固定床催化合成N-甲基哌嗪

葉小明,張亞川,陳漢庚,陳新志

(1.浙江大學化學工程與生物工程學系,浙江杭州310027;2.浙江壽爾福化學有限公司,浙江縉云321400;3.浙江醫藥股份有限公司,浙江紹興312500)

固定床催化合成N-甲基哌嗪

葉小明1,2,張亞川3,陳漢庚1,陳新志1

(1.浙江大學化學工程與生物工程學系,浙江杭州310027;2.浙江壽爾福化學有限公司,浙江縉云321400;3.浙江醫藥股份有限公司,浙江紹興312500)

采用浸漬法制備負載型Cu-N i/A l2O3,Cu-N i-M o/A l2O3,Cu-N i-Co/A l2O3,Cu-N i-Cr/A l2O3,Cu/A l2O3催化劑,并用于催化以哌嗪和甲醇為原料的N-甲基化反應合成N-甲基哌嗪。在固定床中考察了不同負載型金屬催化劑、反應溫度、n(甲醇)∶n(哌嗪)、LHSV等因素對合成N-甲基哌嗪反應的影響。實驗結果表明,Cu-N i-M o/A l2O3催化劑的催化活性最好;采用Cu-N i-M o/A l2O3催化劑,合成N-甲基哌嗪的適宜條件為:n(甲醇)∶n(哌嗪)=2.5,氫氣為載氣,LHSV=0.20h-1,反應溫度180℃,反應壓力0.8M Pa;在此條件下,哌嗪的轉化率達到90.5%,N-甲基哌嗪的選擇性達到86.9%。

哌嗪;甲醇;N-甲基哌嗪;N,N′-二甲基哌嗪;N-甲基化反應;負載型催化劑

N-甲基哌嗪(M PP)是一種重要的醫藥中間體,并且在聚氨酯泡沫塑料、含硫聚酯、聚含氧四氟乙烯等高分子產品的生產中也有廣泛的應用[1]。工業上一般采用哌嗪經甲基化反應制備M PP。該生產工藝流程復雜,產品收率偏低,能耗大,因此,研究合成M PP的新工藝具有重大意義。

N agaiah等[2]報道了以二乙醇胺和甲胺為原料,以Cu/A l2O3為催化劑,在200℃、25M Pa下合成M PP,收率為71%。該方法反應條件苛刻,對設備要求較高。王樹良等[3]以哌嗪、甲醛和甲酸為原料,經L euckart-W alach反應制備M PP,收率為50%～55%。該方法生產工藝流程復雜,收率偏低。文獻[4]報道以甲醛為甲基化試劑,經N i/SiO2催化氫化,得到哌嗪的N-甲基化產物和少量二甲胺基乙醇,通過簡單蒸餾可得到M PP和N,N′-二甲基哌嗪(DM PP),收率分別為58.0%和41.7%。該方法哌嗪的轉化率高,但M PP選擇性較差。文獻[5]報道以哌嗪和甲醇為原料、Si O2和H3PO4的混合物為催化劑,在流化床中于160～220℃下反應制得M PP,哌嗪的轉化率為49.3%,所得M PP和DM PP的質量比為81∶15。該方法M PP的選擇性較高,但哌嗪轉化率偏低。文獻[6]報道以N i-M o/A l2O3或Co-M o/A l2O3為催化劑,以哌嗪和甲醇為原料制備M PP具有良好的效果。該方法制備M PP的副產物為水,具有環境友好性,符合現代化工的要求,且所選原料易得,有利于工業化生產。

本工作以哌嗪和甲醇為起始原料,采用負載型金屬催化劑于固定床中進行氣固相催化N-甲基化反應制備M PP,考察了不同負載型金屬催化劑、反應溫度、n(甲醇)∶n(哌嗪)、LHSV對哌嗪轉化率和M PP選擇性的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及方法

合成M PP的固定床反應裝置見圖1。固定床為不銹鋼管,內徑8mm,總長度800mm,上部為預熱汽化段(填充石英沙),中部為有效反應段(長600mm、有效體積約為110～120mL)。

圖1 合成M PP的固定床反應裝置Fig.1 Schematic diagram of fixed bed reaction apparatus for synthesis of N2methyl2piperazine(M PP).

1.2 催化劑的制備

將市售活性A l2O3(顆粒直徑2～3mm,比表面積220～250m2/g)用質量分數為10%的H3PO4溶液在50～60℃下處理30m in,濾出的A l2O3顆粒干燥后轉放入馬弗爐中于450℃下焙燒3h;將上述處理過的A l2O3顆粒在室溫下于不同的硝酸鹽水溶液中浸漬36h,過濾,濾出的A l2O3顆粒在60℃、攪拌的條件下烘干,然后放入馬弗爐中于280℃下焙燒5h,自然降溫后再在原濾液中浸漬24h,80℃、攪拌下烘干30m in后放入馬弗爐中于400～450℃下焙燒5h,自然降溫,即得到負載型Cu-N i/A l2O3, Cu-N i-M o/A l2O3,Cu-N i-Co/A l2O3,Cu-N i-C r/A l2O3,Cu/A l2O3催化劑。

1.3 催化劑活化

在固定床中間段填充負載型金屬催化劑100g左右,活化時以氫氣為載氣,流量為60L/h。活化溫度控制在(300±10)℃,升溫速率為1.5℃/m in。活化過程中有水產生,隨活化的進行,水逐漸減少,當水完全沒有時,表明活化完全。

1.4 M PP的合成

以氫氣為載氣,控制固定床內壓力為0.8M Pa,以1.5℃/m in的速率將固定床內的溫度升至180℃(鹽浴加熱)。混合汽化室溫度達到180℃后,開啟計量泵,通過流量計控制原料(預先配置好一定比例的哌嗪甲醇溶液)進料流量,同時控制出料流量以保證固定床內無積液。對固定床出口的產物取樣進行氣相色譜分析。

采用安捷倫公司1790F型氣相色譜儀分析產物組成。分析條件:SE-54型毛細管柱(35m× 0.32mm×0.25μm),FID檢測,載氣為N2,流量為20mL/m in,燃燒氣為空氣+氫氣,柱溫采用程序升溫(初始溫度40℃,以15℃/m in的升溫速率升至230℃),進樣溫度230℃,檢測器溫度240℃,進樣量1μL。

2 結果與討論

2.1 催化劑對合成M PP的影響

不同負載型金屬催化劑對合成M PP的影響見表1。由表1可見,催化劑組成對反應影響顯著, Cu/A l2O3催化劑的催化效果不理想,哌嗪轉化率和M PP選擇性均較低。Cu-N i/A l2O3催化劑可提高哌嗪的轉化率,但M PP選擇性仍較低,這可能是由于N i的加入可促進醇的α-H的脫除,從而在相同停留時間內提高反應的速率,進而使哌嗪轉化率增加,但由于哌嗪的特殊結構,Cu-N i/A l2O3催化劑并未提高M PP的選擇性;Cu-N i-M o/A l2O3催化劑催化效果最理想,哌嗪轉化率為90.5%,M PP的選擇性可達到86.9%。助劑Co和Cr的加入并沒有提高哌嗪轉化率和M PP選擇性,這可能是由于胺的N-烷基化(即醇的胺化)過程對催化劑的要求除了需要具有一定的加氫-脫氫性能外,還需要一定的堿性,M o的加入與Co和C r相比,使得催化劑表面上堿性活性中心增加,從而提高了M PP的選擇性。因此,哌嗪的N-單甲基化反應適宜的催化劑為Cu-N i-M o/A l2O3。以下實驗均采用Cu-N i-M o/A l2O3催化劑。

表1 不同負載型金屬催化劑對合成M PP的影響Table1 Effects of different supported catalysts on synthesis of M PP

2.2 反應溫度對合成M PP的影響

反應溫度對合成M PP的影響見圖2。由圖2可見,隨反應溫度的升高,哌嗪的轉化率增大,但M PP的選擇性下降。這是因為反應溫度升高使主反應速率加快的同時,生成DM PP副反應的速率也加快,所以M PP的選擇性下降。因此,選擇適宜的反應溫度為180℃。

圖2 反應溫度對合成M PP的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on synthesis of M PP. The other reaction conditions referred to Table1.● Conversion of piperazine;■ Selectivity to M PP

2.3 n(甲醇)∶n(哌嗪)對合成M PP的影響

n(甲醇)∶n(哌嗪)對合成M PP的影響見圖3。由圖3可看出,隨n(甲醇)∶n(哌嗪)的增大,哌嗪的轉化率增加,但M PP的選擇性降低。適宜的n(甲醇)∶n(哌嗪)=2.5,此時哌嗪轉化率為90.5%, M PP的選擇性為86.9%。

圖3 n(甲醇)∶n(哌嗪)對合成M PP的影響Fig.3 Effect of n(methanol)∶n(piperazine)on synthesis of M PP. The other reaction conditions referred to Table1.● Conversion of piperazine;■ Selectivity to M PP

2.4 LHSV對合成M PP的影響

LHSV對合成M PP的影響見圖4。由圖4可見,隨LHSV的增大,哌嗪轉化率降低,這是因為哌嗪在催化劑上的停留時間縮短,難以轉化完全; LHSV過低,雖然哌嗪的轉化率較高,但反應器的生產效率降低,同時生成DM PP的量增加,因此M PP的選擇性較低。綜合考慮,選擇LHSV為0.20h-1較適宜。

圖4 LHSV對合成M PP的影響Fig.4 Effect of LHSV on synthesis of M PP. The other reaction conditions referred to Table1.● Conversion of piperazine;■ Selectivity to M PP

3 結論

(1)采用浸漬法制備了負載型Cu/A l2O3,Cu-N i/A l2O3,Cu-N i-Co/A l2O3,Cu-N i-Cr/A l2O3,Cu-N i-M o/A l2O3催化劑。在以哌嗪和甲醇為原料合成M PP的反應中,Cu-N i-M o/A l2O3催化劑具有最好的催化效果。

(2)合成M PP的適宜工藝條件為:采用Cu-N i-M o/A l2O3催化劑,氫氣為載氣,n(甲醇)∶n(哌嗪)=2.5,LHSV=0.20h-1,反應溫度為180℃,反應壓力0.8M Pa。在此條件下,哌嗪的轉化率為90.5%,M PP的選擇性為86.9%。

1 胡鈺琴.甲基及二甲基哌嗪合成工藝圖解.中國醫藥工業雜志, 1992,25(6):284～285

2 Nagaiah K,Rao A S,Kulkarni S J,et al.Intermolecular Cycliza2 tion of D iethanolam ine andM ethylam ine to N2M ethylpiperazine over Zeolites.J Catal,1994,147(1):349～351

3 王樹良,戴桂元.N-甲基哌嗪(M PP)的合成方法.化學世界, 1995,36(9):471～473

4 Jefferson Chem icial Co Inc.Herstellung von12M ethylpipeperazin und1,42D imethylpiperazinalsCoprodukt.Ger Offen,DE 2531060.1978

5 Badische Anilin2&Soda2Fabrik AG6700Ludw igshfen.Verfahren zur Herstellung von N2A lkylderivaten CyclischerA lkylenim ine.Ger Offen,DE2205597.1973

6 Gelger T,Howard F.Useful Products from Piperazine.Ind Eng Chem Prod Res Dev,1981,20(4):688～693

(編輯 李治泉)

Catalytic Synthesis ofN2M ethyl2Piperazine in Fixed Bad Reactor

Ye Xiaom ing1,2,Zhang Yachuan3,Chen Hangeng1,Chen Xinzhi1
(1.Department of Chem ical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang310027,China;2.Zhejiang Shou&Fu Chem ical Co.,L td.,Jinyun Zhejiang321400,China;3.Zhejiang M edicine Co.,L td.,Shaoxing Zhejiang321500,China)

Supported catalysts,such as Cu2N i/A l2O3,Cu2N i2M o/A l2O3,Cu2N i2Co/A l2O3,Cu2 N i2Cr/A l2O3and Cu/A l2O3,for synthesis of N2m ethyl2piperazine from piperazine and m ethanol w ere preparedthroughi mpregnationm ethod.Effectsofactivecomponent,reactiontemperature, n(m ethanol)∶n(piperazine)and LHSV on the N2m ethylation w ere investigated in a fixed bed reactor. A ctivity of Cu2N i2M o/A l2O3catalyst am ong the catalysts w as the highest.Conversion of piperazine increased w hile selectivity to N2m ethyl2piperazine decreased w ith increases of both reaction temperature and n(m ethanol)∶n(piperazine).The conversion decreased w hile the selectivity increased w ith increase of LHSV.U nder optim ized reaction conditions:n(m ethanol)∶n(piperazine)2.5,hydrogen as supporting gas,LHSV0.20h-1,reaction temperature180℃,reaction pressure0.8M Pa and Cu2 N i2M o/A l2O3as catalyst,conversion of piperazine and selectivity to N2m ethyl2piperazine reached 90.5%and86.9%,respectively.

piperazine;m ethanol;N2m ethyl2piperazine;N,N′2di m ethyl2piperazine;N2m ethylation; supported catalyst

book=2,ebook=59

1000-8144(2010)02-0184-04

TQ426.83

A

2009-09-01;[修改稿日期]2009-11-10。

葉小明(1982—),男,浙江省麗水市人,大學,助理工程師,電郵xiaom ing1256@163.com。聯系人:陳新志,電話0571-87951615,電郵xzchen@zju.edu.cn。

國家科技支撐計劃項目(2007BA I34B07);國家自然科學基金項目(20776127);浙江省自然科學基金項目(Y4090045);浙江省自然科學基金杰出青年團隊資助項目(R4090358)。