CN111454201B - 一种制备高效酰化催化剂材料的新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高效酰化催化剂材料的新方法，包括在外循环喷雾式反应器中，除氧充氮置换保护，然后依次加入丙烯酸和4‑氰基吡啶原料，在70‑110℃开启外循环泵进行高速循环喷雾，控制温度在70‑110℃下，将氯化氢原料通过气体原料进料口缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应等步骤，本发明采用了独特的外循环喷雾式反应器，替代了传统的搅拌釜式反应器，丙烯酸的回收率大于95％，以4‑氰基吡啶计的4‑二甲氨基吡啶收率大于98％，4‑二甲氨基吡啶的含量大于99％。
Description
技术领域
本发明涉及化工技术领域，具体地说，是涉及一种制备高效酰化催化剂材料的新方法。
背景技术
4-二甲氨基吡啶(简称DMAP)是近年来广泛用于化学合成的新型高效酰化催化剂，其结构上供电子的二甲氨基与母环(吡啶环)的共振，能强烈激活环上的氮原子进行亲核取代，显著地催化高位阻、低反应性的醇和胺的酰化(磷酰化、磺酰化、碳酰化)反应，其活性约为吡啶的104-6倍。在有机合成、药物合成、农药、医药、染料、香料、高分子化学、分析化学中的酰化、烷基化、醚化、酯化及酯交换等多种类型的反应中有较高的催化能力，对提高收率有极其明显的效果，此外还可以用作相转移催化剂用于界面反应。其优点表现在：催化剂用量小，通常只需反应底物摩尔数的0.01-5％即可，反应产生的酸可用有机碱或无机碱中和；反应条件温和，一般室温下即可进行反应，节约能源；溶媒选择范围广，在极性、非极性有机溶剂均可进行；反应时间短，用吡啶长时间反应，而用DMAP则数分钟即完成反应，因而大大提高了劳动生产率；收率高，如用吡啶几乎不反应的空间位阻大的羟基化合物，使用DMAP收率可达80-90％，从而可提高反应收率和产品质量并简化工艺；副反应少，气味小，三废少；由于DMAP优良的催化性能，被称为“超级催化剂”，它已成为有机合成工作者最常用的催化剂之一。
国内化学制药行业已成功将其应用于乙(丙)酰螺旋霉素、青蒿素琥珀酸酯、他汀类降脂药等原料药的生产中，改善了工艺条件，并取得良好的经济和社会效益。在农药生产上，在胺菊酯的合成上用DMAP提高了收率和产品纯度，在异氰酸酯合成氨基甲酸酯、菊酰氯合成拟除虫菊酯的反应中也有明显的催化活性。在磷酰化反应的有机磷合成中，作用相当显著。
合成DMAP的方法较多。通常实验室可以通过4-取代吡啶来制备：如4-氨基吡啶法、4-三甲硅氧基吡啶法、4-吡啶酮法、4-氯吡啶法、4-吡啶磺酸法、4-苯氧基吡啶法，此类方法的共同缺点是：原料来源困难、产率普遍较低。
工业上生产DMAP主要方法有两种:(1)双吡啶盐法：该方法以吡啶和氯化亚砜为原料,先制得中间体4-(4-吡啶基)氯化吡啶盐酸盐，再与二甲胺或二甲基甲酰胺(DMF)反应生产DMAP。此法目前在工业生产上使用较多，但该工艺产率偏低，且三废量多、污染大。(2)4-氰基吡啶法：该方法是以4-氰基吡啶为主要原料，首先与2-乙烯基吡啶季铵化，得到中间体后，再与二甲胺反应，最后用碱处理得到目标化合物DMAP。但该方法所使用的2-乙烯基吡啶价格高，回收利用效果不理想，阻碍了工业化应用。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的各种不足之处，提供了一种制备高效酰化催化剂材料的新方法，特别是一种4-二甲氨基吡啶的制备方法。
本发明为达到上述目的，是通过这样的技术方案来实现的：
本发明公开了一种制备高效酰化催化剂材料的新方法，包括以下步骤：
1)在外循环喷雾式反应器中，除氧充氮置换保护，然后依次加入丙烯酸和4-氰基吡啶原料，在70-110℃开启外循环泵进行高速循环喷雾。
2)控制温度在70-110℃下，将氯化氢原料通过气体原料进料口缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为1-2小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应1-2小时后，第一步反应结束；
3)第一步反应结束后，通过外部换热装置将体系温度降温到50-90℃，将二甲胺原料通过气体原料进料口缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为1-2小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应0.5-1小时后，第二步反应结束；其外部换热装置的目的是为了控制反应温度；
4)第二步反应结束后，控制温度在50-90℃下，将液碱原料通过液体原料进料口加入反应体系中，加料时间为1-2小时，加料结束之后，通过外部换热装置换热，控制体系在80-100℃继续反应1-2小时后，第三步反应结束；
5)第三步反应结束后，停止外循环泵。将反应液趁热转入萃取釜中。加入甲苯或者二甲苯进行萃取。萃取温度为80-100℃。
6)萃取得到的有机相加入活性炭脱色过滤，降温析出白色晶体，即为一种高效酰化催化剂材料4-二甲氨基吡啶。
7)萃取得到的萃余相，加入盐酸调节pH为5-7，在温度90-100℃条件下，加入下一批的原料4-氰基吡啶进行萃取回收，萃取后的有机相直接通过液体原料进料口加入外循环喷雾式反应器中，补加部分丙烯酸后，在70-110℃开启外循环泵进行高速循环喷雾。开始下一批反应。
作为进一步地改进，本发明所述的外循环喷雾式反应器中的液滴索特平均直径(SMD,Sauter MeanDiameter)在10–300μm范围内。
作为进一步地改进，本发明所述的液碱原料为氢氧化钠。
作为进一步地改进，本发明各原料的摩尔比例为4-氰基吡啶：丙烯酸：氯化氢：二甲胺：氢氧化钠＝1.0：1.0-1.5：1.0-1.5：1.0-1.5：4.0-6.0。
作为进一步地改进，本发明方法中丙烯酸的回收率大于95％，以4-氰基吡啶计的4-二甲氨基吡啶收率大于98％，4-二甲氨基吡啶的含量大于99％。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用了独特的外循环喷雾式反应器，替代了传统的搅拌釜式反应器。通过将反应原料在高温下进行喷雾雾化，使得反应液在反应器上部形成了大量极小的液滴颗粒，与此同时氯化氢原料和二甲胺原料作为气体，在反应器上部可以与这些小液滴迅速发生接触。喷雾的小液滴粒径极小，从而具有极大的比表面积，可以与气相中的反应原料迅速接触，并迅速吸收进入小液滴，从而极大的促进了反应体系中各个反应物种间的传质过程，根据测试，外循环喷雾式反应器的传质速率比传统的搅拌釜式反应器的传质速率提高了一个数量级以上，极大的促进了反应器中各个反应物种间的传质，从而使得反应可以处于动力学控制。由于新型外循环喷雾式反应器的使用，反应体系中的快速传质过程极大提升了反应效率，降低了副反应的发生。同时液滴中的快速传质也保证了各个小液滴内容浓度的均一性，比搅拌釜中浓度分布均匀性有了极大提升，这进一步降低了副反应的发生几率，提高了反应的选择性和效率。
2、第一步反应中一般文献都采用的是盐酸反应原料，第二步反应中一般文献都采用的是二甲胺水溶液作为反应原料，通过实际考察，本发明发现水分的引入对于反应选择性存在较明显的抑制作用。因此本发明采用了外循环喷雾式反应器，替代了传统的搅拌釜式反应器，通过该反应器实现了氯化氢原料和二甲胺原料的直接引入反应体系，获得良好的反应效果。
3、第三步反应中，加入液碱反应之后得到的反应液，本发明采用了热萃取的方式直接萃取走高纯度的产品，趁热脱色结晶得到高纯度产品DMAP，大大节约了能源。而且热萃取之后得到的萃余相中，本发明直接加酸中和，采用下一批的原料4-氰基吡啶进行热萃取，不仅回收了其中的丙烯酸，而且也回收了部分未反应原料，这样不仅大大减少了废水中的COD，降低了三废处理难度，而且大大提高了工艺的丙烯酸回收率，提高了产品的收率，降低了综合成本。
4、本发明在反应中，由于上述工艺的综合利用，使得本工艺中丙烯酸的回收率大于95％，以4-氰基吡啶计的4-二甲氨基吡啶收率大于98％，4-二甲氨基吡啶的含量大于99％。
附图说明
图1为外循环喷雾式反应器的结构示意图。
其中，1为气体原料进料口，2为喷嘴，3为外循环泵，4为外部换热装置，5为液体原料进料口。
具体实施方式
本发明下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步地的详细说明，但本发明的范围并不局限于实施例。
实施例1
1)在外循环喷雾式反应器中，除氧充氮置换保护，然后依次加入丙烯酸10mol和4-氰基吡啶10mol，在70℃开启外循环泵3进行高速循环喷雾。
2)控制温度在70℃下，将氯化氢原料10mol通过气体原料进料口1缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴2出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为2小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应2小时后，第一步反应结束；
3)第一步反应结束后，通过外部换热装置4将体系温度降温到50℃，将二甲胺原料10mol通过气体原料进料口1缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴2出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为2小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应1小时后，第二步反应结束；
4)第二步反应结束后，控制温度在50℃下，将液碱原料(质量浓度30％，氢氧化钠量为40mol)通过液体原料进料口5加入反应体系中，加料时间为2小时，加料结束之后，通过外部换热装置4换热，控制体系在80℃继续反应2小时后，第三步反应结束；
5)第三步反应结束后，停止外循环泵3。将反应液趁热转入萃取釜中。加入甲苯进行萃取。萃取温度为80℃。
6)萃取得到的有机相加入活性炭脱色过滤，降温析出白色晶体，即得到一种高效酰化催化剂材料4-二甲氨基吡啶。
7)萃取得到的萃余相，加入盐酸调节pH为7，在温度90℃条件下，加入下一批的原料4-氰基吡啶10mol进行萃取回收，萃取后的有机相直接通过液体原料进料口5加入外循环喷雾式反应器中，补加部分丙烯酸0.5mol后，在70℃开启外循环泵3进行高速循环喷雾。开始下一批反应。
本实施例中的外循环喷雾式反应器中的液滴索特平均直径(SMD,SauterMeanDiameter)在10–300μm范围内。
经过上述反应，均能得到白色固体产品4-二甲氨基吡啶。统计得到工艺中丙烯酸的回收率为95％，以4-氰基吡啶计的4-二甲氨基吡啶收率为98％，4-二甲氨基吡啶的含量为99％。
实施例2
1)在外循环喷雾式反应器中，除氧充氮置换保护，然后依次加入丙烯酸15mol和4-氰基吡啶10mol，在110℃开启外循环泵3进行高速循环喷雾。
2)控制温度在110℃下，将氯化氢原料15mol通过气体原料进料口1缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴2出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为1小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应1小时后，第一步反应结束；
3)第一步反应结束后，通过外部换热装置4将体系温度降温到90℃，将二甲胺原料15mol通过气体原料进料口1缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴2出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为1小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应0.5小时后，第二步反应结束；
4)第二步反应结束后，控制温度在90℃下，将液碱原料(质量浓度40％，氢氧化钠量为60mol)通过液体原料进料口5加入反应体系中，加料时间为1小时，加料结束之后，通过外部换热装置4换热，控制体系在100℃继续反应1小时后，第三步反应结束；
5)第三步反应结束后，停止外循环泵3。将反应液趁热转入萃取釜中。加入二甲苯进行萃取。萃取温度为100℃。
6)萃取得到的有机相加入活性炭脱色过滤，降温析出白色晶体，即得到一种高效酰化催化剂材料4-二甲氨基吡啶。
7)萃取得到的萃余相，加入盐酸调节pH为5，在温度100℃条件下，加入下一批的原料4-氰基吡啶10mol进行萃取回收，萃取后的有机相直接通过液体原料进料口5加入外循环喷雾式反应器中，补加部分丙烯酸0.6mol后，在110℃开启外循环泵3进行高速循环喷雾。开始下一批反应。
本实施例中的外循环喷雾式反应器中的液滴索特平均直径(SMD,SauterMeanDiameter)在10–300μm范围内。
经过上述反应，均能得到白色固体产品4-二甲氨基吡啶。统计得到工艺中丙烯酸的回收率为96％，以4-氰基吡啶计的4-二甲氨基吡啶收率为98.5％，4-二甲氨基吡啶的含量为99.1％。
实施例3
1)在外循环喷雾式反应器中，除氧充氮置换保护，然后依次加入丙烯酸12mol和4-氰基吡啶10mol，在90℃开启外循环泵3进行高速循环喷雾。
2)控制温度在90℃下，将氯化氢原料13mol通过气体原料进料口1缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴2出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为1.5小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应1.5小时后，第一步反应结束；
3)第一步反应结束后，通过外部换热装置4将体系温度降温到70℃，将二甲胺原料13mol通过进料口1缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴2出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为1.5小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应1小时后，第二步反应结束；
4)第二步反应结束后，控制温度在70℃下，将液碱原料(质量浓度40％，氢氧化钠量为45mol)通过液体原料进料口5加入反应体系中，加料时间为1.5小时，加料结束之后，通过外部换热装置4换热，控制体系在90℃继续反应2小时后，第三步反应结束；
5)第三步反应结束后，停止外循环泵3。将反应液趁热转入萃取釜中。加入甲苯进行萃取。萃取温度为90℃。
6)萃取得到的有机相加入活性炭脱色过滤，降温析出白色晶体，即得到一种高效酰化催化剂材料4-二甲氨基吡啶。
7)萃取得到的萃余相，加入盐酸调节pH为6，在温度95℃条件下，加入下一批的原料4-氰基吡啶10mol进行萃取回收，萃取后的有机相直接通过液体原料进料口5加入外循环喷雾式反应器中，补加部分丙烯酸0.5mol后，在90℃开启外循环泵3进行高速循环喷雾。开始下一批反应。
本实施例中的外循环喷雾式反应器中的液滴索特平均直径(SMD,SauterMeanDiameter)在10–300μm范围内。
经过上述反应，均能得到白色固体产品4-二甲氨基吡啶。统计得到工艺中丙烯酸的回收率为96％，以4-氰基吡啶计的4-二甲氨基吡啶收率为99.0％，4-二甲氨基吡啶的含量为99.5％。
对比实施例4
在搅拌釜式反应器中，依次加入31.5g(0.303mol)4-氰基吡啶、25mL水、44g(37mL)浓盐酸和21g(0.200mol)2-乙烯基吡啶，在60℃下混合共热6h。冷却至30℃，滴加36.5mL w(二甲胺)＝32％的二甲胺水溶液后，保温30℃剧烈搅拌2h。加入200mL w(NaOH)＝40％的液碱，回流条件下加热煮沸2h。待溶液冷却后，分出油层，无水硫酸钠干燥，减压蒸馏，首先收集的馏分为2-乙烯基吡啶15.0g(回收率71.4％)。继续减压蒸馏，收集的馏分冷却后得淡黄色固体，用乙酸乙酯重结晶，活性炭脱色，得白色晶体DMAP 27.3g,产率74.0％，测试含量为99.0％。
对比实施例5
在搅拌釜式反应器中，依次加入4-氰基吡啶200g、丙烯酸107g、水170g，搅拌均匀。再滴加260g浓盐酸后，在55℃保温4小时。冷却至室温后，一次性加入420g二甲胺水溶液(重量浓度33％)，40℃保温1.5小时。保温结束后滴加重量浓度30％的液碱，至pH值在12后，回流条件下保温1.5小时。待体系冷却后，抽滤去除水层，固相水洗、干燥得到4-二甲氨基吡啶成品。产品经检测含量为96.5％，收率为70％。抽滤后的水层，采用盐酸调节pH值为5，加入甲苯萃取，经脱溶剂后测试丙烯酸回收率为31％。
对比实施例6
在搅拌釜式反应器中，依次加入4-氰基吡啶200g、丙烯酸107g，在55℃搅拌下，通过通气管向反应釜中通入氯化氢气体，在半小时内通气管被堵死，无法继续反应，反应停止。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种制备高效酰化催化剂材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在外循环喷雾式反应器中，除氧充氮置换保护，然后依次加入丙烯酸和4-氰基吡啶原料，在70-110℃开启外循环泵(3)进行高速循环喷雾；
2)控制温度在70-110℃下，将氯化氢原料通过气体原料进料口(1)缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴(2)出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为1-2小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应1-2小时后，第一步反应结束；
3)第一步反应结束后，通过外部换热装置(4)将体系温度降温到50-90℃，将二甲胺原料通过气体原料进料口(1)缓慢加入外循环喷雾式反应器中，通过与从喷嘴(2)出来的液滴混合并实现物料之间的充分传质与反应，加料时间为1-2小时，加料结束之后，在外循环喷雾式反应器中继续反应0.5-1小时后，第二步反应结束；
4)第二步反应结束后，控制温度在50-90℃下，将液碱原料通过液体原料进料口(5)加入反应体系中，加料时间为1-2小时，加料结束之后，通过外部换热装置(4)换热，控制体系在80-100℃继续反应1-2小时后，第三步反应结束；
5)第三步反应结束后，停止外循环泵(3)，将反应液趁热转入萃取釜中，加入甲苯或者二甲苯进行萃取，萃取温度为80-100℃；
6)萃取得到的有机相加入活性炭脱色过滤，降温析出白色晶体，即为一种高效酰化催化剂材料4-二甲氨基吡啶；
7)萃取得到的萃余相，加入盐酸调节pH为5-7，在温度90-100℃条件下，加入下一批的原料4-氰基吡啶进行萃取回收，萃取后的有机相直接通过液体原料进料口(5)加入外循环喷雾式反应器中，补加部分丙烯酸后，在70-110℃开启外循环泵(3)进行高速循环喷雾，开始下一批反应。
2.根据权利要求1所述的制备高效酰化催化剂材料的方法，其特征在于，所述的外循环喷雾式反应器中的液滴索特平均直径在10–300μm范围内。
3.根据权利要求1所述的制备高效酰化催化剂材料的方法，其特征在于，所述的液碱原料为氢氧化钠。
4.根据权利要求1所述的制备高效酰化催化剂材料的方法，其特征在于，各原料的摩尔比例为4-氰基吡啶：丙烯酸：氯化氢：二甲胺：氢氧化钠＝1.0：1.0-1.5：1.0-1.5：1.0-1.5：4.0-6.0。
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