CN116120355A - Al-Salen催化剂、其制备方法及丁二酸二叔戊酯的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种Al‑Salen催化剂、其制备方法及丁二酸二叔戊酯的合成方法,属于精细化工技术领域。所提供的Al‑Salen催化剂被用于作为酯交换反应制备丁二酸二叔戊酯的催化剂,高纯丁二酸二叔戊酯的收率能够达到55.1%‑94.3%。同时,该Al‑Salen催化剂具有良好的化学与热稳定性。更为重要的是,该Al‑Salen催化剂易于接枝在含有氨基的固体载体上,制备易于回收的固体催化剂,以便于在制备丁二酸二叔戊酯时从体系中分离,有利于进一步提高丁二酸二叔戊酯的纯度。
Description
技术领域
本发明属于精细化工技术领域,特别涉及一种Al-Salen催化剂、其制备方法及丁二酸二叔戊酯的合成方法。
背景技术
DPP类有机颜料是吡咯并吡咯二酮类化合物的衍生物,是一类由瑞士Ciba公司在1983年研制成功的新型高性能有机颜料。丁二酸二烷基酯是DPP生产过程中关键中间体之一,使用不同的丁二酸二烷基酯与同一苯腈或其衍生物进行反应,生成的颜料产率和品质不同。丁二酸二叔戊酯被证明是一种可进一步降低成本、简化生产过程与环保的制备前体。
丁二酸二叔戊酯不同于其他的烷基酯,由于叔戊醇的位阻较大,其与丁二酸通过酸醇酯化反应很难获得目标产物。酯交换法是目前较为成熟的方法,易于操作与控制。例如,1990年Ciba公司报道了一种在金属锂的作用下,丁二酸二甲酯与叔戊醇酯交换反应合成丁二酸二叔戊酯的方法,这种方法操作较为简单,反应也易于控制,高纯丁二酸二叔戊酯的产率为77%左右。公开号为CN103804190A的中国发明专利提供了一种丁二酸二叔烷基酯的合成方法,并提出采用金属锂的氢氧化物和铯盐的混合物为催化剂,因它们在反应所用的醇中溶解度适中,故可提高丁二酸二叔戊酯的收率,丁二酸二叔戊酯的收率可达92%,并降低了分离提纯的操作要求。然而,锂基催化剂虽然取得了较好的催化效果,但是价格昂贵,且不能重复使用,提高了制备成本。
Salen配合物的催化活性主要取决于活性中心(金属中心)配位环境和结构柔性。Salen一般只占据金属平面内的四个配位,而把轴向配位空出,因此Salen配合物在立体电子特性上高度可调,这使得金属-Salen配合物催化具有较大空间位阻的叔醇体系成为可能。TakashiO等的研究表明,采用桥氧双核Fe-Salen结构催化剂,催化乙苯甲酯与叔丁醇的酯交换反应,可在较为温和的条件下获得乙苯叔丁酯。然而,实验和理论表明,采用桥氧双核Fe-Salen作为催化剂制备丁二酸二叔戊酯,目标产物产率较低,主要产物为丁二酸单叔戊酯,分析原因为一方面丁二酸单叔戊酯空间位阻较大,进一步反应较为困难;另一方面是由于催化剂的稳定较差,桥氧双核Fe-Salen在酸的作用下易于水解为单核Fe-Salen,同时salen中C=N键在酸作用下也会进一步水解,而在丁二酸二甲酯中少量的酸是不可避免的。因此需要进一步开发新的金属-Salen催化剂。
发明内容
基于此,本发明提供一种Al-Salen催化剂,该催化剂具有良好的化学与热稳定性,易于接枝在含有氨基的固体催化载体上,制备易于回收的固体催化剂,且用于作为酯交换反应制备丁二酸二叔戊酯的催化剂,高纯丁二酸二叔戊酯的收率能够达到55.1%-94.3%。
本发明还提供一种上述Al-Salen催化剂的制备方法。
本发明还提供一种采用上述Al-Salen催化剂的丁二酸二叔戊酯的合成方法,反应条件温和,用少量催化剂即可实现高的丁二酸二叔戊酯收率。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
一种Al-Salen催化剂,其结构式如式Ⅰ或式Ⅱ所示:
其中,R选自H、卤素、叔丁基中的一种。
一种如上所述的Al-Salen催化剂的制备方法,包括以下步骤:
当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅰ所示时:
将结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与Al(NO3)3·9H2O在溶剂中,进行配合反应,得到结构式如式Ⅰ所示的Al-Salen催化剂;
当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅱ所示时:
将结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与三乙醇铝在溶剂中,进行配合反应,得到结构式如式Ⅱ所示的Al-Salen催化剂;
其中,R选自H、卤素、叔丁基中的一种。
优选地,当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅰ所示时:
结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与Al(NO3)3·9H2O的摩尔比为1:(1-1.3);
当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅱ所示时:
结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与三乙醇铝的摩尔比为1:(1-1.3)。
优选地,将结构式如式Ⅳ所示的H2-Salen配体与硼氢化钠在溶剂中,进行还原反应,得到结构式如式Ⅲ所示H4-Salen配体;
其中,R选自H、卤素、叔丁基中的一种。
优选地,结构式如式Ⅳ所示H2-Salen配体与硼氢化钠的摩尔比为1:(1-1.3)。
优选地,将结构式如式Ⅴ所示的水杨醛类化合物与乙二胺在溶剂中,进行缩合反应,得到结构式如式Ⅳ所示的H2-Salen配体;
其中,R选自H、卤素、叔丁基中的一种。
优选地,结构式如式Ⅴ所示的水杨醛类物质与乙二胺的摩尔比为(2-2.5):1。
优选地,所述溶剂选自二氯乙烷、己烷、乙酸乙酯、乙醇、环己烷、正丁醇、甲苯中的一种。
一种丁二酸二叔戊酯的合成方法,丁二酸二甲酯和叔戊醇在催化剂存在下,发生酯交换反应,生成丁二酸二叔戊酯,所述催化剂包括主催化剂,所述主催化剂为上所述的Al-Salen催化剂。
优选地,所述催化剂还包括助催化剂,所述助催化剂选自四丁基溴化铵、十六烷基溴化铵中的一种。
优选地,所述催化剂中,所述主催化剂与所述助催化剂的摩尔比为1:1。
优选地,所述催化剂还包括载体,所述载体上具有氨基。
优选地,所述载体选自Fe3O4-NH2、分子筛-NH2与氧化铝-NH2中的一种。
优选地,所述丁二酸二叔戊酯的合成方法包括以下步骤:
S01.丁二酸二甲酯、叔戊醇与所述催化剂混合,得到反应液;
S02.加热反应液至回流温度,生成的甲醇与部分叔戊醇被连续蒸出;
S03.补加叔戊醇,保持补加量等于蒸出量;
S04.检测反应液中丁二酸二甲酯含量,当丁二酸二甲酯含量不大于预定值时,停止反应,冷却反应液至室温;
S05.反应液减压蒸馏,得到丁二酸二叔戊酯产品。
优选地,所述反应液中,丁二酸二甲酯与叔戊醇的摩尔比为1:(10-12)。
优选地,所述反应液中,所述催化剂相对于丁二酸二甲酯的摩尔百分比为0.2%-2%。
与现有技术相比,本发明至少具有以下优点:
本发明提供一种Al-Salen催化剂,该Al-Salen催化剂中,C=N被还原为C-N,增加了催化剂的碱性以及催化剂的柔性,改变了Al配位空间环境,适于空间位阻较大的叔戊醇参与酯交换反应。用于作为酯交换反应制备丁二酸二叔戊酯的催化剂,高纯丁二酸二叔戊酯的收率能够达到55.1%-94.3%。同时,该Al-Salen催化剂具有良好的化学与热稳定性。更为重要的是,该Al-Salen催化剂易于接枝在含有氨基的固体载体上,制备易于回收的固体催化剂,以便于在制备丁二酸二叔戊酯时从体系中分离,有利于进一步提高丁二酸二叔戊酯的纯度。
本发明还提供一种Al-Salen催化剂的制备方法,以H4-Salen配体与Al化合物进行配合反应制备,制备过程简单,Al-Salen催化剂得率高。
本发明还提供一种丁二酸二叔戊酯的合成方法,以丁二酸二甲酯和叔戊醇为反应原料,在少量的上述Al-Salen催化剂的存在下,制备丁二酸二叔戊酯,不仅具有55.1%-94.3%的收率,且由于Al-Salen催化剂的量较少,在反应体系内有一定溶解度,无需后续分离,从而简化了反应步骤。
附图说明
图1为一实施例中Al-Salen催化剂制备模式图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下将结合本发明实施例,对本发明的技术方案做进一步描述,本发明不仅限于以下具体实施方式。
在本发明的一个实施方式中,一种Al-Salen催化剂,其结构式如式Ⅰ或式Ⅱ所示:
其中,R选自H、卤素、叔丁基中的一种。
上述Al-Salen催化剂中,C=N被还原为C-N,增加了催化剂的碱性以及催化剂的柔性,改变了Al配位空间环境,适于空间位阻较大的叔戊醇参与酯交换反应。同时,该Al-Salen催化剂具有良好的化学与热稳定性。更为重要的是,该Al-Salen催化剂易于接枝在含有氨基的固体载体(例如Fe3O4-NH2、分子筛-NH2与氧化铝-NH2中的一种)上,制备易于回收的固体催化剂,以便于在制备丁二酸二叔戊酯时从体系中分离,有利于进一步提高丁二酸二叔戊酯的纯度。
在本发明的又一个具体实施方式中,请参看图1,一种如上所述的Al-Salen催化剂的制备方法,包括以下步骤:
当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅰ所示时:
将结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与Al(NO3)3·9H2O在溶剂中,进行配合反应,得到结构式如式Ⅰ所示的Al-Salen催化剂;
当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅱ所示时:
将结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与三乙醇铝在溶剂中,进行配合反应,得到结构式如式Ⅱ所示的Al-Salen催化剂;
其中,R选自H、卤素、叔丁基中的一种。
作为优选,当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅰ所示时:
结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与Al(NO3)3·9H2O的摩尔比为1:(1-1.3);例如,结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与Al(NO3)3·9H2O的摩尔比为1:1.1。
当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅱ所示时:
结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与三乙醇铝的摩尔比为1:(1-1.3),例如,结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与三乙醇铝的摩尔比为1:1.1。
在一些具体实施方式中,将结构式如式Ⅳ所示的H2-Salen配体与硼氢化钠在溶剂中,进行还原反应,得到结构式如式Ⅲ所示H4-Salen配体;
其中,R选自H、卤素、叔丁基中的一种。
作为优选,结构式如式Ⅳ所示H2-Salen配体与硼氢化钠的摩尔比为1:(1-1.3),例如,H2-Salen配体与硼氢化钠的摩尔比为1:1.1。
在一些实施例中,将结构式如式Ⅴ所示的水杨醛类化合物与乙二胺在溶剂中,进行缩合反应,得到结构式如式Ⅳ所示的H2-Salen配体;
其中,R选自H、卤素、叔丁基中的一种。
作为优选,结构式如式Ⅴ所示的水杨醛类物质与乙二胺的摩尔比为(2-2.5):1。例如,结构式如式Ⅴ所示的水杨醛类物质与乙二胺的摩尔比为2.2:1。
在一个具体实施方式中,所述Al-Salen催化剂的制备方法包括如下步骤:
S10.将结构式如式Ⅴ所示的水杨醛类化合物与乙二胺在乙醇中,采用加热回流方式进行缩合反应,得到结构式如式Ⅳ所示的H2-Salen配体;
S20.将所述结构式如式Ⅳ所示的H2-Salen配体与硼氢化钠在乙醇中,采用加热回流方式进行还原反应,得到结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体;
S31.将所述结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与Al(NO3)3.9H2O在二氯乙烷中,采用加热回流方式进行配合反应,得到结构式如式Ⅰ所示的Al-Salen催化剂;
S32.将结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与三乙醇铝在甲苯中,采用加热回流方式进行配合反应,得到结构式如式Ⅱ所示的Al-Salen催化剂。
同时,本发明中,将结构式如式Ⅳ所示的H2-Salen配体替代结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体,重复步骤S31与步骤S32,分别得到对比催化剂1与对比催化剂2。
在一些具体实施方式中,上述过程中,所述加热回流温度为30℃-90℃,优选温度为60℃;加热回流时间2h-8h,优选回流时间为5h。
作为优选,所述溶剂选自二氯乙烷、己烷、乙酸乙酯、乙醇、环己烷、正丁醇、甲苯中的一种。
在一些具体的实施方式中,将13.4g(0.11mol)水杨醛与3g(0.05mol)乙二胺溶解于100ml乙醇中,在60℃下加热回流5h,冷却至0℃,析出淡黄色晶体,过滤、乙醇洗涤、真空干燥去除溶剂,在乙醇溶剂中重结晶,得到结构式如式Ⅳ所示H2-Salen配体11.9g,产率89%,元素分析(%)C,71.01;H,6.10;N,10.03(C16H16N2O2计算值C,71.64;H,5.97;N,10.44)。
将11.9gH2-Salen配体(0.0444mol)与18.5g(0.0488mol)溶解于100ml乙醇中,在60℃下加热回流5h,冷却至0℃,析出淡黄色晶体,过滤、乙醇洗涤、真空干燥去除溶剂,在乙醇溶剂中重结晶,得到结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体10.9g,产率91%,元素分析(%)C,70.92;H,6.98;N,10.01(C16H18N2O2计算值C,71.11;H,6.66;N,10.37)。
将2.7g(0.01mol)H4-Salen配体溶于10ml二氯甲烷中,加入4.125g(0.011mol)Al(NO3)3·9H2O的乙醇溶液100ml,在60℃下加热回流5h,冷却至0℃,析出黄绿色晶体,过滤、乙醇洗涤、真空干燥去除溶剂,在乙醇溶剂中重结晶,得到结构式如式Ⅰ所示的Al-Salen催化剂2.535g,产率71%,元素分析(%)C,54.03;H,4.99;N,12.01(C16H16N3O5Al计算值C,53.78;H,4.48;N,11.76)。
将2.7g(0.01mol)H4-Salen配体溶于10ml二氯甲烷中,加入1.782g(0.011mol)Al(OCH2CH3)3的甲苯溶液100ml,在60℃下加热回流5h,冷却至0℃,析出黄色晶体,过滤、甲苯洗涤、真空干燥去除溶剂,在甲苯溶剂中重结晶,得到结构式如式Ⅱ所示的Al-Salen催化剂1.97g,产率65%,元素分析(%)C,63.98;H,5.87;N,9.02(C32H32N4O5Al2计算值C,63.34;H,5.28;N,9.24)。
将2.68g(0.01mol)H2-Salen配体溶于10ml二氯甲烷中,加入4.12g(0.011mol)Al(NO3)3.9H2O的乙醇溶液100ml,在60℃下加热回流5h,冷却至0℃,析出黄绿色晶体,过滤、乙醇洗涤、真空干燥去除溶剂,在乙醇溶剂中重结晶,得到对比催化剂1共计2.627g,产率74%,元素分析(%)C,53.72;H,5.23;N,12.12(C16H14N3O5Al计算值C,54.08;H,4.97;N,11.83)。
将2.68g(0.01mol)H2-Salen配体溶于10ml二氯甲烷中,加入1.782g(0.011mol)Al(OCH2CH3)3的甲苯溶液100ml,在60℃下加热回流5h,冷却至0℃,析出黄色晶体,过滤、甲苯洗涤、真空干燥去除溶剂,在甲苯溶剂中重结晶,得到对比催化剂2共计1.97g,产率68%,元素分析(%)C,63.22;H,4.98;N,9.13(C32H28N4O5Al2计算值C,63.57;H,4.65;N,9.30)。
在本发明的又一个具体实施方式中,提供了一种丁二酸二叔戊酯的合成方法,具体的,丁二酸二甲酯和叔戊醇在催化剂存在下,发生酯交换反应,生成丁二酸二叔戊酯,所述催化剂包括主催化剂,所述主催化剂为上所述的Al-Salen催化剂。
为进一步提高催化效率,提高丁二酸二叔戊酯的收率,作为优选,所述催化剂还包括助催化剂,所述助催化剂选自四丁基溴化铵、十六烷基溴化铵中的一种。
在一优选实施方式中,所述催化剂中,所述主催化剂与所述助催化剂的摩尔比为1:1。
为便于从体系中分离所述Al-Salen催化剂,在一优选的实施方式中,所述催化剂还包括载体,所述载体上具有氨基。
作为优选,所述载体选自Fe3O4-NH2、分子筛-NH2与氧化铝-NH2中的一种。
在一个具体的实施方式中,所述丁二酸二叔戊酯的合成方法包括以下步骤:
S01.二酸二甲酯、叔戊醇与所述催化剂混合,得到反应液;
S02.加热反应液至回流温度,生成的甲醇与部分叔戊醇被连续蒸出;
S03.补加叔戊醇,保持补加量等于蒸出量;
S04.检测反应液中丁二酸二甲酯含量,当丁二酸二甲酯含量不大于预定值时,停止反应,冷却反应液至室温;
S05.反应液减压蒸馏,得到丁二酸二叔戊酯产品。
进一步地,将丁二酸二甲酯、叔戊醇与所述Al-Salen催化剂以及助催化剂加入反应釜中,升温加热反应液至回流温度,生成的甲醇与部分叔戊醇被连续蒸出;每隔一定时间后补加叔戊醇,保持补加量基本等于蒸出量;一段时间后,气相色谱检测显示丁二酸二甲酯被完全反应,停止反应;冷却反应液至室温,由于催化剂的使用量很小,且在反应体系内有一定溶解度,则无需后续分离;反应液减压蒸馏(65℃,10Pa)出反应液中的叔戊醇,得到纯度为98.5%的丁二酸二叔戊酯。
作为优选,所述反应液中,丁二酸二甲酯与叔戊醇的摩尔比为1:(10-12),例如,所述丁二酸二甲酯与叔戊醇的摩尔比为1:11。
作为优选,所述反应液中,所述催化剂相对于丁二酸二甲酯的摩尔百分比为0.2%-2%,优选为1%。
以下通过具体实验例,进一步说明本发明的技术方案以及技术效果。
在反应器内加入146g(1mol)丁二酸二甲酯、969.7g(1.1mol)叔戊醇,按照如表1所示的各实验例中所对应的催化剂组成及用量,向反应器中加入催化剂。升温加热反应液至回流温度100℃,生成的甲醇与部分叔戊醇被连续蒸出;每隔一定时间后补加叔戊醇,保持补加量基本等于蒸出量;24h后,气相色谱检测显示丁二酸二甲酯被完全反应,停止反应;冷却反应液至室温;反应液减压蒸馏(65℃,10Pa)出反应液中的叔戊醇,得到纯度为98.5%的丁二酸二叔戊酯。各催化体系丁二酸二叔戊酯产率见表1。
表1各催化体系丁二酸二叔戊酯产率
由表1,基于H2-Salen配体与Al化合物配合反应,得到的对比催化剂1与对比催化剂2,其参与丁二酸二甲酯和叔戊醇的酯交换反应,丁二酸二叔戊酯的收率仅为5.1%-6.5%,即使在助催化剂的存在下,其参与丁二酸二甲酯和叔戊醇的酯交换反应,丁二酸二叔戊酯的收率仅为9.7%-10.1%。
而基于H4-Salen配体与Al化合物配合反应,得到的结构式如式Ⅰ所示的Al-Salen催化剂和结构式如式Ⅱ所示的Al-Salen催化剂,其直接参与丁二酸二甲酯和叔戊醇的酯交换反应,丁二酸二叔戊酯的收率达到55.1%-65.6%,而在助催化剂四丁基溴化铵或十六烷基溴化铵的存在下,丁二酸二叔戊酯的收率达到85.2%-94.3%,具有高的催化效率。其原因可能是H4-salen配体,C=N被还原为C-N,增加了催化剂的碱性以及催化剂的柔性,改变了Al配位空间环境,适于空间位阻较大的叔戊醇参与酯交换反应。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
3.如权利要求2所述的Al-Salen催化剂的制备方法,其特征在于,
当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅰ所示时:
结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与Al(NO3)3·9H2O的摩尔比为1:(1-1.3);当Al-Salen催化剂的结构式如式Ⅱ所示时:
结构式如式Ⅲ所示的H4-Salen配体与三乙醇铝的摩尔比为1:(1-1.3)。
5.如权利要求4所述的Al-Salen催化剂的制备方法,其特征在于,结构式如式Ⅳ所示H2-Salen配体与硼氢化钠的摩尔比为1:(1-1.3)。
7.如权利要求6所述的Al-Salen催化剂的制备方法,其特征在于,结构式如式Ⅴ所示的水杨醛类物质与乙二胺的摩尔比为(2-2.5):1。
8.如权利要求2、4或6中所述的Al-Salen催化剂的制备方法,其特征在于,所述溶剂选自二氯乙烷、己烷、乙酸乙酯、乙醇、环己烷、正丁醇、甲苯中的一种。
9.一种丁二酸二叔戊酯的合成方法,丁二酸二甲酯和叔戊醇在催化剂存在下,发生酯交换反应,生成丁二酸二叔戊酯,其特征在于,所述催化剂包括主催化剂,所述主催化剂为如权利要求1所述的Al-Salen催化剂。
10.如权利要求9所述的丁二酸二叔戊酯的合成方法,其特征在于,所述催化剂还包括助催化剂,所述助催化剂选自四丁基溴化铵、十六烷基溴化铵中的一种。
11.如权利要求10所述的丁二酸二叔戊酯的合成方法,其特征在于,所述催化剂中,所述主催化剂与所述助催化剂的摩尔比为1:1。
12.如权利要求10所述的丁二酸二叔戊酯的合成方法,其特征在于,所述催化剂还包括载体,所述载体上具有氨基。
13.如权利要求12所述的丁二酸二叔戊酯的合成方法,其特征在于,所述载体选自Fe3O4-NH2、分子筛-NH2与氧化铝-NH2中的一种。
14.如权利要求9-13中任意一项所述的丁二酸二叔戊酯的合成方法,其特征在于,包括以下步骤:
S01.丁二酸二甲酯、叔戊醇与所述催化剂混合,得到反应液;
S02.加热反应液至回流温度,生成的甲醇与部分叔戊醇被连续蒸出;
S03.补加叔戊醇,保持补加量等于蒸出量;
S04.检测反应液中丁二酸二甲酯含量,当丁二酸二甲酯含量不大于预定值时,停止反应,冷却反应液至室温;
S05.反应液减压蒸馏,得到丁二酸二叔戊酯产品。
15.如权利要求14中所述的丁二酸二叔戊酯的合成方法,其特征在于,所述反应液中,丁二酸二甲酯与叔戊醇的摩尔比为1:(10-12)。
16.如权利要求14中所述的丁二酸二叔戊酯的合成方法,其特征在于,所述反应液中,所述催化剂相对于丁二酸二甲酯的摩尔百分比为0.2%-2%。
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