CN114214648B - 一种制备1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的电化学合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备1,1,4,4‑四甲氧基‑2‑丁烯的电化学合成方法,具体为一种以呋喃为原料一步法合成1,1,4,4‑四甲氧基‑2‑丁烯的方法。所述方法包含如下步骤:(1)将呋喃、甲醇、溴盐混合配制电解液;(2)将电解液通入无隔膜单室电解槽中进行电解反应,制得1,1,4,4‑四甲氧基‑2‑丁烯。该工艺制备1,1,4,4‑四甲氧基‑2‑丁烯的流程较为简化,卤素在其中循环利用,三废极少,且得到的副产物依然具有较高的经济价值。
Description
技术领域
本发明属于电化学合成领域,具体一种制备1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的电化学合成方法。
技术背景
1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯是制备合成类胡萝卜素产品的关键原料之一,对于合成β-胡萝卜素、角黄素、虾青素、叶黄素、番茄红素等物质有重要意义。
传统合成1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的方法均是以2,5-二甲氧基-2,5-二氢呋喃为原料,通过缩醛化来制备。例如德国专利DE 19946816公开了在具有酸性中心的固体催化剂的催化下,通过2,5-二甲氧基-2,5-二氢呋喃与甲醇反应来制备1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯;美国专利US 5338888公开了一种使用无机强酸或有机强酸作为催化剂,通过2,5-二甲氧基-2,5-二氢呋喃与脂肪醇反应来制备1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯;中国专利CN107952463公开了一种缩醛化催化剂及其制备方法以及用于制备1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的方法。
上述方法均面临着流程长、不同程度的设备腐蚀以及产品回收困难和三废较多的问题。因此,需要寻找一种能从呋喃和甲醇为原料,一步法合成1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的电化学合成方法。该方法制备1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的流程简化,卤素在其中循环利用,三废极少,且得到的副产物依然具有较高的经济价值。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种以呋喃为原料一步法合成1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的电化学合成方法,所述方法包含如下步骤:
(1)将呋喃、甲醇、溴盐混合配制电解液;
(2)将电解液通入无隔膜单室电解槽中进行电解反应,制得1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯。
本发明中,所述步骤(1)的溴盐为溴化钠、溴化钾、溴化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丁基溴化铵、苄基三乙基溴化铵、金刚烷基溴化铵中的一种或多种。
本发明中,所述步骤(1)配制的电解液中甲醇和呋喃的质量比为(1-10):1。
本发明中,所述步骤(1)配制的电解液中溴盐和呋喃的质量比为(0.01-0.5):1。
本发明采用的电解装置为单室无隔膜电解,使用直流电源,采用恒电流法对电解液进行电解反应。电压严格控制在10V以下。利用法拉第定律,计算完全反应所需要的理论反应时间T,实际通电时间为理论通电时间的1.1倍,即1.1T。
本发明中,所述步骤(2)中电解反应温度为-15℃-30℃。
本发明中,所述步骤(2)中电流密度为300A/m2-3000A/m2。
本发明中,所述步骤(2)采用负载金属氧化物的等静压石墨催化电极作为阳极;优选地,所述负载金属氧化物为IrO2、ZnO、SnO2、PbO2、CeO2、ZrO2、Fe2O3、CuO中的一种或多种。
本发明中,所述步骤(2)的阴极为泡沫铜、泡沫镍、石墨、多孔钛板、多孔镍板中的一种,优选泡沫镍、多孔钛板、多孔镍板中的一种。
本发明中,步骤(2)所述催化电极的制备方法为:以等静压石墨为阴极,Pt电极为阳极,电解液是金属盐、还原剂、稳定剂组成的水溶液,采用电沉积法,并在高温空气环境中热处理,得到负载金属氧化物的等静压石墨催化电极。
本发明中,所述催化电极制备方法中的金属盐为Ir、Zn、Sn、Pb、Ce、Zr、Fe、Cu中的一种或多种的硝酸盐;优选地,所述电解液中硝酸盐总质量分数为2-15wt%。
本发明中,所述还原剂为亚磷酸氢钠;优选地,所述电解液中还原剂的质量分数为0.5-5wt%。
本发明中,所述稳定剂为柠檬酸钠;优选地,所述电解液中稳定剂的质量分数为0.5-5wt%。
本发明中,所述催化电极制备方法中的热处理温度为300-500℃,时间为1-3h。
本发明的另一目的在于提供一种1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯产品。
一种1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯,采用上述的制备方法制备获得,所述1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯以呋喃为原料一步合成得到。
与现有技术相比较,本发明的积极效果为:本发明的电化学合成方法合成路线短,工艺简化,且几乎不产生含盐废水,分子利用率高,绿色环保。
具体实施方式
下面对本发明实施例作具体详细的说明,本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施,虽无法穷举,但根据实验结果给出了有代表性的详细的实施方式和具体的操作过程。本发明的保护范围不限于下述的实施例。
主要原料及设备信息如表1所示:
表1原料及设备信息表
药品及设备 | 厂家 | 纯度及规格 |
甲醇 | 阿拉丁 | 分析纯 |
呋喃 | 阿拉丁 | 分析纯 |
溴化钠 | 阿拉丁 | >98% |
溴化钾 | 阿拉丁 | >98% |
四丁基溴化铵 | 伊诺凯 | >98% |
四乙基溴化铵 | 伊诺凯 | >98% |
苄基三乙基溴化铵 | 伊诺凯 | >98% |
金刚烷基溴化铵 | 伊诺凯 | >98% |
硝酸铑 | 阿拉丁 | >98% |
硝酸锌 | 阿拉丁 | >98% |
硝酸锡 | 阿拉丁 | >98% |
硝酸铅 | 阿拉丁 | >98% |
硝酸铈 | 阿拉丁 | >98% |
硝酸锆 | 阿拉丁 | >98% |
硝酸铁 | 阿拉丁 | >98% |
硝酸铜 | 阿拉丁 | >98% |
石墨片 | 天原 | 等静压石墨;25mm*35mm |
多空钛板 | 钛金材料 | >98%;25mm*35mm |
多空镍 | 钛金材料 | >98%;25mm*35mm |
泡沫镍 | 钛金材料 | >98%;25mm*35mm |
泡沫铜 | 钛金材料 | >98%;25mm*35mm |
直流电源 | 固玮 | 双通道直流电源 |
马弗炉 | 笃特 | MF-N高温马弗炉 |
烘箱 | 浦下 | BGX-9225 |
玻璃电解池 | 欣维尔 | - |
气相色谱分析条件:安捷伦气相色谱,色谱柱HP-5进行在线测定,二阶程序升温,初始温度50℃,保持1分钟后以5℃/min的速率升至80℃;再以10℃/min的速率升至250℃。载气高纯N2,分流比100:1。进样温度250℃,检测器为FID,检测器温度250℃。
实施例1
取一片等静压石墨催化电极(30mm*20mm*1mm)加入无水甲醇超声10min后,取出放入去离子水中继续超声10min,随后放入烘箱中烘干备用。
称取3g硝酸锡、1g硝酸锆、0.5g柠檬酸钠、1g亚磷酸氢钠加入去离子水中配成200g电沉积电解液。以等静压石墨做阳极,铂电极为阴极,在3V的恒电压作用下反应30min。取出石墨电极,用去离子水清洗三遍后,放入马弗炉中,450℃下煅烧2h,得催化阳极。
选制备的催化电极做阳极,泡沫铜为阴极,称取24g甲醇、24g呋喃、12g溴化钠,混合配成电解液后倒入在单室电解槽中,电解槽配置蛇形冷凝管,使用低温循环浴给电解槽控温,待电解槽内电解液温度为-15℃时,开始电解。反应期间控制电流密度为300A/m2,冷凝管温度为-10℃,控制槽电压最大不超过10V。利用法拉第定律,计算完全反应所需要的理论反应时间为54h,实际反应54.5h后切断电源,并取样分析。得原料呋喃转换率99%,产物1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯收率为60%,主要副产2,5-二甲氧基-二氢呋喃收率为34%。
实施例2
取一片等静压石墨电极(30mm*20mm*1mm)加入无水甲醇超声10min后,取出放入去离子水中继续超声10min,随后放入烘箱中烘干备用。
称取5g硝酸铱、5g硝酸铈、1.5g柠檬酸钠、1.5g亚磷酸氢钠加入去离子水中配成200g电沉积电解液。以等静压石墨做阳极,铂电极为阴极,在3V的恒电压作用下反应30min。取出石墨电极,用去离子水清洗三遍后,放入马弗炉中,450℃下煅烧2h,得催化阳极。
选制备的催化电极做阳极,泡沫镍为阴极,称取100g甲醇、24g呋喃、6g溴化钾,混合配成电解液后倒入在单室电解槽中,电解槽配置蛇形冷凝管,使用低温循环浴给电解槽控温,待电解槽内电解液温度为0℃时,开始电解。反应期间控制电流密度为1000A/m2,冷凝管温度为-10℃,控制槽电压最大不超过10V。利用法拉第定律,计算完全反应所需要的理论反应时间为12h,实际反应12.2h后切断电源,并取样分析。得原料呋喃转换率99%,产物1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯收率为68.3%,主要副产2,5-二甲氧基-二氢呋喃收率为23.1%。
实施例3
取一片等静压石墨电极(30mm*20mm*1mm)加入无水甲醇超声10min后,取出放入去离子水中继续超声10min,随后放入烘箱中烘干备用。
称取15g硝酸铅、5g硝酸铜、3.5g柠檬酸钠、3.5g亚磷酸氢钠加入去离子水中配成200g电沉积电解液。以等静压石墨做阳极,铂电极为阴极,在3V的恒电压作用下反应30min。取出石墨电极,用去离子水清洗三遍后,放入马弗炉中,450℃下煅烧2h,得催化阳极。
选制备的催化电极做阳极,石墨为阴极,称取150g甲醇、24g呋喃、2g四甲基溴化钠,混合配成电解液后倒入在单室电解槽中,电解槽配置蛇形冷凝管,使用低温循环浴给电解槽控温,待电解槽内电解液温度为20°时,开始电解。反应期间控制电流密度为2000A/m2,冷凝管温度为15℃,控制槽电压最大不超过10V。利用法拉第定律,计算完全反应所需要的理论反应时间为9h,实际反应9.3h后切断电源,并取样分析。得原料呋喃转换率99%,产物1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯收率为77.1%,主要副产2,5-二甲氧基-二氢呋喃收率为13.0%。
实施例4
取一片等静压石墨电极(30mm*20mm*1mm)加入无水甲醇超声10min后,取出放入去离子水中继续超声10min,随后放入烘箱中烘干备用。
称取15g硝酸锌、15g硝酸亚铁、5g柠檬酸钠、5g亚磷酸氢钠加入去离子水中配成200g电沉积电解液。以等静压石墨做阳极,铂电极为阴极,在3V的恒电压作用下反应30min。取出石墨电极,用去离子水清洗三遍后,放入马弗炉中,450℃下煅烧2h,得催化阳极。
选制备的催化电极做阳极,多孔钛为阴极,称取240g甲醇、24g呋喃、0.24g四乙基溴化铵,混合配成电解液后倒入在单室电解槽中,电解槽配置蛇形冷凝管,使用低温循环浴给电解槽控温,待电解槽内电解液温度为30℃时,开始电解。反应期间控制电流密度为3000A/m2,冷凝管温度为-10℃,控制槽电压最大不超过10V。利用法拉第定律,计算完全反应所需要的理论反应时间为6h,实际反应6.3h后切断电源,并取样分析。得原料呋喃转换率99%,产物1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯收率为78.0%,主要副产2,5-二甲氧基-二氢呋喃收率为12.8%。
实施例5
取一片等静压石墨电极(30mm*20mm*1mm)加入无水甲醇超声10min后,取出放入去离子水中继续超声10min,随后放入烘箱中烘干备用。
称取5g硝酸铱、5g硝酸铈、1.5g柠檬酸钠、1.5g亚磷酸氢钠加入去离子水中配成200g电沉积电解液。以等静压石墨做阳极,铂电极为阴极,在3V的恒电压作用下反应30min。取出石墨电极,用去离子水清洗三遍后,放入马弗炉中,450℃下煅烧2h,得催化阳极。
选制备的催化电极做阳极,多孔镍板为阴极,称取150g甲醇、24g呋喃、2g溴化钠,混合配成电解液后倒入在单室电解槽中,电解槽配置蛇形冷凝管,使用低温循环浴给电解槽控温,待电解槽内电解液温度为15℃时,开始电解。反应期间控制电流密度为2000A/m2,冷凝管温度为-10℃,控制槽电压最大不超过10V。利用法拉第定律,计算完全反应所需要的理论反应时间为9h,实际反应9.3h后切断电源,并取样分析。得原料呋喃转换率99%,产物1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯收率为78.0%,主要副产2,5-二甲氧基-二氢呋喃收率为12.8%。
实施例6
取一片等静压石墨电极(30mm*20mm*1mm)加入无水甲醇超声10min后,取出放入去离子水中继续超声10min,随后放入烘箱中烘干备用。
称取10g硝酸铱、10g硝酸铈、1.5g柠檬酸钠、1.5g亚磷酸氢钠加入去离子水中配成200g电沉积电解液。以等静压石墨做阳极,铂电极为阴极,在3V的恒电压作用下反应30min。取出石墨电极,用去离子水清洗三遍后,放入马弗炉中,450℃下煅烧2h,得催化阳极。
选制备的催化电极做阳极,泡沫镍为阴极,称取150g甲醇、24g呋喃、2g金刚烷基溴化铵,混合配成电解液后倒入在单室电解槽中,电解槽配置蛇形冷凝管,使用低温循环浴给电解槽控温,待电解槽内电解液温度为15℃时,开始电解。反应期间控制电流密度为2000A/m2,冷凝管温度为-10℃,控制槽电压最大不超过10V。利用法拉第定律,计算完全反应所需要的理论反应时间为9h,实际反应9.3h后切断电源,并取样分析。得原料呋喃转换率99%,产物1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯收率为78.0%,主要副产2,5-二甲氧基-二氢呋喃收率为12.8%。
对比例1
阴阳极均使用石墨电极。
称取60g甲醇、24g呋喃、2g溴化钠,混合配成电解液后倒入在单室电解槽中,电解槽配置蛇形冷凝管,使用低温循环浴给电解槽控温,待电解槽内电解液温度为0°时,开始电解。反应期间控制电流密度为1500A/m2,冷凝管温度为-10℃,控制槽电压最大不超过10V。利用法拉第定律,计算完全反应所需要的理论反应时间为18h,实际反应18.18h后切断电源,并取样分析。得原料呋喃转换率99%,产物1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯收率为7.2%,主要副产2,5-二甲氧基-二氢呋喃收率为81.7%。
对比例2
现有技术制备方法。
1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯制备:依次在1000ml三口烧瓶中称量64.1g甲醇、106.1g原甲酸三甲酯与130.1g 2,5-二甲氧基二氢呋喃,三口烧瓶配备蛇形冷凝管,使用油浴给三口烧瓶加热,待三口烧瓶内温度达到30℃。称量2.0g光催化剂(CAT-1),称量完毕加入三口烧瓶,使用氙灯作为光源,在700nm光照条件下,计时反应开始,反应期间控制反应液内温30℃,冷凝管内冷却介质温度低于0℃。当反应进行4.0h时取样进行气相分析,得到原料2,5-二甲氧基-二氢呋喃转化率91.8%,产物1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯选择性85.0%。
实施例1-6及对比例2反应指标如表1所示。通过实施例3和对比例2的比较可以发现,本发明的方案合成路线短,工艺简化,且几乎不产生含盐废水,分子利用率高,绿色环保。
表1实施例和对比例反应指标
序号 | 转化率 | 1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯选择性 | 2,5-二甲氧基-二氢呋喃选择性 |
实施例1 | 96.5% | 61.5% | 35.5% |
实施例2 | 98.3% | 72.0% | 23.4% |
实施例3 | 99.1% | 81.7% | 15.2% |
实施例4 | 92.2% | 75.2% | 20.1% |
实施例5 | 98.6% | 73.1% | 23.6% |
实施例6 | 96.6% | 78.0% | 16.9% |
对比例1 | 99.0% | 7.2% | 81.7% |
Claims (8)
1.一种以呋喃为原料一步法合成1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯的电化学合成方法,其特征在于,所述方法包含如下步骤:
(1)将呋喃、甲醇、溴盐混合配制电解液;
(2)将电解液通入无隔膜单室电解槽中进行电解反应,制得1,1,4,4-四甲氧基-2-丁烯;
其中,所述步骤(2)采用负载金属氧化物的等静压石墨催化电极作为阳极,阴极为泡沫铜、泡沫镍、泡沫石墨、多孔钛板、多孔镍板、多孔钛镀铂板中的一种。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)的溴盐为溴化钠、溴化钾、溴化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丁基溴化铵、苄基三乙基溴化铵、金刚烷基溴化铵中的一种或多种;
和/或,所述步骤(1)配制的电解液中甲醇和呋喃的质量比为(1-10):1;
和/或,所述步骤(1)配制的电解液中溴盐和呋喃的质量比为(0.01-0.5):1。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)中电解反应温度为-15℃-30℃;
和/或,所述步骤(2)中电流密度为300A/m2-3000A/m2。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)的负载金属氧化物为IrO2、ZnO、SnO2、PbO2、CeO2、ZrO2、Fe2O3、CuO中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述催化电极的制备方法为:以等静压石墨为阴极,Pt电极为阳极,电解液是金属盐、还原剂、稳定剂组成的水溶液,采用电沉积法,并在高温空气环境中热处理,得到负载金属氧化物的等静压石墨催化电极;
其中,热处理温度为300-500℃。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述催化电极制备方法中的金属盐为Ir、Zn、Sn、Pb、Ce、Zr、Fe、Cu中的一种或多种的硝酸盐;
和/或,所述还原剂为亚磷酸氢钠;
和/或,所述稳定剂为柠檬酸钠。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述催化电极制备方法中所述电解液中硝酸盐总浓度为2-15wt%;
所述电解液中还原剂的质量分数为0.5-5wt%;
所述电解液中稳定剂的质量分数为0.5-5wt%。
8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述催化电极制备方法中的热处理时间为1-3h。
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