CN113698300B - 一种戊二胺的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种戊二胺的制备方法。包括以下步骤：a)丙烯腈在N，N‑二羟乙基‑1，4‑戊二胺的催化作用下与乙醛发生反应得到5‑醛基戊腈；b)步骤a)的产物在催化剂与助剂作用下，与氨气、氢气混合气一步反应得到戊二胺。相比于传统的以赖氨酸为原料，生物法合成戊二胺，步骤简单，成本低廉，适于戊二胺规模化生产。并且催化剂N，N‑二羟乙基‑1，4‑戊二胺的使用，可以抑制乙醛、丙烯腈自聚，大幅提高目标中间体的选择性。

Description

一种戊二胺的制备方法
技术领域
本发明涉及有机合成领域，具体涉及一种简短、高效的戊二胺的化学合成方法。
背景技术
尼龙既是重要的化纤产品，又是当今世界五大通用工程塑料之一。除了做民用纺织物、工业帘子线、缆绳和降落伞等纤维用途之外，还被广泛用于机械、汽车、电器、化工设备、冶金等工程塑料领域。目前市场上的己二胺的生产技术被少数外企垄断，国内尚没有企业能够生产己二胺的前体己二腈。国外企业通过垄断己二腈的供应，轻易控制我国尼龙66产业链。在这种情况下，己二腈替代品以及新型尼龙的研发势在必行。
戊二胺是一种高性能的尼龙聚合二元胺单体，以戊二胺和己二酸为单体可聚合得到尼龙56，尼龙56性能优异，有望替代尼龙66。目前主流的戊二胺生产工艺为生物法合成戊二胺：
Figure BDA0003231440560000011
专利CN110699394A公开了一种生产戊二胺的生物转化法，该方法通过改造对大肠杆菌的代谢途径达到高产1,5-戊二胺的方法，该工艺以赖氨酸为原料，通过生物发酵的到戊二胺，副产物少且重复性好。但是该路线工艺繁琐，不易大规模生产，并且生物发酵法产物分离、废液后处理困难，工艺特点使其难以填补巨大的市场空缺。
专利US2409086公开了一种腈类与醛类化合物的反应，所述脂肪醛在与醛基相连的碳上应具有活性氢，主要是脂肪醛与丙烯腈在氢氧化钠或氰化钠催化下反应制备相应含氰基的醛类化合物，但是因为反应过程中丙烯腈、脂肪醛会发生自聚、缩合等副反应，反应会副产大量二腈化合物、缩醛化合物，目标产物收率低。
Gilles Laval(Synlett 2003，No.4，542-546)等介绍了一种以NaBH4为氢源，将5-氨基戊腈在六水合氯化镍催化作用下加氢制备戊二胺的技术，该方法戊二胺选择性高，但转化率较低，产品收率仅79％。NaBH4作为还原剂成本高，并且具有毒性，如果泄露对人与环境均有危害。
专利CN202011003788.3公开了一种固定床加氢制备己二胺的方法，主要为解决己内酰胺氨化法制备己二胺副产二氨基环己烷的问题。该方法以6-氨基己腈为原料，Pd/C为催化剂，甲醇、乙醇或叔丁醇为溶剂，KOH、NaOH、CH3CH2ONa、CH3ONa中的一种为助剂，在固定床中与氢气发生还原反应制备己二胺，6-氨基己腈转化率达92.3％以上，己二胺选择性超过99％，但该工艺的原料是6-氨基己腈，并且该催化剂无法实现醛基和氰基同时还原胺化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种戊二胺的制备工艺，以廉价的乙醛、丙烯腈为原料，在N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺的催化作用下高选择性地发生缩合反应得到醛腈中间体，得到的醛腈中间体再经还原反应一步制得戊二胺。本发明主要优点在于使用可以使用化学法合成戊二胺，相比于传统的以赖氨酸为原料，生物法合成戊二胺，步骤简单，成本低廉，适于戊二胺规模化生产。并且催化剂N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺的使用，可以抑制乙醛、丙烯腈自聚，大幅提高目标中间体的选择性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种戊二胺的制备方法，包括以下步骤：
a)丙烯腈在N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺的催化作用下与乙醛发生反应得到5-醛基戊腈；
b)步骤a)的产物在催化剂与助剂作用下，与氨气、氢气混合气一步反应得到戊二胺。
本发明所述步骤a)中，丙烯腈与乙醛的物质的量之比为1:1～4，反应温度为80～150℃，常压，反应时间为0.5～2h。
本发明所述步骤a)可以在溶剂的存在下进行，所述溶剂包括但不限于乙醇。本发明所述步骤a)中N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺的用量为1～15wt％，以丙烯腈的质量计算。
N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺同时具有碱性与较强的电子捕获能力，可以高效促进反应进行，并且在还原条件下，因为羟基的存在，N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺对富电子单体表现出更好的阻聚效果，它可以更容易地捕获聚合反应中链引发的自由基，进而使链反应迅速终止，并且这类自由基热稳定性好，在单体中能长时间保持有效浓度，使阻聚期延长，同时抑制丙烯腈、乙醛发生自聚等副反应。
本发明所述步骤b)中5-醛基戊腈与氨气、氢气混合气在催化剂作用下发生还原反应，一步制得戊二胺，所述混合气中氨气与H2的体积比为1.1～1.5：1，反应绝对压力为2～6MPa，优选3～5MPa；反应温度为50～120℃，优选70～90℃；反应时间为2～4h，优选1.5～3.5h。
本发明所述步骤b)中所述催化剂为雷尼镍，所述助剂为Sn、Zn、Mn等过渡金属氮化物的一种或多种，合适的例子包括但不限于氮化锰、氮化锡、氮化锌。通过引入过渡金属氮化物助剂可以在还原过程中提高镍分散度，并且优化解离-吸附步骤，使催化剂具有更好的加氢活性与产品选择性。
本发明所述助剂的用量为5-醛基戊腈质量的1％-10％，优选3％～8％。
本发明反应方程式如下：
Figure BDA0003231440560000041
本发明的积极效果在于：
(1)起始原料简单，丙烯腈、乙醛价格低廉，选择性高。
(2)反应过程简单，易于规模化生产。传统的戊二胺生产工艺以赖氨酸为原料，采用发酵法制备，收率低，产量小，产生大量废水，采用本发明方法生产戊二胺可以解决这些问题。
(3)本发明得到的戊二胺产品纯度高，可以达到99.9％，适合材料领域使用。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明，但本发明并不限于下述的实施例。
使用药品：
氨气(99.9％)，大连光明特种气体有限公司；
丙烯腈，乙醛，氮化锰，国药集团；
雷尼镍，江苏欣诺科；
N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺，海川化学；
本发明的气相色谱测试条件如下：
仪器型号：安捷伦7890B
色谱柱：DB-5(30m×0.25mm×0.25μm)
柱温：起始温度80℃，以10℃/min升温至150℃，保持5min，然后以20℃/min升温至300℃，保持10min
进样口温度：200℃
FID检测器温度：300℃
分流进样，分流比50:1
进样量：2.0μm
N2流量：40ml/min
H2流量：400ml/min。
实施例1
将N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺配制成20wt％的乙醇溶液，向500ml反应釜中加入N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺(0.75g，按溶液中催化剂质量计算)和乙醛(150g，3.4mol)，密封釜盖，空气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内空气排空。
开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，将反应温度维持在110℃。开始向反应釜中缓慢泵入丙烯腈(75g，1.41mol)，2小时滴加完毕，滴加结束后继续保温1小时，将反应釜缓慢冷却至室温。将所得混合液依次用稀盐酸、饱和碳酸钠水溶液、饱和食盐水溶液洗涤有机相，有机相经无水硫酸钠干燥后，蒸馏得到5-醛基戊腈，丙烯腈转化率98.36％，产品选择性98.28％，纯度99.9％。
将5-醛基戊腈(150g，1.54mol)加入到500ml反应釜中，并加入雷尼镍(3g)，氮化锰(7.5g)，密封釜盖，将高压釜用氮气置换3次(每次从0MPa冲压至3MPa)后，氮气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内氮气排空。开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，升温至80℃，使用氨气、氢气混合气(氨气与氢气的体积比为1.5：1)置换3次后，缓慢升压至3MPa，开始反应，将反应温度维持在80℃，保温2小时，将反应釜缓慢冷却至室温。放出氨气与氢气，粗产物过滤，使用去离子水水洗，经减压蒸馏，收集89～92℃(2～3mmHg)馏分，得到产品戊二胺，转化率99.37％，戊二胺选择性98.11％，纯度99.9％。
实施例2
将N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺配制成20wt％的乙醇溶液，向500ml反应釜中加入N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺(7.5g，按溶液中催化剂质量计算)和乙醛(150g，3.4mol)，密封釜盖，空气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内空气排空。
开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，将反应温度维持在110℃。开始向反应釜中缓慢泵入丙烯腈(75g，1.41mol)，2小时内滴加完毕，滴加结束后继续保温1小时，将反应釜缓慢冷却至室温。将所得混合液依次用稀盐酸、饱和碳酸钠水溶液、饱和食盐水溶液洗涤有机相，有机相经无水硫酸钠干燥后，蒸馏得到5-醛基戊腈，丙烯腈转化率98.85％，产品选择性98.06％，纯度99.9％。
实施例3
将N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺配制成20wt％的乙醇溶液，向500ml反应釜中加入N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺(11.25g，按溶液中催化剂质量计算)和乙醛(150g，3.4mol)，密封釜盖，空气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内空气排空。
开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，将反应温度维持在110℃。开始向反应釜中缓慢泵入丙烯腈(75g，1.41mol)，2小时内滴加完毕，滴加结束后继续保温1小时，将反应釜缓慢冷却至室温。将所得混合液依次用稀盐酸、饱和碳酸钠水溶液、饱和食盐水溶液洗涤有机相，有机相经无水硫酸钠干燥后，蒸馏得到5-醛基戊腈，丙烯腈转化率99.07％，产品选择性99.14％，纯度99.9％
实施例4
将实施例1制备的5-醛基戊腈(150g，1.54mol)加入到500ml反应釜中，并加入雷尼镍(3g)，氮化锡(7.5g)，密封釜盖，将高压釜用氮气置换3次(每次从0MPa冲压至3MPa)后，氮气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内氮气排空。
开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，升温至80℃，使用氨气、氢气混合气(氨气与氢气的体积比为1.5：1)置换3次后，缓慢升压至3MPa，开始反应，将反应温度维持在80℃，保温2小时，将反应釜缓慢冷却至室温。放出氨气与氢气，粗产物过滤，使用去离子水水洗，经减压蒸馏，收集89～92℃(2～3mmHg)馏分，得到产品戊二胺，转化率99.04％，戊二胺选择性97.75％，纯度99.9％。
实施例5
将实施例1制备的5-醛基戊腈(150g，1.54mol)加入到500ml反应釜中，并加入雷尼镍(3g)，氮化锌(7.5g)，密封釜盖，将高压釜用氮气置换3次(每次从0MPa冲压至3MPa)后，氮气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内氮气排空。
开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，升温至80℃，使用氨气、氢气混合气(氨气与氢气的体积比为1.5：1)置换3次后，缓慢升压至3MPa，开始反应，将反应温度维持在80℃，保温2小时，将反应釜缓慢冷却至室温。放出氨气与氢气，粗产物过滤，使用去离子水水洗，经减压蒸馏，收集89～92℃(2～3mmHg)馏分，得到产品戊二胺，转化率98.74％，戊二胺选择性98.09％，纯度99.9％。
对比例1
将氢氧化钠配制成20wt％的乙醇溶液，向500ml反应釜中加入氢氧化钠(7.5g，按催化剂质量计算)和乙醛(150g，3.4mol)，密封釜盖，空气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内空气排空。
开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，将反应温度维持在110℃。开始向反应釜中缓慢泵入丙烯腈(75g，1.41mol)，2小时内滴加完毕，滴加结束后继续保温1小时，将反应釜缓慢冷却至室温。将所得混合液依次用稀盐酸、饱和碳酸钠水溶液、饱和食盐水溶液洗涤有机相，有机相经无水硫酸钠干燥后，蒸馏得到5-醛基戊腈，丙烯腈转化率77.03％，5-醛基戊腈选择性49.99％，纯度99.9％。聚丙烯腈选择性39.52％，三聚乙醛选择性20.89％。
对比例2
将三乙胺配制成20wt％的乙醇溶液，向500ml反应釜中加入三乙胺(7.5g，按催化剂质量计算)和乙醛(150g，3.4mol)，密封釜盖，空气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内空气排空。
开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，将反应温度维持在110℃。开始向反应釜中缓慢泵入丙烯腈(75g，1.41mol)，2小时内滴加完毕，滴加结束后继续保温1小时，将反应釜缓慢冷却至室温。将所得混合液依次用稀盐酸、饱和碳酸钠水溶液、饱和食盐水溶液洗涤有机相，有机相经无水硫酸钠干燥后，蒸馏得到5-醛基戊腈74.05g，丙烯腈转化率83.00％，5-醛基戊腈选择性65.00％，纯度99.9％。聚丙烯腈选择性29.65％，三聚乙醛选择性15.29％。
对比例3
将实施例1制备的5-醛基戊腈(150g，1.54mol)加入到500ml反应釜中，并加入雷尼镍(3g)，密封釜盖，将高压釜用氮气置换3次(每次从0MPa冲压至3MPa)后，氮气冲压至3MPa保压验漏，确认高压釜密封性良好后，将釜内氮气排空。
开始反应：开启自吸式搅拌桨(800r/min)，控制油浴加热和釜冷，升温至80℃，使用氨气、氢气混合气(氨气与氢气的体积比为1.5：1)置换3次后，缓慢升压至3MPa，开始反应，将反应温度维持在80℃，保温2小时，将反应釜缓慢冷却至室温。小心地放出氨气与氢气，粗产物过滤，使用去离子水水洗，经减压蒸馏，收集89～92℃(2～3mmHg)馏分，得到产品戊二胺，转化率84.81％，戊二胺选择性84.26％，纯度99.9％。5-氨基-1-戊醇选择性15.74％。

Claims (10)

1.一种戊二胺的制备方法，包括以下步骤：
a)丙烯腈在N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺的催化作用下与乙醛发生反应得到5-醛基戊腈；
b)步骤a)的产物在催化剂与助剂作用下，与氨气、氢气混合气一步反应得到戊二胺；
所述步骤b)中催化剂为雷尼镍，所述步骤b)中助剂选自氮化锰、氮化锡、氮化锌中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，丙烯腈与乙醛的物质的量之比为1:1～4。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，丙烯腈与乙醛的物质的量之比为1：2～3。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，反应温度为80～150℃，反应时间为0.5～2h。
5.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中N，N-二羟乙基-1，4-戊二胺的用量为1～15wt％，以丙烯腈的质量计算。
6.按照权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述混合气中氨气与H2的体积比为1.1～1.5：1。
7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤b)反应绝对压力为2～6MPa；反应温度为50～120℃；反应时间为2～4h。
8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤b)反应绝对压力为3～5MPa；反应温度为70～90℃；反应时间为1.5～3.5h。
9.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述助剂的用量为5-醛基戊腈质量的1％-10％。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述助剂的用量为5-醛基戊腈质量的3％～8％。
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Total Synthesis of Leuconoxine, Melodinine E, and Mersicarpine through a Radical Translocation–Cyclization Cascade;Ryan Kim et al.;《Angew. Chem. Int. Ed.》;第58卷;第12595-12598页 *
改性胺类固化剂与特种建筑胶粘剂的制备研究;石学堂;《中国学位论文全文数据库》;第1-71页 *
醛的不对称硅氰化反应及不对称Baylis-Hillman反应;何可;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (博士)工程科技Ⅰ辑》(第11期);第B014-16页 *

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