发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种连续高效制备吡啶类氮氧化物的方法,本发明提供的方法,原料转化率高,产物收率高且选择性高,耗能低。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种连续高效制备吡啶类氮氧化物的方法,包括以下步骤:
将吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液进料至连续三段管式反应器中,依次进行第一段氧化反应、第二段氧化反应和第三段氧化反应,得到吡啶类氮氧化物;
所述酸性氧化剂溶液包括氧化剂、硫酸和水;
所述吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液的总体积空速为0.1~10h-1;
所述连续三段管式反应器的每段管式反应器中都装填有催化剂,所述催化剂包括钛硅分子筛、环氧丙烷和环氧氯丙烷中的一种或几种;
所述第一段氧化反应的温度为30~40℃,所述第二段氧化反应的温度为60~70℃,所述第三段氧化反应的温度为80~95℃。
优选的,所述吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液的进料体积比为1:1.1~1.4;
所述酸性氧化剂溶液中氧化剂、硫酸和水的质量比为4.5~59:1:34.5~56.1。
优选的,所述氧化剂包括过氧化氢、臭氧和次氯酸钠中的一种或几种。
优选的,所述吡啶类化合物包括吡啶、氰基吡啶类化合物或烷基吡啶类化合物。
优选的,所述进料的方式包括水平进料或竖直进料。
优选的,所述第一段氧化反应、第二段氧化反应和第三段氧化反应的总时间为0.1~5h。
优选的,所述第一段氧化反应、第二段氧化反应和第三段氧化反应的压力独立地为0~0.5MPa。
优选的,所述第三段氧化反应后还包括:将所得第三段氧化反应液降温结晶后固液分离,将所得固体产物进行干燥。
优选的,所述降温结晶的程序包括:以0.3~0.5℃/10min速率降温至70~80℃,每降0.5℃保持30~40min,然后以1~1.5℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30~40min,然后以5~7℃/10min的速率降温至30~50℃,每降5℃保持30min。
优选的,所述干燥的温度为60~70℃。
本发明提供了一种连续高效制备吡啶类氮氧化物的方法,包括以下步骤:将吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液进料至连续三段管式反应器中,依次进行第一段氧化反应、第二段氧化反应和第三段氧化反应,得到吡啶类氮氧化物;所述酸性氧化剂溶液包括氧化剂、硫酸和水;所述吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液的总体积空速为0.1~10h-1;所述连续三段管式反应器的每段管式反应器中都装填有催化剂,所述催化剂包括钛硅分子筛、环氧丙烷和环氧氯丙烷中的一种或几种;所述第一段氧化反应的温度为30~40℃,所述第二段氧化反应的温度为60~70℃,所述第三段氧化反应的温度为80~95℃。本发明提供的制备方法反应温度低,耗能低。本发明以连续三段管式反应器作为制备装置,采用连续化反应工艺,采用多相催化(钛硅分子筛、环氧丙烷和环氧氯丙烷催化剂均为固体催化剂)的方式,通过控制催化剂的种类、吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液的总体积空速以及每段氧化反应的温度,提高了原料转化率和产物的收率以及选择性,实现了高效、连续、快速、低耗能地制备吡啶类氮氧化物;而且,本发明采用催化剂催化寿命长,催化剂与产物易分离,生产成本低,操作简单,容易控制,三废少,安全环保,适宜工业化生产。如实施例测试结果所示,本发明提供的方法以吡啶为原料制备吡啶氮氧化物,吡啶的转化率为99.3%,吡啶氮氧化物的选择性为99.7%,收率为99%。
具体实施方式
本发明提供了一种连续高效制备吡啶类氮氧化物的方法,包括以下步骤:
将吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液进料至连续三段管式反应器中,依次进行第一段氧化反应、第二段氧化反应和第三段氧化反应,得到吡啶类氮氧化物;
所述酸性氧化剂溶液包括氧化剂、硫酸和水;
所述吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液的总体积空速为0.1~10h-1;
所述连续三段管式反应器的每段管式反应器中都装填有催化剂,所述催化剂包括钛硅分子筛TS-1和/或环氧丙烷;
所述第一段氧化反应的温度为30~40℃,所述第二段氧化反应的温度为60~70℃,所述第三段氧化反应的温度为80~95℃。
如无特殊说明,本发明采用的原料均为市售商品。
在本发明中,所述吡啶类化合物优选包括吡啶、氰基吡啶类化合物或烷基吡啶类化合物,所述氰基吡啶类化合物优选包括3-氰基吡啶或2-氰基吡啶,所述烷基吡啶类化合物包括3-甲基吡啶或2-甲基吡啶。
在本发明中,所述氧化剂优选包括过氧化氢、臭氧和次氯酸钠中的一种或几种;所述过氧化氢优选以双氧水形式使用,所述次氯酸钠优选以次氯酸钠水溶液形式使用,所述双氧水和次氯酸钠水溶液的质量浓度独立地优选为10~30%,更优选为20~30%。在本发明中,所述酸性氧化剂溶液中氧化剂、硫酸和水(当氧化剂为双氧水和/或次氯酸钠水溶液时,此处的水包括了双氧水和次氯酸钠水溶液中的水)的质量比优选优选为4.5~59:1:34.5~56.1,更优选为10~40:1:35~50,进一步优选为15~20:1:40~45。
在本发明中,所述吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液的进料体积比优选为1:1.1~1.4,更优选为1:1.2~1.4,进一步优选为1:1.3~1.4;所述吡啶类化合物和酸性氧化剂溶液的总体积空速为0.1~10h-1,优选为1~8h-1,更优选为5~7h-1,进一步优选为6h-1。在本发明中,所述进料的方式优选包括水平进料或竖直进料;所述竖直进料优选包括上进料或下进料;所述水平进料采用的连续三段管式反应器的示意图如图1所示,下进料采用采用的连续三段管式反应器的示意图如图2所示,上进料采用的连续三段管式反应器的示意图如图3所示;所述连续三段管式反应器优选为双线进料的连续分段管式反应器;所述连续三段管式反应器的径高比优选>12,更优选为12~20,粒径比(催化剂的床层高度与三段管式反应器的反应管的内径的比值)优选>5,更优选为5~8;所述连续三段管式反应器的第一段管式反应器设置有物料进口,第三段管式反应器设置有产物出口;所述连续三段管式反应器的每段管式反应器的外部都设置有换热装置,所述换热装置中的换热介质优选包括水,所述水优选为水蒸汽或循环水;所述换热装置优选设置有换热介质进口和换热介质出口;所述连续三段管式反应器的第一段管式反应器的出口与第二段管式反应器的进口优选通过管道连通;所述连续三段管式反应器的第二段管式反应器的出口与第三段管式反应器的进口优选通过管道连通。
在本发明中,所述第一段氧化反应的温度为30~40℃,优选为35~40℃;所述第二段氧化反应的温度为60~70℃,优选为65~70℃;所述第三段氧化反应的温度为80~95℃,优选为85~90℃;所述第一段氧化反应、第二段氧化反应和第三段氧化反应的压力独立地优选为0~0.5MPa,更优选为0.1~0.4MPa,进一步优选为0.1~0.2MPa。在本发明中,所述第一段氧化反应、第二段氧化反应和第三段氧化反应的总时间优选为0.1~5h,更优选为1~4h,进一步优选为2~3h。
所述第三段氧化反应后本发明优选还包括:将所得第三段氧化反应液降温结晶后固液分离,将所得固体产物进行干燥,得到吡啶类氮氧化物。在本发明中,所述降温结晶的程序优选包括:以0.3~0.5℃/10min速率降温至70~80℃,每降0.5℃保持30~40min,然后以1~1.5℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30~40min,然后以5~7℃/10min的速率降温至30~50℃,每降5℃保持30~40min,更优选为以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min。本发明对于所述固液分离没有特殊限定,采用本领域技术人员熟知的固液分离方式即可,具体如离心分离,在本发明中,所述干燥的温度优选为60~70℃,更优选为60~65℃;本发明对于所述干燥的时间没有特殊限定,干燥至恒重即可,具体如2h。
本发明采用连续化反应工艺,通过控制催化剂活性和反应物料经过催化剂床层的时间,来控制转化率和产物的选择性,本发明提供的方法能够高效、连续地制备吡啶类氮氧化物,原料转化率可达100%,吡啶类氮氧化物的选择性可达到99.8%。本发明针对现有吡啶类氮氧化物制备方法存在的问题,设计了更具优势的制备方式,以多相催化取代目前普遍使用的均相催化的方式,采用本发明提供的方法制备吡啶类氮氧化物,反应物转化率高,产物选择性高,生产成本低,催化剂寿命长,催化剂与产物易分离,操作简单,容易控制,无需使用大量的乙酸作为溶剂,产生的三废少,安全环保。而且,本发明提供的方法,反应温度易控制,氧化剂添加量低,在可控范围内略微升高反应温度,即可加快反应速率,不仅大大提高了原料转化率和产物选择性,而且降低了氧化剂的使用量,降低了生产成本。
为了进一步说明本发明,下面结合附图和实施例对本发明的连续高效制备吡啶类氮氧化物的方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例中,水平进料方式利用图1所示的连续三段管式反应器制备,下进料方式利用图2所示的连续三段管式反应器制备,上进料方式利用图3所示的连续三段管式反应器制备,图1~图3所示的连续三段管式反应器的径高比为20,粒径比为8。
实施例1
将钛硅分子筛TS-1催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与3-氰基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压(即0.1MPa)下反应20min(即第一段氧化反应、第二段氧化反应和第三段氧化反应的总时间),收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-氰基吡啶氮氧化物。3-氰基吡啶氮氧化物的核磁数据:1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ=8.86-8.85(m,1H),8.49-8.47(m,1H),7.82-7.80(m,1H),7.61-7.58(m,1H)。
实施例2
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与3-氰基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应20min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-氰基吡啶氮氧化物。3-氰基吡啶氮氧化物的核磁分析结果同实施例1。
图4为实施例2使用的环氧丙烷催化剂的XRD表征结果。
实施例3
将环氧氯丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与3-氰基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应20min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-氰基吡啶氮氧化物。3-氰基吡啶氮氧化物的核磁分析结果同实施例1。
实施例4
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与3-氰基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用下进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应60min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-氰基吡啶氮氧化物。3-氰基吡啶氮氧化物的核磁分析结果同实施例1。
实施例5
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与3-氰基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用上进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应10min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-氰基吡啶氮氧化物。3-氰基吡啶氮氧化物的核磁分析结果同实施例1。
实施例6
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与2-氰基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应20min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到2-氰基吡啶氮氧化物。2-氰基吡啶氮氧化物的核磁数据:1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ=8.46-8.44(m,1H),8.07-8.06(m,1H),7.71-7.67(m,1H),7.50-7.45(m,1H)。
实施例7
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与2-甲基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应20min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到2-甲基吡啶氮氧化物。2-甲基吡啶氮氧化物的核磁数据:1H NMR(400MHz,CDCl3):δ=8.31-8.30(m,1H),7.31-7.28(m,1H),7.25-7.16(m,2H),2.54(s,3H)。
实施例8
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与3-甲基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应20min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-甲基吡啶氮氧化物。3-甲基吡啶氮氧化物的核磁数据:1H NMR(400MHz,CDCl3):δ=7.95-7.92(m,2H),7.07-6.97(m,2H),2.18(s,3H)。
实施例9
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应20min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到吡啶氮氧化物。吡啶氮氧化物的核磁数据:1H NMR(400MHz,CDCl3):δ=8.24-8.22(m,2H),7.30-7.29(m,3H).
实施例10
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;30wt%次氯酸钠溶液、硫酸、水按质量比59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与3-氰基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为6h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应20min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-氰基吡啶氮氧化物。3-氰基吡啶氮氧化物的核磁分析结果同实施例1。
实施例11
将环氧丙烷催化剂20mL装填入连续氧化反应器中;将30wt%双氧水、硫酸和水按质量比为59:1:3的比例混合,得到酸性氧化剂溶液;将所述酸性氧化剂溶液与3-氰基吡啶按照体积比为4:3通入反应器中进行氧化反应,采用水平进料方式,总体积空速为3h-1,第一段反应管温度为40℃,第二段反应管温度为70℃,第三段反应管温度为90℃,控制物料体系在常压下反应40min,收集反应器出口处物料进行降温结晶,以0.5℃/10min速率降温至75℃,每降0.5℃保持30min,然后以1℃/10min的速率降温至60℃,每降1℃保持30min,然后以5℃/10min的速率降温至40℃,每降5℃保持30min,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-氰基吡啶氮氧化物。3-氰基吡啶氮氧化物的核磁分析结果同实施例1。
实施例1~11中原料(吡啶类化合物)的转化率和产物(吡啶类氮氧化物)的选择性的结果如表1所示。
表1实施例1~11中原料的转化率以及产物的选择性的结果
实施例 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
原料转化率/% |
98.5 |
100.0 |
95.1 |
99.5 |
98.9 |
99.4 |
99.2 |
99.8 |
99.3 |
98.8 |
99.8 |
产物选择性/% |
98.0 |
99.8 |
91.4 |
86.6 |
99.0 |
99.1 |
99.0 |
99.5 |
99.7 |
99.0 |
99.1 |
由表1可知,本发明提供的制备方法中吡啶类化合物的转化率在98.5%以上,吡啶类氮氧化物的选择性在86.6%以上,说明,本发明提供的制备方法原料转化率高且产物选择性高。
实施例2连续反应1000h的试验结果如表2所示。
表2实施例2连续反应1000h的试验结果
反应时间/h |
原料转化率/% |
产物选择性/% |
20 |
100.0 |
99.8 |
50 |
100.0 |
99.7 |
100 |
100.0 |
99.8 |
300 |
100.0 |
99.7 |
500 |
100.0 |
99.7 |
800 |
100.0 |
99.8 |
1000 |
100.0 |
99.7 |
由表2可知,本发明提供的制备方法,连续反应1000h后,吡啶类化合物的转化率仍然保持在100%,吡啶类氮氧化物的选择性仍然保持在99.7%以上,说明,本发明提供的制备方法能够实现能够实现,且原料转化率高,产物选择性高。
对比例1
依次将水200mL、浓硫酸15g、磷钼酸10g和1400g 3-氰基吡啶投入反应釜中,加热,以1℃/min的升温速率缓慢升温至86~94℃后保温,在8h内均匀滴加30wt%的双氧水1550mL,滴加完毕后保温反应6h,然后降温至15℃以下,离心分离,将所得固体在60℃条件下干燥2h,得到3-氰基吡啶氮氧化物(1550g,收率为96.1%,HPLC面积归一化法测得纯度为95.3%,熔点为168~171℃)。
对比例2
(1)调试:向200mL浆态床反应器内添加5g催化剂TS-1分子筛和200g蒸馏水,将反应器内的混合物的温度升温至85℃,待温度稳定后将反应器的压力调整为0MPa;
(2)氧化:向步骤(1)中调试后的反应器内加入3-甲基吡啶和30wt%双氧水,调节3-甲基吡啶的空速为10h-1,双氧水的空速为12.5h-1,3-甲基吡啶与双氧水的摩尔比为1:1.03;3-甲基吡啶和双氧水进行氧化反应生成吡啶氧化物粗品,经蒸馏分离,然后在60℃条件下干燥2h,得到3-甲基吡啶氧化物。
催化剂TS-1分子筛的使用寿命为126h,失活的催化剂TS-1分子筛经活化后还继续作为催化剂使用。反应过程稳定后可取样分析,3-甲基吡啶转化率为97.8%,3-甲基吡啶氧化物的选择性99.5%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。