CN108658828B - 用于催化醇和酸酯化生成酯的高稳定性离子液体及制备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于醇酸酯化技术领域的用于催化醇和酸酯化生成酯的高稳定性离子液体及制备。该离子液体主要成分为N‑乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸盐，通过N‑乙基吡咯烷酮和对甲苯磺酸在80～120℃下以一步法合成得到，本发明在催化醇和酸合成酯的反应中表现出超出预期的稳定性，且兼具活性高、选择性高和制备成本低的优势，有利于实现环境友好的酯类工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于醇酸酯化技术领域，特别涉及用于催化醇和酸酯化生成酯的高稳定性离子液体及制备。
背景技术
醇酸酯化反应是化学合成工业生成中的一类重要反应。传统的醇酸酯化反应以浓硫酸等强腐蚀性无机酸为催化剂，存在环境污染、设备腐蚀、目标产品选择性低的问题，不利于工业化连续生产。
室温下呈液态的离子液体因其稳定性好、不挥发、与有机物可溶性强而成为醇酸酯化工业生产中研究的热点，目前研究最多的为咪唑类离子液体，但该类型离子液体原料制备成本高，使得工业用户经济成本高昂，具有一定的应用局限性。因此，研究热点开始转向低成本的吡咯烷酮类离子液体，如N-甲基吡咯烷酮类离子液体，但是现有报道的吡咯烷酮类离子液体普遍稳定性差，而在连续的工业化应用中，催化剂体系的评价指标除了催化活性、选择性之外，催化剂的稳定性是另一个重要指标，吡咯烷酮类离子液体普遍稳定性差的问题使其在工业中并无实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供用于催化醇和酸酯化生成酯的高稳定性离子液体及制备，具体技术方案如下：
用于催化醇和酸酯化生成酯的高稳定性离子液体的活性组分为N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸盐，化学结构式如式1所示：
所述离子液体在25℃的折光率为1.520～1.529，优选为1.522～1.528。
所述离子液体的制备方法为离子液体经N-乙基吡咯烷酮与对甲苯磺酸按照摩尔比1：(1.02～1.4)混合后，在80～120℃下反应4～6h，经洗涤、旋蒸得到，其中N-乙基吡咯烷酮与对甲苯磺酸的摩尔比优选为1：(1.05～1.2)。
其中N-乙基吡咯烷酮和对甲苯磺酸虽然原理上是按照1：1制备，但是本发明人另外一个意外发现是高稳定性的另外一个要求是对甲苯磺酸需要一定的过量，其中过量比例为1.02～1.4，更优化的比例为1.05～1.2。
所述离子液体用于催化醇和酸酯化反应生成酯类化合物，其中酯类化合物为醋酸乙酯、醋酸丙酯、醋酸丁酯、乙酰乙酸甲酯、己二酸二甲酯、丁二酸二甲酯、顺丁烯二酸二甲酯或乳酸乙酯。
众所周知，吡咯烷酮是一类大的化合物(举例而言包括从α-，N-甲基，N-乙基，N-丙基…)，与B酸性物质均可形成离子液体，如与醋酸、磷酸、硫酸等等，如果按照穷举组合可制造成千上百种；本发明人在对吡咯烷酮类离子液体进行研究时，意外地，甚至是出乎意料地发现N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸离子液体的稳定性大大地超过其他吡咯烷酮类催化剂。
所述离子液体用于催化醇和酸酯化反应生成酯类化合物时的温度为80～160℃，反应体系中水含量为0.2～25wt％；其中温度优选为90～130℃，反应体系中水含量优选为5～18wt％。
所述离子液体用于催化醇和酸酯化生成酯过程为连续反应精馏过程。
本发明的有益效果为：本发明提供的N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸盐在催化乙醇、乙酸酯化反应制备乙酸乙酯中具有成本低、活性高、稳定性强的优点，且制备过程中对甲苯磺酸应过量加入；这对吡咯烷酮类离子液体在醇和酸酯化反应生成酯类化合物的工业应用具有重要意义，同时有利于实现环境友好、低成本的乙酸乙酯工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例4中[NEP][TsOH]离子液体在反应精馏法制备乙酸乙酯中的产品含量分析；
图2为本发明实施例4中[NEP][TsOH]离子液体重复应用于制备乙酸乙酯中的稳定性分析。
具体实施方式
本发明提供了用于催化醇和酸酯化生成酯的高稳定性离子液体及制备，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1：N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸盐离子液体的制备
根据式2所示反应原理，一步法制备N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸盐([NEP][TsOH])：
将N-乙基吡咯烷酮置于250mL三口烧瓶，并将三口烧瓶置于冰浴中，按照N-乙基吡咯烷酮与对甲苯磺酸摩尔比1:1.1逐滴滴加对甲苯磺酸一水合物，在110℃下反应4h。将产品用环己烷洗涤3次，去除未反应的原料；然后在70℃、-0.01Mpa真空下旋转蒸发去除离子液体中的环己烷和少量的水，得到的黄色黏性产品即为[NEP][TsOH]，25℃折光率为1.5224。
实施例2：[NEP][TsOH]离子液体的活性
[NEP][TsOH]离子液体的活性：在间歇式反应釜中加入等摩尔的乙醇(23g)和乙酸(30g)，并加入0.5g实施例1制备的[NEP][TsOH]，在100℃下反应2h后取出样品，用色谱分析产物中乙酸乙酯含量为52.13％。
对比实施例2.1
采用与实施例2相同的装置和工艺参数，分别设置不加入任何催化剂的对照组1、以浓硫酸为催化剂的对照组2，和实施例2中以[NEP][TsOH]离子液体为催化剂催化乙醇、乙酸酯化反应后产物中乙酸乙酯含量进行对比，得到如表1所示数据：
表1间歇式反应中，不同催化剂下产物中乙酸乙酯含量
综合表1和实施例2可以看出，以[NEP][TsOH]离子液体为催化剂时，产物中乙酸乙酯含量与浓硫酸基本相同，即[NEP][TsOH]离子液体和浓硫酸具有相当的催化活性。
实施例3：[NEP][TsOH]离子液体催化剂的稳定性
在间歇式反应釜中直接合成乙酸乙酯，具体步骤如下：
(1)称取等摩尔的乙醇(23g)和乙酸(30g)，加入0.5g实施例1制备的[NEP][TsOH]，在100℃下反应2h后取出样品，用色谱分析产物中乙酸乙酯含量为52.13％；
(2)然后在-0.01Mpa真空、65℃下旋转蒸发，蒸出物料包括乙醇，乙酸乙酯，乙酸和水，得到1次使用后的[NEP][TsOH]；
(3)在反应釜中加入23g乙醇、30g乙酸，加入步骤(2)得到的1次使用后的[NEP][TsOH]，在与步骤(1)相同反应温度下反应相同时间后取出样品，用色谱分析乙酸乙酯含量；
(4)重复步骤(2)得到2次使用后的[NEP][TsOH]；
(5)重复步骤(3)～(4)，记录[NEP][TsOH]使用次数和每次反应后产品中乙酸乙酯含量；
其中，每次反应后产物中乙酸乙酯含量代表离子液体催化剂活性，得到结果：[NEP][TsOH]循环使用30次后，活性下降13.58％，平均失活速率0.45％/次。
对比实施例3.1
按照N-乙基吡咯烷酮与对甲苯磺酸摩尔比1:1，采用与实施例1相同制备方法制备[NEP][TsOH]，采用与实施例3相同方法测试原料比1:1制备得到的[NEP][TsOH]的稳定性，发现该离子液体25℃折光率为1.5221，循环使用20次后，平均失活速率0.62％/次。
相比于实施例3，按照N-乙基吡咯烷酮与对甲苯磺酸摩尔比1:1制备得到的[NEP][TsOH]稳定性较差；由此可知，[NEP][TsOH]制备过程中N-乙基吡咯烷酮与对甲苯磺酸的摩尔比对[NEP][TsOH]用于催化醇和酸反应生成酯的稳定性具有一定影响，需满足对甲苯磺酸：N-乙基吡咯烷酮(摩尔比)＞1，[NEP][TsOH]具有强稳定性。
对比实施例3.2
采用与实施例3相同方法测试与[NEP][TsOH]具有相同阴离子的吡咯烷酮类离子液体用于催化乙醇、乙酸酯化反应生成乙酸乙酯时的稳定性，得到如表2所示数据：
表2相同阴离子吡咯烷酮离子液体在乙醇、乙酸酯化反应中的稳定性对比分析
表2中，乙酸乙酯(％)为离子液体第一次使用时产物中乙酸乙酯的百分含量；活性下降为相应离子液体最后一次使用和第一次使用时产物中的乙酸乙酯含量比较；综合表2中数据和实施例3可以看出，吡咯烷酮类离子液体都有较好的催化活性，但是在均以对甲苯磺酸为阴离子的吡咯烷酮类离子液体中，只有N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸作为催化剂时的稳定性最好，即循环反应30次后，N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸的平均失活速率仅为0.45％，且活性仅下降了13.58％。
对比实施例3.3
采用与实施例3相同方法测试与[NEP][TsOH]具有相同阳离子的吡咯烷酮类离子液体用于催化乙醇、乙酸酯化反应生成乙酸乙酯时的稳定性，得到如表3所示数据：
表3相同阳离子吡咯烷酮离子液体在乙醇、乙酸酯化反应中的稳定性对比分析
表3中，乙酸乙酯(％)为离子液体第一次使用时产物中乙酸乙酯的百分含量；活性下降为相应离子液体最后一次使用和第一次使用时产物中的乙酸乙酯含量比较；综合表3中数据和实施例3可以看出，吡咯烷酮类离子液体都有较好的催化活性，但是在均以N-乙基吡咯烷酮为阳离子的吡咯烷酮类离子液体中，N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸作为催化剂时仍表现出最高的稳定性，催化活性相当。
实施例4：反应精馏法制备乙酸乙酯时，[NEP][TsOH]离子液体催化剂的活性和稳定性
具体步骤为：
(1)在塔釜加入2000g原料，按照乙酸：乙醇的摩尔比为2:1配比，并加入16g实施例1制备的[NEP][TsOH]离子液体；从塔釜持续进料，物料中乙醇、乙酸摩尔比(1.15～1.2)：1，进料量74g/h；设置精馏塔回流比5:2，空速4.62。
(2)连续精馏反应312h后，塔釜总共进料23148.32g，塔釜出料19168.69g，利用气相色谱分析塔顶乙酸乙酯含量、塔底水分含量，得到如图1所示数据；
(3)将塔釜水分旋转蒸干，保留离子液体，重复反应精馏实验，得到如图2所示数据。
从图1可以看出，连续反应300h后，塔顶乙酸乙酯的含量在82％以上(该数据达到工业精馏生产的含量标准)；说明[NEP][TsOH]具有较好的稳定性和催化活性：此时，塔釜水分含量达到50％以上，说明[NEP][TsOH]离子液体对水耐受性强。
从图2可以看出，将水分去除后，在满足工业精馏生产乙酸乙酯含量标准的基础上，[NEP][TsOH]离子液体还能运行200h，相比于现有技术中醇酸酯化反应所用催化剂的连续使用时间，[NEP][TsOH]离子液体的稳定性更强。
实施例5：[NEP][TsOH]离子液体在制备己二酸二甲酯的应用
采用反应精馏制备己二酸二甲酯，具体步骤：首先，向三口烧瓶里加入200g己二酸、200g甲醇和20g实施例1制备的[NEP][TsOH]离子液体，通上冷凝水，打开磁力搅拌加热套加热开关和搅拌开关，控制反应温度60～70℃，反应时间6h，作为原料。在塔釜加入20g的原料，设置塔釜温度，在全回流下，当整个塔的温度稳定后，开始进料，然后调整回流比，开始采出。
安装常压蒸馏装置加热蒸馏，加热到105℃，当没有液体流出时，停止常压蒸馏，安装减压蒸馏装置减压蒸馏，在-0.1Mpa下，收集138～142℃的馏分，收集到的馏分用气相色谱仪进行色谱分析。
在上述的实验下，塔釜温度105℃，甲醇进料0.3mL/min，原料进料0.9mL/min，回流比3:1时，己二酸转化率达到90.7％，己二酸二甲酯选择性99.9％，说明[NEP][TsOH]离子液体具有较好的催化活性。
实施例6：[NEP][TsOH]离子液体在制备乙酰乙酸甲酯的应用
具体步骤：在500mL四口烧瓶中投入甲醇、三乙胺，不断搅拌滴加双乙烯酮，控制反应温度，滴加完后降温50℃，加入实施例1制备的[NEP][TsOH]离子液体后保持一定温度反应一段时间，反应完后，移至旋转蒸发瓶中进行100℃减压旋蒸，收集馏分进行气相分析。
在上述实验下，三乙胺1wt％，离子液体0.8wt％，双乙烯酮滴加时间50～60min，反应时间40min时，乙酰乙酸甲酯含量97.47％，说明[NEP][TsOH]离子液体在制备乙酰乙酸甲酯具有较好的催化活性。
Claims (5)
1.离子液体在催化醇和酸酯化生成乙酸乙酯中的应用，其特征在于，所述离子液体为N-乙基吡咯烷酮对甲苯磺酸盐，化学结构式如式1所示：
所述离子液体在25℃的折光率为1.520~1.529；
所述离子液体经N-乙基吡咯烷酮与对甲苯磺酸按照摩尔比1：（1.02~1.4）混合后反应得到。
2.根据权利要求1所述离子液体在催化醇和酸酯化生成乙酸乙酯中的应用，其特征在于，所述N-乙基吡咯烷酮与对甲苯磺酸的摩尔比为1：（1.05~1.2）。
3.根据权利要求1所述离子液体在催化醇和酸酯化生成乙酸乙酯中的应用，其特征在于，所述离子液体用于催化醇和酸酯化生成酯的温度为80~160℃，反应体系中水含量为0.2~25wt%。
4.根据权利要求1所述离子液体在催化醇和酸酯化生成乙酸乙酯中的应用，其特征在于，所述离子液体用于催化醇和酸酯化生成酯的温度为90~130℃，反应体系中水含量为5~18wt%。
5.根据权利要求1所述离子液体在催化醇和酸酯化生成乙酸乙酯中的应用，其特征在于，所述离子液体用于催化醇和酸酯化生成酯过程为连续反应精馏过程。
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