CN110655495B - 一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种负载型金属催化合成1‑甲基哌啶的方法,是以负载型金属作为催化剂,1,5‑戊二醇和甲胺为原料,在H2气氛下,在温度230~330℃、反应初始压力2~4Mpa下反应1~8h,即得1‑甲基哌啶。其中负载型金属催化剂包括载体和活性组分两部分:其中活性组分为Cu、Ni、Pd/Ru,且且活性组分Cu和Ni的总负载量为载体质量的3~15%,且Cu和Ni的质量比为1:1;Pd/Ru的负载量为载体质量的0~1%;催化剂载体为Al2O3、SiO2或ZSM‑5。本发明通过一锅法催化制备了1‑甲基哌啶,1,5‑戊二醇转化率达100%,1‑甲基哌啶的选择性达93%,是一条具有实际应用价值的生产路线。

Description

一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法
技术领域
本发明涉及一种1-甲基哌啶的合成方法,尤其涉及一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法,属于催化剂及化学合成技术领域。
背景技术
1-甲基哌啶,分子式为C6H13N,是一类重要的有机中间体,可以用作医药中间体,橡胶促进剂,也可以用来合成农药,如植物生长调节剂甲哌鎓。此外,1-甲基哌啶还是合成离子液体的重要原料。
传统合成1-甲基哌啶的方法包括,1:哌啶甲基化法,甲基化试剂包括甲醛、多聚甲醛、甲醇、碘甲烷、CO2/H2以及甲酸等,如中国专利106957232以哌啶和甲醛为原料合成1-甲基哌啶,收率可达89%;中国专利104276957以CO2/H2作为甲基化试剂,和哌啶制备1-甲基哌啶;Journal of Combinatorial Chemistry,12(1),5-8;2010 以碘甲烷和哌啶合成1-甲基哌啶等。这些方法能以较高收率得到1-甲基哌啶,但是哌啶作为原料价格昂贵,且以甲醛作为甲基化原料用到了剧毒的甲醛,对环境不够友好等缺点。2:酰胺还原法:该路线以1-甲基哌啶酮或哌啶-1-甲醛作为原料,通过加氢还原制得1-甲基哌啶,如Chemistry - AEuropean Journal,23(59),14848-14859;2017对哌啶-1-甲醛加氢制备1-甲基哌啶收率达99%;Angewandte Chemie,International Edition,52(8),2231-2234;2013以1-甲基哌啶酮作为原料,加氢还原制备1-甲基哌啶,收率可达100%;Organometallics,32(24),7440-7444; 2013以碳酸铯作为催化剂催化哌啶-1-甲醛制备1-甲基哌啶,在室温下可以得到100%得目标产物收率。这类反应条件比较温和,能以极高收率获得1-甲基哌啶,但是无论是1-甲基哌啶酮或哌啶-1-甲醛都是比较昂贵得原料,且这类反应催化剂大多数都是贵金属。3:胺醇脱水环化法,Beilstein Journal of Organic Chemistry,13,329-337; 2017以5-氨基-1戊醇和甲醇作为原料合成1-甲基哌啶,收率96%;Catalysis Science &Technology, 4(1),47-52; 2014以5-甲胺基-1-戊醇作为原料脱水环化制备1-甲基哌啶,收率可达100%,这类反应条件温和,路线绿色,产品收率高,但是原料昂贵,限制了其工业化应用。
以1,5-戊二醇和甲胺合成1-甲基哌啶得路线是一条非常经济绿色的路线,反应路线如下:
该路线原料易得,过程绿色,副产物只有水,但是相关文献报道非常少,且收率都不甚理想。Journal of Organic Chemistry,59(14),3998-4000,1994;以1,5-戊二醇和甲胺反应制备1-甲基哌啶,其收率仅有31%;德国专利19624283报道以CuO作为催化剂催化1,5-戊二醇和甲胺反应制备1-甲基哌啶,其收率82%;因此,设计更为高效的催化剂,催化1,5-戊二醇和甲胺制备1-甲基哌啶具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法。
本发明催化合成1-甲基哌啶的方法,是以负载型金属作为催化剂,以1,5-戊二醇和甲胺为原料,在H2还原气氛下,在温度为230~330℃、反应初始压力为2~4Mpa下反应1~8h,即得1-甲基哌啶。
原料甲胺为20~80wt.%甲胺溶液或甲胺气体;1,5-戊二醇和甲胺的摩尔比为1:1~1:3 (优选1:1.5~1:2)。
H2与1,5-戊二醇的摩尔比为0.3:1~0.6:1。
负载型金属催化剂的用量为1,5-戊二醇质量的5%~20%。
负载型金属催化剂包括载体和活性组分两部分:其中活性组分为Cu、Ni、Pd/Ru,且且活性组分Cu和Ni的总负载量为载体质量的3~15%,且Cu和Ni的质量比为1:1;Pd/Ru的负载量为载体质量的0.1~1%;载体为Al2O3、SiO2或ZSM-5分子筛。
负载型金属催化剂的制备:将Ni(NO3)2·6H2O、Cu(NO3)·3H2O、氯钯酸铵/水合三氯化钌搅拌溶解于去离子水中,再缓慢加入催化剂载体,室温下充分搅拌混匀后静置老化1~3h,然后放入100~110℃烘箱中干燥10~12h;最后在马弗炉中于300~500℃下焙烧2~5h,得到负载型金属催化剂。
本发明与传统制方法相比具有以下优势:本发明以负载型金属为催化剂,1,5-戊二醇、甲胺为原料,在H2还原气氛下,采用一锅法反应催化制备了1-甲基哌啶;该方法1,5-戊二醇(PDO)的转化率高,可达100%;1-甲基哌啶的选择性也高,可高达93%。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面通过具体实施例对本发明制备1-甲基哌啶的方法作进一步说明。
实施例1
(1)催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/ZSM-5的制备:称取27.8g Ni(NO3)2·6H2O、21.1gCu(NO3)·3H2O和1g氯钯酸铵(含Pd 0.37g)加入3L烧杯中,添加56ml去离子水,然后在室温条件下搅拌溶解,再缓慢加入185g ZSM-5(NKF-5-80HW)分子筛,加料完成后置于室温条件下充分搅拌,静置老化3h,放入110ºC烘箱中干燥12h;干燥完成后置于马弗炉中500℃焙烧3h,得到催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/ZSM-5;
(2)1-甲基哌啶的制备:准确称取408g 1,5-戊二醇(PDO,4mol),620g 40 wt%甲胺水溶液(含8mol甲胺),41g 负载型金属催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/ZSM-5于4L反应釜中,在4MPa H2氛围下反应,设置反应温度290ºC,反应4h后结束反应,PDO的转化率100%,1-甲基哌啶选择性为93%。
实施例2
(1)催化剂3%Cu-3%Ni/ZSM-5的制备:称取27.8g Ni(NO3)2·6H2O、21.1g Cu(NO3)·3H2O,加入3L烧杯中,添加56ml去离子水,然后在室温条件下搅拌溶解,再缓慢加入185g ZSM-5分子筛,加料完成后置于室温条件下充分搅拌,静置老化3h,放入110ºC烘箱中干燥12h;干燥完成后置于马弗炉中500℃焙烧3h,得到催化剂3%Cu-3%Ni /ZSM-5;
(2)1-甲基哌啶的制备:准确称取408g PDO(4mol),620g 40 wt%甲胺水溶液(含8mol甲胺),41g 3%Cu-3%Ni /ZSM-5于4L反应釜中,在2MPa H2氛围下反应,设置反应温度290ºC,反应4h后结束反应,PDO的转化率100%,1-甲基哌啶选择性为85%。
实施例3
(1)催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Ru/ZSM-5的制备:称取27.8g Ni(NO3)2·6H2O、21.1gCu(NO3) ·3H2O和1g水合三氯化钌(含Ru 0.375g)加入3L烧杯中,添加56ml去离子水,然后在室温条件下搅拌溶解,再缓慢加入185g ZSM-5(NKF-5-80HW)分子筛,加料完成后置于室温条件下充分搅拌,静置老化3h,放入110ºC烘箱中干燥12h;干燥完成后置于马弗炉中500℃焙烧3h,得到催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Ru/ZSM-5;
(2)1-甲基哌啶的制备:准确称取408g PDO(4mol),620g 40 wt%甲胺水溶液(含8mol甲胺),41g 3%Cu-3%Ni-0.2%Ru/ZSM-5于4L反应釜中,在4MPa H2氛围下反应,设置反应温度290ºC,反应4h后结束反应,PDO的转化率100%,1-甲基哌啶选择性为91%。
实施例4
(1)催化剂3%Cu-3%Ni-0.5%Pd/ZSM-5的制备:称取27.8g Ni(NO3)2·6H2O、21.1gCu(NO3) ·3H2O和2.5g氯钯酸铵(含Pd 0.93g)加入3L烧杯中,添加56ml去离子水,然后在室温条件下搅拌溶解,再缓慢加入185g ZSM-5(NKF-5-80HW)分子筛,加料完成后置于室温条件下充分搅拌,静置老化3h,放入110ºC烘箱中干燥12h;干燥完成后置于马弗炉中500℃焙烧3h,得到催化剂3%Cu-3%Ni-0.5%Pd/ZSM-5;
(2)1-甲基哌啶的制备:准确称取408g PDO(4mol),620g 40 wt%甲胺水溶液(含8mol甲胺),41g3%Cu-3%Ni-0.5%Pd /ZSM-5于4L反应釜中,在4MPa H2氛围下反应,设置反应温度300ºC,反应4h后结束反应,PDO的转化率100%,1-甲基哌啶选择性为92%。
实施例5
(1)催化剂3%Cu-3%Ni /ZSM-5的制备:同实施例2;
(2)1-甲基哌啶的制备:准确称取408g PDO(4mol),465g 40 wt%甲胺水溶液(含3mol甲胺),41g 3%Cu-3%Ni /ZSM-5于4L反应釜中,在4MPa H2氛围下反应,设置反应温度290ºC,反应4h后结束反应,PDO的转化率100%,1-甲基哌啶选择性为76%。
实施例6
(1)催化剂7.5%Cu-7.5%Ni -0.5%Pd /ZSM-5的制备:称取69.5g Ni(NO3)2·6H2O、52.8g Cu(NO3) ·3H2O和2.5g氯钯酸铵(含Pd 0.93g)加入3L烧杯中,添加56ml去离子水,然后在室温条件下搅拌溶解,再缓慢加入185g ZSM-5(NKF-5-80HW)分子筛,加料完成后置于室温条件下充分搅拌,静置老化3h,放入110ºC烘箱中干燥12h;干燥完成后置于马弗炉中500℃焙烧3h,得到催化剂7.5%Cu-7.5%Ni 0.5%Pd /ZSM-5;
(2)1-甲基哌啶的制备:准确称取408g PDO(4mol),620g 40 wt%甲胺水溶液(含8mol甲胺),41g 7.5%Cu-7.5%Ni 0.5%Pd /ZSM-5于4L反应釜中,在2MPa H2氛围下反应,设置反应温度270ºC,反应4h后结束反应,PDO的转化率80%,1-甲基哌啶选择性为90%。
实施例7
(1)催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/Al2O3的制备:称取27.8g Ni(NO3)2·6H2O、21.1g Cu(NO3)·3H2O和1g氯钯酸铵(含Pd 0.37g)加入3L烧杯中,添加56ml去离子水,然后在室温条件下搅拌溶解,再缓慢加入185g Al2O3载体,加料完成后置于室温条件下充分搅拌,静置老化5h,放入100ºC烘箱中干燥12h;干燥完成后置于马弗炉中500℃焙烧2h,得到催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/Al2O3
(2)1-甲基哌啶的制备:准确称取408g 1,5-戊二醇(PDO,4mol),620g 40 wt%甲胺水溶液(含8mol甲胺),41g 负载型金属催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/Al2O3于4L反应釜中,在4MPa H2氛围下反应,设置反应温度300ºC,反应4h后结束反应,PDO的转化率90%,1-甲基哌啶选择性为79%。
实施例8
(1)催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/SiO2的制备:称取27.8g Ni(NO3)2·6H2O、21.1g Cu(NO3)·3H2O和1g氯钯酸铵(含Pd 0.37g)加入3L烧杯中,添加56ml去离子水,然后在室温条件下搅拌溶解,再缓慢加入185g SiO2载体,加料完成后置于室温条件下充分搅拌,静置老化3h,放入100ºC烘箱中干燥12h;干燥完成后置于马弗炉中500℃焙烧5h,得到催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/SiO2
(2)1-甲基哌啶的制备:准确称取408g 1,5-戊二醇(PDO,4mol),620g 40 wt%甲胺水溶液(含8mol甲胺),41g 负载型金属催化剂3%Cu-3%Ni-0.2%Pd/ SiO2于4L反应釜中,在4MPa H2氛围下反应,设置反应温度270ºC,反应8h后结束反应,PDO的转化率85%,1-甲基哌啶选择性为86%。
上述各实施例中,PDO的转化率、1-甲基哌啶选择性的分析测试条件:反应后所得产物加入内标物联苯,经内标法定量分析,采用Agilent Technologies 7890A气相色谱***定量分析。色谱条件为:色谱柱30 m × 0.25 mm × 0.33 μm的毛细管,氢火焰离子化(FID)检测器。定性分析利用Agilent Technologies 7890B-5977A GC-MS完成,色谱条件为:色谱柱30 m × 0.25 mm × 0.25 μm的毛细管,EI离子源,长效高能量电子倍增器检测器。

Claims (5)

1.一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法,是以负载型金属作为催化剂,以1,5-戊二醇和甲胺为原料,在H2还原气氛下,在温度为290~300℃、反应初始压力为4Mpa下反应1~8h,即得1-甲基哌啶;负载型金属催化剂包括载体和活性组分两部分:其中活性组分为Cu、Ni、Pd/Ru,且活性组分Cu和Ni的总负载量为载体质量的3%,Cu和Ni的质量比为1:1;Pd/Ru的负载量为载体质量的0.2~0.5%;所述催化剂载体为ZSM-5分子筛;所述负载型金属催化剂的制备:将Ni(NO3)2·6H2O、Cu(NO3)·3H2O、氯钯酸铵/水合三氯化钌搅拌溶解于去离子水中,再缓慢加入催化剂载体,室温下充分搅拌混匀后静置老化1~3h,然后放入100~110℃烘箱中干燥10~12h;最后在马弗炉中于300~500℃下焙烧2~5h,得到负载型金属催化剂。
2.如权利要求1所述一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法,其特征在于:原料甲胺为20~80wt.%甲胺溶液或甲胺气体。
3.如权利要求1所述一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法,其特征在于: 1,5-戊二醇和甲胺的摩尔比为1:1~1:3。
4.如权利要求1所述一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法,其特征在于:H2与1,5-戊二醇的摩尔比为0.3:1~0.6:1。
5.如权利要求1所述一种负载型金属催化合成1-甲基哌啶的方法,其特征在于:负载型金属催化剂的用量为1,5-戊二醇质量的5%~20%。
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