（应用化学专业论文）醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化.pdf

浙江大学硕上学位论文 醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化 摘要 胺类物质是重要的有机化工中间体，在医药、农药及染料等各方面都有着重 要的应用。在查阅文献资料的基础上，对醇羟基和酚羟基化合物的催化胺化制取 胺类物质进行了实验研究。通过研制、筛选胺化催化剂和寻找胺化反应的合适工 艺条件，为醇羟基及酚羟基化合物胺化的工业生产提供必要的实验数据。 制备了用于脂肪醇的胺化催化剂，用于n ，n 一二甲基正丙胺、吗啉、丙胺和 正辛胺的合成。 采用了以磷酸预处理的活性氧化铝为载体的c u n i z n 三元胺化催化剂 ( c u n i z n = 1 8 1 9 9 l o 7 9 ，元素w t ，) 合成n ，n 二甲基丙胺，研究了正丙 醇气相固定床催化胺化合成n ，n 二甲基丙胺的工艺条件，得到的较合适的条件 为p = 0 3 m p a ，t = 2 1 0 。c ，l w s h = 0 3 h ，进料的摩尔e p , - - 甲胺正丙醇= 2 1 ，氢气 流量1 0 0 m l m i n 。在此条件下，正丙醇几乎完全转化，产物的选择性在9 0 左右， 收率8 3 6 。 利用自制c u n i 二元胺化催化剂( c u n i = 1 8 2 0 1 5 1 6 ，元素w t ) 合成吗 啉、丙胺和正辛胺，表明该催化剂在2 5 0 c 左右的高温下有良好的稳定性，并且 该催化剂能应用于液相法的催化胺化反应中。研究了正辛醇催化合成正辛胺的工 艺条件，得到较合适的工艺条件为，6 5 9 正辛醇，3 0 9 液氨和6 5 9 催化剂加入高 压釜，1 9 0 。c 下搅拌反应1 0 h 。在此条件下，正辛醇几乎完全转化，正辛胺的收 率为5 3 。 对间苯二酚氨解催化剂进行了研究，筛选了适合间苯二酚催化合成间氨基酚 和n ，n 二甲基间氨基酚的催化剂。得到合成间氨基酚较合适的工艺条件为，5 5 9 间苯二酚，7 1 9 水，2 0 9 液氨和1 7 5 9 钼酸铵加入高压釜，2 0 0 。c 下搅拌反应6 h 。 在此条件下，问苯二酚几乎完全转化，产物的收率为8 4 4 。合成n ，n 二甲基 间氨基酚合适的工艺条件为，1 1 0 9 间苯二酚，4 5 9 二甲胺和5 5 9 磷酸，2 0 0 。c t 反应5 h 。在此条件下，间苯二酚几乎完全转化，产物的收率为6 7 9 。 关键词：固定床、胺化、二甲胺化、正丙醇、正辛醇、间苯二酚、催化剂 浙江大学硕十学位论文 醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化 a b s t r a c t a m i n e sa r e i m p o r t a n t i n t e r m e d i a t e sf o r o r g a n i c c h e m i c a li n d u s t r y a l a r g e n u m b e ro fd r u g s ，h e r b i c i d e s ，p e s t i c i d e s ，d y e s ，a n do t h e rc h e m i c a l sc o n t a i na m i n o g r o u p s a r e o r i g i n a t e d f r o mr e a c t i o n sw i t hs u c hi n t e r m e d i a t e s o nt h eb a s i so f c o n s u l t i n g a l a r g e a m o u n to fl i t e r a t u r e sa n d c o m p a r i n g t h ed i f l b r e n tr o u t e s s y n t h e s i z i n ga m i n e s ，t h em e t h o d so fp r e p a r i n ga m i n e sb yc a t a l y t i ca m i n a t i n gt h e c o r r e s p o n d i n ga l c o h o l s o rp h e n o l sw e r es t u d i e di nt h ew o r k s t h e c a t a l y s t s a n d r e a c t i o nc o n d i t i o n sf o rt h ea m i n a t i o nw e r es t u d i e da n do p t i m i z e d ，w h i c ho f f e r e dt h e f u n d a m e n t a ld a t at om a k et h es y n t h e s i s p r o c e s si n d u s t r i a l i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec a t a l y s t sf o ra m i n a t i o nw e r ep r e p a r e dt os y n t h e s i z et h en - n d i m e t h y l p r o p y l a m i n e ，t h em o r p h o l i n e ，t h ep r o p y l a m i n ea n dt h e 珂一o c t y l a m i n e t h e c a t a l y s t ，c u - n i z nl o a d e do na c t i v ea 1 2 0 3p r e t r e a t e dw i t hp h o s p h o r i ca c i d ， w i t hg o o da c t i v i t y , s e l e c t i v i t ya n d s t a b i l i t yw a sp r e p a r e d ，w i t ht h ea c t i v ec o m p o u n d s o fc u n f z n 2 1 8 - 1 9 9 1 0 7 - 9 ( w t ) t h ei m p r e g n a t i o nm e t h o dw a se m p l o y e df o r l o a d i n gt h ea c t i v ec o m p o n e n t s ，w h i c hm a d e i te a s yt ob ep r o d u c e di nl a r g es c a l e w i t h t h ec a t a l y s tp r e p a r e d ，t h ec o n d i t i o n so f d i m e t h y l a m i n a t i o no f 1 - p r o p a n o la tt h ef i x - b e d r e a c t o rw e r er e v i e w e d ，a tt e m p e r a t u r eo f 2 1 0 c ，p r e s s u r eo f0 3 m p a ，h y d r o g e n f l u xo f10 0 m l m i n ，l w s ho f0 3 h f o r 1 - p r o p a n o l ，2 m o l er a t i of o r ( c h 3 ) 2 n h 1 - p r o p a n o l ，n e a r l y a l l 1 - p r o p a n o l w a sr e a c t e dw i t h9 0 t op r o d u c t n n - d i m e t h y l p r o p y l a m i n e 4 0h o u r sr e a c t i o no p e r a t i o ns h o w st h ec a t a l y s tw i t hg o o d s t a b i l i t y t h ec a t a l y s to fc u - n io na c t i v ea 1 2 0 3 p r e p a r e dw a sa l s ou s e dt os y n t h e z i e d m o r p h o l i n e ，p r o p y l a m i n ea n dn o c t y l a m i n ea m i n a t i o n t h ec a t a l y s th a sg o o ds t a b i l i t y a tt e m p e r a t u r ea sh i 【g ha s2 5 0 c ，i tc a nb e a p p l i e d t ob o t hg a sa n d l i q u i dr e a c t i o n t h e c o n d i t i o n so fa m i n a t i o no f1 - o c t a n o la tt h e l i q u i d - p h a s er e a c t o rw e r er e v i e w e da s ， 1 - o c t a n o l ( 6 5 9 ) ，n h 3 ( 3 0 9 ) a n dc a t a l y s t ( 6 5 9 ) w e r ea d d e dt o a h i g hp r e s s u r e a u t o c l a v et h e nk e p t s t i r r i n gf o r1 0 h a t1 9 00 c u n d e rt h i sc o n d i t i o n n e a r l ya l l1 - o c t a n o l 5 浙江大学硕士学位论文醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化 w e r er e a c t e dw i t ht h ey i e l do f5 3 f o r n - o c t y l a r n i n e t h ea m i n a t i o no fr e s o r c i n o lw e r ea l s os t u d i e di nt h i sw o r ka n dt h ec o n d i t i o n so f s y n t h e s i z i n gm a m i n o p h e n o la n dm f n ，n d i m e t h y la m i n o ) p h e n o lw e r es t u d i e da n d o p t i m i z e d r e s o r c i n o l ( 5 5 9 ) ，h 2 0 ( 7 1 9 ) ，n h 3 ( 2 0 9 ) a n da m m o n i am o l y b d a t e ( 1 7 5 9 ) w e r e a d d e dt oa h i g hp r e s s u r ea u t o c l a v et h e nk e p ts t i r r i n gf o r6 ha t2 0 0 。c d u r i n gt h et i m e ， t h ep r e s s u r ew a sd e c r e a s e df r o m3 ，0 m p at o2 4 m p a u n d e rt h i sc o n d i t i o n n e a r l ya l l r e s o r c i n o lw e r er e a c t e dw i t ht h e8 4 4 y i e l do f m a m i n o p h e n o l r e s o r c i n o l ( 11 0 9 ) ，( c h 3 ) 2 n h ( 4 5 9 ) a n dp h o s p h a t e ( 5 5 9 ) w e r ea d d e dt oah i g h p r e s s u r ea u t o c l a v et h e nk e p ts t i r r i n gf o r5 ha t2 0 0 。c d u r i n gt h et i m e ，t h ep r e s s u r e w a sd e c r e a s e df r o m1 5 m p at o 1 1 m p a u n d e rt h i sc o n d i t i o nn e a r l ya l l r e s o r c i n o l w e r er e a c t e dw i t ht h e6 7 9 y i e l df o r m 一( n ，n d i m e t h y la m i n o ) p h e n 0 1 k e y w o r df i x b e d r e a c t o r ，a m i n a t i o n ，d i m e t h y l a m i n a t i o n ，1 - p r o p a n o l ，1 - o c t a n o l r e s o r c i n o l ，m a m i n o p h e n o l ，c a t a l y s t 6 浙江人学硕士学位论立 醇羟基及酚羟基化台物的催化胺化 第1 章前言 胺类物质是重要的有机化工中间体，在医药、农药及染料等各方面都有着重 要的应用。对胺类物质合成方法的研究有重要的实际意义。从大量文献报道可以 了解到合成胺类物质的各种方法，这些方法都有各自的特点。其中，利用羟基化 合物的胺化来制取相应的胺类物质的方法由于反应原料易得，价格便宜，反应过 程的污染小，因而具有独特的优势。 在本研究中，着眼于醇羟基和酚羟基化合物的催化胺化，通过研制、筛选胺 化催化剂和寻找适合胺化反应的合适工艺条件而为醇羟基及酚羟基化合物胺化 的工业生产提供必要的实验数据。另外，本文还原研究了羟基化合物的直接二甲 胺化，对于推扩羟基化合物胺化的应用范围有着重要的意义。 丙胺、n ，n 一二甲基丙胺、吗啉、正辛胺和间氨基酚都是重要的有机化工中 间体，利用相应的羟基化合物来合成这些胺类物质的方法较现有常用的方法f 如 卤代烃的氨解，硝基芳香烃的还原) 具有更经济和清洁的优势。本研究分别选择 了正丙醇、二甘醇、正辛醇及间苯二酚为反应底物。来合成上述典型的胺类物质， 希望通过实验理论研究，确定合适的催化剂、反应条件、分离条件和分析测试方 法。 在反应器和反应方式上，既可以选择连续固定床气固相催化胺化，也可选择 间歇釜式加压液相催化胺化反应体系。体系的选择主要考虑的是羟基化合物的沸 点和热稳定性，实际生产中也应考虑现实生产条件。一般来说，气相法适台于沸 点较低，热稳定性好的物料，而液相法适合于沸点高，热稳定性差的起始原料。 但是，上述的选择标准也不应该是绝对的，例如在设备投资有限或合成小批量的 产品时，往往会选择采用间歇式的反应体系。 本研究的任务和方案如图1 1 所示，即在固定床反应器和间歇式反应釜中完 成醇或酚的胺化或二甲胺化，研究的主要目的是要筛选出合适的催化剂，并希望 催化剂具有一通用性，然后，在该催化剂完成胺化过程和确定合适的胺化条件， 以获得具有实际意义的羟基化合物胺化工艺。 浙江大学硕士学位论文 醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化 a 连续固定床加压气固相催化胺化 b 间歇釜式加压液相催化胺化 图1 1 研究任务和方案示意图 耋 浙江大学硕士学位论文 醇羟基及酚羟摹化台物的催化胺化 第2 章文献综述 2 1 概述 氨分子中的部分或者全部氢原子被烷基、环烷基、芳香基等取代就生成了胺。 氨分子中一个、两个或三个氢原予被取代的衍生物依此叫作伯胺、仲胺、叔胺。 因取代基种类的不同，由c l c 6 烷基取代生成的叫低级脂肪胺；由c 8 c 2 4 烷基 取代生成的叫高级脂肪胺；被芳基取代的叫芳胺；氨基处于碳环之中的叫作环胺。 胺的种类繁多，用途广泛，是重要的有机化工原料，由胺可以合成农药、医 药、橡胶助剂、染料及颜料、合成树脂、纺织助剂、表面活性剂、感光材料等多 种有机及精细化工的原料及中削体。 胺的合成方法有很多，如从卤代烷的氨解制取等。工业上合成低级脂肪胺一 般是通过相应的醇、醛、酮、卤代烃等和氨反应来制造，高级脂肪胺则以天然油 脂为原料制造。芳胺由相应的芳烃硝基物还原制造，也可以从酚的胺化来合成， 芳胺的芳基进一步加氢即得到环烷基胺。 各种胺的用途相差较大，因此不同品种胺的生产规模也相差很大，有万吨产 量的规模，如甲胺、乙胺、苯胺等；也有百吨产量的规模，甚至更小的规模生产。 低级脂肪胺是多种有机化工的中间体【l 】。例如，甲胺是医药和农药的中间体， 由甲胺制造的农药有1 萘基- n 甲基氨基甲酸酯杀虫剂，商品名“西维因”；n 甲基二硫代氨基甲酸酯杀菌剂，商品名为“威百亩”：医药有1 ，3 一二甲基黄嘌呤， 商品名为“茶叶碱”等；除此之外还可以制造显影剂m r t 0 1 e l o n 等。乙胺最重要 的用途是合成三氮苯类除草剂，而异丙胺是生产三氮苯类农药的又一种原料。 高级脂肪胺主要是作为生产纺织品的柔软剂、矿物浮选剂、沥青乳化剂、缓 蚀剂、杀菌剂、染色剂、抗静电剂等的原料。 芳胺是一类非常有用的有机原料，是农药、医药、染料和颜料、橡胶助剂、 合成树脂、感光材料等多种精细化工产品的原料及中间体，工业上最重要的芳胺 为苯胺、萘胺等。 塑坚查兰堡土堂垡丝兰 壁塑苎丝塑鳖墨些鱼塑盟堡! ! 堕坐 2 1 1 脂肪胺的性质 1 低级脂肪胺的性质 低级脂肪胺的世界产量约每年几十万吨，美国和西欧的年产量为3 0 多万吨 1 2 】。低级脂肪胺易溶于有机溶剂，可部分溶于水，随着氮原子上取代基的增多， 其水溶性降低，随着温度的升高，其水溶性降低。例如甲胺在1 8 以下和水完 全互溶，大于1 8 c 则只部分互溶。在冷的水溶液中可析出水合物的结晶。例如 可形成c h 3n h 2 3 h 2 0 ；( c h 3 ) 2 n h 7 h 2 0 ；( c h 3 ) s n - 1 0 h 2 0 的结晶。常压下 三甲胺与氨可形成低沸点的共沸组成，随着压力升高，三甲胺在共沸组成中的含 量减少，当压力高于2 6 5 2 k p a 时，共沸组成消失。低级脂肪胺与水和许多有机 化合物能形成共沸组成。这些共沸组成的存在给低级脂肪胺的分离和提纯带来困 难。工业上比较重要的低级脂肪胺的物理性质口1 见表2 1 。 表2 1 一些低级脂肪胺的物性常数 名称熔点沸点2 0 时相对密度折射率闪点在水中的 蒸汽压 d ? 肝罟 溶解度 k p a 1 0 0 9 水 甲胺 9 3 56 32 8 80 6 71 3 5 l 1 0 8 ( 2 5 1 二甲胺 9 2 26 91 7 00 6 5 41 3 4 7 1 6 3 ( 4 0 。c ) 三甲胺 一1 1 7 12 91 9 l0 6 3 21 3 4 4 9 8 9 ( 3 0 、 乙胺8 1 0 1 6 61 1 61 3 6 6 35 2 0 6 8 2 8 2 2 ： 二乙胺 - 4 9 85 5 92 5 91 3 8 2 3_ 2 3 o 7 0 6 2 i o o 三乙胺 1 1 4 78 8 87 ，2 01 4 0 1 0 5 s ( 3 0 。c ) 0 7 2 9 0 2 2 ： 正丙胺 8 3 o4 7 83 3 91 3 8 7 93 0 0 7 18 3 ；： 正丁胺 5 0 、57 7 89 60 7 4 1 41 4 0 3 l_ 8 二正丁胺 6 1 61 5 9 60 30 7 6 7 01 4 1 7 73 90 4 7 三正丁胺 7 02 1 30 7 7 7 11 4 2 9 77 0 微溶 己胺 1 91 3 00 7 6 6 01 4 1 8 0 3 4 n 甲基丁胺 7 59 10 7 3 4 11 4 0 1 0o n 乙基丁胺 7 01 0 8 1 0 90 7 3 9 81 4 0 1 0 9 n ，n 二甲基 1 1 2 0 7 8 71 9 4 1 7 9 - 1 8 1 5 6 5 6 3 十四烷 胺 c 4 h 2 9 n h 22 1 3 4 13 8 0 2 9 2 3 1 5 0 1 6 76 6 “6 8 十六烷 胺 十八烷 胺 二十烷 胺 二+ 二 烷胺 椰子油 胺 油胺 牛脂胺 大豆油 胺 c 1 6 h 3 3 n h 2 c 1 8 h 3 7 n h 2 c 2 0 l - h j n h 2 c 2 2 i - 1 4 5 n h 2 2 4 1 4 6 2 6 9 5 2 2 9 7 5 7 3 2 5 6 3 4 6 0 5 3 1 5 9 5 6 5 _ 3 3 2 i 9 2 4 8 5 3 7 2 5 工业伯胺混合物 1 2 1 7 3 2 4 0 2 7 3 0 1 3 0 2 2 7 2 0 2 1 0 2 0 0 2 1 0 1 4 0 1 4 8 0 7 7 7 1 4 8 1 6 6 1 5 8 1 6 1 7 4 7 4 2 7 9 8 8 0 o 8 5 o 8 5 5 0 5 0 浙江大学硕士学位论文 醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化 2 1 2 芳香胺的性质 芳胺的品种很多，常以芳基命名，如苯胺、萘胺等。如果有两个氨基，则称 为二胺，如苯二胺等。如果分子中氮原子上其它两个氢原子被芳基或烷基取代可 以芳胺的衍生物或芳烃的衍生物命名，如c 6 h 5 n ( c h 3 ) 2 可以称为n ，n - 二甲基苯 胺或二甲胺基苯。 芳胺一般在室温下为液体或固体，具有特殊的臭味，都微溶于水，水溶液呈 微弱碱性。一般为物色的高沸点化合物，如果暴露在空气中易被氧化，或者芳环 上有别的取代基则带颜色。一些重要的芳胺的主要物理性质【6 】见表2 _ 3 。 表2 3 一些重要芳胺的主要物理性质 名称结构式沸点熔点相对密度 d ? 苯胺c 6 h s n h 2 1 8 4 46 21 0 2 2 邻甲苯胺c h 3 c 6 h 4 n h 21 9 9 7 1 6 30 9 9 9 间甲苯胺c h 3 c 6 h 4 n h 22 0 3 33 1 50 9 8 9 对甲苯胺 c h 3 c 6 h 4 n h 2 2 0 0 34 4 , , - 4 51 0 4 6 1 ，o 二甲基3 苯胺 ( c h 3 ) 2 c 6 h 3 n h 2 2 2 31 5 0 9 9 t 5 1 ，2 - 二甲基。4 苯胺( c h 3 ) 2 c 6 h 州h 2 2 2 4 2 2 64 9 5 0 1 0 7 6 1 4 7 5 1 ，3 - 二甲基2 苯胺 ( c h 3 ) 2 c 6 h 3 n h 2 2 1 6 2 1 7 0 9 8 0 s 1 ，3 - 二甲基_ 4 苯胺 ( c h 3 ) 2 c 6 h 3 n h 2 2 1 3 ，2 1 40 9 7 8 l ，3 二甲基5 苯胺( c h 3 ) 2 c 6 h 料2 2 0 2 2 l0 9 7 2 1 ，4 - 二甲基2 苯胺( c h 3 ) 2 c 6 h 3 n h 22 1 51 5 50 9 7 9 a + 萘胺 c t o h 7 n h 2 3 0 0 85 0 1 1 2 3 誓 1 3 萘胺c l o h t n h 23 0 6 11 1 1 1 1 2 1 0 6 8 二苯胺c 6 h 5 n h c 6 h 53 0 25 2 9 1 1 6 0 器 邻苯二胺 c 6 h 4 ( n h 2 ) 2 2 5 6 2 5 81 0 3 1 0 4 间苯二胺 c 6 h 4 ( n h 2 ) 2 2 8 4 2 8 76 2 8 1 1 3 9 ：s 对苯二胺 c 6 h 4 ( n h 2 ) 2 2 6 71 4 0 浙江大学硕士学位论文 醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化 2 2 胺类物质的合成 2 2 1 胺化反应的一般类型 有机胺可以从取代反应和还原反应来制备。前者多用于脂肪胺的合成，后者 多用于芳香胺的合成。另外，还有一些特殊的生产方法，如氰的水解制酰胺、再 重排降解成胺，烯烃与氨( 胺) 的加成反应等。 1 取代反应 亲核取代反应通常是在电子密度低的饱和碳原子上，用氨和胺或者它们的等 价物进行亲核的取代反应，以达到胺化反应的目的。这里以卤代烃的氨基代反应 为例，分析取代反应的原理【7 】。 卤素原子都呈吸电子诱导效应，因此能使卤代烷分子中与卤素结合的碳原子 的电子密度下降，或在某些条件下解离成烷碳正离子和卤素负离子。这导致了在 这种d 碳原子( 碳原子和碳正离子) 上发生两种方式的亲核取代反应，即单分 子亲核取代反应和双分子亲核取代反应( 符号s w l 和s n 2 ) 的可能性。 x 。+ r c h 2 c h y r x 。 r c h 2 c h r s n 2 y 。 s n l y 一 8a r c h 2 c h x r r c h 2 - - c h y r 其中：x = 卤原子或等价原子团，y = 亲核的负离子或富电子分子。 当y - 为n h 3 、n h 2 r 、 n h r 2 、n r 3 时，即为氨基代反应类型的胺化反应。 由于诱导效应，处于鼻一碳原子上的氢原子也具有一定的酸性，当作为亲核 试剂的胺的级数增大并呈现较大的空间阻碍时；或当卤代烃的卤原子所在的碳原 子级数较大和空间阻碍较大时：以及所用的“胺”试剂的亲核性较弱，而亲质子 性较强时，则发生消除反应的倾向增强，并容易生成烯烃类化合物。 浙江大学硕十学位论文 醇羟基及酚羟基化台物的催化胺化 利用取代反应制胺的应用极为广泛，例如 卤代烃的氨基代反应： c h 2 c i + e t 3 n 一 醇的氨基代反应 2c h 3 0 h + h 2 n 2 还原反应 a 1 2 0 3 加压，加热 十 c h 2 n e t 3 c i ( c h 3 ) 2 n c = = n r 含不饱和氮键的或c 一- - - n 等，以及碳上氧化程度较高 。矿 n 一n o nh o h 的含氮基团，如 、o 。 1 ，原则上都可以通 过还原反应，使这些含氮基团转化成氨基，以达到胺化反应的目的。按照n h 键形成的机理，还原胺化反应大概可以分为：氢负离子对不饱和碳氢键的碳核进 行亲核加成；氢自由基对碳氮不饱和键的加成反应，或对氮氧键和氮氮键的加成 - 断裂反应：先由活泼金属的自由电子对不饱和键发生亲核类型的加成，并随即 进行质子化作用，以完成一步还原步骤8 1 。 利用还原反应合成胺的应用实例如下。 氢负离子的还原反应： l i a i h c h 3 c h 2 c h 2 c n 云素l c h 3 c h 2 c h 2 c h 2 n h 2 l e o c k a n 反应： 分c h 2 n h 2 + 2 h 2 c o 4 2 h c o o h 芳香族硝基化合物的还原反应： 1 4 1 0 0 1 4 0 n ， 2 _ ” p c h 吲 州 一 浙江人学硕士学位论文 醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化 3 其它反应 + n a 2 s + h 2 0 回流，6 8 h 除了上述两种常见的胺化反应外，加成和重排也是胺化反应的重要类型。如 乙炔和乙烯的胺加成反应p 】及制取伯胺的h o f m a r m 重排反应等。如利用异丁 烯催化胺化合成叔丁胺 1 l 】： ( c h 3 ) 2 c c ”n h 3 等 ( c h 3 ) 3 c n h 2 及以4 一腈基吡啶为原料合成4 氨基吡啶： 水解 2 2 2 低级脂肪胺的合成 h o f m a n n 降解 低级脂肪胺可以通过多种起始原料及不同的工艺过程制造，但真正能在工业 上应用的方法则和起始原料的价格、来源、工艺过程的难易、操作费用及装置投 资，以及副产品多少和用途等因素有关。因此，低级脂肪胺的工业生产方法并不 完全相同。 1 醇和氨催化脱水法 在催化剂存在下，在合适的反应温度与压力下，醇和氨反应脱水生成相应的 低级脂肪胺。由于c l c 6 低碳醇来源丰富、价格便宜，因此醇和氨催化脱水是生 产低级脂肪胺采用较多的方法，甲胺几乎全部采用此法生成，一部分乙胺和异丙 胺也采用此法生产。由于该法反应温度较高，涉及高温下原料醇的热稳定性及过 浙江人学硕士学位论文醇羟基及酚羟基化台物的催化胺化 程的选择性，所以碳数较多的低级脂肪醇不易采用此法。醇和氨脱水所采用的催 化剂有氧化铝、氧化硅、二氧化钛、三氧化钨、白土等单一或混合物组成。一般 多用氧化铝，反应温度在2 5 0 5 0 0 ，压力0 5 5 m p a ，空速5 0 0 1 5 0 0 h ，醇、 氨= 1 ：2 6 ，气固相反应。由于反应温度较高，总伴随着有结碳，醇脱水成烯烃， 生成氰及高沸点的焦油等副反应发生。工业上常常通过改变反应物料的配比，反 应条件，某种不希望生成的胺再循环来调整产品中三种胺的生成比例，以满足市 场需要，提高过程的经济性【1 2 】。 2 由醇、醛和酮催化氢氨化合成胺 低级脂肪胺的另一重要的工业制法是以醇、醛或酮为原料，通过催化氢氨化 反应制得。 r c h o - i - n h 3 1 - h 2 4r c h 2 n h 2 + h 2 0 r c h 2 0 h + n h 3 一r c h 2 n h 2 除生成伯胺外，还生成仲胺和叔胺，一般认为反应分为两步，第一步先生成 亚胺：后者加氢生成相应得胺。以丙酮生成异丙胺为例，反应历程如下： h3ch3ch3c 邺皓。+ 洲3 一邺c - n o h 心一叩c 。 j + h 2 h 3 c h 一 。h ，c c n h 2， 7 因此要求催化剂具有胺化、脱水和加氢三种功能。n i 、c o 、c u 和f e 等多种金属 对该反应具有活性，其中以镍一氧化铝催化剂得活性最高。r a v e i 比较了不同组成 催化剂对丙酮氢氨化反应得活性，其顺序如表2 4 。 i催化剂 n i - a 1 2 0 3n i s i o ，新鲜雷尼镍 再生雷尼镍 相对活性3 7 2 1 1 4 1 2 当以醛或酮为原料时反应放热较大，当以醇为原料时放热较少，由反应方程 平衡来看醇为原料反应不需氢气，但实际反应中氢得存在可以保持催化剂得活 1 6 浙江大学硕上学位论文 醇羟摹及酚羟基化台物的催化胺化 性。调节氨醇比及反应条件可以改变原料得转化率及产品中伯、仲和叔胺问得比 例。 3 腈加氢生产胺 腈经催化加氢可得到相应得伯胺、仲胺和叔胺。腈加氢过程可用贵金属催化 剂，如铂、铑、钯等，也可用非贵金属催化剂，如镍、钴和铁等。采用贵金属催 化剂，反应在液相进行，反应条件比较缓和，温度2 0 1 0 0 。c ，压力1 0 2 5 m p a 。 当采用镍催化剂时需要在1 5 0 。c ，o 1 0 5 m p a ，气相反应【1 4 1 。 4 由卤代烃生产胺 卤代烃氨解生成胺盐，加入碱溶液而析出胺。该法虽然适用于多种低级脂肪 胺得生产，但由于起始原料昂贵、过程有腐蚀等原因，仅用来制造具有特殊医药 等用途的胺，或者小规模生成的胺，例如烯丙胺就是由氯丙烯和氨反应制得。 在上述的各种合成低级脂肪胺的方法中，用腈或卤代烃作为原料成本较高， 同时利用卤代烃进行胺化反应由于在反应过程中生成卤化氢，对设备会产生腐 蚀，同时对环境也存在着较大的污染问题。而若利用低级脂肪醇为原料来进行胺 化反应，则有着原料便宜易得，反应过程产生污染小等优点，所以是一条合成低 级脂肪胺的理想工艺路线。 2 2 3 高级脂肪胺的合成 高级脂肪胺可由天然脂肪、油脂来制造，也可由其它原料合成得方法生产。 1 由脂肪腈生产 脂肪腈是生产高级脂肪胺得重要原料。脂肪腈催化加氢制高级脂肪胺所用的 催化剂为镍、钴、铜等，可以采用雷尼镍、雷尼钴，也可以采用载体型的，为了 得到不饱和的高级脂肪胺可以采用雷尼钴及皿铬酸铜为催化剂。一般反应温度为 1 2 0 1 8 0 。c ，压力为1 4 m p a ，液相，固体催化剂，催化剂用量o 5 1 ，可以间 浙江入学硕士学位论文 醇羟基及酚羟基化合物的催化胺化 歇进行，也可以采用连续法。为了减少副产物的生成，便于分离，可改变反应条 件。为了抑制仲胺的生成，可以加入氨、碱或金属皂等，可提高伯胺的选择性， 抑制不希望的加氢副产物的生成。不对称叔胺，特别是氮原予上带有甲基的高级 脂肪叔胺的生产，可以由脂肪腈和二甲胺为原料进行生产；也可以由伯或仲高级 脂肪胺与甲醛、甲酸通过l e u c k a r t 反应得到【1 5 】。 2 由高级脂肪醇及羰基化合物生产 高级脂肪醇在雷尼镍催化剂存在下进行氢氨化反应可以得到高级脂肪胺，一 般在常压到o 7 s p a 低压下，反应温度9 0 1 9 0 。c 。由于相同碳原子数的醇和胺分 离困难，一般要求醇的转化率接近1 0 0 。如果连续地将生成的水除去，则反应 有利于仲胺及叔胺的生成【l6 】；也可采用高级脂肪醇先在氯化锌、亚硫酰氯、五 氯化磷或三氯化磷存在下生成氯代烷烃，然后再与二甲胺在强碱作用下得到高收 率的n ，n 二甲基烷基胺：也可采用高级脂肪醇制成硫酸衍生物，再与二甲胺反 应制造n ，n 二甲基烷基胺的生产方法，这种方法的优点是副反应少，产物杂质 含量低。 3 由d - 烯烃生产 1 9 7 7 年e t h y i 公司由口- 烯烃制造n ，n 二甲基烷基胺，规模为9 0 0 0 t a ，主 要反应为 r c h = c h 2 4 - h b r 过氧化物 r c h 2 c h 2 b r r c h 2 c h 2 b r4 - ( c h 3 ) 2 n h r c h 2 c h 2 n ( c h 3 ) 2h b r 用碱中和即得到叔胺及氢溴酸盐，过氧化物可采用臭氧。在氢甲酰化条件下烯烃 和甲胺可以生成n ，n 一二甲基烷基胺，采用贵金属催化剂，也可采用c o 和n i 催化剂。高级a 烯烃在浓硫酸与含水氟化氢作用下与氢氰酸或乙腈反应得到中 间体a 酰氨基烷烃，再加氢可得到带侧链的伯胺。 浙江大学硕士学位论文 醇羟基及酚羟基化台物的催化胺化 4 其它方法 高级烷烃的硝基化合物在铂炭催化剂存在下，于温度1 9 0 。c 、压力为3 9 m p a 条件下加氢可得到带侧链的伯胺，其收率可达9 3 。氯代高级烷烃与二甲胺反应 可得到n ，n 一二甲基烷基胺，产率可达6 5 l 1 8 。脂肪酸、脂肪酸甘油酯、脂肪 酸甲酯在氨氢存在下可转化成腈，并进一步生成胺。此外高级伯酰胺经氯酰胺霍 夫曼重排也可得到伯胺。 同低级脂肪胺的合成方法类似，高级脂肪胺的合成也有着众多的选择，但是， 总的来说，这些合成路线都存在着各自的缺陷，或者是原料不易获得，或者是产 生的污染比较严重，另外，也可能存在着设备投资费用过高的问题，而相比较而 言，利用高级脂肪醇胺化制取高级脂肪胺是一条经济且有着实用价值的路线。 2 2 4 芳香胺的合成 工业上生产芳胺有多种方法，但多以芳烃的硝基、亚硝基、氰基、羟基等衍 生物还原为主要方法，由于采用的还原手段不同而又分为许多不同方法。 1 铁粉等金属为还原剂的硝基化合物还原法 芳烃的硝基化合物在酸性等不同的介质中可被铁粉等金属还原成相应的芳 胺。其中最重要的就是硝基苯铁粉还原制苯胺，这是工业上最早采用的苯胺生产 方法。1 8 5 4 年b e c h a m p 发现该反应，1 8 5 7 年p e r k i n 用于工业生产苯胺，沿用 至今，大大促进了染料等工业的发展，其反应方程式为： f e c l 2 c 6 h 5 n 0 2 + 3f e + 4 h 2 0c 6 h 5 n h 2 + f e ( o h ) 2 4 - f e o + f e ( o h ) 3 + 【h 】 f e ( o h ) 2 + f e ( o h ) 3 。f e 3 0 4 + 4 h 2 0 除铁粉外，其它金属如z n 、t i 、a 1 ，甚至其盐在酸性或其它介质中也可以作 为还原剂，但这些还原剂较缓和，一般不会干扰芳环上的一o h 、一o r 、c o o h 等 取代基，工业上应用较少。此外，h 2 s 、n a 2 s 、s 0 2 等也可作为还原剂制造芳胺， 1 9 浙江人学硕上学位论文 醇羟基及酚羟基化台物的催化胺化 采用硫化物还原剂反应比较缓和，易于控制，但比较昂贵，所以仅用于特殊原料 还原制芳胺，例如以二硝基苯为原料经硫化钠还原可得8 7 产率的硝基苯胺。 2 硝基芳烃催化加氢法 芳烃硝基化合物经催化加氢还原生成相应的芳胺，这是工业上采用较多，规 模较大的芳胺生产方法 2 “。由于采用催化剂、工艺条件、气相或液相、反应设 备等不同而有多种方法。加氢催化剂有非贵金属及贵金属两种，非贵金属催化剂 主要为镍、钻、钼等，贵金属催化剂如钯、铂等。气相反应可采用固定床及沸腾 床，液相可采用带搅拌的釜式反应器及环管式反应器。无论采用何种形式，由于 芳烃硝基化合物加氢是强烈放热反应，因此如何引出释放的反应热是控制反应进 行的重要措施，否则会引起温度急剧升高而造成安全事故。 3 氨基取代法 芳环上各种非碳原子取代基，例如卤素原子、羟基、磺基、酯基等与氨反应， 被氨基置换成芳胺。例如对硝基苯胺的生产，采用对硝基氯苯高压氨解法，其反 应式为： n 0 2 n 0 2 + n h 4 c 通过氨基取代反应可以生成一系列芳胺的衍生物。当芳环上非碳原子取代基较活 泼时，一般在较缓和的条件下，无催化剂存在即可得到较高的产率。 从上述的各种方法看来，利用金属还原硝基物的方法存在着严重的污染问 题，而卤素的氨基代反应同时还存在着对设备的腐蚀问题。催化加氢是目前应用 广泛的一种方法，相关的研究比较成熟，有其特有的优势所在。酚羟基的催化胺 化相关的报道比较少，但这并不意味着这条合成路线没用实际的应用价值，所以 本文会在这方面进行一定的研究工作。 浙江大学硕士学位论文 醇羟基及酚羟基化台物的催化胺化 2 3 醇羟基及酚羟基化合物的胺化实例 利用脂肪醇胺化来制取相应的脂肪胺是一种比较理想的方法，这种方法原料 易得而且价格便宜，反应造成的污染也小。而对于芳胺来说，用相应的酚羟基化 合物来制取较为少见，相关的报道也比较少，但这并不意味着这条合成路线没用 实际的应用价值。所以，本研究将会着眼于醇羟基和酚羟基化合物的催化胺化。 总的来说，此类催化胺化反应一般为液相反应或者气相反应。气相法一般适 合于沸点较低，热性能稳定的起始原料，否则会因为苛刻的反应条件而引起碳键 的断裂及催化剂的结焦，还可能引起芳环的深度加氢及破坏反应。液相法适合于 沸点高，热稳定性差的起始原料，反应的压力较高，一般在有机溶剂中进行。 羟基化合物在催化剂下氨解生成胺的反应主要有釜式氨解及气固相管式氨 解两种工艺路线。 2 3 1 气固相催化胺化实例 采用气固相催化氨解管式反应器( 具体结构在第三章中有详细描述) 。采用 这种管式固定床反应器，可以使物料在连续通过反应器过程被转化，具有操作简 便、产量大、产品质量稳定等特点。由于此类反应器沿轴向存在着反应速率的分 布，所以实际上很难实现等温操作，但是从实验来看，气相法催化氨解对于反应 温度并没有太苛刻的要求，所以采用此类反应器是合适的。同时，采用固定床管 式反应器，要求合适的催化剂，如具有高活性、高选择性、长寿命、机械强度好 等。催化剂的制备工艺及性质评价是本文重要内容之一。 气固相管式催化胺化用催化剂多为以活性炭、氧化铝、膨润土等为载体，负 载活性组分，如铜、镍、铬、钴等。本研究中在催化剂的载体、活性组的筛选、 催化剂制备工艺及性能评价方面做了大量的工作。 实例1 2 l j ：将1 5 0 9 月桂醇和2 2 5 9 催化剂投入反应器，系统先用n 2 置换后通入 5 0 0 m l m i n 的h 2 。搅拌下升温至1 7 0 。c 并恒温4 0 m i n 进行催化剂还原，之后迅 速升温至2 1 5 。c ，改通h 2 和二甲胺气体的混合物进行胺化反应。二甲胶含量由 进气管路上连接的分析仪在线检测。反应中生成的水由分水器分出，回收的有机 物料返回反应器。尾气经酸溶液吸收后排空，反应过程中每隔1 h 取样，用气相 浙江大学硕士学位论文 醇羟基及酚羟基化台物的催化胺化 色谱仪( 岛律7 a 型) 分析其组成。 2 3 2 液相催化胺化实例 常见的反应器是带有搅拌器的釜式反应器。这种釜式反应器广泛用于液相反 应，在液一固相反应和气一液相反应中亦可采用。釜式氨解一般是采用半分批式操 作，即羟基化合物一次性投入反应器，而另一反应组分氨则是连续地缓慢加入反 应器中。这种半分批操作能控制反应的热效应以便于温度控制，或是有目的地抑 制某一副反应的速率以期改善反应的产物分布，提高主产物的收率。但是这种半 分批反应用于非生产性的操作时间长( 即每次投料、放料、清釜和物料加热的时 间) ，产物的损失较大且控制费用较大，所以只使用于经济价值较高、批量小的 产物如药品和精细化工产品的生产。 实例【2 2 】：将环戊酮1 t o o l 放入压力釜中，加入雷诺n i 催化剂l g ，用氢气赶走釜 内空气后，用进样器称取3 5 m o l 液氨，开动压力釜搅拌，并向釜内压入液氨。 缓慢升温到1 2 0 1 8 0 之间，压入氢气，使釜内压力在5 0 1 1 0 k g c m 2 之间，保温 反应1 5 小时后停止加热及通入氢气。待釜内温度降至室温后，放气。产物用石 油醚提取两次，精馏得产品4 7 3 9