TWI414508B - A catalyst composition and a method for preparing an amide using the composition - Google Patents
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Description
本發明係關於一種製備醯胺的方法,尤指關於一種以硫酸搭配含氮雜環化合物所組成的催化組成物製備醯胺的方法。
己內醯胺是製造尼龍6纖維的重要原料。環己酮肟的貝克曼轉位反應則是生產己內醯胺關鍵的反應步驟,目前傳統重排反應過程係以發煙硫酸(Oleum)為催化劑將環己酮肟經液相貝克曼轉位反應轉化為己內醯胺硫酸塩,然後再以氨水中和硫酸來得到己內醯胺。雖然整個反應酮肟的轉化率幾乎為100%,醯胺的選擇率為99%以上,但是整個反應不僅所利用的發煙硫酸無法重覆使用,且中和後產生大量低價值的硫酸銨。因此,近年來開發新的己內醯胺生產技術,而其方向均著重在於減少或避免副產物硫酸銨的生成。第6265574號美國專利揭示利用分子篩為催化劑在流體化床反應器中進行氣相貝克曼轉位反應,雖然氣相轉位反應不產生副產物硫酸銨,但是己內醯胺的選擇率只有95.7%,且反應操作溫度(300~350℃)相較於液相反應亦較高,除上述兩點之外,氣相轉位反應最大的缺點在於觸媒失活太快,因此再生次數較為頻繁,不利於長期連續操作。
第3912721與3904609號美國專利揭示了一種在酸性環境下萃取醯胺與後續純化分離的方法,藉由特定官能基的萃取劑來回收產物己內醯胺,然而,此法的缺點在於萃取醯胺的過程中需於發煙硫酸中添加水,而添加水後的硫酸便很難將水去除至低含水量,若硫酸含水量過高,便會在轉位反應中造成反應物環己酮肟大量水解生成環己酮因而降低其反應選擇性,因此該方法中的發煙硫酸便無法循環再利用。
因此,亟需一種具有高酮肟轉化率與高醯胺選擇率且催化劑可重複利用之酮肟液相轉位反應方法,以製備醯胺。
有鑑於上述問題,本發明之主要目的在於提供一種可重複利用的催化組成物及使用該組成物製備醯胺的方法。
為達上述目的,本發明提供一種用於製備醯胺的催化組成物,係由含氮雜環化合物與硫酸所構成,其中,該含氮雜環化合物與硫酸的莫耳比介於1:1至1:8。
此外,本發明復提供一種使用該組成物製備醯胺的方法,該方法包括:在具有本發明之催化組成物的反應器中,使該催化組成物催化酮肟之貝克曼轉位反應,以生成具有醯胺之產物流;以及自該產物流分離出含醯胺之有機相及溶有該催化組成物之水相。
本發明所使用之催化組成物有利於回收催化組成物降低其所含的水分,是以,本發明製備醯胺的方法復可包括脫水處理該水相,以得到經脫水之催化組成物,再將該經脫水之催化組成物饋入該反應器中。
於前述之方法和催化組成物中,該含氮雜環化合物係選自下式(I)、(II)及其組合的一種或多種:
式(I)及(II)中,各該圓周(cycle)係表示5員至10員環之一者,且具有一個或多個氮原子,R1及R2可各獨立為氫或C1
~C8
烷基,其中,該C1
~C8
烷基係未經取代或經選自羥基(-OH)、羧基(-COOH)、胍基(NH2
C(=NH)NH-)、胺基(-NH2
)、醯胺基(-CONH2
)、酯基(-COOR,其中,R為C1
~C8
烷基)、磺酸基(-SO3
H)、氯亞磺醯基(ClSO-)、羥基苯基、C1
~C8
烷硫基、巰基(-SH)、C6
~C10
芳基或5至10員雜芳基之取代基取代。
於一具體實施例中,該含氮雜環化合物係選自5員或6員環,且所選擇的含氮雜環化合物係具有1或2個氮原子,例如,該含氮雜環化合物係選自N-甲基咪唑(N-Methylimidazole)、吡啶(Pyridine)、哌啶(Piperidine)、吡咯烷(Pyrrolidine)及所組成群組的一種或多種。
此外,在催化組成物催化酮肟進行貝克曼轉位反應生成醯胺後,可於反應液中添加水,並藉由烷基酚(Alkyl phenol)或芳香醇類之有機溶劑萃取產物流,以將產物醯胺由水相萃取至有機相,再經由蒸餾等方法分離產物醯胺與萃取劑。而溶於水相的催化組成物可於80℃至180℃經由減壓蒸發或蒸餾將所含的水分降低至低含水量的狀態下,再循環利用。
相較於使用發煙硫酸作為催化劑製備醯胺,本發明之催化組成物及製備醯胺的方法具有以下優點:
(1)含氮雜環化合物與硫酸所構成之催化組成物可輕易的將水去除至低含水量,因此可藉由萃取回收產物醯胺後再脫水處理該催化組成物至低含水量的狀態下再循環利用。
(2)不生產副產物硫酸銨。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式,熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
本發明提供一種用於製備醯胺的催化組成物,係由含氮雜環化合物與硫酸所構成。該硫酸可為一般含有2wt%水的硫酸,不以發煙硫酸為必要,搭配含氮雜環化合物即可達到高醯胺選擇率(98%)。通常,該含氮雜環化合物與硫酸的莫耳比介於1:1至1:8,較佳為1:1至1:5,並以1:1至1:3之範圍為最佳。
舉例而言,該含氮雜環化合物係選自下式(I)、(II)及其組合的一種或多種:
式(Ⅰ)及(Ⅱ)中,各該圓周係表示5員至10員環之一者,且具有一個或多個氮原子,R1及R2可各獨立為氫或C1
~C8
烷基,其中,該C1
~C8
烷基係未經取代或經選自羥基(-OH)、羧基(-COOH)、胍基(NH2
C(=NH)NH-)、胺基(-NH2
)、醯胺基(-CONH2
)、酯基(-COOR,其中,R為C1
~C8
烷基)、磺酸基(-SO3
H)、氯亞磺醯基(ClSO-)、羥基苯基、C1
~C8
烷硫基、巰基(-SH)、C6
~C10
芳基或5至10員雜芳基之取代基取代。
於具體實施例中,本發明以選自5員或6員環之含氮雜環化合物做說明,其中,所選擇的含氮雜環化合物係具有1或2個氮原子。例如,該含氮雜環化合物係選自N-甲基咪唑、吡啶、哌啶、吡咯烷及所組成群組的一種或多種。
本發明復提供一種製備醯胺的方法,係包括:在具有本發明之催化組成物的反應器中,使該催化組成物催化酮肟之貝克曼轉位反應,以生成具有醯胺之產物流,其中,該含氮雜環化合物與硫酸的莫耳比介於1:1至1:8;以及自該產物流分離出含醯胺之有機相及溶有該催化組成物之水相。
於該反應中,該酮肟係選自丙酮肟、丁酮肟、二苯甲酮肟、苯乙酮肟、環戊酮肟、環己酮肟、環庚酮肟、環辛酮肟或環十二酮肟,且係於如甲苯之有機溶劑存在下在80至140℃進行反應,較佳為90至120℃,最佳為100至115℃。
由於本發明之催化組成物中,適合在萃取產物流後,脫水處理該水相,以得到經脫水之催化組成物;再將該經脫水之催化組成物饋入該反應器循環再利用。通常,經減壓蒸發或蒸餾脫水處理該水相後,該經脫水之催化組成物所含的水分可降低至0.1wt%以下。
於圓底燒瓶中加入0.1mol的N-甲基咪唑與指定量的硫酸,並在起始內容物中含10wt%水、壓力8 mbar與溫度固定在140℃的條件下以旋轉濃縮機進行減壓蒸發,於2小時後以水份滴定儀(梅特勒DL31水份滴定儀)測定最終含水量,並將結果紀錄於下表1。
於圓底燒瓶中加入0.2mol的硫酸,並在起始內容物中含10wt%水、壓力8 mbar與溫度固定在140℃的條件下以旋轉濃縮機進行減壓蒸發,於2小時後以水份滴定儀測定最終含水量,其結果紀錄於下表2。
於圓底燒瓶中加入0.1mol的N-甲基咪唑與0.4mol硫酸,並在起始內容物中含10wt%水、壓力8 mbar的條件下改變不同溫度以旋轉濃縮機進行減壓蒸發,於2小時後以水份滴定儀測定最終含水量,並將結果紀錄於下表3。
於圓底燒瓶中加入表4所示之0.1mol的含氮雜環化合物與0.2mol硫酸,在起始內容物中含10wt%水、壓力8mbar與溫度固定在95℃的條件下以旋轉濃縮機進行減壓蒸發,於2小時後以水份滴定儀測定最終含水量,並將結果紀錄於下表4。
以下以實施例說明本發明如何利用催化組成物進行酮肟轉位反應以生成醯胺。
於250 ml的三頸圓底燒瓶中加入如實施例1、2之除水後之催化組成物,再添加50 ml甲苯溶劑,以磁石攪拌升溫至110℃,再加入0.05mole的環己酮肟,待反應進行0.5小時後,將甲苯與反應液兩相分離後,再添加15ml的水至反應液中並以二-叔丁基苯酚萃取,將產物醯胺由水相層萃取至有機相,接著取上層有機相以氣相層析儀測定反應物的轉化率與產物的選擇率,並將結果紀錄於下表5。
轉化率(%)=[反應所消耗的酮肟莫耳數/原始酮肟莫耳數]×100%
選擇率(%)=[反應生成的醯胺莫耳數/反應所消耗的酮肟莫耳數]×100%
於250 ml的三頸圓底燒瓶中加入如對照例1之硫酸,再添加50 ml甲苯溶劑,以磁石攪拌升溫至110℃,再加入0.05mole的環己酮肟,待反應進行0.5小時後,將甲苯與反應液兩相分離後,再添加15ml的水至反應液中並以二-叔丁基苯酚萃取,將產物醯胺由水相層萃取至有機相,接著取上層有機相以氣相層析儀測定反應物的轉化率與產物的選擇率,並將結果紀錄於下表6。
以下則以實施例說明本發明重複利用催化組成物進行酮肟轉位反應以生成醯胺。
於250 ml的三頸圓底燒瓶中加入如實施例1之組成物,再添加50 ml甲苯溶劑,以磁石攪拌升溫至110℃,再加入0.05mole的環己酮肟,待反應進行0.5小時後,將甲苯與反應液兩相分離後,再添加15ml的水至反應液中並以二-叔丁基苯酚萃取,將產物醯胺由水相層萃取至有機相,接著取上層有機相以氣相層析儀測定反應物的轉化率與產物的選擇率。而溶於水相的催化組成物於140℃、壓力8mbar下進行減壓蒸發後再循環利用,依上述步驟重複多次酮肟之轉位反應並將結果紀錄於下表7。
由上述實施例的結果顯示,本發明利用含氮雜環化合物與硫酸所構成之催化組成物,確實能重複利用於催化酮肟之貝克曼轉位反應以生成醯胺,且具有高反應活性與選擇性。
上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效,而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下,對上述實施例進行修飾與改變。因此,本發明之權利保護範圍,應如後述之申請專利範圍所列。
Claims (14)
- 一種製備醯胺的方法,係包括:在具有由含氮雜環化合物與硫酸所構成之催化組成物的反應器中,使該催化組成物催化酮肟之貝克曼轉位反應,以生成具有醯胺之產物流,其中,該含氮雜環化合物係選自下式(I)、(Ⅱ)及其組合的一種或多種:
- 如申請專利範圍第1項之製備醯胺的方法,復包括脫水處理該水相,以得到經脫水之催化組成物;以及將該經 脫水之催化組成物饋入該反應器中。
- 如申請專利範圍第1項之製備醯胺的方法,其中,該含氮雜環化合物係選自5員或6員環,且所選擇的含氮雜環化合物係具有1或2個氮原子。
- 如申請專利範圍第3項之製備醯胺的方法,其中,該含氮雜環化合物係選自N-甲基咪唑(N-Methylimidazole)、吡啶(Pyridine)、哌啶(Piperidine)、吡咯烷(Pyrrolidine)及所組成群組的一種或多種。
- 如申請專利範圍第2項之製備醯胺的方法,其中,係藉由減壓蒸發或蒸餾脫水處理該水相,使該經脫水之催化組成物所含的水分降低至0.1wt%以下。
- 如申請專利範圍第5項之製備醯胺的方法,係於80℃至180℃脫水處理該水相。
- 如申請專利範圍第1項之製備醯胺的方法,其中,該含氮雜環化合物與硫酸的莫耳比介於1:1至1:5。
- 如申請專利範圍第1項之製備醯胺的方法,其中,該酮肟係選自丙酮肟、丁酮肟、二苯甲酮肟、苯乙酮肟、環戊酮肟、環己酮肟、環庚酮肟、環辛酮肟或環十二酮肟。
- 如申請專利範圍第1項之製備醯胺的方法,其中,該反應係於80至140℃進行。
- 如申請專利範圍第1項之製備醯胺的方法,復包括於有機溶劑的存在下進行貝克曼轉位反應。
- 一種用於製備醯胺的催化組成物,係由含氮雜環化合物與硫酸所構成,其中,該含氮雜環化合物係選自下式 (I)、(II)及其組合的一種或多種:
- 如申請專利範圍第11項之用於製備醯胺的催化組成物,其中,該含氮雜環化合物係選自5員或6員環,且所選擇的含氮雜環化合物係具有1或2個氮原子。
- 如申請專利範圍第12項之用於製備醯胺的催化組成物,其中,該含氮雜環化合物係選自N-甲基咪唑、吡啶、哌啶、吡咯烷及所組成群組的一種或多種。
- 如申請專利範圍第11項之用於製備醯胺的催化組成物,其中,該催化組成物所含的水分係0.1wt%以下。
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