2氰基吡嗪的合成研究（已處理）

1、2-氰基吡嗪的合成研究 浙江大學碩士學位論文2-氰基吡嗪的合成研究姓名:翟靜申請學位級別:碩士專業(yè):化學工程指導教師:戴君裕2003.3.1摘 要本文塒毗嗪類化合物在醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料等領域中的用途進行了簡單的介紹,對的產(chǎn)物一氰基吡嗪研發(fā)態(tài)勢、市場時景及意義進行了論述,并綜述了氰旗毗嗪和一甲基吡囔的文獻合成方法。首先以乙二股與,一丙二醇為原料,在固定床反應器中反應合成一甲基.%, .%的型催化劑,分毗嚓。用含 .%,改變反應扎矗度、原料液配比、載氣用量,得出這些工藝條件對收率的影響,實驗表盯,儺化刺不經(jīng)過活化,原料液中含水分%時可得到較好的轉化率和收率,反應渝度,最高收率可達%。并對這種催化劑進

2、行了穩(wěn)定性實驗。接著以一甲基吡嗪為原料,進行氣相氨氧化催化合成一氰基吡嗪的實驗。分別用自制的三種催化劑進行了工藝研究。其中、型催化劑選擇性為%左右,收率可達%以上,最合適的工藝條件是反應溫度,一甲基璉匕嗪:氨氣:氧氣:.:摩爾比。一一型催化剎。反應溫度,一甲基吡嗪:氨氣:氧氣:.摩爾比,選擇性在%以上,收率可達%以上,并進行了催化劑穩(wěn)定性實驗,證明該催化劑、具有較好的穩(wěn)定性。關鍵詞:一氰基吡嗪:一甲基吡嗪:乙二胺:,一丙二醇:氨氧化:合吣 . .,. . 、 ,.%, .%.%,. .,., , ,% %. . % ,:.一一/:.: .%.%, ,.:.; ;: ;浙江大學碩士學位論文第一章

3、文獻綜述.概述.前言早在 年人們就已經(jīng)從食品中分離出烷基毗嗪。但是大量對食品中吡嗪化合物的研究卻是最近年間的事。從年在可可中發(fā)現(xiàn)了,一二甲基吡嗪開始,至今已從帥啡、花生、大麥、爆米花、土豆產(chǎn)品、大豆產(chǎn)品、面包、番茄、豌豆、青鐘椒、芝麻油、乳制品、焙炒核桃、焙炒榛子、雞湯、烤牛肉、煮豬肉等多種天然食品中鑒定出多種吡嗪類化合物。例如,從可可中檢出了個吡囔化合物,從醬油中檢出了個吡嗪類化合物。進一步的研究分析表明,毗嗪類化合物在這些天然食品中的含量雖然甚微,但都是導致這些食品特征香味的重要因素。這一發(fā)現(xiàn)立即引起了香料界的重視。從年代開始,關于吡嗪類化合物的合成與應用研究得到迅速地發(fā)展.【氰基吡唪及其

4、衍生物是重要的有機化工原料及其中間體,在醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料等領域中有廣泛的用途。例如,一二氰基吡嗪是優(yōu)良的抗生素.能有效地抑制植物病蟲害及工業(yè)產(chǎn)品如纖維、樹脂、橡膠中微生物的繁殖【。,一二氰基一一羥基吡嗪衍生物則用作水稻無害的除草劑口】。,一二氰基吡嗪衍生物還可用作水稻作物的土壤處理劑,對控制秕草生長效果良好。.吡嗪類香料化合物特點用在飲料、糖果、糕點、肉制品和乳制品中。在花生、奶油和炸雞中,加入甲基吡嗪、,一二甲基吡囔可使香味更美。四甲基吡嗪是面包、餅干、烤肉、可可、巧克力、糖果和果凍的增香劑。一乙基一,二甲基吡嗪、一乙氧基一一甲基毗嗪、一甲基一一甲氧基吡嗪.會使炒堅果土腥味消失,從而改善速溶

5、咖啡的味道。毗嗪類化合物香勢特別強.它們廣泛存在天然食品中。例如,未取代的毗嗪,存在于焙炒大麥、焙炒咖啡、焙炒花生、爆玉米花、炸大豆、黑麥脆面包、熟牛肉、啤酒、蘆筍、乳清粉和酪阮中;一甲基吡囔存在于焙炒大麥、焙炒榛子、焙炒山胡桃、浙江大學塒學位論文焙炒花生、雞湯、炸牛肉、燉牛肉、炸土豆、烤土豆、黑面包、爆米花、咖啡制品、可可制品、大豆制品、西紅柿、蘆筍、啤酒、蔥、韭菜、茶葉、威士忌、酪蛋白和乳清中。吡嗪化合物對某些食品的香味起著明顯作用,是構成某些食品香味的微量成分。例如,一二甲基吡嗪存在于炸土豆中,在食品中只添加,就可起到明顯的土豆增香作用;一異丁基一一甲氧基吡嗪是青鐘椒和豌豆的天然香成分,

6、在食品中只添加就可獲得青鐘椒的香味?！勘揉侯惢衔锵銡馓卣鞣浅Ｍ怀?大多具有咖啡香味、巧克力香味、堅果樣香味、焙燒焦樣香氣。它們可以廣泛應在食品中的使用量只有級。由于毗嗪使用量極少,可以使加香成本降低,安全可靠性增加。吡嗪類香料化合物可以廣泛用于咖啡、可可、桃子、核桃、花生、芝麻、奶油、巧克力、糖果、飲料、餅干、煙酒等香精中。目前,中國在吡唪類香料化合物合成研究中已經(jīng)取得了一些成果,有余種吡嗪類香料的合成實現(xiàn)了商業(yè)化,但這還遠遠滿足不了調香的要求。國外已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化并用于加香的產(chǎn)品已達多種,因此,進一步加強毗嗪類香料化合物的研究無疑是非常必要的。.一氰基吡嗪的研究意義.氰基吡嗪是較復雜的含氮雜

7、環(huán)芳睛化合物,為合成毗嗪酰胺類抗結核病專用醫(yī)藥的基本原料吼還可用于食用香料如一乙酰基吡嗪蚓等、農(nóng)藥、醫(yī)藥等產(chǎn)品的合成。目前,全球僅日本實現(xiàn)了.氰基吡嗪的工業(yè)化生產(chǎn)。因而國際國內產(chǎn)需矛盾十分突出,市場空間廣闊。.一氰基吡嗪的研發(fā)態(tài)勢由于吡嗪酰胺在治療結核病中的應用日益得到重視,而作為其主要原料的一氰基吡嗪的研發(fā)熱在國際國內不斷升溫。韓國近幾年來已有少量生產(chǎn),意大利、印度尚處于研制開發(fā)階段,估計全球一氰基毗嗪的年生產(chǎn)能力約為噸。我國的吡嗪酰胺生產(chǎn)過去一直以吡嗪,一二羧酸為原料,因產(chǎn)品質量和生產(chǎn)成本等原因,白世紀年代開始改用.氰基吡嗪作為原料。國內.氰基毗嗪的合成技術比較落后。至世紀年代末期仍一直依

8、賴進口滿足生產(chǎn)需求。為適應國內醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)對吡嗪酰胺合浙江大學碩士學位論文成的需要,我國迅速掀起了.氰基吡嗪的研制開發(fā)熱潮。年天津大學精細化工系進行了.氰基吡嗪合成技術的研究,采用丙二醇和乙二胺為原料,經(jīng)過兩步反應得到.氰基毗嗪,并在河南進行了中試。同年底,上海石化研究院也完成了.氰基吡嗪的小試研究,以.甲基毗嗪為原料,采用氨氧化技術合成.氰基吡嗪。目前正在國內進行工業(yè)化試驗的有:新鄉(xiāng)巨晶化工公司、趙都精細化工廠、邯鄲寶豐化工公司等。河北寧晉縣化肥廠亦與科研單位合作開發(fā)出新的.氰基吡嗪合作技術,近期擬建設生產(chǎn)裝置。此外,江蘇小聯(lián)集團公司也在尋找.氰基吡嗪的合成技術。.氰基吡嗪市場潛力大據(jù)估計,目前

9、國際市場.氰基吡嗪的年需求量約為噸,年產(chǎn)量約為噸,產(chǎn)銷缺口約噸。我國目前的吡嗪酰胺主要由石藥五廠、通遼市制藥廠、沈陽故宮藥廠、上海吳淞制藥廠、江蘇南通制藥總廠、江蘇鹽城藥廠、江蘇太倉制藥廠、江陰制藥廠、浙江尖峰海洲制藥廠、安慶海宣制藥廠、株州藥廠、石龍華南制藥和成都錦華制藥廠等生產(chǎn),據(jù)初步估計,國內企業(yè)生產(chǎn)毗嗪酰胺每年需消耗.氰基吡嗪噸左右,而.氰基吡嗪的年生產(chǎn)能力約為噸,為滿足吡嗪酰胺生產(chǎn)需求,我國每年要從國外進口約噸的.氰基吡嗪。由于目前國內尚無穩(wěn)定正常生產(chǎn).氰基吡嗪的廠家,而國內市場價格與國際市場價同步,因產(chǎn)需矛盾突出而制約了國內毗嗪酰胺的生產(chǎn)。綜上所述,一氰基毗嗪及其衍生物的深加工產(chǎn)品

10、是值得研究開發(fā)的新產(chǎn)品。.氰基吡嗪合成原理及工藝路線合成.氰基吡嗪有多種方法,主要有以下種。.鹵代烷基吡嗪和金屬氰化物反應反應方程式如下一浙江大學碩士學位論文式中為鹵族元素該方法的原料之一卣代吡嗪可以從一甲基毗嗪經(jīng)鹵化反應制取,但產(chǎn)品收率低,制備困難,且氰化鉀為劇毒物質,從經(jīng)濟及安全考慮均難以實現(xiàn)工業(yè)化。.氰基乙基二胺和乙二醛縮合環(huán)化反應反應方程式如下:心一仔丫“/舳刊刑曠/少。一鈔印此法兩種原料制備較困難,工藝難度較大。.吡嗪羧酸和氨反應反應方程式如下:?卜,街傭岫/由于吡嗪羧酸原料難以制得,且反應需高溫及催化劑,工藝較為復雜。.吡嗪酰胺脫水反應反應方程式如下:妙.眥一彰叫避。浙江大學碩士學

11、位論文.一甲基吡嗪氣相氨氧化反應反應方程式如下:耖吼刪川:一莎洲瑚扣該法的原料氨與氧均易獲得。氧氣還可用空氣代替。因此用氣相催化法自一甲基吡嗪合成一氰基吡嗪,無論從原料來源、技術難度、經(jīng)濟合理性比較,均較前種方法有利。氣相催化氨氧化合成氰基吡嗪也是國外于年代開發(fā)的新合成路線,國內研究很少,因此,開展此課題研究就更具有迫切性。氨氧化反應催化劑的選擇對反應起到至關重要的作用,因此,對這方面的研究也較多。眾所周知,過渡金屬氧化物是選擇性氧化、氨氧化烴類物質的優(yōu)良催化劑【刖,文獻【 研究了、等最常用的氨氧化催化劑。由于它們的離子特性【,這些氧化物有一個共同的特點,即能夠迅速地把大量氧傳到表面,然后傳到

12、反應分子,并被其吸收,然后被還原的催化劑又迅速被氣相中的氧氣重新氧化。大量實驗表明,、和的混合氧化物為催化劑,以氧化鋁為載體,反應溫度是最優(yōu)條件,在此條件下,轉化率可高于%,選擇性達%。國內報導不多,查到的文獻有】和】。文獻【報導.采用中的不銹鋼固定床反應器,催化劑型號為,以、為主要成分,催化劑裝量,催化劑粒度為,液體空速.,一甲基吡唪%:氨氣:空氣為.:流量比,/時,反應溫度,一氰基毗嗪收率達.%。文獻以一負載型催化劑.確定了最佳工藝條件為溫度,反應配比一甲基吡嗪:氨:氧:水:摩爾比,液體空速.。,反應轉化奉接近%,一氰基吡嗪選擇性%.并進行了催化劑的穩(wěn)定性試驗,產(chǎn)品選擇性在%以上。專利公開

13、了一甲基吡嗪制一氰基毗嗪的方法,所采用的健化劑的話性物質%和.的制成粒狀.裝填到不銹鋼為和。例如,將含有浙江大學顫士學位論文管中.一甲基吡嗪:空氣:體積比于。反應小時.得到一氰基吡嗪,收率為%。專利【】公開了一種一甲基毗嗪氨氧化合成一氰基吡嗪的催化劑。催化劑組成為銻、釩、氧及鐵、銅、鈦、鈷、錳、鎳中的至少一種元素。其中銻與釩的原子比大于。催化劑表面積為/。反應溫度,一甲基吡嗪:氮氣:氧氣:摩爾比。一甲基吡嗪轉化率最高可達%,一氰基吡嗪的產(chǎn)率為%摩爾產(chǎn)率。,專千 】所用催化劑為。,:,其中為氨根離子,為水,/,這種催化劑能減少氨氣用量,降低副產(chǎn)物的生成。一甲基毗嗪:氫氣:氧氣:摩爾比,反應溫度。

14、一甲基吡嗪的轉化率可達.%,一氰基毗嗪的選擇性為.%。專利公開的催化荊為。、;、;、,例如,一甲基吡嗪在. 催化劑上與和空氣于。反應秒,得到一氰基吡嗪.收率為.%。一甲基吡嗪是合成一氰基吡嗪的重要原料,因此,一甲基吡嗪的臺成是制各一氰基吡嗪的先決條件。以下是關于一甲基吡嗪及烷基吡嗪的文獻查閱情況。.一甲基吡嗪的合成一甲基吡嗪是一種重要的化工產(chǎn)品,是無色至淺黃色液體,可咀任意比例溶于水、乙醇和乙醚,溶于丙酮。作為一種食用香料,具有類似堅果香和烤香,可用作食品添加劑盯】。作為一種醫(yī)藥和農(nóng)藥中間體,可以加氫合成一甲基哌嗪,還可通過氣固相氨氧化反應合成氰基吡嗪,再水解制備吡嗪酰胺類醫(yī)藥產(chǎn)品”。一甲基吡

15、嚷的合成主要有以下幾種方法:.乙二胺和,一丙二醇一步氣相催化合成文獻【介紹了以二醇類和二胺類化合物為原料,在催化劑的作用下,一步氣相催化合成吡嗪類化合物的方法。反應方程式如下:浙互大學碩士學位論文。涮。車?:叫:一衙叫關于此類反應的報道文獻較多,其應用范圍非常廣泛,以烷基二胺和烷基二醇反應,產(chǎn)品收率在%之間。由于催化劑的成分不同、制備方法的差異,導致收率有較大的差別。例如將. ,丙二醇和.乙二胺溶解在水中,通過以軟質煉石碎片和陶器碎片為載體表面經(jīng)氧化鋅覆蓋的催化劑,在多管式固定床上高溫條件下反應,得到純度為%的甲基吡嗪.,收率%們。如果采用以氧化鋅和氧化鉻混合物為主催化劑,以鈀為助催化劑的復合

16、型催化荊.在。下反應得到一甲基毗嗪,轉化率為%,收率也可達%。但是單獨以氧化鋁為催化劑,將乙二胺和乙二醇于時通過催化劑床層發(fā)生反應.可得到.的吡嗪,.的甲基吡嗪和.的乙基吡嗪【”,收率明顯較低。采用硫酸錳、磷酸、氧化鋅作為混合催化劑,使胺和甲基乙二醇以.。的空速通過的催化劑床層,制備一甲基吡嗪.此生產(chǎn)工藝的收率較低。催化劑進行選擇改進,如果使用摩爾比:的氧化鋅和氧化鉻混合催化劑、摩爾比:.的氧化鋅和氧化鉻的混合催化劑、經(jīng)硫酸錳和磷酸改性后的氧化鋅催化劑,將原料于通過催化劑層,則一甲基吡嗪的收率有明顯的提高【”。近年來.國內專;報道:通過各種烷基取代乙二胺和各種烷基取代丙二醇的氣相脫氫和脫水反應

17、,可以得到各種烷基取代的吡嗪。催化劑以氧化鋅為主體,加入鎂、鈰、鋁、錳、銅、鐵、鈣、硅、鉻等其中一種或多種其他金屬元素,后者可以氧化物、鹽和金屬狀態(tài)存在。加入上述元素比單獨用氧化鋅的收率高。少量金屬的用量無特別限制,一般在.%較合適,最好在%。催化劑制備可以用混捏法或浸漬法。這種方法使用的溶劑及稀釋用的惰性氣體,必須在反應條件下是穩(wěn)定的?？刹捎玫娜軇┯斜?、甲苯、水或環(huán)己烷,作為稀釋氣可用氮、氳、氦、氫或氨以及低級烴等。原料的比例最好是等物質的量,否則將產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物。溶劑的加入量為原料液的%。適宜的反應溫度為,最佳溫度為。反應時,原料混合液的空速隨使用催化劑的粒度不同而異,可以在較寬的范圍內

18、變化。收率可達.%。另外根據(jù)文獻的介紹,反應中采用脫水和脫氫種專門的催化劑,并分別在浙江人學頤卜位論文個反應器中完成步反應,從而提高了每一步反應的收率和選擇性.使得總產(chǎn)率提高。根據(jù)文獻。鋅、鉻系催化劑具有較好的脫水催化性能,而銅、鉻系催化開具有較好的脫氫催化性能。通過實驗,得到最佳脫水性能的氧化鋅、氧化鉻混合催化劑摩爾比為:和最佳脫氫性能的氧化銅、氧化鉻混合催化劑摩爾比為:,然后將種催化劑分別裝入串聯(lián)的根管狀反應器中。以上催化劑都是通過共沉淀法制各,高溫下焙燒,再用氫氣經(jīng)程序升溫還原處理后使用。在反應中氫氣與惰性氣體或單獨使用氫氣作為流通氣,流通氣內氫氣與氮氣的比例大于:,同時,反應混合物需載

19、氣。流通氣和反應混合物以.。的空速連續(xù)通過。加熱的.。催化劑層和加熱的.催化劑層。晟佳的反應條件是:流通氣中的氫氣含量氫氣與惰性氣物質的量比大于.以上,相對反應混合物需流通氣,鋅一氧化鉻催化劑床層的溫度為最好在,銅、氧化鉻催化劑層的溫度為。最好在。反應混合物中丙二醇和乙二胺摩爾比為:。據(jù)此報道。在最佳實驗條件下,反應的轉化率接近%,而選擇性為%。.二步法合成烷基吡嗪二步合成法首先以鄰二醛、酮與乙二胺縮合得二氫吡嗪,然后在金屬、金屬氧化物、醇鈉、堿金屬氫氧化物等催化作用下脫氫而得。用此法反應制備烷基吡嗪的通用合成路線如下:如一脅”哥盹?廠廣,人 菁,人三令.。篡庳 蘭斛././浙江太學的.學位論

20、文具體到一甲基吡嗪的合成,為丙酮醛與乙二胺反應。洲蘆耖一二酮與一二胺的縮合反應是典型的氨基一羰基縮合反應,是制備烷基取代二氫毗嗪的主要方法。由于該反應為放熱反應,為避免副產(chǎn)物產(chǎn)生并保持穩(wěn)定的縮合產(chǎn)率,通常控制反應溫度在。以下,二氫吡嗪生成率為%】。二氫毗嗪的脫氫反應可以在空氣氧化作用下自動進行,但其轉化率不高,中間體與產(chǎn)物因性質、沸點相近很難完全分離,低純度吡嗪中含有少量二氫毗嗪會給產(chǎn)品帶來不愉快的氣昧。因此,脫氫方法的研究歷來是香料生產(chǎn)廠家極為重視的問題。脫氫包括氣相催化脫氫法、堿一醇加熱脫氫法、金屬氧化物催化脫氫法等。文獻選擇以二氫吡嗪為原料,在堿性介質中,阱不溶性金屬氧化物為催化劑的脫氫

21、工藝路線。采用醇或苯作溶劑,以、和作脫氫催化劑進行了對比實驗,在回流溫度下,反應小時,二氫吡嗪轉化為吡嗪的收率可達到%,殘留在體系中的二氫毗嗪幾乎為。文獻】研究了在乙醇一氫氧化鉀溶液中,氧化物、存在下,一二甲基一,一二氫毗嗪和,.一三甲基一,一二氫吡嗪的脫氫反應,分別合成了高純度、高收率的,一二甲基吡嗪和,一三甲基吡嗪香料。文獻【】選擇了單組分體系及/雙組分體系,對催化劑用量和配比對收率的影響進行了實驗研究。實驗結果表明,選用和雙組分脫氫催化劑催化活性明顯好于單組分體系,并且比較合適的雙組分配比為:。.“一鍋法”合成烷基吡嗪此種方法是對上邊介紹的二步法合成烷基吡嗪的改進方法】。該方法是以旺一二

22、酮和旺一二胺為起始原料,經(jīng)堿縮合環(huán)化,制得的二氫毗嚷衍生物不必分離,直接加入堿和催化劑進行催化脫氫,從而“一鍋”生成吡嗪類化合物。該方法使得生產(chǎn)工藝大為簡化,減少了設備投資,縮短了生產(chǎn)周期,降低了能耗,在保證產(chǎn)品質量的浙江大學碩:學位論文同時亦能確保產(chǎn)品的價格競爭優(yōu)勢。“一鍋法”生產(chǎn)吡囔類化合物的工藝流程如下:一二酮一二胺一縮合一催化脫氫一濃縮一萃取一干燥一蒸餾一減壓蒸餾一產(chǎn)品而經(jīng)典的二步法工藝流程如下:一二酮旺一二胺一縮合一干燥一分離一蒸餾一減壓蒸餾一催化脫氫一酸化一濃縮一堿化一萃取一干燥一蒸餾一減壓蒸餾一產(chǎn)品由上可看出,“一鍋法”大大縮短了流程,減少了原材料消耗,降低了成本。此法采用的催化

23、脫氫試劑和二步法相同,在催化脫氫過程中添加脫水劑,可以是苯、甲苯和二甲苯等?？s合反應完成后冷卻至。以下即可加入脫水劑、堿和氧化劑。脫氫反應在醇沸騰溫度下進行,回流時間為小時,其中優(yōu)選小時。同時蒸出適量的水共沸物。本法在后處理過程中采用將反應液冷卻至左右時即減壓抽濾。濃縮濾液回收乙醇;濃縮液用飽和食鹽水稀釋;稀釋液用適量的有機溶劑萃取,摹取劑可以是乙醚或二氯甲烷。萃取液經(jīng)無水硫酸鈉或硫酸鎂干燥后,常壓蒸出萃取劑,再減壓精餾,即可得吡嗪類化合物。此法收率比常規(guī)生產(chǎn)方法提高了%。文獻用此法合成,一二甲基吡嗪,對影響縮合反應的因素反應溫度、溶劑用量和影響脫氫反應的因素作了研究,得到優(yōu)化條件,在此條件下

24、,臺成,一二甲基吡嗪的平均產(chǎn)率為%,產(chǎn)品純度達%以上。文獻用此法合成.,一三甲基吡嗪,并對起始縮合溫度、脫氫反應時間、催化劑等反應時間進行了研究,產(chǎn)率達%,經(jīng)精制后純度可達%。.由一甲基哌嗪催化脫氫制取反應方程式如下浙江大學頂士學位論文二二丁妒傭.一一羥丙基乙二胺法以一一羥丙基胺為原料,通過氣固相接觸催化反應合成產(chǎn)品,反應方程式如下:。,.催化劑。,。【/據(jù)報道,以:摩爾比為催化劑活性組分,添加%錳以計,下向管式反應器中通入氫氣使.羥丙基胺活化還原。以:.摩爾比為混合載氣,原料在。下反應幾小時,就可得到毗嚷。和烷基吡嗪,收率達%以上【文獻 】對不同類型催化劑的選擇、反應溫度的影響及載氣的影響進

25、行了研究。結果表明,以.一一羥丙基乙二胺為原料通過氣固相接觸催化合成一甲基吡嗪是可行的:共沉淀法制備的銅一鉻一鋇復合型催化劑具有較高的活性,實驗最佳反應溫度為:反應采用氮氣和氫氣混合氣作為載氣:反應最高收率為.%。相對而言,以單分子原料經(jīng)分子內成環(huán)反應制各產(chǎn)品反應更容易進行,對工業(yè)化生產(chǎn)更具有可行性。反應主要以.羥丙基胺為原料進行環(huán)合反應,如果選擇浙江大學碗上學位論文性能優(yōu)良的催化劑可以大大減少副產(chǎn)物,提高反應收率。由于原料價格較貴,如果從小分子合成,反應將分成步,第步為長鏈分子的合成,即原料的制備,第步為長鏈分子內的環(huán)合,但是這樣會使反應路線加長,使反應成本增高。.以乙二胺和環(huán)氧丙烷為原料的

26、環(huán)合反應八/.心.卜。氣擴將烷基乙二胺和烷基環(huán)氧乙烷在氣相時經(jīng)過具有脫水和脫氫作用的催化劑,能獲得各種烷基取代吡嗪”。文獻報道將乙二胺和環(huán)氧乙烷在高溫下通過含銅、鉻和鋇的混合催化劑,以./的速率通入氫氣,經(jīng)過后得到,%的吡嗪、.%的甲基毗嗪和.%的哌嗪。如果采用不同的原料和其他催化劑例如:,.,等,可以獲得甲基吡嗪、二甲基吡嗪等其他吡嗪類衍生物。此反應中溫度一般控制在之間:采用的催化劑一般都是鉻、鋁氧化物混合催化劑和硅、鋁氧化物混合催化劑:氫氣和氮氣以一定的比例和速率通過催化劑床層。較佳的反應條件為:溫度控制 ,氫氣和氮氣的流量為/,并且在氫、氮比為:的時候得到的反應收率最高為.%。.吡嗪甲基

27、化法刪:。凼甲基化試劑為甲醇.催化劑為阮尼鎳,反應溫度,收率為.%”。此反應原料難得,收率也不高,不實際。浙江太學碩二匕學位論文.乙二胺一甲醛法此法經(jīng)脫水、脫氫、合環(huán)制得產(chǎn)物,其反應方程式如下:?,、一審/明所用催化劑為,反應溫度。.收率為.%】。該法原料易得但是技術不成熟,未見工業(yè)化報道。浙江大學碩士學位論文第二章研究目的及合成路線設計.研究目的和對象桫叫浙江大學碩士學位論文一甲基毗嗪分子式:英文名:物理性質:分子量:.沸點:熔點:一比重:.折射率/:.合成路線通過對大量相關文獻的閱讀和分析,認為用,一丙二醇和乙二胺催化合成一甲基毗嚷,再用一甲基吡嚷氨氧化催化合成氰基毗嗪的路線最為合理,即:

28、。量鋤州,一彭傭啪囂鋤:一。/./.、一州圳幻唰浙江大學碩士學位論文第三章一甲基吡嗪的合成.前言關于此類反應的報道文獻較多,其應用范圍非常廣泛,隊烷基二胺和烷基二醇反應,產(chǎn)品收率在%之間。由于催化劑的成分不同、制備方法的差異,導致收.%, .%,率有較大的差別。我們所用催化劑為一,主要成分為.%。.反應機理本文采用乙二胺與,一丙二醇合成.甲基吡嗪,其反應機理與可能的歷程口如下所示:一?.蘭 :洲:。心/:/.?一?。:,心:?。夕蘭移。一或者峪?、甙洲一古.一一 一。一 一牟擴由檢測到的副產(chǎn)物.甲基哌嗪表明,該反應為胺和,丙二醇分子在催化浙江大學碩士學位論立劑表面發(fā)生的正碳離子反應。,丙二醇分

29、子在催化劑表面的酸酸沖心催化作用下生成正碳離子,接著再與乙二胺分子反應生成異羥丙基乙二胺,然后繼續(xù)進行上述反應生成一甲基哌嗪,最后脫氫反應得到一甲基毗嗪。在反應中有兩種不同的原料,它們分別有兩個活性基團,性質都很活潑,高溫下有可能在催化劑表面的酸堿活性中心發(fā)生分子內的降解反應和同種分子間的縮合反應,從而使實際參與催化反應的物質很多.造成大量表觀上不可能發(fā)生的副反應,使得反應歷程趨于復雜。副反應如下所示:茫、一一/./嘰飛麗面而擴毗吼獷吼.實驗原料.%,催化劑含 .%,摩爾比:.:.%,強度/,堆積比重.克/。序號 產(chǎn)地名稱 純度,一丙二醇 如皋市金陵試劑廠乙二胺中國醫(yī)藥集團上海化學試劑公司二氯

30、甲烷 浙江杭州雙林化工試劑廠環(huán)己烷 浙江杭州雙林化工試劑廠浙江,學塒學位論文.部分實驗儀器及規(guī)格一型微量高壓平流泵 轉子流量計 ?一交流接觸器調壓變壓器熱電耦 數(shù)顯調節(jié)器; 加熱器三頸圓底燒瓶 若干鐵架臺 分液漏斗升降臺 量筒天平 冷凝管?套式恒溫器 水銀溫度計若干.實驗裝置及反應過程的控制圖.合成一甲基吡嗪裝置圖氮氣鋼瓶.轉子流量計.固定床反應器.催化床層.加熱熔鹽.測溫熱電原料液試管偶.控溫熱電偶.冷凝管.接收瓶.計量泵浙江上學頗。學位論文反應采用固定床反應器中,將一定量的催化劑裝在不銹鋼反應管中間段的恒溫區(qū),其上下兩段則分別填裝瓷環(huán).反應管由熔鹽加熱,熱電偶插于催化劑床層上下兩段,同時測

31、定兩者溫度并與溫控電路相連以控制反應溫度。,一丙二醇與乙二胺按摩爾比:配比再加入一定比例去離子水混勻后由?型微機控制平流泵以固定流量輸入,在反應管上端填料層汽化。載氣氮氣從鋼瓶經(jīng)轉子流量計計量后進八反應管與原料氣體混合后進入反應管催化床層,產(chǎn)品經(jīng)底部冷凝后收集,未冷凝部分和氫氣、氮氣等由排氣管排出如圖.。.實驗步驟.按乙二胺.%,一丙二醇.%,水%重量百分比配好原料液。.按圖.措好裝置,并裝好填料及催化劑。.升溫并以/的流量通氮氣,在左右保持小時。.以/的流量進原料液,氮氣/。改變工藝條件,約小時取一次樣。.催化合成一甲基吡嗪的工藝研究.%, .本實驗所用催化劑為一,其組成為:.%,%。分別改

32、變反應溫度、原料液配比、載氣用量,得出這些工藝條件對收率的影響。并對這種催化劑進行了穩(wěn)定性實驗。.反應溫度的影響溫度是影響催化劑活性的重要因素,不同溫度下催化劑的效果截然不同,因為催化劑中各相在不同溫度下比例、性能有差異,尤其是有效催化活性中心的數(shù)目及活性對溫度變化敏感。由文獻,在。下進行反應。在該反應升溫過程中,穩(wěn)定其他各工藝條件,以采集各溫度條件下的反應情況。催化劑用量:./;原料質量組成:乙二胺.%,丙二醇.%,水%:進料速度:/。浙江大學砸學位它立表.反應溫度的影響由上表可知:的反應溫度偏低,而在左右,該催化劑在選擇性保持在%以上,轉化率有所提高,得到%以上的收率;催化劑的活性隨著溫度

33、的升高而升高,表現(xiàn)為轉化率隨溫度的升高而升高,選擇性也有所上升。由于反應是吸熱的.適當提高反應溫度對熱力學平衡和反應速率都有利。但溫度太高,反應十分劇烈.選擇性下降。如果溫度太高有可能使催化劑燒結,從而引起催化劑失活。所以,最佳反應溫度在附近。圖.反應溫度的影響浙江學碩一學位論文.活化方式的影響在催化劑催化合成反應之前,對催化劑在爐內進行預處理,對催化劑保持充分穩(wěn)定的活勝,使催化劑保持某種程度的還原態(tài)和縮短反應的誘導期,都是十分必要和確定的。本實驗采用在反應器中于用氫氣還原小時,但活化后的催化劑效果反而不如未經(jīng)活化的催化劑?？赡苁怯捎诨罨瘲l件不適宣造成的。用純氫可能導致深度還原,還宜引起燒結。

34、文獻提到的?.催化劑還原方法為:以氮氣為載氣,氫氣含量從%逐步提高到%還原小時。比較本實驗可以看出氫氣濃度太高,影響了催化劑性能。而且催化劑的還原溫度也有影響,當溫度高于。時,催化劑活性將嚴重喪失,原因是高于。時,部分氧化鋅被還原并與金屬銅形成鋅銅合金,所以還原過程中應嚴格控制溫度。表 經(jīng)過活化的催化劑其催化性能催化劑用量:.;進料速度:,;活化條件:通氫小時:原料質量組%,水%。成:乙二胺.%,丙二醇表.未經(jīng)過活化的催化劑其催化性能浙江大學頎士學位論文勝化劑用量./;進料述度:/:直接反應.不活化:原料質量組成:乙二睦.%.,.丙二醇.%,水%。.原料配比的影響對于理想反應,乙二胺與,.丙二

35、醇為等摩爾反應,所以控制反應原料配比為等摩爾。同時由于純原料濃度較高,副反應較多,加入一定量的水稀釋原料。對于整個反應是分子數(shù)增加的反應,降低壓力有利于提高平衡轉化率。加入水作稀釋劑后,不僅降低了各組分分壓,提高了平衡轉化率,還可以消除催化劑表面結焦。將不同濃度的原料通過催化床層反應,結果如表.所示。從中可以看出,水蒸汽用量比增加,.丙二醇平衡轉化率隨之增加,但達到%以后,增加緩慢。從工業(yè)上考慮,能耗卻大幅上升。水分含量對收率的另一個影響是由于液空速一定時,汽化后的原料氣在催化劑床層停留時間上的變化。顯然,在催化劑表面活性中心足夠的情況下,當水分含量減少時,停留時間縮短,這樣可以有效的避免產(chǎn)品

36、.甲基吡嗪進一步反應造成副產(chǎn)物增加,選擇性增高。但過小的水分含量,則可能出于表面活性中心數(shù)目的限制導致進入催化劑床層的原料部分來不及完全反應而流出反應器,造成轉化率下降。所以,控制一個好的收率及選擇性指標,合理的控制水分含量是十分必要的。如圖所示,在水分含量小的情況下,隨著水分的增加,轉化率大幅上升,選擇性變化不大,合理的水分含量為%。表.原料配比的影響催化劑用量:./;:進料速度:/:反應溫度。浙江大學頗上學位論文圖.原料配比的影響.載氣的影響實驗中通入惰性氣體對降低分壓,提高平衡轉化率有利,據(jù)此實驗對反應氛圍進行了研究。從實驗結果可以看出:通入適量的氮氣時.反應的收率比不通入氮氣或氮氣流量

37、過大收率高。催化活性物質是以活性金屬單質和氧化物狀態(tài)存在的,通入氮氣能保證反應在惰性條件下進行,防止活性中心氧化,同時可使原料氣在高流速狀態(tài)下被稀釋。因此,采用/流量氮氣作為載氣,另外,從成本來看也較為經(jīng)濟。表.載氣的影響催化劑用量:./;原料質量組成:乙二胺.%,丙二醇.%,水%;進料。速度:/;反應溫度:浙江上學碩士學位論文礙陽:” 氯氣流量/國.一圖.載氣的影響.穩(wěn)定性實驗催化劑的穩(wěn)定性通常以壽命表示,指催化劑在使用條件下維持一定活性水平的時間單程壽命,或者每次下降歷經(jīng)再生而又恢復到許可活性水平的壽命。這其中包括對高溫熱效應的耐熱穩(wěn)定性。此外,對摩擦、沖擊、重力作用的機械穩(wěn)定性和對毒質毒

38、化作用的抗毒穩(wěn)定性。另外,還有對結焦積炭的抗衰變穩(wěn)定性和對反應氣體的化學穩(wěn)定性。催化劑的穩(wěn)定性在工業(yè)上是一個非常重要的衡量催化劑性能的指數(shù),壽命的長短直接決定了生產(chǎn)的成本和產(chǎn)品效益的高低。本催化劑的穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)如表.:表.穩(wěn)定性實驗%,丙二醇 %,水%催化劑用量:./:原料質量組成:乙二胺浙江大學碩士學位論文進科速度:/:反應溫度:。曬巧加 威立時間圖. .穩(wěn)定性實驗可以看出,該催化劑在經(jīng)過小時的反應之后,催化劑的轉化率基本沒有下降的趨勢,而催化劑的選擇性也基本保持在%之間,說明該催化劑的單程壽命是比較好的,可以達到工業(yè)上的生產(chǎn)要求。但是,局部催化劑酸性過強導致反應物表面停留時間過大而積炭,

39、也應有所考慮。.產(chǎn)物的提純產(chǎn)品一甲基吡嗪沸點。,乙二胺沸點.,丙二醇沸點.,所以采用蒸餾的方法分離產(chǎn)品。在實驗中發(fā)現(xiàn),產(chǎn)品中的水會和其他組分形成共沸物,不宜于分離。為除去水分,可加入環(huán)己烷,用有機帶水的方法除水,但由于水的含量較多,需要大量時間,因此改用萃取的方法除水,加入二氯甲烷進行多次萃取,棄去上層水層,再將萃取液進行精餾,含量在%以上。浙江上學碩士學位論文第四章一氰基吡嗪的合成.前言芳香烴氨氧化是指芳香烴在氨和催化齊的存在下,通過氧的一步氣相氧化反應獲得相應的芳香腈。它工藝簡單、安全、收率高、污染小、產(chǎn)品純度高,引起了各國學者的深入研究和普遍應用。氨氧化反應屬于部分氧化反應。由過渡金屬氧

40、化物表面催化的部分氧化反應是一些應用最廣泛的工藝過程?！辈糠盅趸^程所用的催化劑只向反應物提供有限數(shù)量的氧,使之生成目的產(chǎn)物,但又能限制其進一步氧化生成和,。在這方面取得成功的工業(yè)催化劑通常是復合固體氧化物,其表面能把氧授予吸附的烴類反應物。催化劑的選取對反應成敗起到關鍵的作用。.芳香烴氨氧化技術的研究開發(fā)與工業(yè)化過程年代初公司開拓了芳香烴氨氧化技術研究領塒】。,等公司也以提高苯甲腈等芳香腈收率為目標,開展催化劑、反應條件等研究。.公司開發(fā)了氨氧化合成氯苯甲腈的新工藝。首先實際氨氧化法制造芳香腈工業(yè)化的是日本。年日本化學工業(yè)公司基于自行開發(fā)的催化劑及流化床反應工藝,建成了由,一二氯甲苯氨氧化制

41、造,一二氯苯甲腈的生產(chǎn)裝置。年日本觸媒化學工業(yè)公司以日本開發(fā)銀行融資和自己的技術,在姬路建成了混合芳香烴氨氧化法制鄰苯二甲腈和苯甲腈生產(chǎn)裝置。利用氨氧化技術,在日年日本昭和電工和美國本橫濱建成間苯二甲腈生產(chǎn)裝置。日本三菱瓦斯化學公司為充分利用間二甲苯資源,與美國公司合作,采用細顆粒催化荊的流化床工藝建成了間苯二甲腈工業(yè)生產(chǎn)裝置。這期間日本東京有機公司完成了一甲基吡啶氨氧化制造一氰基吡啶的工業(yè)化過程。從此,芳香烴氨氧化技術在芳香腈等精細化工合成得到廣泛應用,成為制造芳香腈最主要、經(jīng)濟的方法【州。浙江大學碩士學位論文.芳香烴氨氧化技術國內研究開發(fā)概況及展望;.年代江蘇、湖南、廣東和云南等地的科研單

42、位先后開展芳香烴氨氧化技術研究和應用,但局限于的氨氧化合成工藝及相關催化劑。云南化工研究所、長沙化工研究所開發(fā)的催化劑達到工業(yè)化水平.在上海、長沙、蘇州進行中試,采用粗顆粒催化劑和擋板流化床反應器,生產(chǎn)規(guī)模小。年上海石油化工研究院開發(fā)成功細顆粒催化劑,采用當今氨氧化技術最先進的自由型流化床反應器,并在云南建成/生產(chǎn)裝置,使我國生產(chǎn)技術跨進了國際先進行列。最近該院又把這項技術成功地應用于苯甲腈生產(chǎn)。今年來國內外對芳香腈需求穩(wěn)步增長,湖南湘潭化工研究設計院、上海石油化工研究院開拓了氨氧化技術的應用,在雜環(huán)芳香烴、鹵代芳香烴氨氧化技術和所需催化劑的研究,取得了很大進展。隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和出口貿(mào)

43、易的增加,國內的農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、飼料、食品添加劑對于芳香腈的需求量將有大幅度增長,這為芳香烴氨氧化技術在精細化工品合成的應用開辟了廣闊的前景。.催化劑的選取及催化機理催化劑在異相催化反應中由于反應物所處的物相完全不同,出現(xiàn)了一些急待解決的問題:必須設法提高催化劑與反應物接觸界面以減少催化劑用量;必須設法克服反應過程中傳質和傳熱方面的困難:必須設法改善催化劑的機械強度,從而提高它的使用效果等。為了解決這些問題,要求催化劑具有復雜的化學組成和特殊的物理結構,導致制備技術的復雜化。一般來講,催化劑制各應包括如下幾步:基本原料的選擇:雜質的除去;提純后的物質轉化為所要求的化合物;使這些化合物成型為微

44、型顆?；虮∧?或將它們沉積在載體上;成型后的小塊或薄膜用氣體或蒸汽在特定條件下處理,由于該步往往會產(chǎn)生可燃性的或易氧化化合物,因此,要在催化反應容器中進行,稱為活化。歸結起來,固體催化劑的制各大致采用以下某些單元操作:溶解、沉淀、膠凝、浸漬、離子交換、干燥、混和、熔融、成型、煅燒和還原等。催化劑的制備都是某些單元操作的組合。沉淀法是借助于沉淀反應,用沉淀劑將可溶性的催化劑組分轉化成難溶物,經(jīng)過分離、洗滌、干燥、煅燒和還原等工序制得成品催化劑;浸漬法浙江丈學碩上學位論文是已含有活性組分或連同助催化劑組分的液態(tài)或氣態(tài)物質浸漬在固體載體表面,再經(jīng)過干燥、煅燒、還原等工序制得催化劑。混合法設備簡單,操

45、作方便,產(chǎn)品化學組成穩(wěn)定,可用于制各高含量的多組分催化劑,尤其是混和氧化物催化劑,故此法雖分散度低,但在合適條件下可與其它經(jīng)典方法相比擬。在非均相催化氧化反應中,作為主催化劑的氧化物原子價是可變的,當作為氧化物反應的催化劑時,多隨系統(tǒng)中氣氛不同而常常改變其氧化狀態(tài),當原子價高的金屬氧化物在反應溫度下與被氧化物接觸時,被還原成原予價低的氧化物,在催化反應過程中,催化劑把氣相氧奪過來加以活化而產(chǎn)生金屬離子一氧鍵,或者是金屬離子氧鍵受到氧原子問的再次結合,或與被氧化物反應而被切斷,反應受控于其中的一個速度。即反應:催化劑被氧化物/?一是如下兩個反應反復循環(huán)進行的催化反應:低原子價狀態(tài)/?高原子價狀態(tài)

46、?其中之一為反應的控制步驟,該反應機理稱為氧化還原機理機理.而這種氧化還原機理模型如圖:汁川船 吸,、,催化劑表面一鯔目蚱基 /圖中當?shù)南到y(tǒng)中,催化劑表面活性氧的活性受控于晶格內的氧。根據(jù)相關文獻,本課題主要選擇制備的催化劑,都是以、等周期表中族到族的氧化物為主組分。像、等氧化物和貴金屬類,主要是引起完全燃燒:而像、堿金屬、堿土金屬等氧化物氧的活化性能過低,所以都不能成為部分氧化的主催化劑。族到族的金屬氧化物與其他金屬氧化物相比有如下特點。氧的活化能比其他氧化物低,居于中下等,大部分是屬于氧化物中晟低級浙江大學碗士學位論文的基團。氧化物表面氧的活性,不僅受氣相氧分壓直接控制,而且還受氧化物內部

47、晶格氧的活性所支配。具有雙鍵性能的金屬離子一氧鍵在紅外吸收譜帶處存在著。在氧化物的金屬離子一氧鍵中.離子鍵性質弱,而共價鍵性質強。與其他金屬氧化物相比,熔點低且易于升華。作為部分氧化反應主催化劑的氧化物,、等氧化物的表面氧的反應性能與其他氧化物相比雖然低,但是當達到能使表面氧具有活性的溫度區(qū)域時,則氧化物結晶內部的晶格氧也表現(xiàn)出與表面氧相同的活性。在氣相的與氧化物的氧交換反應中,一般金屬氧化物,在表面氧與結晶內部晶格氧之問有明顯的差別,相對于此,而、的交換不僅在表面一層,而且還涉及到整體的內部。因此,用、催化劑的氧化反應,生成物中不是氣相氧,而是優(yōu)先從催化劑氧化物中奪取的氧,道理就是如此。族到

48、族的金屬氧化物的表面氧在形式上雖然是,但共價鍵性能強,實際價數(shù)遠小于負二價。一般講,由于氧原子荷有負電,沒有對雙鍵的加合能力,所以能提高脫氫反應的選擇性。因為離子性強的氧有很強的脫氫性能,可以把烴類的氧原子一個一個地奪走,而晟后分解成二氧化碳和水。以為主體的氧化催化劑到目前為止基本上仍然有效地使用于所有氧化反應中.可以說是萬能催化劑,在二氧化硫之類的無機化合物氧化以及烷烴、芳香烴、醇、醛等的氧化反應中廣為使用.所制成的催化劑,一般在氧化反應中,細孔多的、表面積大的催化劑活性高,但選擇性低,與此相反,活性低的卻選擇性高,其制備方法大致相同,當以偏釩酸銨為原料時,可將它直接溶于水或加入草酸等增加其

49、溶解度.并將制成的水溶液加入到載體中,用該法制成的催化劑最后一道工序為活化,就催化劑活性和選擇性而言,因活化時空氣量、有無還原性物質、升溫速度、焙燒時間等條件的影響而導致非常大的變化,此時不僅對孔分布和表面積起決定作用,而且在一。附近有這么多的氧化狀態(tài)要保持相對應的結晶形態(tài)有關。為了保持催化劑具有充分穩(wěn)定的活性,必須進行預處理。而且在有機化合物氧化時,催化劑用還原性氣體在高溫下預處理也有活化效果。因為經(jīng)過焙燒的催化劑,相當多數(shù)的是以高價氧化物形態(tài)存在,尚未具備催化活性,必須用或其他還原性氣體還原成為活潑浙江大學頌士學位論文的金屬或低價氧化物。我們主要制備了三種催化劑:負載一一型催化劑、:型催化

50、劑和一型催化劑。.實驗原料產(chǎn)地名稱序號 純度三氧化二銻 上海試劑四廠五氧化二釩 上海華東試劑工業(yè)供銷公司一上海試劑二廠硝酸錳酒石酸 南新助劑廠上海試劑二廠鋁酸銨磷酸 興塔化工廠亞硝酸鈉 中國醫(yī)藥上?；瘜W試劑公司硝酸鉀 中國醫(yī)藥上?；瘜W試劑公司二氧化鈦 上海試劑四廠硅膠 青島海洋化工集團公司硝酸 浙江蘭溪化工試劑廠尿素 寧波市化學試劑廠釩酸銨 上海試劑三廠試劑石墨粉 上海膠體化工廠 /一?.部分實驗儀器轉子流量計空氣壓縮機調壓變壓器.型微量高壓平流泵數(shù)顯調節(jié)器一?交流接觸器空氣過濾器熱電耦電動攪拌機加熱器若干水銀溫度計?套式恒溫器浙江太學碗士學位論文.實驗裝置及反應過程的控制圖.合成一氰基吡嗪裝置圖.氨氣鋼瓶.轉子流量計.空氣壓縮機.空氣過濾器.空氣轉子流量計.氣體混和器固定床反應器.控溫熱電偶.冷凝管.接收瓶原料液試管.計量泵反應器、催化劑填充方式及反應溫度控制與制備甲基吡嗪相同,氨氣從鋼瓶,空氣由空氣壓