（化学工艺专业论文）n乙基哌嗪合成工艺及催化剂研究.pdf

摘要 n 一乙基哌嗪是用途广泛的医药中间体和有机化工原料。本文以哌嗪和乙醇为 原料，对低压气固相催化合成n 一乙基哌嗪的工艺及催化剂进行了系统的研究。 在铜基活性氧化铝催化剂基础上，分别添加了钴、锌、铬、镁、铁等组分，以原 料的转化率和n 一乙基哌嗪的选择性为指标，选定c u z n 丫a 1 2 0 3 为实验用催化剂， 并确定了其最佳制备条件。随后，在最佳催化剂条件下，通过单因素和正交实验， 得出了本技术路线的最优合成工艺条件。 结果表明： 1 以哌嗪和乙醇为原料在低压条件下气固相法催化合成n 一乙基哌嗪的工艺 路线是可行的。 2 采用浸渍法制备的c u z n y a 1 2 0 3 作为反应的催化剂具有良好的活性和对 目标产物的选择性。催化剂的最佳制备条件为：颗粒当量直径为1 8 2 m m 的活性 氧化铝；2 5 c 下用1 0 m o l l 的c u f n 0 3 ) 2 和o 5 m o l l 的z n ( n 0 3 ) 2 的混合溶液浸 渍4 8 h ；1 1 0 条件下快速干燥3 h ；5 0 0 下焙烧5 h ：最后在反应器中，氢气压 力0 6 m p a 、温度3 0 0 下，还原3 h 。 3 最佳合成工艺条件为：原料液哌嗪浓度3 0 ( 质量分数) ，反应温度 2 6 0 5 c ，以哌嗪计反应空速为1 7 2 h 系统氢压0 6 m p a 。在此条件下，哌嗪 转化率为9 6 9 ，n 一乙基哌嗪选择性为8 5 1 ，n ，n 一二乙基哌嗪的选择性8 9 。 关键词：n 一乙基哌嗪浸渍法催化剂合成 s t u d i e so nt h ep r o c e s sa n d c a t a l y s tf o r p r e p a r i n g n e t h y l p i p e r a z i n e a b s t r a c t n e t h y l p i p e r a z i n ei sav e r s a t i l ei n t e r m e d i a t ea n do r g a n i cc h e m i c a lm a t e r i a l s t a r t i n gf r o mp i p e r a z i n e a n de t h a n o l ，t h ec r a f tc o n d i t i o n sa n dc a t a l y s to f p r e p a r i n gn e t h y l p i p e r a z i n eb yg a s - s o l i dp h a s ec a t a l y t i cu n d e ri o w - p r e s s u r e w e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yi n t h i sp a p e r b ya d d i n go t h e rc o m p o n e n t s s u c ha sc o ，z n ，c r ，m g ，f es e p a r a t e l yi n t ot h ec o p p e r b a s e da c t i v a t e d a l u m i n ac a t a l y s t ，t h ec u - z n 7 - a 1 2 0 3w a ss e l e c t e da n do p t i m i z e df o rt h i s r e a c t i o na c c o r d i n gt ot h ec o n v e r s i o no fp i p e r a z i n ea n dt h es e l e c t i v t yt o n - e t h y l p i p e r a z i n e t h e n ，u n d e rt h eb e s tc a t a l y s tc o n d i t i o n s ，t h eo p t i m u mc r a f t c o n d i t i o n sw e r ed e s i g n e dt h r o u g hs i n g l e - f a c t o ra n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t h er e s u l t so b t a i n e d ： 1 f r o ms t a r t i n gm a t e r i a l so fp i p e r a z i n ea n de t h a n o l ，t h es y n t h e s i so f n - e t h y l p i p e r a z i n eb yg a s - s o l i dp h a s ec a t a l y t i cu n d e rl o wp r e s s u r ei sa p p l i c a b l e 2 t h ec u z n - a 1 2 0 3p r e p a r e db yi m p r e g n a t em e t h o dt ot h er e a c t i o ns h o w s h i g h a c t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y t o t a r g e tp r o d u c t i t s b e s t p r e p a r a t i o n c o n d i t i o n s ：a c t i v a t e da l u m i n aw i t h p a r t i c l e se q u i v a l e n t d i a m e t e ro f1 8 2 m m ；i n f u s e df o r4 8h o u r sa t2 5 i nt h em i xs o l u t i o no f1 0 m o i lc a ( n 0 3 ) 2a n d 0 5 m o l lz n ( n 0 3 ) 2 ；d r i e df o r3h o u r sa t1 1 0 c ；b a k e df o r5 h o u r sa t5 0 0 2 ； a c t i v a t i e df o r3h o u r sa t3 0 0 。ci nt h er e a c t o ro f0 6m p ah y d r o g e np r e s s n r e 3 t h eo p t i m u mc r a f tc o n d i t i o n s ：t h ec o n c e n t r a t i o no fp a3 0 ( q u a l i t y s c o r e ) ；r e a c t i o nt e m p e r a t u r e2 6 0 j = 5 。c ；t h ea i r s p e e dc o u n t e da sp i p e r a z i n e i s 17 2 h 1 , 0 6m p ah y d r o g e np r e s s u r ei nr e a c t o r i nt h e s ec o n d i t i o n s ，t h ec o n v e r s i t i o n o fp i p e r a z i n er e a c h e s9 6 9 ，t h es e l e c t i v i t yt on e t h y l p i p e r a z i n ei s8 5 1 ，a n dt o n ，n 一d i e t h y i p i p e r a z i n ei s8 9 k e y w o r d s ：n e t h y l p i p e r a z i ei m p r e g n a t em e t h o dc a t a l y s ts y n t h e s i s 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 主丛盏指导教师签多，主! 型墨迄 加巾孑年。占月 i1 日 洲譬年d 月f 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 多祆沲 妒6 6 月1 1 日 土_ | l - 刖舌 近2 0 年来，全世界制药工业取得了前所未有的进展，与其息息相关的中间体生 产也取得了突飞猛进的发展。n 一乙基哌嗪，又名卜乙基哌嗪，分子式c 6 h 1 4 n 2 ，是用 途广泛的医药中间体和有机化工原料，主要用于合成恩氟沙星、染料及植物保护剂 等，还用作人体杀虫抗生剂，同时又是制造驱除蛔虫和蛲虫的药物原料【l 】。 n 一乙基哌嗪用量大，市场上供不应求，我国在其合成方面的技术还比较落后， 国内需求主要依赖进口，每年不但要消耗大量的外汇，而且还约束了我国医药、染 料等相关工业的发展。在这个背景下，开发高效、经济的合成技术，无疑具有巨大 的市场潜力和诱人的发展前景。本研究的主要意义在于： ( 1 ) 对n - 乙基哌嗪合成工艺进行研究开发，有利于节约外汇，促进我国医药、 农药、染料及其它相关产业发展； ( 2 ) 该产品属于国内医药及相关精细化工领域紧缺产品，有着广阔的应用前景； ( 3 ) 本研究采用了气固相催化法合成n _ 乙基哌嗪，在国内、国际处于领先地位。 技术具有先进、可行，原料易得无污染、工艺简单、操作条件温和等特点，适合我 国国情。 目前国内n - 乙基哌嗪的合成按起始原料的不同分为两大类：一类以哌嗪为原料， 哌嗪与烷化剂如卤代烷、酯、醛一甲酸结合体等进行烷基化反应，烷化反应能力与烷 化剂的选择、反应条件密切有关。取代烷基化是应用最广泛的烷基化工艺【2 】。但上 述反应过程，操作难控、稳定性差、三废处理困难。另一类是以二乙醇胺为原料， 与氨、氢在一定的工艺条件下反应可以得到少量的n 乙基哌嗪【3 】，此合成方法副反 应多，后处理工作量大。本文通过对现有合成路线的分析、比较，选用哌嗪和乙醇为 起始原料，采用气固相法进行醇的催化胺化合成n 一乙基哌嗪的工艺路线。 低压气固相催化法合成n 一乙基哌嗪，其关键技术为催化剂的设计、制各以及合 成最佳工艺条件的确定。催化剂参照前期研究基础及国内外有关文献资料，在铜基 活性氧化铝催化剂的基础上添加锌作为助活性组分，以提高催化剂的活性，并按不 同的设计方案在反应器中进行反应，考察催化剂、反应温度、反应压力、原料配比、 原料空速对n 一乙基哌嗪收率的影响，最后通过正交实验对工艺条件了进行优化。本 论文具有以下创新点： ( 1 ) 研究得到气固相催化合成n _ 乙基哌嗪的新型催化剂，即以铜为主活性组 分，以锌为助催化组分的活性氧化铝催化剂，应用于实验取得了良好的催化活性、 选择性和稳定性； ( 2 ) 在最佳催化剂条件下，以哌嗪和乙醇为原料，研究气固相催化合成n - 乙基 哌嗪的新工艺，通过单因素实验和正交实验确定了该路线的最优工艺条件，操作条 件简单、温和、易控制，能够实现其经济效益的最大化。 2 第一章巳- r - j - 论弟一早一t 匕 本章介绍了n 一乙基哌嗪的物理化学性质，在制药与有机合成中的主要应用，并 通过对现有合成路线的比较，选择以哌嗪和乙醇为原料采用低压气固相催化的方法 合成n 一乙基哌嗪。 1 1n 一乙基哌嗪的物理化学性质 n 一乙基哌嗪，英文名n e t h y l p i p e r a z i n e ，简称e p a ，分子式c 6 h 1 4 n 2 ，结构式 门 i - i nn 、 _ - ，分子量1 1 4 1 9 。常温、常压下为无色或微黄色透明液体，有强烈胺味， 可燃，具有中度毒性，在高温下易被氧化而变成黄色，易溶于水、醇类等溶剂，蒸 汽遇到明火有爆炸危刚4 1 。n 乙基哌嗪的常用物理化学常数见表1 1 ： 表1 1 卜卜乙基哌嗪常用物化常数 1 2n 一乙基哌嗪的主要用途 n - 乙基哌嗪是哌嗪系列产品之一，作为医药中间体及精细化学品在制药与有机 合成中获得广泛应用，主要用于合成恩氟沙星、染料及植物保护剂等，在塑料、橡 胶等高分子工业中也有大量的应用，还可用作人体杀虫抗生剂，同时又是制造驱除 蛔虫和蛲虫的药物原料。 1 2 1 合成恩氟沙星 n 一乙基哌嗪用于合成恩氟沙星【5 1 。恩氟沙星( e n r o f l o x a c i n ，1 ) ，化学名卜环丙基 一7 一( 4 一乙基哌嗪基) 一6 一氟一1 ，4 一二氢一4 一氧代一3 一喹啉羧酸，是喹诺酮酸类抗菌药物， 已作为兽药应用，是由：1 一环丙基一6 一氟一7 一氯一1 ，4 一二氢一4 一氧代- 3 - 喹啉羧酸( 2 ) 与 n 一乙基哌嗪( 3 ) 反应制得【6 - 8 。 反应方程式如下： o 一肾o h 一 一m l x c o o h c 2 h 5 - c o o h + 呸叱一弋h 一 。“。n 厶 ( 2 ) ( 3 ) 1 2 - 2 合成人体杀虫抗生剂 n 一乙基哌嗪可以用于合成保护脊椎动物免受蠕虫感染的化合物，这种化合物包 括与一种免疫刺激性载体共价偶联的透明质酸酶，该化合物是以疫苗形式施用于脊 椎动物，而其中被透明质酸酶共价偶联的免疫刺激性载体包括亚乙基哌嗪n 一氧化物 和n 一乙酰亚乙基哌嗪嗡溴化物的共聚物( s y n p 0 1 ) 【9 】。通常哌嗪与有机酸生成的有机 盐类驱虫药主要用于人体，而无机哌嗪盐则多用作兽药。 1 2 3 合成磷酸二酯酶( v ) ( p d e 5 ) 抑制剂 男性勃起功能障碍( m e d ，俗称阳萎) 是较为常见的男性疾病。磷酸二酯酶 ( v ) ( p d e 5 ) 抑制剂是首次被用于治疗m e d 的临床药物。v a r d e n a f i l 是由德国b a y e r 公司于2 0 0 1 年新研制出的一种选择性p d e 5 抑制剂【1 0 】，如下： i ( ： 1 2 5 合成大豆苷元7 乙基哌嗪甲酸酯 大豆苷元( d a i d z e i n ，4 ，7 一二羟基异黄酮) 为异黄酮化合物，主要存在于豆科 植物如大豆和葛根( p u e r a l i al o b a t a ) 中，具有明显的抗缺氧和抗心律失常【1 3 】、抗肿 瘤1 4 1 、抗高脂血症和治疗骨质疏松【1 6 1 等作用，有着良好的开发应用价值。大豆苷 元结构中含有两个酚羟基，其水溶性和脂溶性均较差，存在很强的首过效应，导致 口服生物利用度很低【1 7 】，它的这些物理化学和药物动力学特点限制了它的广泛应 用。采用三光气( b t c ) 与吗啉、二甲胺、哌啶及乙基哌嗪等叔胺反应生成相应的 氨基甲酰氯，再与大豆苷元反应成酯，改造了大豆苷元原有的化学结构，且生物活性 和生物利用度都得到了提高。合成方程式【1 8 】如下： h v 独。_ r = o 一 1 3n 一乙基哌嗪的市场及生产状况 o h 1 3 1 国外生产状况 世界n - 乙基哌嗪生产厂家主要分布在美国、西欧和日本等工业发达国家和地 区，其中有美国的联合碳化物公司、道化学公司、德士古公司；西欧的有比利时的 ( b a s fa r n e w e r p e nn v ) 公司，德国的拜耳公司，瑞典的r e x o l i n 化学公司、b e r d n o b e rs u f a c e 化学公司，荷兰的d e l a m i n eb v 公司和d o wb e n d u xn v 公司：日本 的有t o s o h 公司、s u m i t o m os e i k a 化学公司、n i p p o nn y u k a s a i 公司和k a w a k e n 精细 化学品公司。 1 3 2 国内市场及生产状况 在我国，n 一乙基哌嗪用于制药工业、染料及植物保护剂，近年n 一乙基哌嗪年 消耗量约1 5 0 0 吨，其中氧氟沙星生产消耗5 0 0 多吨，恩氟沙星生产消费约4 0 0 吨， 人体杀虫抗生剂等药品生产消费2 5 0 吨，染料及其它方面消耗2 3 0 - - 2 5 0 吨，预计5 年内，我国对n 一乙基哌嗪总需求量将达到2 5 0 0 - 一3 0 0 0 吨年。国内n 一乙基哌嗪合 成技术虽已经开发，但其生产工艺条件苛刻，生产费用大，污染严重，限制了产品 的规模化生产。目前国内主要生产企业有江苏宝应大友化学品制造公司和杭州龙山 化工总厂等，年生产能力约6 0 0 吨【1 9 】，远远不能满足市场要求。所以急需开发生 产条件温和、经济性强，无污染的新技术。由此可见，对n 乙基哌嗪合成技术的研 究有着极其重要的现实意义。 6 景 1 4 国内外目前合成n 一乙基哌嗪的方法 1 4 1 哌嗪、溴乙烷合成n 一乙基哌嗪 国内厂家一般以哌嗪为原料，溴乙烷作烷化剂，液相烷基化反应制备n 一乙基 哌嗪，反应式为： h o h + c 2 h s b r h b r c 2 h 5n o h 竺c 2 h 5 n o n h + n a b r + h 2 0 h n n h + 一 。 、n h 二二二 + 、 或 八几 h 弋h + 2c 2 h 5 b r h b 卜c 2 h 5 弋h c 2 h 5 州卧 、- k ， 一2 n a o h h b r c 2 h 5 n n h c 2 h 5h b r c 2 h 5 n o n 0 2 h 5 + 2n a b r + 2h 2 0 + + 实验在带搅拌及回流装置的三颈瓶或加压反应釜中进行。三颈瓶上分别安装搅 拌器、冷凝管及恒压滴液器，三颈瓶内装入一定量的哌嗪与有机溶剂混合液，恒压 滴液器中装入5 0 m l 的溴乙烷。三颈瓶放入恒温槽内，升温，并开动搅拌器。当反应 液达到给定温度时，滴入溴乙烷，并控制滴液速度，在搅拌下反应一定时间。在反 应结束前0 1 5 h ，加入一定量的氢氧化钠，然后停止加热和搅拌，待冷却后取出反应 液，供色谱分析。反应液经分离精制可获得含量为9 9 的n 一乙基哌嗪产品及副产品 溴化钠。该方法采用无水a i c l 3 以及1 3 x 分子筛催化剂，原料配比3 l ：1 1 ，反应温度 7 0 c ，反应时间4 h ，催化剂添加量为原料量的3 【2 0 1 。该反应，虽然收率较高，但生 产效率低，并产生大量溴化钠，容易造成环境污染。 1 4 2 乙基甲酰氯、哌嗪合成n 一乙基哌嗪 用乙基甲酰氯与哌嗪的一个n 原子反应，而另一个n 原子与卤代烷反应。然后 水解可以制取单烷基哌嗪【2 1 】。反应式为： h o l _ 8 c 2 h 5 一叫5 h 址o h 旦叫5h 巨o r 洲。h 岂一厂、r 旦h n n r c 2 h 5 h 争n r h 弋r 上述方法的缺点是反应步骤多，给工艺控制、三废处理增加难度。 7 1 4 3 乙胺、环氧乙烷合成n 一乙基哌嗪【2 2 】 厂- 2 c h 3 c h 2 一n h 2 + h 2 c - - c h 2 h u c h 2 c h 3 该反应条件苛刻，温度控制必须很严格，而且原料环氧乙烷有毒易燃，在空气中 易形成爆炸混合物，遇火星、高热有燃烧爆炸危险，化学性质活泼，能与许多化合物 起反应，贮存条件苛刻；原料乙胺有氨臭，易挥发，易燃，有毒，对上呼吸道、粘膜、 皮肤有刺激性，受高热、遇明火、强氧化剂能引起燃烧爆炸。该工艺只限于实验室研 究，工业化生产较难。 1 4 4 哌嗪与乙腈合成n 一乙基哌嗪【2 3 】 h n - - k n h + c h 3 c n h o 刊2 吼u 、 该反应原料为乙腈，又名甲基腈，无色透明液体，极易挥发，剧毒，有芳香味， 遇明火、高热、强氧化剂有燃烧爆炸危险，反应后废物再回收困难，对环境污染较 大。 1 4 5 哌嗪与乙醛合成n 一乙基哌嗪2 4 1 h n o n h + o 一h n u n - - - k h 3 c - c - h 刊2 c s huh+ 一h 弋吒h 2 洲3 该合成工艺成本较高，原料乙醛具有刺激性气味的液体，在常温下易挥发，易 被弱氧化剂氧化，反应条件难控。 1 4 6 哌嗪和乙醇合成n 一乙基哌嗪 以哌嗪和乙醇为原料，采用气固相法制备n - 乙基哌嗪。该方法选用分子筛或活 性氧化铝为催化剂，在一定温度及氢气存在下，合成n 一乙基哌嗪。主要反应方程式 如下： 主反应为： 厂一 催化剂厂 h uh + c h 3 c h 2 0 h x 一h n u n c h 2 c h 3 副反应为： h 弋- - k c h 2 c h 3 + c h c h 2 c h 3 h 弋c h 2 c h 3 + c h2 0 h “h 3 c h 2 弋c h 2 c h 3 该方法工艺路线简单，原料来源方便、无污染，副反应少，是目前国内外最先 进的合成n 一乙基哌嗪技术路线，发展前景广阔。 1 5n 一乙基哌嗪合成工艺路线的分析与选择 传统上n 一烷基哌嗪有以下几种制备方法：( 1 ) 哌嗪与醇在雷尼镍催化剂存在 下氢化反应；( 2 ) 乙腈在氢气及催化剂的存在下反应；( 3 ) - - 7 , 醇胺与乙醇胺在杂多 酸存在下于高压釜中进行高温高压反应，得到n 一乙基哌嗪；( 4 ) 哌嗪与苄氯反应生 成卜苄基哌嗪的方法【2 5 1 。目前国内n 一乙基哌嗪的合成按起始原料的不同分为两大 类：一类以哌嗪为原料，哌嗪与烷化剂如卤代烷、腈、酯、醇、醛、甲酸结合体等 进行烷基化反应。上述反应过程，操作难控、稳定性差、三废处理困难；另一类是 以二乙醇胺为原料，与氨、氢在一定的工艺条件下反应可以得到少量的n 一乙基哌嗪， 但此合成方法副反应多，后处理工作量大。而本文则致力于国内外最先进的气固相催 化法合成n 一乙基哌嗪技术路线的研究，以无水哌嗪和9 5 乙醇为原料进行醇的催化 胺化，对催化剂制各工艺和反应工艺进行了论述。 1 6 本文研究的目的与内容 本论文致力于气固相催化合成n - 乙基哌嗪的催化剂制备工艺的优化以及合成 工艺的研究。 ( 1 ) 在铜基活性氧化铝催化剂基础上，分别添加了钴、锌、铬、镁、铁等组分， 以原料的转化率和n 一乙基哌嗪的选择性为指标，选定c u z n v a 1 2 0 3 为实验用催化 剂，并通过改变催化剂浸渍、焙烧、活化等条件确定了催化剂的最优制备条件，对 催化剂在最佳工艺条件下进行了寿命实验，发现催化剂稳定性良好。 ( 2 ) 在选定的最佳催化剂条件下进行以哌嗪和乙醇为原料气固相合成n 乙基哌 嗪的工艺条件试验，合成反应最优工艺条件的确定，包括：反应温度；物料 浓度；空速( 原料流量) ；反应压力。 9 第二章低压气固相催化合成 n 一乙基哌嗪的原理 本章介绍了低压气固相催化合成n 一乙基哌嗪的原理、原料和主要副产物的物理 化学性质以及试剂来源，实验的反应装置等，最后对整个实验过程的流程做了详细 地叙述。 2 1 合成的主要化学反应 八h 八 c h 3 c h 2 0 h+ h n 。n h c a t , h n c a t , a c h 2 c h 3 ( 1 ) 。u 、7 几h 2几 吗吼伽州弋c h 2 c h 3 c a t , h 3 c h 2 弋少洲2 洲3 ( 2 ) 反应( 1 ) 为生成n 一乙基哌嗪的主要反应，串联反应( 2 ) 生成主要副产物n ，n 一二 乙基哌嗪。故必须通过催化剂和反应工艺的优化来控制副产物的生成，提高n 一乙基 哌嗪的收率。 2 2 合成原料哌嗪的物理化学性质 2 6 - 2 8 】 哌嗪( p i p e r a z i n e ) 又称六氢吡嗪、哌哗嗪、胡椒嗪、双二甲胺、四甲二胺、对二 厂、 氮乙环。分子式c 4 h i o n 2 ，结构式h k弘h ，分子量8 6 1 4 。它是六元环二胺，无水 1 、_ _ _ _ j 物为透明针状或叶状结晶，具有吸湿性和典型的胺臭味，在空气中吸收水分和二氧 化碳，易溶于水和甘油、二乙醚、苯和庚烷中，微溶于乙醇( 1 克哌嗪可溶于2 毫升 乙醇) ，不溶于乙醚，有典型的仲胺反应。1 0 溶液的p h 值为1 0 8 1 1 8 。哌嗪有 无水、三水、六水和六五哌嗪( 哌嗪含量6 5 ) 四种规格，其中以无水哌嗪价值最 高、应用最广。哌嗪有腐蚀性，能引起烧伤；但毒性很低，乙二酸哌嗪对小鼠的l d 5 0 为1 1 4 9 k g 。摄取量大时，可引起眩晕，震颤供济失调，视力障碍，乏力等。无水 哌嗪可用纤维板容器包装，贮存在温度低于1 5 6 的干燥处。其物化常数见表2 1 。 1 0 表2 - 1 哌嗪物化常数 g 熔点沸点汽化热熔化热 闪点 燃烧温度 k j t o o l - k ( 1 0 1 3 k p a ) c( 1 0 1 3 k p a ) j g ( 1 0 1 3 k p a ) j g 5 7 410 81 4 8 54 7 32 9 8 98 53 4 0 2 3 副产物的物理化学性质及用途 2 3 1 副产物的n ，n 一二乙基哌嗪物理化学性质 n ，n 一二乙基哌嗪，英文名n ，n 一d i e t h y l p i p e r a z i n e ( 简称d e p p ) 又名1 ，4 一二乙 基哌嗪，分子式c 8 h 1 8 n 2 ，结构式厂。一分子量1 4 2 2 4 。常温常压下为无色或 微黄色透明液体，易燃，易溶于水，在1 0 3 1 0 5 与水形成共沸。对眼睛呼吸系 统和皮肤均有刺激，可以经过皮肤吸收。其常见物理化学性质列表2 2 。 表2 - 2n ，n - _ 7 - 乙基哌嗪物化常数 2 3 2n ，n 一二乙基哌嗪的应用 目前世界上的供应商主要集中在美国、英国、德国、日本等。价格比较高，纯 度9 8 的5 9 包装售价均在2 0 0 元人民币左右，国内需求依赖进口。目前所查阅到 的资料，n ，n 一二乙基哌嗪的用途不是很广泛，所以合成过程中必须控制其产量。 2 3 2 1 用作聚氨酯发泡过程中的催化剂【2 9 】 在聚氨酯发泡过程中发生多种化学反应，其中异氰酸酯和羟基的反应、异氰酸 酯和水的反应是重要的反应。前一个反应属“凝胶反应 ，多元醇与多异氰酸酯反 应生成高相对分子质量聚合物；后一个反应属“发泡反应”，异氰酸酯与水反应生 成取代脲和二氧化碳。在发泡中，如何控制这两个反应的相对速度，以及控制初期 反应使粘度增长不致过快、以充满模具腔，是必须重视的问题。另外通用聚醚多元 醇一般为端仲羟基，在无催化剂的条件下与异氰酸酯基反应较慢，不能获得稳定的 泡沫体系。故在聚氨酯泡沫塑料的制备过程中必须使用催化剂，并且选择催化剂的 品种、控制用量，才有可能得到所需要的泡沫。 在聚氨酯泡沫制备中采用的催化剂主要有有机叔胺及金属盐两大类。所有催化 剂对凝胶反应和发泡反应的催化活性是不同的。一般叔胺类催化剂对发泡反应的催 化效率大于对凝胶反应的催化效率，有机金属类催化剂则对凝胶反应的催化效果明 显。聚氨酯的叔胺类化合物催化剂主要用于泡沫塑料的制备。叔胺催化剂的品种繁 多，有些催化剂属复配型的叔胺混合物。常用的叔胺催化剂有n n 一二甲基环己胺、 双( 2 - z 甲氨基乙基) 醚、三亚乙基二胺、三胺、n n 一二乙基哌嗪、n ，n 一二乙基 一2 一甲基哌嗪、n ，n 一二甲基乙醇胺、三乙醇胺等。 n ，n ，二乙基哌嗪应用于模塑软泡、聚醚软块泡的生成。在模塑块泡中有利于 表皮形成，也用于聚酯块泡的生产。 2 3 2 2 在蛋白质分析中的应用【3 0 】 以下9 个叔胺类化合物，作为缓冲系统应用于蛋白质分析中的p h 依赖现象研究。 ) ( m 弧0 3 s ms 町j _ 一_ l 。、 ，s t e m n t e e nd e s p e n 0 3 s 厂n s 0 3 0 3 s 、 n 一、一 s 0 3 u p i p e s p i p p s - 0 3 s 厂、价s 0 3 - - 、n 八 p p b s d e p p 厂、八s 0 3 _ u m e s 1 2 厂、s 甜 u 。 它们能够提供的p h 值范围为3 , - - 1 1 ，打破了传统缓冲系统只能提供p h 值为6 - - 一8 的局限，几乎可以满足所有的实验要求。 2 4 实验药品与主要设备、仪器 2 4 1 设备和仪器 实验的设备和仪器列如表2 3 。 表2 3 设备和仪器一览表 2 4 2 实验药品及规格 表2 4 实验药品一览表 催化剂制备过程用溶液配制水均为去离子水，氢气、氮气为市售钢瓶灌装( 高 纯度) 。 2 4 3 催化反应装置 实验采用的中压固定床反应装置为自行设计。反应器由不锈钢制成，反应器内 径d = 2 0 m m ，在催化剂前后装有瓷环填料以固定催化剂。反应器前部安装有汽化室， 反应器尾部连接过滤器、冷凝器、气液分离器，反应器由上、中、下三段独立电炉 丝进行加热，加热温度由分度号为k 的热电偶测量，并由x m t 型数字温度显示仪 显示温度并进行调节。催化剂床层的温度由三根套有3 m m 不锈钢管的p 。1 0 0 热电 阻分别插入到床层的上中下三段进行测量。由x m t d 8 0 0 0 型智能数字温度控制仪 显示床层温度。 2 5 实验步骤与过程 实验采用自行设计制作的固定床反应系统，其流程见图2 1 。 1 4 图2 - 1n 一乙基哌嗪合成流程示意图 1 高位槽2 计量泵 3 汽化室4 反应器5 过滤器 6 冷却器7 气液分离器8 压力表9 1 2 温控仪 2 5 1 催化剂的制备 催化剂的制备过程包括催化剂载体的预处理，浸渍液的配制，过量液体的除去， 干燥，焙烧以及还原活化等。具体制备过程将会在第三章中作一详细的介绍。 2 5 2 催化反应 催化剂活化完成后，重新设定床层温度为反应所需温度值，达到温度设定值。 对于需要在一定压力下完成的反应过程，则首先应调节系统压力为一定值，恒定 3 0 m i n 后由计量泵将质量分数为2 5 - - 5 0 的哌嗪的乙醇溶液打入汽化室经汽化后进 入反应器进行反应。反应产物流出反应器后流经过滤器，在冷凝器中冷凝为液体， 进入汽液分离器，尾气经吸收过滤后排空，下部接收料液。待反应进行一段时间后， 收集反应产物以待分析。 2 6 产物的分析 反应产物采用红外光谱分析和气相色谱分析手段。 2 6 1 红外光谱分析【3 1 1 精馏提纯后的产物，由红外光谱分析产品的结构并与标准图谱相对照，进行红 外光谱定性分析。图2 2 是n 一乙基哌嗪国际标准红外谱图。 图2 - 2n 一乙基哌嗪国际标准红外谱图 红外分析采用溴化钾压片法测定，光谱分辨率4 c m 一，测量范围4 0 0 0 - 4 0 0 c m 1 。 标准样n _ 乙基哌嗪红外谱图和产品精馏后的红外谱图分别见图2 3 和2 4 。 图2 3 标准样n 一乙基哌嗪红外谱图 1 6 图2 - 4精馏后产品红外谱图 比较图2 3 和2 4 可见，标准样n 一乙基哌嗪和精馏后的产品有8 处相同的出峰 位置，分别是：3 3 9 6 c m l 处有一峰，为胺类- n h 一的特征峰。在2 8 1 9 c m l 处有一尖峰， 为亚甲基c h 2 的对称伸缩振动。在1 6 5 3 c m 1 处有一峰，为- n h 的面内弯曲振动。 在1 4 5 2 c m 。1 处有一强峰，为亚甲基c h 2 不对称伸缩振动。在1 2 6 7 e m 1 和1 0 2 7 c m _ 处分别有两峰，为c n 的伸缩振动。在11 4 3 c m 。处有一强峰，为仲胺的特征峰。在 7 6 7 c m - 1 处有一峰，为乙基c h 2 c h 3 的特征峰。对比分析结果表明：精馏后产品的红 外谱图和n 一乙基哌嗪国际标准红外谱图基本相一致。 2 6 2 气相色谱分析【3 1 3 5 】 ( 1 ) 仪器 仪器：g a sc h r o m a t o g r a p hg c 一9 0 0 a ( f i d ) 。 ( 2 ) 色谱操作条件 色谱柱：3 m 3 m m 不锈钢填充柱；固定相：i o p e g 2 0 m + 5 k o h ；老化温 度2 0 0 c ；老化时间5 h ；7 0 c - - 1 5 0 c 程序升温，柱温：1 4 0 ( 2 ；检测器温度：1 6 0 ；气化室温度：2 0 0 ( 2 ；n 2 流量4 0 m l m i n ；h 2 流量5 0 m l m i n ；空气流量3 0 0 m l m i m 灵敏度( 衰减) ：1 ：4 ；增益：2 ；进样量0 2 1 t l 。 ( 3 ) 定性分析 采用纯样对照法，用保留值定性，保留值：乙醇0 5 8 分钟，n ，n 一- - 7 , 基哌嗪1 3 7 分钟，n 一乙基哌嗪1 6 5 分钟，哌嗪1 9 1 分钟。由于采用f 1 d ，样品中的水不出峰。采 用红外光谱分析和气相色谱分析相结合的手段。 ( 4 ) 定量分析 采用峰面积外标法对产物进行定量分析。外标法又称标准工作曲线法或己知样 校正法。此法是先配制一系列不同浓度的标样进行色谱分析，作出峰面积对浓度的 工作曲线，在严格相同的色谱条件下，注射相同量或已知量的试样进行色谱分析， 求出峰面积后根据工作曲线求出被测组分的含量。此方法的优点是操作简单，计算 方便。实验于不同的容量瓶中分别准确称取二定质量的哌嗪、n 乙基哌嗪、n n 二乙基哌嗪( 精确至o 0 0 0 1 9 ) ，加入适量乙醇至刻度摇匀，则得到己知含量的各 产品的标准样。用几种不同浓度的标准样在前述操作条件下测定线性范围，并绘制 出各产品的浓度与其峰面积的关系图，见图2 5 ，图2 - 6 ，图2 7 。 一1 h 口 置 馁 莲o 世 2 d 哌嗪峰面积l lv s 图2 - 5 哌嗪分析外标曲线 1 6 1 4 1 2 o 三 1 驾o 日 嶷 莲 0 4 0 2 0 2 1 5 a 5 1 0 0 kl1 0 0 k 2 1 0 0 k3 1 0 0 k4 1 0 0 k l 卜乙基哌唼的峰面积l lv 。s 图2 - 6n 一乙基哌嗪分析外标曲线 5 0 0 k1 0 0 0 k1 5 0 0 k2 0 k2 5 k3 0 0 0 k n ，n 。二乙基哌嗪峰面积hv s 图2 - 7n ，n ，一- - 7 , 基哌嗪分析外标曲线 用微量注射器分别注入0 2 此被测样，测量哌嗪、n 一乙基哌嗪、n ，n 一- - 基 哌嗪的峰面积，按式2 1 ，2 2 ，2 3 计算被测样中哌嗪、n _ 乙基哌嗪、n ，n 一二乙基 哌嗪的含量。 p a = ( 0 0 2 4 8 s 测+ o 0 9 9 8 ) xv 溯xm p a e p a = x 1 0 0 ( 0 0 0 0 4 s 测+ 0 0 8 1 2 ) x m e p ax 1 0 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 【o茸鹾蜓桀避 d e p p =业竺堕翌竺：竺! ! 竺! 兰玉兰坚里婴1 0 0 m m 式2 1 、2 2 和2 3 中： s 蔫气相色谱测量的峰面积； v 测被测样品的分析体积： m 捌被测样品的质量： m p a 一哌嗪的分子量； m e p a - n - 乙基哌嗪的分子量； m d e p p n ，n 一二乙基哌嗪的分子量。 本文的评价指标见公式2 4 ，2 5 ，2 - 6 ： 转化率2 获筹燃枷。加入系统中哌嗪的量一 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 收率= 型坐堕坚型黑要尝圣掣喳幽堕1 0 0 ( 2 5 ) 加入系统中哌嗪量 ” 。 选择性= 墨笙主竺壁鳖圣茎鉴翼禁笺三囊冀竺霉墅塑壁塑x1 0 0 ( 2 - - 6 | ) ，= j r1 l 。- _ 。- _ _ _ _ _ _ - _ _ 。_ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ i ，_ 一i 1j 参加反应的哌嗪的量 经过分离的产品检测结果见表2 5 。 表2 - 5 产品质量检测结果 名称指标名称检测值 n 一乙基哌嗪 外观 纯度 无色透明液体 9 9 3 n ，n 盈基哌嗪 麓艴醐9 8 4 瓣 2 0 第三章催化剂的制备过程 工业化学反应的绝大多数都离不开催化剂，它对热力学上可能发生的反应具有 选择加速的作用，因此，它不仅可以加快反应物的转化，而且可以提高反应过程的 选择性，使之生成所需要的产物，减少或抑制副反应的发生。对于低压气固相催化 合成n 乙基哌嗪来讲，催化剂制备更是整个实验过程非常关键的步骤。本文采用浸 渍法制备实验用催化剂，工作分为两大部分，活性组分前身物在载体上的负载和催 化剂的热处理过程，具体流程如下： 匮烫匦 匿巫亟 匿哥恒垂圃咽咽悃 本章将就每个步骤进行具体的介绍。 3 1 催化剂体系概述 3 1 1 以铜为主活性组分的脱氢加氢催化剂降3 9 1 本文所采用的合成路线为醇的催化胺化过程，文献报道该过程所用催化剂可以 分为两大类：脱水催化剂和脱氢加氢催化剂。选择脱水催化剂是根据此反应最终脱 去一分子水的特性，通过脱水催化剂的作用以加速胺化反应的进行。催化剂的反应 活性十分低，要求的反应温度均较高，但原料的转化率和产品胺的收率却较低；由 于催化剂在含水的反应介质中可溶，使催化剂的分离回收变得十分困难：反应产物 中有醇脱水产物烯烃、醚，产物的组成与反应温度有直接的关系，高温有助于 提高催化剂活性，但高温更有利于醇的脱水，从而生成烯烃及醚等副产物。 因此，随着醇催化胺化反应研究的深入，脱氢加氢催化剂逐渐成为催化此类反 应的首选高效催化剂。文献中对此类催化剂的报道非常多，在此类反应中使用最广 泛的应当是以镍为主要催化活性组分的一类催化剂，还有一类是以铜为主要催化活 性组分。 参照文献，本课题组对催化剂的载体及主要活性组分的筛选做了大量的前期工 作，确定了以铜为主要催化活性组分，以活性氧化铝为载体的铜基活性氧化铝催化 剂体系，反应取得了预期的效果。从实验数据来看，产物的选择性和原料的转化率 还有很大的提升空间。而在醇催化胺化反应中，铜很少单独使用，一般都要加入其 他组分作为助催化剂。查阅大量文献，作者选择加入了钴、锌、铬、镁、铁等成份， 2 l 以期进一步提高催化剂的活性和对目标产物的选择性。 3 1 2 催化剂载体的作用【4 0 】 载体的机械功用是作为活性组分的骨架，它可以分散活性组分并增加催化剂的 强度。而大量实验结果表明，载体除掉这种纯粹的机械功用以外，还影响催化剂活 性和选择性。 根据不同情况，载体在催化剂中可以起到以下几方面的作用 ( 1 ) 增加有效表面和提供合适的孔结构 一些活性组分，如粉状的金属镍、金属银等，它们对某些反应虽有活性，但只 有当附载于某种载体上并经成型后才能付于实用。 ( 2 ) 提高催化剂的机械强度 使催化剂获得足够的机械强度。机械强度较高的催化剂，可以经受颗粒与颗粒、 流体与颗粒、颗粒与反应器之间的摩擦，运输，装填过程的冲击，由于相变、压力 降、热循环等引起的内应力及外应力，而不显著磨损或破碎。 ( 3 ) 提高催化剂的热稳定性 大家知道，氧化反应和加氢反应都是放热量比较大的反应，尤其在高空速及高 反应物浓度下操作时必须很好地除去反应热，以防止反应热蓄积而引起催化剂烧结。 不使用载体的催化剂，活性组分颗粒紧密接触，由于相互作用，会使活性组分颗粒 聚集增大，减少表面积，容易引起烧结，导致活性下降。将活性组分负载在载体上， 就能使颗粒分散开，防止颗粒聚集，提高分散度，增加散热面积和导热系数，有利 于热量的除去，从而增加催化剂的活性，如图3 - 1 。 ( 4 ) 提供活性中心 活性中心是催化剂表面上具有催化活性的最活泼区域。活性中心不是杂乱无章 地散布在催化剂表面上，而是具有一定的几何规律。通常认为，多相催化剂不会是 以全部物质参加反应，催化作用只是由一小部分特别活动的表面部分所引导而进行。 未溅2 霉 热稳定负载金属催化剂 体 图3 - 1 热稳定性载体抑制活性物质的烧结 ( 5 ) 增加催化剂的抗毒性能 催化剂在使用中常会由于各种因素而使活性降低或失去活性，尤其是金属催化 剂常会由于各种毒物的存在而中毒，而将金属活性组分负载在载体上就可以增加催 化剂的抗毒性能。其原因除由于载体使活性表面增加，降低对毒物的敏感性以外， 还因为载体有分解和吸附毒物的作用。 ( 6 ) 节省活性组分用量，降低成本 使用载体可以减少活性组分用量是显而易见的。这对于某些贵金属活性组分来 说，可以大大