发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种链烷醇和/或其活性衍生物的羰基化制备羧酸的方法。本发明的方法反应体系不含有离子型碘化物,其催化反应活性仍然较高,低酯和/或低水含量条件下具有较好的催化活性,催化剂成本较低且稳定性较好。
本发明的链烷醇和/或其活性衍生物的羰基化制备羧酸的方法,其在含有铱催化剂、铑催化剂、金属促进剂、水、乙酸甲酯、甲基碘和乙酸的液态反应介质中,将链烷醇和/或其活性衍生物与一氧化碳进料反应,然后从得到的反应产物中回收羧酸,其中,所述的铱催化剂的含量为500~4000ppm,较佳的为1000~2000ppm;所述的铑催化剂的含量为50~400ppm,较佳的为100~300ppm;所述的金属促进剂与铱的摩尔比值为1~15,较佳的为6~15,更佳的为7~10。
本发明的反应体系采用铱催化剂和铑催化剂的联用体系。经大量实验摸索,特别选择了上述铱铑的含量范围以及金属促进剂与铱的配比,使得反应的催化反应活性和速率得到显著提高,而且本发明催化剂铑的含量相较于现有铑铱催化剂联用体系中铑含量显著降低,极大降低成本;同时本发明的反应体系在低酯条件下也具有较好的催化活性,对于某些使用设备如甲基碘回收装置等,可以使用单铑催化剂系统的装置设备,节省资源成本,降低能耗。
其中,所述的金属促进剂为本领域常规使用的金属促进剂,较佳的为钌、锇和铼中的一种或多种,更佳的为钌。所述的金属促进剂的存在形式为现有本领域常规的金属催化剂的盐类,一般可为任何适当形式加入到液体反应介质中溶解或转化为可溶解形式的盐类,较佳的为氯化钌、溴化钌、钌金属、氧化钌、乙酸钌、丙酸钌、丁酸钌、五羰基钌、水合氯化锇、无水氯化锇、锇金属、四氧化锇、十二羰基三锇、Re2(CO)10、Re(CO)5Cl、Re(CO)5Br、Re(CO)5I、ReCl3·XH2O和ReCl5·YH2O中的一种或多种。
其中,所述的铱催化剂的前体为本领域常规使用的铱盐催化剂前体,较佳的为乙酸铱、铱金属、碘化铱、水合碘化铱、溴化铱、水合溴化铱、氯化铱、氯铱酸、水合氯化铱、草酸铱、乙酰乙酸铱、氧化铱、三氧化二铱、[Ir(CO)2I]2、[Ir(CO)2Cl]2、[Ir(CO)2Br]2、Ir4(CO)12、[Ir(CO)2I2]-H+、[Ir(CO)2Br2]-H+、[Ir(CO)2I4]-H+和[Ir(CH3)(CO)2I3]-H+中的一种或多种,更佳的优选可溶解于羰基化反应组分如水、醇和羧酸的铱催化剂前体,如乙酸铱、草酸铱和乙酰乙酸铱中的一种或多种。
其中,所述的铑催化剂的前体为本领域常规使用的铑盐催化剂前体,较佳的选自适用于单铑催化体系的铑盐催化剂前体,更佳的为氯化铑、三水合氯化铑、溴化铑、碘化铑、乙酸铑、二羰基乙酰丙酮铑、[Rh(CO)2Cl]2和[Rh(CO)2I]2中的一种或多种。本发明的催化剂铑在铑铱催化反应体系中的含量明显降低,使得本发明的催化反应体系在保证了良好的催化反应活性的前提下,同时催化剂的稳定性较好,还进一步降低了催化剂成本。
其中,所述的水的含量为本领域常规用量,较佳的为0.5~16%,更佳的为0.5~14%,最佳的为2~8%,百分比为质量百分比。本发明的催化反应体系可适用高水或低水体系,并且在低水体系中仍然具有较高的催化活性,而且较低的水含量也使后续的步骤中水与乙酸产物的分离操作难度和成本显著降低。
其中,所述的乙酸甲酯的含量为本领域常规用量,较佳的为0.5~40%,更佳的为0.5~5%,百分比为质量百分比。其中,优选乙酸甲酯的含量属于低酯含量范围,本发明的催化反应体系在低酯条件下仍然具有较好的催化活性,同时该低酯含量也降低后续回收甲基碘的操作难度。
其中,所述的甲基碘的含量为本领域常规用量,较佳的为5~30%,更佳的为10~20%,百分比为质量百分比。
其中,所述的乙酸的含量为本领域常规用量,本发明中一般为补充液态反应介质质量百分比100%的量。
本发明中,所述的链烷醇和/或其活性衍生物如醚、酯、卤化物等用于羰基化反应生产羧酸。所述的链烷醇较佳的为碳原子数为1~5的醇类,更佳的为甲醇。
本发明中上述各组分所述的含量均为催化反应过程中实际反应体系中各组分的含量。
本发明中,上述的各技术特征的优选条件可以任意组合,得到本发明的较佳实施例。
本发明的方法的适用设备为本领域常规设备,一般可采用典型的反应系统,催化甲醇羰基化制备乙酸的反应系统一般包括液相羰基化反应器、闪蒸罐和乙酸分离塔。羰基化反应器一般是一个能自动将反应液体容量维持在恒定水平的搅拌时高压釜,在此反应器内可连续引入链烷醇和/或其活性衍生物、水、来自闪蒸罐底的循环催化剂溶液、以及循环利用的甲基碘和乙酸甲酯。一氧化碳也可以连续引入羰基化反应器并在其中充分分散,同时反应器的顶部可放出汽态吹散物流,以避免气态副产物的累积并在给定的反应器总压下维持预定的一氧化碳分压。本发明中羰基化反应器的温度和压力的控制方法同本领域常规方法。闪蒸罐接收从羰基化反应器出料的液态粗产物。经过闪蒸罐闪蒸,催化剂溶液作为底部物料流出返回羰基化反应器,顶部出冷凝料包括粗产物乙酸和甲基碘、水及乙酸甲酯的混合物,顶部的气态料为气态副产物甲烷、二氧化碳等。乙酸分离塔接受闪蒸塔的冷凝料,分离乙酸与甲基碘和乙酸甲酯。产品乙酸从分离塔底部出料,之后可进行后续的精制提纯;甲基碘和乙酸甲酯由分离塔塔顶出料循环回羰基化反应器内。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于:本发明提供了一种链烷醇和/或其活性衍生物的羰基化制备羧酸的方法。本发明的方法反应体系不含有离子型碘化物,其催化反应活性显著提高,在低酯和/或低水含量条件下具有较好的催化活性,催化剂成本较低且稳定性较好。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1不同铱铑的含量及金属促进剂与铱配比时的催化反应速率
向一个200ml的锆材高压反应釜中加入水、乙酸、乙酸甲酯、甲基碘、三氯化铑、三氯化铱和碘化钌。实验编号为1~38的反应体系中高压反应釜内加入的各反应物原料的重量百分数如下:水8%、乙酸甲酯20%、甲基碘14%,其余为乙酸,铱、铑和钌的用量如表1所示。高压釜内加入以上配方的反应液120克后,按如下步骤进行操作:
(1)关闭反应釜,用氮气对反应装置进行查漏。确定反应装置无泄漏点后,用CO缓慢置换两次,然后用CO对反应系统充压到0.5MPa;
(2)开动搅拌,转速为850转/分左右,设定控温系统为190℃,加热;
(3)随着温度的升高,反应系统的压力不断增大,待温度升到190℃时,打开CO的充压气路,将反应系统充压到2.8Mpa,之后关闭充压气路的阀门;再打开装有CO流量控制的CO恒压气源气路,其压力为2.8Mpa;开始羰基化反应计时,维持反应温度为190±1℃,反应压力2.8Mpa(表压),每隔1秒钟与反应系统相连的电脑记录下CO的瞬时流量和累积流量;
(4)待反应系统不吸收CO时,对反应进行“激冷”处理,终止反应;
(5)待温度降至室温,用氮气置换两次,打开反应釜,倒出反应液称重,取样分析。
从记录中调出CO累积流量为5.2升时CO的瞬时流量,此时反应系统中乙酸甲酯的含量约为3wt%,水含量约为4%,甲基碘含量14%,铱、铑和钌的含量见表1。因此,在反应系统中乙酸甲酯含量为3wt%时,以所测定的CO瞬时吸收量计算的STY表示反应速率,结果列于表1中。
表1不同铱铑的含量及金属促进剂与铱配比时的催化反应速率
编号 |
Ir(ppm) |
Ru/Ir(mol比值) |
Rh(ppm) |
STY(3%MeOAC,mol/L.h) |
1 |
1000 |
1 |
300 |
16 |
2 |
1000 |
2 |
300 |
17 |
3 |
1000 |
4 |
300 |
19 |
4 |
1000 |
6 |
300 |
24 |
5 |
1000 |
7 |
300 |
28 |
6 |
1000 |
10 |
300 |
31 |
7 |
1000 |
12 |
300 |
31 |
8 |
1000 |
15 |
300 |
30 |
9 |
1500 |
1 |
300 |
17 |
10 |
1500 |
2.5 |
300 |
18 |
11 |
1500 |
3.5 |
300 |
21 |
12 |
1500 |
5 |
300 |
25 |
13 |
1500 |
6 |
300 |
29 |
14 |
1500 |
7 |
300 |
32 |
15 |
1500 |
8 |
300 |
32 |
16 |
1500 |
10 |
300 |
33 |
17 |
1500 |
12 |
300 |
33 |
18 |
1500 |
15 |
300 |
32 |
19 |
1800 |
2 |
200 |
20 |
20 |
1800 |
4 |
200 |
22 |
21 |
1800 |
6 |
200 |
25 |
22 |
1800 |
7 |
200 |
28 |
23 |
1800 |
10 |
200 |
28 |
24 |
2000 |
2 |
100 |
19 |
25 |
2000 |
4 |
100 |
20 |
26 |
2000 |
6 |
100 |
23 |
27 |
2000 |
7 |
100 |
27 |
28 |
2000 |
10 |
100 |
28 |
29 |
500 |
2 |
400 |
19 |
30 |
500 |
4 |
400 |
19 |
31 |
500 |
6 |
400 |
22 |
32 |
500 |
7 |
400 |
25 |
33 |
500 |
10 |
400 |
26 |
34 |
4000 |
2 |
50 |
20 |
35 |
4000 |
4 |
50 |
21 |
36 |
4000 |
6 |
50 |
24 |
37 |
4000 |
7 |
50 |
27 |
38 |
4000 |
10 |
50 |
27 |
对比1 |
1500 |
7 |
500 |
20(有沉淀生成) |
对比2 |
1500 |
7 |
40 |
9 |
由上表数据可见,本发明的催化反应体系,在铱铑的含量范围以及金属促进剂与铱的配比的数值范围内,具有较高的催化反应活性,并且催化反应速率随着金属促进剂与铱配比的增大显著增大。与对比1和对比2的催化反应体系相比,在铱钌含量相同情况下,本发明的实验编号为14的催化反应体系的反应速率有显著的飞跃(本领域中若反应速率STY能提高2个单位值即属于较大提高)。同时,本发明中使用的催化剂铑的含量显著较现有铑铱催化剂联用体系中的铑含量低,显而易见地降低了催化剂成本。
实施例2不同种类金属促进剂的催化反应速率
操作步骤同实施例1,其中高压反应釜内反应体系各组分的重量百分数如下:实验编号为39~48反应体系各原料的加入量为:水5%、乙酸甲酯20%、甲基碘14%、铱1500ppm、铑200ppm,其余为乙酸,百分比为质量百分比;金属促进剂的含量见下表;高压釜内加入以上配方的反应液120克。
从记录中调出CO累积流量为5.2升时CO的瞬时流量,此时反应系统中乙酸甲酯的含量约为3wt%,水含量约为2%,甲基碘含量14%,铱1500ppm、铑200ppm,金属促进剂的含量见下表2;在反应系统中乙酸甲酯含量为3wt%时,以所测定的CO瞬时吸收量计算的STY表示反应速率,结果列于表2中。
表2不同种类金属促进剂的铱铑催化剂体系的催化活性
编号 |
金属促进剂 |
金属促进剂/铱(mol) |
STY(3%乙酸甲酯,mol/L.h) |
39 |
锇 |
2 |
17 |
40 |
锇 |
4 |
17 |
41 |
锇 |
5 |
20 |
42 |
锇 |
7 |
23 |
43 |
锇 |
10 |
23 |
44 |
铼 |
2 |
16 |
45 |
铼 |
4 |
17 |
46 |
铼 |
5 |
21 |
47 |
铼 |
7 |
24 |
48 |
铼 |
10 |
25 |
由上表数据可见,本发明的催化反应体系中,尽管使用不同种金属促进剂,反应体系仍然具有较好的催化反应活性,其中,催化反应速率随着金属促进剂与铱配比的增大显著增大。
实施例3不同乙酸甲酯含量时的催化反应速率
操作步骤同实施例1,其中高压反应釜内反应体系各组分的重量百分数如下:实验编号为49的反应体系各原料的加入量为:水5%、乙酸甲酯20%、甲基碘14%、铱1800ppm、铑200ppm、锇/铱摩尔比为7,其余为乙酸,百分比为质量百分比;高压釜内加入以上配方的反应液120克。
从记录中调出反应系统中乙酸甲酯的含量约为下表数据时,以所测定的CO瞬时吸收量计算的STY表示反应速率;此时反应体系中甲基碘含量14%,铱1800ppm、铑200ppm、锇/铱摩尔比为7,结果列于表3中。
表3不同乙酸甲酯含量时的催化反应速率
由上表数据可见,本发明的催化剂体系适用于高酯或低酯体系,尽管催化反应速率随着乙酸甲酯浓度的增加逐渐增大,但本发明的催化剂体系在低酯体系中仍然具有较高的催化活性,低酯条件下也使后续的步骤中甲基碘的分离操作难度和成本显著降低。
实施例4不同水含量的催化反应速率
操作步骤同实施例1,其中高压反应釜内反应体系各组分的重量百分数如下:实验编号为50~55的反应体系各原料的加入量为:乙酸甲酯20%、甲基碘14%、铱1500ppm、铑200ppm,铼/铱摩尔比为7,其余为乙酸,百分比为质量百分比,水含量见下表;高压釜内加入以上配方的反应液120克。
从记录中调出反应系统中乙酸甲酯的含量约为5%时,以所测定的CO瞬时吸收量计算的STY表示反应速率;此时反应体系中甲基碘含量14%,铱1800ppm、铑200ppm、锇/铱摩尔比为7,结果列于表4中。
表4不同水含量的催化反应速率
编号 |
水的浓度wt% |
STY(5%乙酸甲酯,mol/L.h) |
50 |
0.5 |
18 |
51 |
2 |
21 |
52 |
3 |
22 |
53 |
8 |
25 |
54 |
10 |
24 |
55 |
14 |
22 |
由上表数据可见,本发明的催化剂体系适用于高水或低水体系,并且本发明的催化剂体系在低水体系中仍然具有较高的催化活性,同时也使后续的步骤中水与乙酸产物的分离操作难度和成本显著降低。
实施例5不同甲基碘含量的催化反应速率
操作步骤同实施例1,其中高压反应釜内反应体系各组分的重量百分数如下:实验编号为56~60的反应体系各原料的加入量为:水8%、乙酸甲酯20%、铱1500ppm、铑200ppm,钌/铱摩尔比为5,其余为乙酸;高压釜内加入以上配方的反应液120克。
从记录中调出反应系统中乙酸甲酯的含量约为5%时,以所测定的CO瞬时吸收量计算的STY表示反应速率;此时反应体系中水4%、铱1500ppm、铑200ppm,钌/铱摩尔比为5,结果列于表5中。
表5不同甲基碘含量的催化反应速率
编号 |
甲基碘的浓度wt% |
STY(5%乙酸甲酯,mol/L.h) |
56 |
5 |
15 |
57 |
10 |
16 |
58 |
15 |
22 |
59 |
20 |
24 |
60 |
30 |
26 |
由上表数据可见,本发明的催化剂体系中甲基碘在本领域常规适用含量范围均具有较好的催化反应速率,但催化反应速率随着甲基碘浓度的增加逐渐增大。
对比实施例单铱体系下金属促进剂与铱摩尔比对反应速率的影响
操作步骤同实施例1,其中高压反应釜内反应体系各原料的加入量为重量百分数如下:水5%、乙酸甲酯20%、甲基碘14%,其余为乙酸,铱和钌的用量如表6所示;高压釜内加入以上配方的反应液120克。
从记录中调出反应系统中乙酸甲酯的含量约为3%时,以所测定的CO瞬时吸收量计算的STY表示反应速率;此时反应体系中水2%、甲基碘14%,结果列于表6中。
表6金属促进剂与铱摩尔比对反应速率的影响
编号 |
Ir(ppm) |
Ru/Ir(mol) |
Rh(ppm) |
STY(3%MeOAC,mol/L.h) |
1 |
1200 |
2.5 |
- |
4.69 |
2 |
1200 |
3.5 |
- |
4.70 |
3 |
1200 |
5 |
- |
5.90 |
4 |
1200 |
6 |
- |
5.99 |
5 |
1200 |
7 |
- |
5.99 |
以表6中金属促进剂与铱摩尔比对催化反应速率作图,可见附图1,单铱体系下,在同样条件下,随着金属促进剂与铱摩尔比的增大,且催化反应速率变化程度较小。
同时,考察了本发明铱铑联用的催化反应体系中,不同金属促进剂与铱摩尔比对催化反应速率的影响,采用实施例1中实验编号2~10的实验数据,以金属促进剂与铱摩尔比对催化反应速率作图,可见附图1,铱铑联用体系下,在同样条件下,随着金属促进剂与铱摩尔比的增大,催化反应速率显著增加。