1中步骤(1)中的金属硝酸盐换成硝酸钴一种溶液,制备催化剂,其余步骤跟实施例1相同。
实施例3
将实施例1中步骤(1)中的金属硝酸盐溶液换成硝酸钴、硝酸镍溶液,其余步骤跟实施例(1)相同。
实施例4
将实施例1中Co2+、Cu2+、Ni2+控制在0.1mol/L,其余步骤同实施例1。
实施例5
将实施例1中的Co2+、Cu2+、Ni2+控制0.3mol/L,其余步骤同实施例1。
实施例6
将实施例1中(3)反应得到前驱体的反应温度改为100℃,其余步骤同实施例1。
实施例7
将实施例1中步骤(3)反应得到前驱体的反应温度改为150℃,其余步骤同实施例1。
实施例8
将实施例1中硅源、铝源、碱的摩尔比修改为20:2:1,其余步骤同实施例1。
实施例9
采用实施例1中方法制备得催化剂,合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯。
将温度计、分水器、磁力搅拌器与三口烧瓶连接起来,依次加入0.1mol青叶噁烷、0.4mol异丁酸、0.6g改性Y型分子筛负载金属催化剂,控制反应温度在120℃,进行加热回流搅拌,反应时间6h,得到的产物用碳酸钠进行中和,分离干燥,减压蒸馏,即得到2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯,之后将过滤得到的催化剂重复操作5次。
实施例10
采用实施例1中方法制备得催化剂,合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯。
将温度计、分水器、磁力搅拌器与三口烧瓶连接起来,依次加入0.3mol青叶噁烷、0.3mol异丁酸、0.4g改性Y型分子筛负载金属催化剂,控制反应温度在180℃,进行加热回流搅拌,反应时间4h,得到的产物用碳酸钠进行中和,分离干燥,减压蒸馏,即得到2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯,之后将过滤得到的催化剂重复操作5次。
对比例1
对比例1与实施例1相比,区别在于:将步骤(2)得到负载金属分子筛(M-Y沸石分子筛)直接作为催化剂,未进行后续处理。
对比例2
对比例2与实施例1相比,区别在于:未负载金属活性成分,其它操作与实施例1相同。
(1)称取10g NaY分子筛,用量筒取2mol/L,600mL的NH4Cl,倒入三口烧瓶。启动搅拌器搅拌,加热1h,温度控制在80~90℃。冷却后分离上层滤液,再加入同样浓度、体积的NH4Cl,进行二次交换。(2)温度降至40~50℃时,进行抽滤,抽滤结束后取出滤饼,倒入蒸馏水进行洗涤,然后再抽滤。重复上述操作,用AgNO3检测是否洗涤干净,在50℃干燥12h。
(3)步骤(3)得到的溶液,离心收集样品,用蒸馏水洗涤多次,加入AgNO3没有白色沉淀出现,这意味着滤液中没有氯离子,洗涤结束,然后在50℃干燥12h,得到H-Y分子筛。
(4)再将步骤(3)得到的H-Y分子筛放到硅源、铝源的碱溶液充分混合,在120℃下反应6h,得到前驱体,其中硅源、铝源、碱溶液的摩尔比为20:5:3。
(5)同实施例1步骤(4);
(6)同实施例1步骤(5)。
二、合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯,同实施例1
对比例3
对比例3与实施例1相比,区别在于未采用炭黑,其余步骤跟实施例1相同。
(1)制备M-Y沸石分子筛,同实施例1步骤(1)-(2);
(2)将得到的M-Y沸石分子筛放到硅源、铝源的碱溶液充分混合,在120℃下反应6h,得到前驱体,其中硅源、铝源、碱溶液的摩尔比为20:5:3。
(3)将步骤(2)得到的前驱体和加入到TPAOH的碱溶液,混合均匀,形成混合凝胶,其中炭黑与前驱体质量比为1:7。
(4)将步骤(3)得到的混合凝胶进行老化,180℃高压釜出现足够多的水蒸气,室温老化3h,老化之后,进行分离,过滤,洗涤。在马弗炉中450℃,煅烧5h,即得到产物。
合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯同实施例1。
对比例4
对比例4与实施例1相比,区别在于未对炭黑进行预处理,其余步骤跟实施例1相同。
合成2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯同实施例1。
本发明制备的改性Y型分子筛负载金属催化剂更具环保性,弥补了固体酸催化剂比表面积小,活性低,在有机反应中易结焦积碳失活的去缺点。与单独负载金属的分子筛催化剂相比,改性Y型分子筛负载金属催化剂具有反应速度快,催化活性高,环境友好,是一种性能优良的酯化反应催化剂。本发明实施例和比较例实验数据见表1
表1实施例和对比例实验数据
将实施例1、对比例1、对比例2、对比例3、对比例4制备得到的催化剂重复循环10次,其中第5次,第10次的催化效果见表2。
表2:催化剂多次循环反应后实验数据
本发明中所用原料、设备,若无特别说明,均为本领域的常用原料、设备;本发明中所用方法,若无特别说明,均为本领域的常规方法。以上描述了本发明的可选实施方案,以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明方案,已经对一些常规技术方面进行了简化和省去。本领域技术人员应该理解源自这方面的变型,均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的催化剂制备方法,其特征在于,制备步骤为:
(1)取金属盐溶液与NaY分子筛混合,硝酸调节金属离子浓度,调节后搅拌10~15h;
(2)将步骤(1)搅拌后溶液离心分离,收集样品,用蒸馏水洗涤,然后干燥,收集得到金属改性Y沸石分子筛(M-Y沸石分子筛);
(3)将步骤(2)金属改性Y沸石分子筛和硅源、铝源、碱溶液充分混合,高温反应后得到前驱体;
(4)将步骤(3)前驱体和预处理后得到的炭黑加入到TPAOH的碱溶液,混合均匀形成混合凝胶;
(5)将步骤(4)得到的混合凝胶进行老化,老化之后进行过滤洗涤,干燥,在马弗炉中450℃煅烧,得到改性Y型分子筛负载金属催化剂。
2.如权利要求1所述的用于合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的催化剂制备方法,其特征在于:将步骤(1)金属盐为Co(NO3)26H2O、Ni(NO3)2 6H2O、Cu(NO3)2 3H2O一种或几种混合,调节金属离子浓度为0.1-0.3mol/L,且金属盐与沸石分子筛的质量比为10:1。
3.如权利要求1所述的用于合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的催化剂制备方法,其特征在于:步骤(3)中硅源、铝源、碱溶液分别为水玻璃、偏铝酸钠、8mol/L氢氧化钠溶液;硅源:铝源:碱的摩尔比为(5-20):(1-5):(0.1-5);高温反应是指在100~150℃温度条件下反应。
4.如权利要求1所述的用于合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的催化剂制备方法,其特征在于:步骤(4)中炭黑的预处理为将炭黑在150℃下干燥24h,然后再用乙醇浸渍炭黑,乙醇蒸发完后使用;炭黑与前驱体质量比为1:3-1:8。
5.如权利要求1所述的用于合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的催化剂制备方法,其特征在于:在步骤(5)中老化处理为混合凝胶放入高压釜中,在180℃下有足够的水产生饱和蒸汽,晶粒按照结晶习性快速生长,在这过程中,将杂质排出,生成纯度较高的产物,于室温老化3h,将产物加入蒸馏水,进行抽滤,洗涤,重复三遍,在烘箱110℃干燥。
6.如权利要求1-5所述方法制备的催化剂用于合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的酯化反应中的应用。
7.如权利要求6所述催化剂在合成2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯的酯化反应中的应用,其特征在于:
依次加入青叶噁烷、异丁酸、改性Y型分子筛负载金属催化剂,控制反应温度在150℃,进行加热回流搅拌反应,反应时间5h,得到的产物用碳酸钠进行中和,分离干燥,减压蒸馏,即得到2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯。
8.如权利要求7所述改性Y型分子筛负载金属催化剂的应用,其特征在于,青叶噁烷与异丁酸的摩尔比为1:3~1:5,催化剂的用量为青叶噁烷和异丁酸总质量的0.2%~2%。
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