CN112892604B - 一种有机胺和co2多相催化制甲酰胺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多相催化反应工艺领域，具体涉及一种采用固体多相催化剂催化有机胺和CO2制甲酰胺的方法。其特征在于，所述方法采用固体多相催化剂，其由金属组分和有机配体聚合物组成，所述有机配体聚合物是含有乙烯基官能团化的膦配体单体经溶剂热聚合生成的具有大比表面积和多级孔结构的聚合物，所述金属组分与所述有机配体聚合物骨架中的P原子形成配位键，高分散且稳定的存在于有机配体聚合物载体上，所述方法包括在反应器中进行所述合成甲酰胺反应。使用新型固体多相催化剂，反应工艺及装置简单，催化剂具有优异的反应活性及稳定性，降低了催化剂同反应物和产物的分离成本，有效提高了反应过程的经济效益，具有广阔的工业应用前景。

Description

一种有机胺和CO2多相催化制甲酰胺的方法
技术领域
本发明属于多相催化反应工艺领域，具体涉及一种采用固体多相催化剂用于有机胺和CO2制甲酰胺反应的方法。
背景技术
胺的甲酰化反应是有机合成和医药化学重要反应之一。甲酰胺是有机合成重要的中间体，广泛用于合成各类药物。甲酰胺可以用作有机合成原料，纸张处理剂，纤维工业的柔软剂，还可以用作测定大米中氨基酸含量的分析试剂；同时甲酰胺也是优良的有机溶剂，可以用于分离氯硅烷、提纯油脂等；此外，甲酰胺具有活泼的反应性，可以发生多种反应，除了三个氢参与反应外，还可以进行脱水，脱CO，引入氨基、酰基和发生关环等反应。大量的甲酰化方法相继被报道，其中甲酰化试剂有三氯乙醛、甲酸酯、甲酸胺、甲酸等。很多氮甲酰化试剂具有试剂昂贵，副产物多等缺点，目前氮甲酰化反应试剂甲酸应用最广泛，但由于甲酸对仪器设备具有很强的腐蚀性，人们致力于发展更为清洁的反应路线。
CO2作为可再生能源有着巨大的优势，储量丰富并且无毒。但由于目前 CO2的化学固定技术的成本高、效率差等缺点，限制了这一技术的商业化。自上世纪初以来，人们围绕着CO2的化学利用开展了大量的研究工作并取得了一系列进展。使用CO2作为甲酰化试剂碳源、以硅烷作为还原剂进行N- 甲酰化的制备也得到了实现，但是硅烷作为还原剂导致生产成本高昂、产物分离困难，难以大规模应用。H2是当前化学工业上最为清洁、廉价的还原剂，以CO2为甲酰化碳源、H2为还原剂进行N-甲酰化胺类化合物制备无疑具有更为优良的经济性和环境友好性。因此，以工业化应用为目的，对开发以CO2为甲酰化碳源、H2为还原剂的N-甲酰化胺类化合物的制备方法具有强烈需求。
综上所述，对于实际工业应用的氮甲酰化反应，研发高效可回收利用的催化剂，从而开发绿色清洁适用于大规模生产的反应工艺，是本领域的主要研究方向。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够在工业上容易实现的采用具有优异反应活性和稳定性固体多相催化剂的有机胺和 CO2制甲酰胺反应工艺。
为此，本发明提供一种用于有机胺和CO2制甲酰胺反应的方法，其特征在于，所述方法采用固体多相催化剂，其由金属组分和有机配体聚合物组成，其中所述金属组分是金属Ru、Pd、Ir、Rh、Ni、Mo、Cu或Fe中的一种或几种，所述有机配体聚合物是含有乙烯基官能团化的膦配体单体经溶剂热聚合生成的具有大比表面积和多级孔结构的聚合物，所述金属组分与所述有机配体聚合物骨架中的P原子形成配位键，高分散且稳定的存在于有机配体聚合物载体上，所述方法包括在所述固体多相催化剂存在下使有机胺和CO2在反应器中进行所述合成甲酰胺反应。
在一个优选实施方案中，所述有机胺选自：
Figure BDA0002300790160000021
Figure BDA0002300790160000022
其中R1和R2各自独立地选自C1-18烷基，m为1到6的整数，并且n为1到12的整数。
在一个优选实施方案中，所述有机胺原料与所述CO2原料的摩尔比为 1:1-1:300，所述CO2原料与所述H2原料的摩尔比为1:1-1:100。
在一个优选实施方案中，所述有机胺原料采用高压泵输送进入反应系统，液时空速为0.01-5h-1；CO2和H2原料以气体形式直径进料，气体空速为500-20000h-1。
在一个优选实施方案中，所述反应器是滴流床或釜式反应器。
在一个优选实施方案中，所述有机胺和CO2制甲酰胺反应以连续方式或间歇方式进行。
在一个优选实施方案中，所述有机胺和CO2制甲酰胺反应的反应温度为 60-300℃，反应压力为0.05-20MPa。
在一个优选实施方案中，所述金属组分在所述固体多相催化剂总重量中占0.01-40.0％。
在一个优选实施方案中，所述含有乙烯基官能团化的膦配体，是选自以下各项中的一种或几种：
Figure BDA0002300790160000031
在一个优选实施方案中，所述有机配体聚合物的比表面积为100-3000 m2/g，孔容为0.1-5.0cm3/g，孔径分布在0.1-100.0nm。
惰性气体气氛氩气，氦气，氮气，氖气中的一种或二种以上。
在一个优选实施方案中，当所述反应器是滴流床时，所述有机胺和CO2制甲酰胺反应在所述固体多相催化剂上连续地进行，生成的液体产物持续流出所述反应器并通过产品收集罐在-20-25℃的温度进行收集；当所述反应器是釜式反应器时，所述有机胺和CO2制甲酰胺反应间歇地进行，生成的液体产物经过过滤与所述固体多相催化剂分离获得，并且所得到的液体产物通过精馏或闪蒸进一步处理而获得高纯度的甲酰胺类产品。
本发明产生的有益效果包括但不限于以下方面：本发明的有机胺和CO2制甲酰胺反应技术与现有技术相比，该方法使用新型固体多相催化剂，反应工艺及装置简单，催化剂具有优异的反应活性及稳定性，降低了催化剂同反应物和产物的分离成本，有效提高了有机胺和CO2制甲酰胺反应过程的经济效益，具有广阔的工业应用前景。
附图说明
图1是根据本发明的一种连续进行的有机胺和CO2制甲酰胺反应的反应工艺流程图。
具体实施方式
为了更好的说明催化剂的制备方法及其在有机胺和CO2制甲酰胺反应中的应用，下面举出一些催化剂样品的制备及其在反应工艺中应用的实施例，但本发明不限于所列举的实施例。除非另有具体说明，本申请中的含量和百分比均按“质量”计算。
实施例1
在298K和氩气保护氛围下，将10.0克三(4-乙烯基苯)基膦溶于100ml 四氢呋喃溶剂中，向上述溶液中加入0.25克自由基引发剂偶氮二异丁腈，搅拌0.5小时。将搅拌好的溶液移至水热高压釜中，于373K和惰性气体保护氛围下溶剂热法聚合24h。待上述聚合后冷却至室温，333K温度条件下真空抽除溶剂，即得到含有三苯基膦的多孔有机聚合物。在298K和惰性气体保护氛围下，称取0.0156克对伞花烃二氯化钌(Ⅱ)二聚体溶于 50ml四氢呋喃溶剂中，加入1.0克上述制备的含有三苯基膦的多孔有机聚合物，搅拌24小时。随后，333K温度条件下真空抽除溶剂，即获得由有机配体聚合物负载金属组分的固体多相催化剂。
将上述制备的固体多相催化剂加入到滴流床反应器中，通入CO2和H2混合气(CO2:H2＝1:1)，有机胺吗啉原料经高压计量泵泵入反应器中开始反应，吗啉和CO2制甲酰胺反应温度100℃，反应压力6MPa，吗啉液时空速0.1 h-1，CO2/吗啉摩尔比50。液体产物N-甲酰吗啉收集于冷阱收集罐内。液体产物使用配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N气相色谱分析，采用甲苯作内标。反应尾气使用配有Porapak-QS柱和TCD检测器的HP-7890N 气相色谱进行在线分析。本发明的一种连续进行的有机胺和CO2制甲酰胺反应的反应工艺流程见图1。
实施例2
催化剂的制备过程参见实施例1，除了在催化剂制备中采用0.25克醋酸镍替代0.0156克对伞花烃二氯化钌(Ⅱ)二聚体，催化剂制备其他过程与实施例1相同。
催化剂评价反应工艺过程与实施例1相同。
实施例3
催化剂的制备过程与实施例1相同。
将上述制备的固体多相催化剂加入到滴流床反应器中，通入CO2和H2混合气(CO2:H2＝1:1)，有机胺吗啉原料经高压计量泵泵入反应器中开始反应，吗啉和CO2制甲酰胺反应温度120℃，反应压力8MPa，吗啉液时空速0.15 h-1，CO2/吗啉摩尔比75。液体产物N-甲酰吗啉收集于冷阱收集罐内。液体产物使用配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N气相色谱分析，采用甲苯作内标。反应尾气使用配有Porapak-QS柱和TCD检测器的HP-7890N 气相色谱进行在线分析。
实施例4
催化剂的制备过程与实施例1相同。
将上述制备的固体多相催化剂加入到滴流床反应器中，通入CO2和H2混合气(CO2:H2＝1:1)，有机胺吗啉原料经高压计量泵泵入反应器中开始反应，吗啉和CO2制甲酰胺反应温度140℃，反应压力8MPa，吗啉液时空速0.2 h-1，CO2/吗啉摩尔比75。液体产物N-甲酰吗啉收集于冷阱收集罐内。液体产物使用配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N气相色谱分析，采用甲苯作内标。反应尾气使用配有Porapak-QS柱和TCD检测器的HP-7890N 气相色谱进行在线分析。
实施例5
催化剂的制备过程与实施例1相同。
将上述制备的固体多相催化剂加入到滴流床反应器中，通入CO2和H2混合气(CO2:H2＝1:1)，六亚甲基亚胺原料经高压计量泵泵入反应器中开始反应，六亚甲基亚胺和CO2制甲酰胺反应温度120℃，反应压力6MPa，六亚甲基亚胺液时空速0.1h-1，CO2/六亚甲基亚胺摩尔比50。液体产物收集于冷阱收集罐内。液体产物使用配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N 气相色谱分析，采用甲苯作内标。反应尾气使用配有Porapak-QS柱和TCD 检测器的HP-7890N气相色谱进行在线分析。
实施例6
催化剂的制备过程与实施例1相同。
将上述制备的固体多相催化剂加入到滴流床反应器中，通入CO2和H2混合气(CO2:H2＝1:1)，四氢吡咯原料经高压计量泵泵入反应器中开始反应，四氢吡咯和CO2制甲酰胺反应温度120℃，反应压力6MPa，四氢吡咯液时空速0.1h-1，CO2/四氢吡咯摩尔比50。液体产物收集于冷阱收集罐内。液体产物使用配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N气相色谱分析，采用甲苯作内标。反应尾气使用配有Porapak-QS柱和TCD检测器的HP-7890N 气相色谱进行在线分析。
实施例7
催化剂的制备过程与实施例1相同。
将上述制备的固体多相催化剂加入到滴流床反应器中，通入CO2和H2混合气(CO2:H2＝1:1)，β-苯乙胺原料经高压计量泵泵入反应器中开始反应，β-苯乙胺和CO2制甲酰胺反应温度120℃，反应压力6MPa，β-苯乙胺液时空速0.1h-1，CO2/β-苯乙胺摩尔比50。液体产物收集于冷阱收集罐内。液体产物使用配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N气相色谱分析，采用甲苯作内标。反应尾气使用配有Porapak-QS柱和TCD检测器的 HP-7890N气相色谱进行在线分析。
实施例8
催化剂的制备过程与实施例1相同。
将上述制备的固体多相催化剂加入到滴流床反应器中，通入CO2和H2混合气(CO2:H2＝1:1)，N-甲基正戊胺原料经高压计量泵泵入反应器中开始反应，N-甲基正戊胺和CO2制甲酰胺反应温度120℃，反应压力8MPa，N-甲基正戊胺液时空速0.1h-1，CO2/N-甲基正戊胺摩尔比50。液体产物收集于冷阱收集罐内。液体产物使用配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N 气相色谱分析，采用甲苯作内标。反应尾气使用配有Porapak-QS柱和TCD 检测器的HP-7890N气相色谱进行在线分析。
实施例9
催化剂的制备过程与实施例1相同。
将上述实施例1制备的固体多相催化剂0.093克装入高压釜式反应器中，依次加入1mmol吗啉和4ml溶剂1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，密闭反应釜，充入CO2/H2混合气(CO2:H2＝1:1)，高压釜系统压力升至6MPa，由温度控制仪控制温度缓慢升至100℃，反应24h。反应结束后，将反应釜冷却至室温，缓慢放出过量的反应气，过滤分离出催化剂，将所得的产品加入甲苯作为内标，进入配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N气相色谱分析。
实施例10
催化剂的制备过程与实施例1相同。
将上述实施例1制备的固体多相催化剂0.0186克装入高压釜式反应器中，依次加入4mmol吗啉和4ml溶剂1,3-二甲基-2-咪唑啉酮，密闭反应釜，充入CO2/H2混合气(CO2:H2＝1:1)，高压釜系统压力升至8MPa，由温度控制仪控制温度缓慢升至120℃，反应48h。反应结束后，将反应釜冷却至室温，缓慢放出过量的反应气，过滤分离出催化剂，将所得的产品加入甲苯作为内标，进入配有HP-5毛细管柱和FID检测器的HP-7890N气相色谱分析。
以上已对本发明进行了详细描述，但本发明并不局限于本文所描述具体实施方式。本领域技术人员理解，在不背离本发明范围的情况下，可以作出其他更改和变形。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.一种有机胺和CO2制甲酰胺反应的方法，其特征在于：在氢气存在下，采用固体多相催化剂催化反应，
所采用的固体多相催化剂由金属组分和有机配体聚合物组成，其中所述金属组分是金属Ru、Ni、Mo、Cu或Fe中的一种或几种，所述有机配体聚合物是含有乙烯基官能团化的膦配体单体经溶剂热聚合生成的聚合物，所述金属组分与所述有机配体聚合物骨架中的P原子形成配位键，存在于有机配体聚合物载体上；
所述含有乙烯基官能团化的膦配体，是选自以下各项中的一种或几种：
Figure 455112DEST_PATH_IMAGE001
。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机胺选自下述中的一种或二种以 上：
Figure 457703DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 512247DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 41228DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 548432DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 354714DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 76814DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 943139DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 937640DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 547612DEST_PATH_IMAGE010
，其中R1和R2各自独立地分别选自C1-18烷基，m为1到6的整数，并且n为1 到12的整数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机胺原料与所述CO2原料的摩尔比为1:1-1:300，所述CO2原料与所述H2原料的摩尔比为1:1-1:100。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，有机胺原料采用高压泵输送进入反应器，液时空速为0.01-5 h-1；CO2和H2混合气原料以气体形式直径进料，气体空速为500-20000 h-1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机胺和CO2制甲酰胺反应的反应温度为60-300℃，反应压力为6-20MPa。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述反应器是有机胺和CO2制甲酰胺反应以连续方式于滴流床或间歇方式于釜式反应器进行；
当所述反应器是滴流床时，所述有机胺和CO2制甲酰胺反应在所述固体多相催化剂上连续地进行，生成的液体产物持续流出所述反应器并通过产品收集罐在-20-25℃的温度进行收集；
当所述反应器是釜式反应器时，所述有机胺和CO2制甲酰胺反应间歇地进行，生成的液体产物经过过滤与所述固体多相催化剂分离获得，并且所得到的液体产物通过精馏或闪蒸进一步处理而获得高纯度的甲酰胺类产品。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属组分在所述固体多相催化剂总重量中占0.01-40.0%。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，溶剂热聚合过程：
a) 在273~473 K，惰性气体气氛下，在有机溶剂中，加入单齿有机膦配体、添加或不添加交联剂、再加入自由基引发剂，混合后，将混合物搅拌0.1~100小时；
b) 将步骤a)制得的混合溶液转移至合成高压釜中，333K~473K，惰性气体气氛下，采用溶剂热聚合法，静置1~100小时进行聚合反应，得到一种含膦多孔有机聚合物；
c) 将步骤b）得到的聚合物，在室温条件下真空抽除溶剂，即得到具有多级孔结构的含有裸露P的有机聚合物，即所述多相催化剂的载体；
步骤a)中所述的有机溶剂为苯、甲苯、四氢呋喃、甲醇、乙醇、二氯甲烷或三氯甲烷中一种或两种以上；所述的交联剂为苯乙烯、乙烯、丙烯、二乙烯基苯、二甲氧基甲烷、二碘甲烷、多聚甲醛或1,3,5-三乙炔基苯中的一种或两种以上；所述的自由基引发剂为过氧化环己酮、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈的一种或两种以上；
步骤a)中所述的单齿有机膦配体在交联剂添加的情况下，单齿有机膦配体与交联剂的摩尔比为0.01:1~10:1，单齿有机膦配体与自由基引发剂的摩尔比为300:1~10:1，聚合成有机聚合物前，单齿有机膦配体在有机溶剂中的浓度范围为0.01-1000g/L。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于：所述有机配体聚合物的比表面积为100-3000 m2/g，孔容为0.1-5.0 cm3/g，孔径分布在0.1-100.0 nm。
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