CN104549506A - 一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法。该方法是先将具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体预热至60～90℃，然后加入含铝化合物，搅拌混合均匀后降至常温；然后将反应体系置于N2氛围下，常温下反应6～24h，使其相互反应生成配合物，得到用于催化Friedel-Crafts烷基化反应的催化剂。本发明方法制备得到的催化剂用于合成Friedel-Crafts烷基化反应，如苯与1-十二烯合成十二烷基苯的反应，该催化剂具有活性高，2-直链烷基苯（2-LAB）选择性较高，使用条件温和，可以通过简单方法回收，且循环性好的特点。

Description

一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及化合物的制备合成，涉及一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，具体指具有全氟烷基磺酰亚胺结构，含铝的催化剂体系的制备方法。
背景介绍
直链烷基苯（LAB），尤其十二烷基苯是合成洗涤剂的重要原料，世界直链烷基苯的年需求量超过300万吨，且预计每年将以4%的速度增长。自从1968年第一套Pacol装置用于生产直链烷基苯以来，Friedel-Crafts烷基化工艺所使用HF/AlCl3作为催化剂。因为HF具有强烈的腐蚀性和毒性，所以HF/AlCl3工艺给设备的维护、安全生产带来了一系列问题。使用HF、AlCl3工艺，在批次生产结束后，催化组分难以分离并回收利用，这也给环境保护带来了困难。因此，针对Friedel-Crafts烷基化反应开发一种具有高活性，高2-LAB选择性，且具有良好循环性能的催化剂成为人们需要考虑的问题。
近年随着研究的深入，离子液体已经成为了一类重要的催化材料。全氟烷基磺酰亚胺及其盐由于其中心氮原子上负电荷的高度离域，可以通过改变其结构而改变其酸性，即具有酸度可调性，提高了其适用灵活性。因此，全氟烷基磺酰亚胺类催化体系成为替代传统酸催化剂，催化苯烷基化反应的一个重要选择。
国内的研究者所发表的文章（Science China Chemistry (2010), 53, 1102）以及专利CN 1225617A公开了使用离子液体Et3NHCl-AlCl3催化苯与1-十二烯合成十二烷基苯的方法；其他国内研究者也发表过文章（Applied Catalysis A: General (2005), 292, 354），公开了使用[Rmim]Al2Cl6Br等离子液体催化苯与1-十二烯合成十二烷基苯的方法。以上公开内容所述的催化体系虽具有活性高的特点，但它们在循环使用后，催化活性下降明显，且它们对水分的宽容度偏低，即容易遇水失活。
专利CN 1077808C以及专利CN 1131107C等所公开的使用HY型分子筛催化剂催化苯与1-十二烯合成十二烷基苯的反应，虽具有选择性很高的优点，但其反应温度较高，且反应压力高，这在一定程度上限制了分子筛的使用。且分子筛普遍具有容易积碳而失活的特点，因此从原理上分子筛类催化剂的循环性不及本发明所述的离子液体类催化剂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型的用于Friedel-Crafts烷基化反应的催化剂的制备方法，使其制备的催化剂具有反应活性高，2-直链烷基苯选择性较高，使用条件温和，分离简单，循环使用性能好，耐水性强的特点。
本发明方法是：先将具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体预热至60～90℃，然后加入含铝化合物，搅拌混合均匀后降至常温；然后将反应体系置于N2氛围下，常温下反应6～24h，使其相互反应生成配合物，得到用于催化Friedel-Crafts烷基化反应的催化剂；含铝化合物与具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体的摩尔比为1：1～4：1；
所述的含铝化合物为三氯化铝（AlCl3）、三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝的一种或几种；其中三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝的结构式为Al(N(SO2Rf)2)3，Rf=CnF2n+1，n=0～6；
所述的具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体在使用前需要在60～140℃条件下真空干燥24h；
所述的具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体为[1-丁基-3-甲基咪唑][双三氟甲基磺酰亚胺]。
本发明方法制备得到的催化剂用于合成Friedel-Crafts烷基化反应，如苯与1-十二烯合成十二烷基苯的反应，该催化剂具有活性高，2-直链烷基苯（2-LAB）选择性较高,使用条件温和，可以通过简单方法回收，且循环性好的特点。
苯与1-十二烯合成十二烷基苯的反应中，利用本发明制备得到的配合物作为催化剂，催化剂加入量为苯与1-十二烯加入质量之和的1～10wt﹪，反应温度为10～80℃，1-十二烯与苯的摩尔比为1：1～1:7，反应时间为10～30min，压力为常压；
所述的三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝可以通过以下两种方法合成：
一种方法是将氯化铝AlCl3与全氟烷基磺酰亚胺混合，得到混合料；在混合料中再加入甲苯，常温下反应15～30min，反应过程中需要及时将产生的HCl除去，过滤取固体；固体用适量甲苯洗涤，并干燥，即得到相应的三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝；其中氯化铝与全氟烷基磺酰亚胺的摩尔比为1:3～1:5；甲苯与混合料的质量比为2:1～1:2；
另一种方法是在全氟烷基磺酰亚胺中加入甲苯，配成浓度为0.5～1.5mol/L的全氟烷基磺酰亚胺溶液；然后在全氟烷基磺酰亚胺溶液中缓慢加入Al(C2H5)3的正己烷溶液，常温下反应30～90min，过滤取固体；固体用适量甲苯洗涤，并干燥，即得到相应的三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝；其中所述的Al(C2H5)3的正己烷溶液中Al(C2H5)3浓度为0.5～1.5mol/L。全氟烷基磺酰亚胺溶液与Al(C2H5)3的正己烷溶液的体积比为3:1,控制Al(C2H5)3的正己烷溶液浓度使所加入的全氟烷基磺酰亚胺与Al(C2H5)3的物质的量比为3:1～3.6:1。
本发明的有益效果如下：
本发明方法制备得到的催化剂用于合成Friedel-Crafts烷基化反应，如苯与1-十二烯合成十二烷基苯的反应，该催化剂具有活性高，2-直链烷基苯（2-LAB）选择性较高，使用条件温和，可以通过简单方法回收，且循环性好的特点。
具体实施方式
    下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
首先制备三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝的实施例如下：
实施例1-1
在配有搅拌以及气体排空口的圆底烧瓶中，加入双氟磺酰亚胺HN(SO2F)2（3.1g，18.8mmol)，再加入经过蒸馏提纯后的甲苯38ml。搅拌使其充分溶解成为均相，之后向其中缓慢加入0.5mol/L的Al(C2H5)2的正己烷溶液13ml。反应在冰水浴中进行。反应约30min后，过滤，得到固体，使用60ml甲苯分3次洗涤固体，后真空干燥，即得到Al(N(SO2F)2)3。收率约为50%。
实施例1-2
在配有搅拌以及气体排空口的圆底烧瓶中，加入双全氟己基磺酰亚胺HN(SO2C6F13)2（3.1g，4mmol)，再加入经过蒸馏提纯后的甲苯2.7ml。搅拌使其充分溶解成为均相，之后向其中缓慢加入0.9mol/L的Al(C2H5)2的正己烷溶液0.9ml。反应在冰水浴中进行。反应约30min后，过滤，得到固体，使用60ml苯分3次洗涤固体，后真空干燥，即得到Al(N(SO2C6F13)2)3。收率约为52%。
实施例1-3
取双氟磺酰亚胺HN(SO2F)2（3.1g，18.8mmol)溶于经过蒸馏的10ml甲苯中。在配有搅拌以及气体排空口的圆底烧瓶中，加入氯化铝AlCl3（0.84g，6.3mmol）。将双氟磺酰亚胺溶液缓慢的滴加到圆底烧瓶中。反应过程中需要不断将产生的HCl从气体排空口中排除。反应在冰水浴中进行。反应约30min后，过滤，得到固体，使用60ml苯分3次洗涤固体，后真空干燥，即得到Al(N(SO2F)2)3。收率约为47%。
实施例1-4
取双全氟己基磺酰亚胺HN(SO2C6F13)2（4.65g，6mmol)溶于经过蒸馏的10ml甲苯中。在配有搅拌以及气体排空口的圆底烧瓶中，加入氯化铝AlCl3（0.16g，1.2mmol）。将双氟磺酰亚胺溶液缓慢的滴加到圆底烧瓶中。反应过程中需要不断将产生的HCl从气体排空口中排除。反应在冰水浴中进行。反应约30min后，过滤，得到固体，使用60ml苯分3次洗涤固体，后真空干燥，即得到Al(N(SO2C6F13)2)3。收率约为46%。
制备催化剂及用于合成Friedel-Crafts烷基化反应的实施例如下：
以下实施例具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体在使用前需要在60～140℃条件下真空干燥24h。
实施例2-1
称取离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑][双三氟甲基磺酰亚胺]（1.64g，3.9mmol），在干燥条件下加热至60℃。称取氯化铝AlCl3（0.26g，2.0mmol）、三（双氟磺酰亚胺）铝Al(N(SO2C6F13)2)3（4.73g，2.0mmol），将其缓慢加入到已经加热的离子液体中，搅拌使其充分溶解，搅拌时间为6h。之后停止搅拌，使其缓慢恢复至室温,即得到具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体催化剂。
取苯（2.5g，32.0mmol）与1-十二烯（5.4g，32.0mmol）混合，预热至反应温度80℃，加入0.79g本发明所制备得到的离子液体催化剂，开始搅拌，反应30min。静置，体系分层，下层为催化剂，通过分离可循环使用；上层为产物。反应1-十二烯转化率超过90%，2-LAB选择性约为33%。
实施例2-2
称取离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑][双三氟甲基磺酰亚胺]（0.42g，1.0mmol），在干燥条件下加热至90℃。称取氯化铝AlCl3（0.26g，2.0mmol）、三（全氟己基磺酰亚胺）铝Al(N(SO2F)2)3（1.13g，2.0mmol），将其缓慢加入到已经加热的离子液体中，搅拌使其充分溶解，搅拌时间为24h。之后停止搅拌，使其缓慢恢复至室温。即得到具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体催化剂。
取苯（5g，64.0mmol）与1-十二烯（1.2g，9.1mmol）混合，预热至反应温度10℃，加入0.062g本发明所制备得到的离子液体催化剂，开始搅拌，反应10min。静置，体系分层，下层为催化剂，通过分离可循环使用；上层为产物。反应1-十二烯转化率超过90%，2-LAB选择性约为42%。
实施例2-3
称取离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑][双三氟甲基磺酰亚胺]（0.42g，1.0mmol），在干燥条件下加热至90℃。称取氯化铝AlCl3（0.26g，2.0mmol），将其缓慢加入到已经加热的离子液体中，搅拌使其充分溶解，搅拌时间为6h。之后停止搅拌，使其缓慢恢复至室温。即得到具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体催化剂。
取苯（5g，64.0mmol）与1-十二烯（1.2g，9.1mmol）混合，预热至反应温度10℃，加入0.062g本发明所制备得到的离子液体催化剂，开始搅拌，反应30min。静置，体系分层，下层为催化剂，通过分离可循环使用；上层为产物。反应1-十二烯转化率超过90%，2-LAB选择性约为43%。
实施例2-4
称取离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑][双三氟甲基磺酰亚胺]（0.42g，1.0mmol），在干燥条件下加热至90℃。称取三（全氟己基磺酰亚胺）铝Al(N(SO2F)2)3（1.13g，2.0mmol），将其缓慢加入到已经加热的离子液体中，搅拌使其充分溶解，搅拌时间为6h。之后停止搅拌，使其缓慢恢复至室温。即得到具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体催化剂。
取苯（5g，64.0mmol）与1-十二烯（1.2g，9.1mmol）混合，预热至反应温度10℃，加入0.062g本发明所制备得到的离子液体催化剂，开始搅拌，反应30min。静置，体系分层，下层为催化剂，通过分离可循环使用；上层为产物。反应1-十二烯转化率超过90%，2-LAB选择性约为40%。
应用对比实施例：
取苯（5g，64.0mmol）与1-十二烯（1.2g，9.1mmol）混合，预热至反应温度10℃，加入0.62g氯化铝AlCl3作为催化剂，开始搅拌，反应30min。静置，体系为均相，催化剂无法分离。反应1-十二烯转化率超过90%，2-LAB选择性约28%。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1. 一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于该方法是先将具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体预热至60～90℃，然后加入含铝化合物，搅拌混合均匀后降至常温；然后将反应体系置于N2氛围下，常温下反应6～24h，使其相互反应生成配合物，得到用于催化Friedel-Crafts烷基化反应的催化剂。
2.如权利要求1所述的一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于含铝化合物与具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体的摩尔比为1：1～4：1。
3.如权利要求1或2所述的一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于所述的含铝化合物为三氯化铝（AlCl3）、三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝中的一种或几种；其中三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝的结构式为Al(N(SO2Rf)2)3，Rf=CnF2n+1，n=0～6。
4.如权利要求1或2所述的一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于所述的具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体在使用前需要在60～140℃条件下真空干燥24h。
5.如权利要求1或2或3所述的一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于所述的具有全氟烷基磺酰亚胺结构的离子液体为[1-丁基-3-甲基咪唑][双三氟甲基磺酰亚胺]。
6.如权利要求1所述的一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于该方法制备得到的催化剂用于Friedel-Crafts烷基化反应。
7.如权利要求6所述的一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于所述的Friedel-Crafts烷基化反应为苯与1-十二烯合成十二烷基苯的反应，催化剂加入量为苯与1-十二烯加入质量之和的1～10wt﹪，反应温度为10～80℃，1-十二烯与苯的摩尔比为1：1～1:7，反应时间为10～30min，压力为常压。
8.如权利要求3所述的一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于所述的三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝可以通过以下方法合成：将氯化铝AlCl3与全氟烷基磺酰亚胺混合，得到混合料；在混合料中再加入甲苯，常温下反应15～30min，反应过程中需要及时将产生的HCl除去，过滤取固体；固体用甲苯洗涤，并干燥，即得到相应的全氟烷基磺酰亚胺铝；其中氯化铝与全氟烷基磺酰亚胺的摩尔比为1:3～1:5；甲苯与混合料的质量比为2:1～1:2。
9.如权利要求3所述的一种基于铝的用于烷基化反应的催化剂的制备方法，其特征在于所述的三（双全氟烷基磺酰）亚胺铝可以通过以下方法合成：在全氟烷基磺酰亚胺中加入甲苯，配成浓度为0.5～1.5mol/L的全氟烷基磺酰亚胺溶液；然后在全氟烷基磺酰亚胺溶液中缓慢加入Al(C2H5)3的正己烷溶液，常温下反应30～90min，过滤取固体；固体用甲苯洗涤，并干燥，即得到相应的全氟烷基磺酰亚胺铝；所述的Al(C2H5)3的正己烷溶液中Al(C2H5)3浓度为0.5～1.5mol/L；全氟烷基磺酰亚胺溶液与Al(C2H5)3的正己烷溶液的体积比为3:1,控制Al(C2H5)3的正己烷溶液浓度使所加入的全氟烷基磺酰亚胺与 Al(C2H5)3的物质的量比为3:1～3.6:1。
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