CN113956216B - 一种环氧苯乙烷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环氧苯乙烷及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将有机羧酸、哌啶氮氧化合物和苯乙烯在氧化剂和催化剂的作用下进行氧化反应，得到环氧苯乙烷。本发明所述方法兼顾环氧苯乙烷的选择性和氧化剂的转化率，适合于工业生产。

Description

一种环氧苯乙烷及其制备方法

技术领域

本发明涉及有机合成技术领域，尤其涉及一种环氧苯乙烷及其制备方法。

背景技术

环氧苯乙烷(styrene oxide)又称氧化苯乙烯，是一种重要的有机合成中间体，广泛应用于精细化学品合成、制药、染料、香料、农药等行业。例如环氧苯乙烷加氢制得的β-苯乙醇是玫瑰油、丁香油、橙花油的主要成分，并且广泛用于配制食品、烟草、肥皂及化妆品香精。

环氧苯乙烷的合成方法主要有卤醇法、过氧酸氧化法、直接氧化法等。

目前环氧苯乙烷的主要工艺为卤醇法，该方法可获得约80％的产品收率，但存在的问题原料消耗较高，设备腐蚀严重，“三废”产生量大。过氧酸氧化法通常采用的氧化剂为过氧乙酸(AcOOH)或间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)，该方法可高选择性地制备各种烯烃底物的环氧化合物。但对于环氧苯乙烷的制备，由于原料苯乙烯为对酸性敏感的易聚合单体，导致环氧苯乙烷收率较低，另外，过氧酸需与烯烃摩尔当量使用，而此类过氧酸通常价格昂贵，使得该方法通常仅用于实验室研究领域。

近年来，以苯乙烯为原料，在特定催化剂的作用下，选择性氧化制备环氧苯乙烷的方法，具有反应条件温和、工艺流程简单以及环境友好等优点。苯乙烯氧化反应的催化剂主要有杂多酸催化剂、分子筛催化剂、金属有机配合物催化剂、金属催化剂和金属氧化物催化剂等。

CN101463020A公开了一种直接氧化苯乙烯合成环氧苯乙烷的方法，其公开的方法以Ag-γ-ZrP为催化剂，乙腈为溶剂，反应温度为70～90℃，苯乙烯转化率为92％，环氧苯乙烷选择性为96％。但其催化剂制备不易，价格昂贵，故而工艺成本高，并且在氮气保护下进行反应，所以大规模生产具有一定难度。

CN103788023A公开了一种苯乙烯氧化制环氧苯乙烷的新方法，其公开的方法以磷钨杂多酸类化合物作为催化剂，以双氧水作为氧化剂，以甲苯、磷酸三丁酯、乙腈、二氯乙烷、乙酸乙酯其中的一种或两种混合作为溶剂，以乙二胺四乙酸(EDTA)作为助剂和稳定剂，苯乙烯转化率达到90％以上，环氧苯乙烷选择性达到95％以上。该方法工艺流程简单，反应环境温和(65℃)，但其催化剂损失严重，部分催化剂溶于反应体系，较难完全分离，增加了生产成本，不利于工业化生产。

Mansuy等发表的J.Chem.Soc.，Chem.Commun.,1985:888-889中，报道了以Mn(Ⅲ)-卟啉配合物为催化剂，以30％H₂O₂为氧化剂，在有咪唑存在时，用乙腈和的混合液为溶剂，液相条件下催化苯乙烯环氧化(苯乙烯:H₂O₂＝1:5，摩尔比)，苯乙烯转化率为100％，产物氧化苯乙烯的选择性为93％。卟啉体系对苯乙烯催化环氧化的效果很好，但H₂O₂的有效利用率太低。

综上所述，从目前已有的报道来看，苯乙烯环氧化反应中或存在氧化剂利用率较低，或产物选择性不理想，或催化剂制备困难，价格昂贵等问题。例如，在PO/MTBE生产工艺中，由异丁烷氧化然后浓缩得到过氧化物浓度54％-55％的TBHP/TBA溶液，其中掺杂有共计1-2％的异丁醇、异丙醇和2-甲基-1,2-丙二醇等小分子醇，在环氧化反应中会造成部分环氧产物开环，降低选择性。

因此需要开发更有效的环氧化工艺，实现氧化剂高转化率的同时，高选择性的生成环氧苯乙烷，便于工业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种环氧苯乙烷及其制备方法，所述方法兼顾环氧苯乙烷的选择性和氧化剂的转化率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种环氧苯乙烷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将有机羧酸、哌啶氮氧化合物和苯乙烯在氧化剂和催化剂的作用下进行氧化反应，得到环氧苯乙烷。

本发明所述环氧苯乙烷的制备方法通过在苯乙烯中添加有机羧酸和哌啶氮氧化合物，然后在氧化剂和催化剂作用下直接氧化制备，实现氧化剂高转化率的同时，高选择性的生成环氧苯乙烷。本发明在苯乙烯中添加的羧酸，将氧化剂夹带的少量小分子醇杂质转化为无开环活性的酯类化合物，同时引入的哌啶氮氧化合物抑制了环氧化合物的开环反应和苯乙烯单体聚合，实现环氧苯乙烷高选择性和氧化剂高转化率，适合工业化生产。

优选地，所述有机羧酸为C2-C8一元酸和/或C2-C8二元酸。

本发明所述C2-C8指的是主链碳原子的个数，例如C3、C4、C5、C6、C7等。

优选地，所述有机羧酸包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、己酸、己二酸、辛酸或异辛酸中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：乙酸和丙酸的组合，丁酸、异丁酸和己酸的组合，异丁酸、己酸、己二酸、辛酸和异辛酸的组合等。

优选地，以苯乙烯的质量为100％计，所述有机羧酸的质量百分数为0.1％-3％，例如0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％等，进一步优选0.5％-2％。

本发明所述有机羧酸在苯乙烯中的质量百分数为0.1％-3％，有机羧酸添加量过高会导致过剩的羧酸加速哌啶氮氧化合物的消耗，甚至引起苯乙烯聚合，降低选择性；添加量过低导致羧酸与体系中小分子醇杂质反应不完全，无法有效提高产物选择性。

优选地，所述哌啶氮氧化合物包括2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)及其衍生物、2,2,6,6-四甲基酮哌啶氧化物及其衍生物或2,2,6,6-四甲基醇哌啶氧化物及其衍生物中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物和2,6,6-四甲基酮哌啶氧化物的组合，,2,6,6-四甲基酮哌啶氧化物和2,2,6,6-四甲基醇哌啶氧化物的组合等。

优选地，所述哌啶氮氧化合物包括癸二酸二(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基)酯和/或亚磷酸三(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基)酯，进一步优选四甲基哌啶醇氮氧自由基。

优选地，以苯乙烯的质量为100％计，所述哌啶氮氧化合物的质量百分数为0.5％-4％，例如1％、2％、2.5％、3％、3.5％等，进一步优选1％-2％。

本发明所述哌啶氮氧化合物在苯乙烯中的质量百分数为0.5％-4％，氮氧化合物添加量过高会引起过氧化物转化率降低；添加量过低引起苯乙烯聚合，降低产物选择性。

优选地，所述氧化剂包括过氧叔丁醇和叔丁醇的组合(TBHP/TBA)。

本发明中，氧化反应无需额外添加溶剂，氧化剂为过氧叔丁醇和叔丁醇的组合，即TBHP/TBA溶液，含有53％-54％的过氧叔丁醇，其中叔丁醇不仅对过氧化物TBHP进行稀释，增加原料的稳定性，同时在环氧化反应中也可作为溶剂，对反应液进行稀释，提高环氧化反应的安全性。除此之外，采用所述氧化剂，制备后无需氧化剂回收操作，简化了工艺流程。

优选地，所述过氧叔丁醇在所述氧化剂中的重量百分数为53％-54％，例如53.2％、53.4％、53.6％、53.8％等。

优选地，所述氧化剂中过氧叔丁醇与苯乙烯的摩尔比为1:(1-10)，其中1-10可以为2、4、6、8等，进一步优选为1：1.2-5，更进一步优选为1：2-3。

优选地，所述催化剂包括C2-C18的二元醇和/或有机酸钼均相催化剂。本发明中，“C2-C18”指的是碳原子的个数，例如C2、C6、C8、C10、C12、C14、C16等。

本发明所述催化剂可以采用市售产品，也可使用自制产品，制备方法参照EP0264184公开工艺生产。

优选地，所述催化剂包括乙二醇钼、苯乙二醇钼、丙二醇钼、乙酸钼、环烷酸钼、辛酸钼或十八烷酸钼中的任意一种或至少两种的组合催化剂，进一步优选乙二醇钼和/或乙酸钼催化剂。

优选地，所述催化剂与氧化剂中过氧叔丁醇质量比为1:(50-1000)，其中50-1000可以为100、200、300、400、500、600、700、800、900等，进一步优选为1:(100-500)。

优选地，所述氧化反应在无溶剂的条件下进行。此处无溶剂指的是无需额外添加溶剂。

优选地，所述氧化反应的温度为60-90℃，例如65℃、70℃、75℃、80℃、85℃等，进一步优选75-85℃。

优选地，所述氧化反应的绝压为1-1.5atm，例如1.1atm、1.2atm、1.3atm、1.4atm等，进一步优选为1-1.1atm。

优选地，所述氧化反应的时间为2-8h，例如3h、4h、5h、6h、7h等，进一步优选3-6h。

作为优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

以有机羧酸、哌啶氮氧化合物和苯乙烯为原料，过氧叔丁醇和叔丁醇为氧化剂，在催化剂的作用下以及60-90℃的温度和1-1.5atm的绝压的条件下，氧化反应2-8h，得到环氧苯乙烷。

第二方面，本发明提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷由第一方面所述的方法制备得到。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所述方法兼顾环氧苯乙烷的选择性和氧化剂的转化率，无需氧化剂回收操作，简化了工艺流程，适合于工业生产。本发明所述方法制备环氧苯乙烷时，氧化剂(TBHP)的转化率在96.4％以上，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性在91.8％以上。

本发明所述方法制备环氧苯乙烷时，所述羧酸的质量百分数在0.1％-3％范围内且所述哌啶氮氧化合物的质量百分数在0.5％-4％范围内时，氧化剂(TBHP)的转化率在96.9％以上，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性在97.1％以上。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明所涉及的主要原料来源如下：

苯乙烯：齐鲁石化工业苯乙烯；

氧化剂：万华；

有机羧酸和催化剂：阿拉丁生化科技股份有限公司；

哌啶氮氧化合物：宿迁联盛股份有限公司。

实施例1

本实施例提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷的制备方法包括如下步骤：

将313.9g(3mol)苯乙烯加入到1L反应瓶中，然后加入3.1g异丁酸和3.1g 4-羟基-TEMPO，搅拌下升温至80℃，1h内连续加入163.9g(1mol)55％的TBHP/TBA和0.18g乙酸钼催化剂混合溶液，加完后继续保持温度，保温过程间隔取样进行GC分析，常压反应4h后TBHP转化率97.3％，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性为99.2％。具体反应条件和结果参照表1。

实施例2

本实施例提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷的制备方法包括如下步骤：

将313.9g(3mol)苯乙烯加入到1L反应瓶中，然后加入9.4g异丁酸和6.3g 4-羟基-TEMPO，搅拌下升温至90℃，1h内连续加入98.3g(0.6mol)55％的TBHP/TBA和0.22g苯乙二醇钼催化剂混合溶液，加完后继续保持温度，保温过程间隔取样进行GC分析，常压反应3h后TBHP转化率99.0％，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性为99.4％。具体反应条件和结果参照表1。

实施例3

本实施例提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷的制备方法包括如下步骤：

将313.9g(3mol)苯乙烯加入到1L反应瓶中，然后加入1.6g异丁酸和1.6g 4-羟基-TEMPO，搅拌下升温至70℃，1h内连续加入245.8g(1.5mol)55％的TBHP/TBA和1.35g十八烷酸钼催化剂混合溶液，加完后继续保持温度，保温过程间隔取样进行GC分析，常压反应3.5h后TBHP转化率99.6％，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性为97.1％。具体反应条件和结果参照表1。

实施例4

本实施例提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷的制备方法包括如下步骤：

将313.9g(3mol)苯乙烯加入到1L反应瓶中，然后加入6.3g丁酸和3.1g亚磷酸三(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基)酯，搅拌下升温至80℃，1h内连续加入163.9g(1mol)55％的TBHP/TBA和0.09g乙二醇钼催化剂混合溶液，加完后继续保持温度，保温过程间隔取样进行GC分析，常压反应6h后TBHP转化率95.6％，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性为99.3％。具体反应条件和结果参照表1。

实施例5

本实施例提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷的制备方法包括如下步骤：

将313.9g(3mol)苯乙烯加入到1L反应瓶中，然后加入3.1g己二酸和12.6g 4-羟基-TEMPO，搅拌下升温至85℃，1h内连续加入163.9g(1mol)55％的TBHP/TBA和0.18g丙二醇钼催化剂混合溶液，加完后继续保持温度，保温过程间隔取样进行GC分析，常压反应3.5h后TBHP转化率96.7％，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性为99.3％。具体反应条件和结果参照表1。

实施例6-7

实施例6-7与实施例1的区别在于异丁酸在苯乙烯中的质量百分数分别为0.05％(0.16g，实施例6)和3.5％(10.9g，实施例7)，其余均与实施例1相同。

实施例8-9

实施例8-9与实施例1的区别在于4-羟基-TEMPO在苯乙烯中的质量百分数分别为0.2％(0.62g，实施例8)和4.5％(14.1g，实施例9)，其余均与实施例1相同。

对比例1

本对比例提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷的制备方法包括如下步骤：

将313.9g(3mol)苯乙烯加入到1L反应瓶中，搅拌下升温至80℃，1h内连续加入163.9g(1mol)55％的TBHP/TBA和0.18g乙二醇钼催化剂混合溶液，加完后继续保持温度，保温过程间隔取样进行GC分析，常压反应4h后TBHP转化率95.2％，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性为65.6％。具体反应条件和结果参照表1。

对比例2

本对比例提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷的制备方法包括如下步骤：

将313.9g(3mol)苯乙烯加入到1L反应瓶中，然后加入3.1g异丁酸，搅拌下升温至80℃，1h内连续加入163.9g(1mol)55％的TBHP/TBA和0.18g乙二醇钼催化剂混合溶液，加完后继续保持温度，保温过程间隔取样进行GC分析，常压反应4h后TBHP转化率95.8％，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性为91.2％。具体反应条件和结果参照表1。

对比例3

本对比例提供一种环氧苯乙烷，所述环氧苯乙烷的制备方法包括如下步骤：

将313.9g(3mol)苯乙烯加入到1L反应瓶中，然后加入3.1g 4-羟基-TEMPO，搅拌下升温至80℃，1h内连续加入163.9g(1mol)55％的TBHP/TBA和0.18g乙二醇钼催化剂混合溶液，加完后继续保持温度，保温过程间隔取样进行GC分析，常压反应4h后TBHP转化率96.3％，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性为92.1％。具体反应条件和结果参照表1。

性能测试

将实施例1-9和对比例1-3进行如下测试：

(1)气相色谱法测试：

GC仪器型号：岛津GC-2010-plus

GC参数：色谱柱DB-5，柱温：起始温度50℃，升温至300℃，保持10min。进样口温度：280℃，检测器温度：300℃，空气流量：400ml/min，氢气流量：40ml/min，尾吹气流量：30ml/min，压力：77.7kPa。

测试结果汇总于表1中。

表1

分析表1数据可知，本发明所述方法制备环氧苯乙烷时，氧化剂(TBHP)的转化率在96.4％以上，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性在91.8％以上，本发明所述方法兼顾环氧苯乙烷的选择性和氧化剂的转化率，适合于工业生产。

本发明所述方法制备环氧苯乙烷时，所述羧酸的质量百分数在0.1％-3％范围内且所述哌啶氮氧化合物的质量百分数在0.5％-4％范围内时，氧化剂(TBHP)的转化率在96.9％以上，环氧苯乙烷基于苯乙烯的选择性在97.1％以上。

分析对比例1-3与实施例1可知，对比例1-3性能不如实施例，证明在制备环氧苯乙烷时，加入羧酸和哌啶氮氧化合物，利于环氧苯乙烷的制备。

分析实施例6-7与实施例1可知，实施例6-7性能不如实施例1，证明以苯乙烯的总质量为100％计，所述羧酸的质量百分数在0.1％-3％范围内更利于环氧苯乙烷的制备。

分析实施例5、8、9与实施例1可知，实施例5、8、9性能不如实施例1，证明以苯乙烯的总质量为100％计，所述哌啶氮氧化合物的质量百分数在0.5％-4％范围内更利于环氧苯乙烷的制备。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (13)

1.一种环氧苯乙烷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将有机羧酸、哌啶氮氧化合物和苯乙烯在氧化剂和催化剂的作用下进行氧化反应，得到环氧苯乙烷；

所述哌啶氮氧化合物选自2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物、2,2,6,6-四甲基酮哌啶氧化物、2,2,6,6-四甲基醇哌啶氧化物、癸二酸二(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基)酯、亚磷酸三(2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基)酯中的任意一种或至少两种的组合；

所述催化剂为C2-C18的二元醇钼均相催化剂和/或有机酸钼均相催化剂；

以苯乙烯的质量为100％计，所述有机羧酸的质量百分数为0.1％-3％，所述哌啶氮氧化合物的质量百分数为0.5％-4％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机羧酸为C2-C8一元酸和/或C2-C8二元酸。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述有机羧酸选自乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、己酸、己二酸、辛酸或异辛酸中的任意一种或至少两种的组合。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化剂为过氧叔丁醇和叔丁醇的组合。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述过氧叔丁醇在氧化剂中的重量百分数为53％-54％。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述过氧叔丁醇与苯乙烯的摩尔比为1:(1-10)。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂选自乙二醇钼、苯乙二醇钼、丙二醇钼、乙酸钼、环烷酸钼、辛酸钼或十八烷酸钼中的任意一种或至少两种的组合催化剂。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂选自乙二醇钼和/或乙酸钼催化剂。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂与氧化剂中过氧叔丁醇质量比为1:(50-1000)。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化反应的温度为60-90℃。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化反应的绝压为1-1.5atm。

12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化反应的时间为2-8h。

13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

以有机羧酸、哌啶氮氧化合物和苯乙烯为原料，过氧叔丁醇和叔丁醇为氧化剂，在催化剂的作用下以及60-90℃的温度和1-1.5atm的绝压的条件下，氧化反应2-8h，得到环氧苯乙烷。