CN115784927A - 一种烷烃三腈的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种烷烃三腈的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:(1)将脂肪醛与有机胺、酸、阻聚剂和丙烯腈混合反应,得到二甲酰基烷烃腈;(2)将步骤(1)得到的二甲酰基烷烃腈与碱、盐酸羟胺、酸酐和催化剂混合反应得到所述烷烃三腈。本发明提供的制备方法收率高,纯度高,原料易得,不采用氢氰酸、氰化钠等剧毒试剂,对环境友好。
Description
技术领域
本发明属于有机合成领域,具体涉及一种烷烃三腈的制备方法,尤其涉及一种收率高的烷烃三腈的制备方法。
背景技术
烷烃三腈类化合物作为电池电解液在新能源领域有着较为广泛的应用。锂电池电解液中添加的烷烃三腈类化合物,可以在高温下与正极的表面结合而形成络合体,作为遮断正极表面的活性部位的保护膜起作用。通过这样的保护膜,可以抑制从正极活性物质溶出过渡金属的一部分并向负极析出、或者可以抑制由电解液和正极之间的反应引起的副反应及气体产生,即使在高温下,也能够使锂圆滑地吸留释放,可以抑制寿命特性降低。
同时,烷烃三腈类化合物在聚氨酯(PU)化学中用作重要的基本结构单元,例如制备聚氨酯粘合剂或聚氨酯涂料。特别是1,3,6-己烷三腈在各种温度环境下的稳定性都很强,也是许多工业应用产品的重要中间体。三腈可以通过催化氢化生成1,3,6-三氨基己烷,然后与光气作用形成烷烃三异氰酸,然后利用聚合反应制备聚氨酯,最后生产出各种粘合剂或聚氨酯涂料。
目前合成烷烃三腈类化合物的方法普遍存在环境污染大、收率低、工艺复杂、纯度不高的问题,严重制约了烷烃三腈在化学工业特别是在锂电池电解液中的应用。
过去较长一段时间内,腈类化合物的合成方法是利用卤代烷烃与金属氰化物(如氰化钠、氰化钾、氰化铜等)发生取代反应制备,而金属氰化物属于剧毒化学品,逐渐被现代安全环保的绿色化学所替代是一种趋势。
上海如鲲新材料有限公司利用利用2,5-二氰-2-氰乙基戊酸乙酯通过高温脱羧制备1,3,6-己烷三腈(CN111517986A),但是该方法能耗较高。
河北圣泰材料股份有限公司公布了一种利用1,6-二氰基-2-己烯与氰化钠高温反应制备1,3,6-己烷三腈的方法,其缺点是工艺较复杂,用到了高毒性的氰化钠,而且1,6-二氰基-2-己烯工业上不易制备。
目前制备烷烃三腈类化合物时会用到氢氰酸、氰化钠等剧毒试剂,面临所使用的原材料不易获得、产品收率低、纯度低、制备方法复杂等问题,严重阻碍了烷烃三腈下游产品的开发和利用。因此,亟需提供一种原料易得、收率高的烷烃三腈类化合物的制备方法。
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烷烃三腈的制备方法,尤其提供一种收率高的烷烃三腈的制备方法。本发明提供的制备方法收率高,纯度高,原料易得,不采用氢氰酸、氰化钠等剧毒试剂,对环境友好。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供了一种烷烃三腈的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
(1)将脂肪醛与有机胺、酸、阻聚剂和丙烯腈混合反应,得到二甲酰基烷烃腈;
(2)将步骤(1)得到的二甲酰基烷烃腈与碱、盐酸羟胺、酸酐和催化剂混合反应得到所述烷烃三腈。
所述制备方法的反应路线如下:
其中n选自1-5的整数,例如1、2、3、4或5等。
上述制备方法以二醛为原料,经过两步反应即可得到烷烃三腈,反应收率高,产品纯度高,同时步骤(1)中反应无需溶剂参与,废液少,对环境友好,原料和催化剂均为常规试剂,能够方便获得。
优选地,步骤(1)所述有机胺包括环己胺、正丁胺、特戊胺、环戊胺、环辛胺、环己甲胺或叔戊胺中任意一种或至少两种的组合,例如环己胺和正丁胺的组合、正丁胺和特戊胺的组合或环戊胺和环己胺的组合等,但不限于以上所列举的组合,上述组合范围内其他未列举的组合同样适用,优选环己胺。
优选地,步骤(1)所述酸包括甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、三氟甲磺酸、三氟乙酸或对甲苯磺酸中任意一种或至少两种的组合。
优选地,步骤(1)所述阻聚剂包括对羟基苯甲醚、2,5-二叔丁基对苯二酚、2,6-二叔丁基对甲苯酚、2-叔丁基对苯二酚或吩噻嗪中任意一种或至少两种的组合,例如对羟基苯甲醚和2,5-二叔丁基对苯二酚的组合、2,5-二叔丁基对苯二酚和2,6-二叔丁基对甲苯酚的组合或2-叔丁基对苯二酚和吩噻嗪的组合等,但不限于以上所列举的组合,上述组合范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地,步骤(1)所述脂肪醛、有机胺、酸和丙烯腈的摩尔比为1:(0.01-0.5):(0.001-0.01):(0.5-2),例如1:0.01:0.001:0.5、1:0.02:0.003:0.8、1:0.03:0.005:1.3、1:0.04:0.007:1.7或1:0.5:0.01:2等,但不限于以上所列举的数值,上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(1)所述丙烯腈与阻聚剂的摩尔比为(0.5-2):(0.005-0.02)。
优选地,步骤(1)所述反应的温度为10-150℃,例如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等,但不限于以上所列举的数值,上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(2)所述碱包括吡啶、对二甲氨基吡啶、三乙胺或二异丙乙基胺中任意一种或至少两种的组合,例如吡啶和对二甲氨基吡啶的组合、对二甲氨基吡啶和三乙胺的组合或三乙胺和二异丙乙基胺的组合等,但不限于以上所列举的组合,上述组合范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地,步骤(2)所述酸酐包括乙酸酐、丙酸酐、三氟乙酸酐或三氟甲磺酸酐中任意一种或至少两种的组合。
优选地,步骤(2)所述催化剂为金属盐催化剂,所述金属盐催化剂包括乙酸铜、乙酸镍、乙酸钾、乙酸钠、三氟甲磺酸锌、三氟甲磺酸钙、三氟甲磺酸铜、氯化镍或氯化铜中任意一种或至少两种的组合,例如乙酸铜和乙酸镍的组合、乙酸镍和乙酸钾的组合或乙酸钾和乙酸钠的组合等,但不限于以上所列举的组合,上述组合范围内其他未列举的组合同样适用。
优选地,步骤(2)所述二甲酰基烷烃腈、碱、盐酸羟胺、酸酐和催化剂的摩尔比为1:(3-5):(1.5-3):(2-4):(0.03-0.1)。
优选地,步骤(2)所述反应的温度为10-150℃。
其中,二甲酰基烷烃腈、碱、盐酸羟胺、酸酐和催化剂的摩尔比可以是1:3:1.5:2:0.03、1:3.5:1.7:2.5:0.04、1:4:2:3:0.05、1:4.5:2.3:3.5:0.06或1:5:3:4:0.1等,温度可以是10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等,但不限于以上所列举的数值,上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,步骤(2)所述反应在溶剂中进行,所述溶剂包括四氢呋喃、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲亚砜、乙腈、环丁砜、乙酸乙酯或乙酸异丙酯中任意一种或至少两种的组合,例如N,N-二甲基乙酰胺和四氢呋喃的组合、N,N-二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺的组合或二氯甲烷和二甲亚砜的组合等,但不限于以上所列举的组合,上述组合范围内其他未列举的组合同样适用。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明提供了一种全新的烷基三腈的制备方法,以二醛为原料,经过两步反应即可得到烷烃三腈,反应收率高,产品纯度高,同时步骤(1)中反应无需溶剂参与,废液少,对环境友好,原料和催化剂均为常规试剂,能够方便获得。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果,以下结合本发明的优选实施例来进一步说明本发明的技术方案,但本发明并非局限在实施例范围内。
实施例1 1,3,6-己烷三腈的制备
(1)反应式如下:
将己二醛(0.2mol,22.8g)、环己胺(0.99g,0.01mol)、乙酸(0.1g)的混合物,在70℃下搅拌反应30分钟。然后加入阻聚剂对羟基苯甲醚(0.25g,0.002mol),滴加丙烯腈(0.2mol,10.6g)到上述反应液中,滴加完毕后,120℃下搅拌2h,减压蒸馏得到4,7-二甲酰基庚腈(28.7g,收率86%)。
(2)反应式如下:
盐酸羟胺(0.2mol,13.9g)缓慢加入到吡啶(31.6g,0.4mol)和4,7-二甲酰基庚腈(0.1mol,16.7g)的二氯甲烷(200mL)溶液中,在20℃下搅拌1h。然后加入乙酸铜(1.82g,0.01mol)通过滴液漏斗滴加乙酸酐(31.0g,0.3mol)到上述反应液中,保持反应体系温度不高于30℃,滴加完毕后,40℃下搅拌8h。加入二氯甲烷(100mL)稀释反应混合物,加入1mol/L盐酸水溶液(100mL)继续搅拌30min,然后分出有机相,依次用饱和碳酸氢钠水溶液(100mL)、饱和食盐水(100mL)洗涤。有机层经无水硫酸钠干燥,过滤,旋转蒸发所得粗品通过精馏,得到1,3,6-己烷三腈(15.3g,收率95%,气相色谱检测纯度99.9%)。
表征数据如下:HNMR(氘代氯仿,400MHz):1.84(m,4H),1.98(m,2H),2.46(m,2H),2.64(m,2H),2.80(m,1H)。
实施例2 1,3,5戊烷三腈的制备
(1)反应式如下:
将戊二醛(20.0g)、环己胺(0.99g)、乙酸(0.1g)的混合物,在70℃下搅拌反应30分钟。然后加入阻聚剂2,6-二叔丁基对甲苯酚(0.44g,0.002mol),滴加丙烯腈(10.6g)到上述反应液中,滴加完毕后,150℃下搅拌2h,减压蒸馏得到4,6-二甲酰基己腈(26.9g,收率88%)。
(2)反应式如下:
盐酸羟胺(20.9g,0.3mol)缓慢加入到吡啶(39.6g,0.5mol)和4,7-二甲酰基庚腈(15.3g,0.1mol)的二氯甲烷(200mL)溶液中,在20℃下搅拌2h。然后加入乙酸钾(0.98g,0.01mol),通过滴液漏斗滴加乙酸酐(31.0g,0.3mol)到上述反应液中,保持反应体系温度不高于30℃,滴加完毕后,10℃搅拌12h。加入二氯甲烷(200mL)稀释反应混合物,加入1mol/L盐酸水溶液(100mL)继续搅拌30分钟,然后分出有机相,依次用饱和碳酸氢钠水溶液(100mL)、饱和食盐水(100mL)洗涤。有机层经无水硫酸钠干燥,过滤,旋转蒸发所得粗品通过精馏,得到1,3,6-戊烷三腈(14.1g,收率96%,气相色谱检测纯度99.9%)。
表征数据如下:HNMR(氘代氯仿,400MHz):2.04(m,4H),2.65(m,4H),2.95(m,1H)。
实施例3 1,3,7-庚烷三腈的制备
(1)反应式如下:
将庚二醛(25.6g,0.2mol)、环己胺(0.99g,0.01mol)、乙酸(0.1g,1.67mmol)的混合物,在70℃下搅拌反应30分钟。然后加入阻聚剂2,5-二叔丁基对苯二酚(0.45g),滴加丙烯腈(10.6g)到上述反应液中,滴加完毕后,10℃下搅拌12h,减压蒸馏得到4,8-二甲酰基辛腈(29.1g,收率80.4%)
(2)反应式如下:
盐酸羟胺(20.9g,0.3mol)缓慢加入到吡啶(39.6g)和4,8-二甲酰基辛腈(18.2g)的乙酸异丙酯(200mL)溶液中,在20℃下搅拌2h后,一次性加入乙酸镍(2.4g,0.01mol),然后通过滴液漏斗滴加乙酸酐(31.0g,0.3mol)到上述反应液中,保持温度低于30℃。滴加完毕后,150℃搅拌2h。加入二氯甲烷(200mL)稀释反应混合物,加入1mol/L盐酸水溶液(100mL)继续搅拌30分钟,然后分出有机相,依次用饱和碳酸氢钠水溶液(100mL)、饱和食盐水(100mL)洗涤。有机层经无水硫酸钠干燥,过滤,旋转蒸发所得粗品通过精馏,得到1,3,7-庚烷三腈(16.5g,收率94%,气相色谱检测纯度99.9%)。
表征数据如下:HNMR(氘代氯仿,400MHz):1.36(m,2H),1.69(m,2H),1.71(m,2H),1.98(m,2H),2.38(t,2H),2.47(m,2H),2.72(m,1H)。
实施例4
本实施例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除将步骤(2)中的吡啶的加入量为0.3mol、盐酸羟胺的加入量为0.15mol、乙酸酐的加入量为0.2mol外,其余与实施例1一致。
最终得到1,3,6-己烷三腈14.6g,收率91%。
实施例5
本实施例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除将步骤(2)中的吡啶的加入量为0.5mol、盐酸羟胺的加入量为0.25mol、乙酸酐的加入量为0.4mol外,其余与实施例1一致。
最终得到1,3,6-己烷三腈15.2g,收率94%。
实施例6
本实施例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除将步骤(2)中乙酸酐替换为0.3mol的甲磺酸酐外,其余与实施例1一致。
最终得到1,3,6-己烷三腈14.5g,收率90%。
实施例7
本实施例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除将步骤(1)中的环己胺替换为等摩尔量的环戊胺外,其余与实施例1一致。
最终步骤(1)中得到4,7-二甲酰基庚腈27.5g,收率82%。
实施例8
本实施例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除将步骤(1)中的环己胺替换为等摩尔量的正丁胺外,其余与实施例1一致。
最终步骤(1)中得到4,7-二甲酰基庚腈26.8g,收率80%。
实施例9
本实施例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除将步骤(2)中的吡啶的加入量为0.25mol外,其余与实施例1一致。
最终得到1,3,6-己烷三腈13.7g,收率85%。
对比例1
本对比例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除步骤(1)中不加入阻聚剂外,其余与实施例1一致。
最终步骤(1)中得到4,7-二甲酰基庚腈23.4g,收率70%。
对比例2
本对比例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除步骤(2)中不加入乙酸铜外,其余与实施例1一致。
最终得到1,3,6-己烷三腈11.3g,收率70%,纯度98.9%。
对比例3
本对比例提供了一种1,3,6-己烷三腈的制备方法,步骤中除步骤(2)中不加入吡啶外,其余与实施例1一致。
最终得到1,3,6-己烷三腈5.5g,收率34%,纯度98.6%。
根据以上数据可以发现本发明提供的烷烃三腈的制备方法具有收率高、产品纯度高、无需采用剧毒试剂等优点;比较实施例1、4-5可以发现,本发明通过控制相关原料比例能够进一步提高产品的收率;比较实施例1、7-8可以发现,本发明通过选择特定有机胺能够进一步提高中间体的收率;比较实施例1和对比例1-3可以发现,本发明通过采用特定的反应原料,能够显著提高产品和中间体的收率。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的烷烃三腈的制备方法,但本发明并不局限于上述实施例,即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。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。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述有机胺包括环己胺、正丁胺、特戊胺、环戊胺、环辛胺、环己甲胺或叔戊胺中任意一种或至少两种的组合,优选环己胺;
优选地,步骤(1)所述酸包括甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、三氟甲磺酸、三氟乙酸或对甲苯磺酸中任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述阻聚剂包括对羟基苯甲醚、2,5-二叔丁基对苯二酚、2,6-二叔丁基对甲苯酚、2-叔丁基对苯二酚或吩噻嗪中任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述脂肪醛、有机胺、酸和丙烯腈的摩尔比为1:(0.01-0.5):(0.001-0.01):(0.5-2)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述反应的温度为10-150℃。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述碱包括吡啶、对二甲氨基吡啶、三乙胺或二异丙乙基胺中任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述酸酐包括乙酸酐、丙酸酐、三氟乙酸酐或三氟甲磺酸酐中任意一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述催化剂为金属盐催化剂,所述金属盐催化剂包括乙酸铜、乙酸镍、乙酸钾、乙酸钠、三氟甲磺酸锌、三氟甲磺酸钙、三氟甲磺酸铜、氯化镍或氯化铜中任意一种或至少两种的组合。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述二甲酰基烷烃腈、碱、盐酸羟胺、酸酐和催化剂的摩尔比为1:(3-5):(1.5-3):(2-4):(0.03-0.1)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述反应的温度为10-150℃;
优选地,步骤(2)所述反应在溶剂中进行,所述溶剂包括四氢呋喃、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、二甲亚砜、乙腈、环丁砜、乙酸乙酯或乙酸异丙酯中任意一种或至少两种的组合。
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