固定床催化合成N-甲基哌嗪

叶小明,张亚川,陈汉庚,陈新志

(1.浙江大学化学工程与生物工程学系,浙江杭州310027;2.浙江寿尔福化学有限公司,浙江缙云321400;3.浙江医药股份有限公司,浙江绍兴312500)

固定床催化合成N-甲基哌嗪

叶小明1,2,张亚川3,陈汉庚1,陈新志1

(1.浙江大学化学工程与生物工程学系,浙江杭州310027;2.浙江寿尔福化学有限公司,浙江缙云321400;3.浙江医药股份有限公司,浙江绍兴312500)

采用浸渍法制备负载型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催化剂,并用于催化以哌嗪和甲醇为原料的N-甲基化反应合成N-甲基哌嗪。在固定床中考察了不同负载型金属催化剂、反应温度、n(甲醇)∶n(哌嗪)、LHSV等因素对合成N-甲基哌嗪反应的影响。实验结果表明,Cu-N i-M o/A l2O3催化剂的催化活性最好;采用Cu-N i-M o/A l2O3催化剂,合成N-甲基哌嗪的适宜条件为:n(甲醇)∶n(哌嗪)=2.5,氢气为载气,LHSV=0.20h-1,反应温度180℃,反应压力0.8M Pa;在此条件下,哌嗪的转化率达到90.5%,N-甲基哌嗪的选择性达到86.9%。

哌嗪;甲醇;N-甲基哌嗪;N,N′-二甲基哌嗪;N-甲基化反应;负载型催化剂

N-甲基哌嗪(M PP)是一种重要的医药中间体,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产品的生产中也有广泛的应用[1]。工业上一般采用哌嗪经甲基化反应制备M PP。该生产工艺流程复杂,产品收率偏低,能耗大,因此,研究合成M PP的新工艺具有重大意义。

N agaiah等[2]报道了以二乙醇胺和甲胺为原料,以Cu/A l2O3为催化剂,在200℃、25M Pa下合成M PP,收率为71%。该方法反应条件苛刻,对设备要求较高。王树良等[3]以哌嗪、甲醛和甲酸为原料,经L euckart-W alach反应制备M PP,收率为50%～55%。该方法生产工艺流程复杂,收率偏低。文献[4]报道以甲醛为甲基化试剂,经N i/SiO2催化氢化,得到哌嗪的N-甲基化产物和少量二甲胺基乙醇,通过简单蒸馏可得到M PP和N,N′-二甲基哌嗪(DM PP),收率分别为58.0%和41.7%。该方法哌嗪的转化率高,但M PP选择性较差。文献[5]报道以哌嗪和甲醇为原料、Si O2和H3PO4的混合物为催化剂,在流化床中于160～220℃下反应制得M PP,哌嗪的转化率为49.3%,所得M PP和DM PP的质量比为81∶15。该方法M PP的选择性较高,但哌嗪转化率偏低。文献[6]报道以N i-M o/A l2O3或Co-M o/A l2O3为催化剂,以哌嗪和甲醇为原料制备M PP具有良好的效果。该方法制备M PP的副产物为水,具有环境友好性,符合现代化工的要求,且所选原料易得,有利于工业化生产。

本工作以哌嗪和甲醇为起始原料,采用负载型金属催化剂于固定床中进行气固相催化N-甲基化反应制备M PP,考察了不同负载型金属催化剂、反应温度、n(甲醇)∶n(哌嗪)、LHSV对哌嗪转化率和M PP选择性的影响。

1 实验部分

1.1 实验装置及方法

合成M PP的固定床反应装置见图1。固定床为不锈钢管,内径8mm,总长度800mm,上部为预热汽化段(填充石英沙),中部为有效反应段(长600mm、有效体积约为110～120mL)。

图1 合成M PP的固定床反应装置Fig.1 Schematic diagram of fixed bed reaction apparatus for synthesis of N2methyl2piperazine(M PP).

1.2 催化剂的制备

将市售活性A l2O3(颗粒直径2～3mm,比表面积220～250m2/g)用质量分数为10%的H3PO4溶液在50～60℃下处理30m in,滤出的A l2O3颗粒干燥后转放入马弗炉中于450℃下焙烧3h;将上述处理过的A l2O3颗粒在室温下于不同的硝酸盐水溶液中浸渍36h,过滤,滤出的A l2O3颗粒在60℃、搅拌的条件下烘干,然后放入马弗炉中于280℃下焙烧5h,自然降温后再在原滤液中浸渍24h,80℃、搅拌下烘干30m in后放入马弗炉中于400～450℃下焙烧5h,自然降温,即得到负载型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催化剂。

1.3 催化剂活化

在固定床中间段填充负载型金属催化剂100g左右,活化时以氢气为载气,流量为60L/h。活化温度控制在(300±10)℃,升温速率为1.5℃/m in。活化过程中有水产生,随活化的进行,水逐渐减少,当水完全没有时,表明活化完全。

1.4 M PP的合成

以氢气为载气,控制固定床内压力为0.8M Pa,以1.5℃/m in的速率将固定床内的温度升至180℃(盐浴加热)。混合汽化室温度达到180℃后,开启计量泵,通过流量计控制原料(预先配置好一定比例的哌嗪甲醇溶液)进料流量,同时控制出料流量以保证固定床内无积液。对固定床出口的产物取样进行气相色谱分析。

采用安捷伦公司1790F型气相色谱仪分析产物组成。分析条件:SE-54型毛细管柱(35m× 0.32mm×0.25μm),FID检测,载气为N2,流量为20mL/m in,燃烧气为空气+氢气,柱温采用程序升温(初始温度40℃,以15℃/m in的升温速率升至230℃),进样温度230℃,检测器温度240℃,进样量1μL。

2 结果与讨论

2.1 催化剂对合成M PP的影响

不同负载型金属催化剂对合成M PP的影响见表1。由表1可见,催化剂组成对反应影响显著, Cu/A l2O3催化剂的催化效果不理想,哌嗪转化率和M PP选择性均较低。Cu-N i/A l2O3催化剂可提高哌嗪的转化率,但M PP选择性仍较低,这可能是由于N i的加入可促进醇的α-H的脱除,从而在相同停留时间内提高反应的速率,进而使哌嗪转化率增加,但由于哌嗪的特殊结构,Cu-N i/A l2O3催化剂并未提高M PP的选择性;Cu-N i-M o/A l2O3催化剂催化效果最理想,哌嗪转化率为90.5%,M PP的选择性可达到86.9%。助剂Co和Cr的加入并没有提高哌嗪转化率和M PP选择性,这可能是由于胺的N-烷基化(即醇的胺化)过程对催化剂的要求除了需要具有一定的加氢-脱氢性能外,还需要一定的碱性,M o的加入与Co和C r相比,使得催化剂表面上碱性活性中心增加,从而提高了M PP的选择性。因此,哌嗪的N-单甲基化反应适宜的催化剂为Cu-N i-M o/A l2O3。以下实验均采用Cu-N i-M o/A l2O3催化剂。

表1 不同负载型金属催化剂对合成M PP的影响Table1 Effects of different supported catalysts on synthesis of M PP

2.2 反应温度对合成M PP的影响

反应温度对合成M PP的影响见图2。由图2可见,随反应温度的升高,哌嗪的转化率增大,但M PP的选择性下降。这是因为反应温度升高使主反应速率加快的同时,生成DM PP副反应的速率也加快,所以M PP的选择性下降。因此,选择适宜的反应温度为180℃。

图2 反应温度对合成M PP的影响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)对合成M PP的影响

n(甲醇)∶n(哌嗪)对合成M PP的影响见图3。由图3可看出,随n(甲醇)∶n(哌嗪)的增大,哌嗪的转化率增加,但M PP的选择性降低。适宜的n(甲醇)∶n(哌嗪)=2.5,此时哌嗪转化率为90.5%, M PP的选择性为86.9%。

图3 n(甲醇)∶n(哌嗪)对合成M PP的影响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对合成M PP的影响

LHSV对合成M PP的影响见图4。由图4可见,随LHSV的增大,哌嗪转化率降低,这是因为哌嗪在催化剂上的停留时间缩短,难以转化完全; LHSV过低,虽然哌嗪的转化率较高,但反应器的生产效率降低,同时生成DM PP的量增加,因此M PP的选择性较低。综合考虑,选择LHSV为0.20h-1较适宜。

图4 LHSV对合成M PP的影响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 结论

(1)采用浸渍法制备了负载型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催化剂。在以哌嗪和甲醇为原料合成M PP的反应中,Cu-N i-M o/A l2O3催化剂具有最好的催化效果。

(2)合成M PP的适宜工艺条件为:采用Cu-N i-M o/A l2O3催化剂,氢气为载气,n(甲醇)∶n(哌嗪)=2.5,LHSV=0.20h-1,反应温度为180℃,反应压力0.8M Pa。在此条件下,哌嗪的转化率为90.5%,M PP的选择性为86.9%。

1 胡钰琴.甲基及二甲基哌嗪合成工艺图解.中国医药工业杂志, 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 王树良,戴桂元.N-甲基哌嗪(M PP)的合成方法.化学世界, 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

(编辑 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。

叶小明(1982—),男,浙江省丽水市人,大学,助理工程师,电邮xiaom ing1256@163.com。联系人:陈新志,电话0571-87951615,电邮xzchen@zju.edu.cn。

国家科技支撑计划项目(2007BA I34B07);国家自然科学基金项目(20776127);浙江省自然科学基金项目(Y4090045);浙江省自然科学基金杰出青年团队资助项目(R4090358)。