一種採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法

2023-12-03 10:20:41 3

專利名稱：：一種採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法
技術領域：
：本發明涉及化工
技術領域：
，具體涉及一種以四價金屬磷酸鹽作催化劑，採用生物質原料製備異山梨醇的方法。
背景技術：
：異山梨醇是D-山梨醇的脫水衍生物，山梨醇在醫藥方面是治療顱內增壓症的優良降壓藥和利尿劑，由於脫水後羥基變成了醚鍵，其脂溶性大大增加，已完全不同於山梨醇，口服後立即吸收是一種有效的滲透性口服脫水利尿藥。異山梨醇在國外己應用於臨床，而國內僅作為合成抗心絞痛藥物硝酸異山梨酯及單硝酸異山梨酯的中間體。異山梨醇在工業上是span和Tween類表面活性劑的重要原料和中間體、因為其特殊的手性特徵，作為中間體，應用於液晶材料的合成，廣泛應用於電子，國防等領域。而近年來的研究熱點則是將其作為聚合物添加劑加入到PET中，以提高聚合物的玻璃化溫度Hg，從而增加聚合物的強度，擴展聚合物的應用市場。傳統的異山梨醇都是採用釜式反應生產，需要對產物進行一系列的分離，如早在1964年美國AtlasChemicalIndustries公司(USP3160641)就提出了用含有硼酸根離子的化合物處理酸催化後的山梨醇脫水產物，經過減壓蒸餾重結晶後即可得到純化的異山梨醇，之後的幾年中該公司又提出了採用硫酸和對甲苯磺酸為催化劑製備異山梨醇的方法以及提純的方法(USP3454603和3484459);2002年美國杜邦公司(USP6407266)提出了一種異山梨醇連續生產的工藝，通入載氣N2而代替以往的有機溶劑在反應釜內通入糖醇或脫水糖醇的溶液，載氣由底部通入；溶液蒸發除去大部分的水；在催化劑作用下脫水，載氣帶出反應中產生的水，從反應器底部導出產物。使用的原料是70%山梨醇，H2S04作催化劑，提出了一個集成式的反應器。杜邦公司致力於開發一個完整的異山梨醇的生產分離工藝，在之後的幾年發表了一系列的專利，42005年最終提出了一個較完整的異山梨醇連續生產工藝(USP6864378);2007年PacificNorthwestNationalLaboratory發表了一系列異山梨醇製備中使用的催化劑的相關專利(USP0173651-0173654)，從以往使用的硫酸催化劑轉化為固體酸催化劑，並加入一些具有加氫作用的金屬作為助催化劑以減少副產物的生成。這些生產工藝都存在一些共同的不足釜式反應，需要在一定壓力或者真空條件下脫水，不適合連續生產；無機酸為催化劑對催化反應器要求較高，壽命長但容易生成深色的副產物，離子交換樹脂雖然產生的副產物少，但壽命較短；操作溫度範圍狹窄，高溫容易導致山梨醇分解或產物積碳，低溫容易導致反應生成的水不能及時去除而降低反應速率；產物的分離往往需要有機溶劑如甲苯或二甲苯參與蒸餾，以及重結晶過程，產物中少量的無機酸離子難以去除。面臨這些難題，我們需要找到一種適合連續生產異山梨醇的高效酸催化劑以及生產工藝。隨著無機酸催化劑在生產中帶來的不便，逐漸出現了一些相關的替代催化劑，最顯著的就是固體酸催化劑，如HY和HZSM-5分子篩(USP6013812和7420067),但是這些分子篩催化下得到的異山梨醇的產率並不高。
發明內容本發明的目的在於提供一種以可再生資源為原料，生產成本低，反應條件溫和、操作過程簡單、產品收率高的製備異山梨醇的方法。本發明的目的可以通過以下措施達到一種採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於以山梨醇為原料，四價金屬磷酸鹽為催化劑，通過脫水反應製備異山梨醇。上述方法具體可包括以下步驟將四價金屬磷酸鹽為催化劑裝入固定床反應器的恆溫段，優選使用管式固定床反應器，在N2保護下將催化床層升溫到20035(TC，優選25030(TC，將反應物山梨醇溶液加入反應器，氣化後通過催化床層進行反應，反應結束後的混合物經分離，得到異山梨醇。所述的分離可通過蒸餾、重結晶等常規的分離方法進行。上述山梨醇溶液的濃度為8%~15%山梨醇水溶液，優選10~12%;&的體積空速為l-10h'1，優選36h'1。所述的四價金屬磷酸鹽可為無定形的四價金屬磷酸鹽、回流製備的四價金屬磷酸鹽、焙燒製備的四價金屬磷酸鹽或水熱製備的四價金屬磷酸鹽中的—種。所述的無定形的四價金屬磷酸鹽、回流製備的四價金屬磷酸鹽、焙燒製備的四價金屬磷酸鹽和水熱製備的四價金屬磷酸鹽中的四價金屬優選為Zr(鋯)，Ti(鈦)或Sn(錫)。上述無定形的四價金屬磷酸鹽是由如下方法製備得到的將四價金屬源ZrOCl2*8H20、TiCl4或SnCl4與磷源H3P04或Na2HP04溶解後，以摩爾比1:61:2的比例在2030'C條件下混合攪拌，過濾，濾得的沉澱用去離子水洗滌至pH33.5，濾餅在100120'C乾燥18~20h即可得到無定形的四價金屬磷酸鹽。上述回流製備的四價金屬磷酸鹽是由如下方法製備得到的將按照上述方法製備得到的無定形的四價金屬磷酸鹽在10~12M磷酸中回流50~100h，過濾，去離子水洗滌至pH3~3.5,100110'C乾燥即得回流製備的四價金屬磷酸鹽。上述焙燒製備的四價金屬磷酸鹽是由如下方法製備得到的將按照上述方法製備得到的無定形四價金屬磷酸鹽在40045(TC焙燒8~10h，升溫速率為rC/min，得到焙燒製備的四價金屬磷酸鹽。上述水熱製備的四價金屬磷酸鹽是由如下方法製備得到的將四價金屬源ZrOCl2'8H20、Ti(S04)2或SnCU與H3PCV溶解後，以摩爾比1:61:2的比例混合攪拌形成凝膠液，將該凝膠液轉移入反應釜中，將反應釜在恆溫箱中18(TC反應6~48h後取出，冷卻至室溫，用去離子水充分洗滌至plfe5，在50~60'C下真空乾燥即可得到水熱製備的四價金屬磷酸鹽。金屬源與磷源的溶解包括兩者分別溶解在水、酸或酸的水溶液裡，也包括將一方溶解在另一方的溶液(水溶液、酸溶液或酸的水溶液)當中。本發明所述的百分含量均為重量百分含量。本發明所述製備異山梨醇的催化劑可為上述無定形的四價金屬磷酸鹽、回流製備的四價金屬磷酸鹽、焙燒製備的四價金屬磷酸鹽或水熱製備的四價金屬磷酸鹽。該四價金屬磷酸鹽催化劑的活性在24小時以上。本發明通過對催化劑的初步篩選，可以看到四價金屬磷酸鹽，特別是Zr，Ti,Sn，這類固體酸對山梨醇脫水製備異山梨醇的催化效果較好，使用這類固體超強酸可以減少溶劑的使用且環境友好，它們屬於多相催化劑，易分離和回收。本發明採用四價金屬磷酸鹽為催化劑，以固定床為反應器進行山梨醇脫水製備異山梨醇，並且該工藝路線尚未有文獻報導。具體可按照以下步驟進行將催化劑分成適當的顆粒(根據所用反應器的大小決定催化劑顆粒的大小，本發明的實例中根據所用的反應器的尺寸(長16cm，內徑7cm)，選用30~50目)，取催化劑裝入管式固定床反應器的恆溫段，系統檢查密封后，在流動N2吹掃下緩慢升高催化床層的溫度到所需的值；將原料山梨醇溶液(恆流泵)打入系統(質量空速為1.28.4h"，最優選2.43.6h'1)，經氣化後經過催化床層進行反應，離開催化床層的N2與反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體放空，液體收集取樣，產物用LC-MS定性，用HPLC-DionexU3000色譜，採用AminexHPX-87H色譜柱和示差折光檢測器分析定量。本發明的有益效果本發明的異山梨醇的生產方法是以山梨醇為原料，四價金屬磷酸鹽為催化劑，反應操作過程簡單，生產成本低，環境汙染小，異山梨醇的選擇性高達81.30%，收率高達69.80%，並且催化劑易分離和回收，是一種滿足工業化需求、實用性很強的新方法。具體實施方式實施例1將23.3gH3PCV溶於476ml水中，22.5gZrOCl2'8H20溶於140ml水中，將兩者在室溫混合攪拌，然後抽濾並用去離子水洗滌沉澱至pH3，過濾，濾餅轉入IO(TC烘箱千燥18h,降溫冷卻，壓片敲碎，30~50目過篩，得到無定形磷酸鋯催化劑。將3050目的無定形磷酸鋯催化劑0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為3h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到30(TC，然後將8%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例2'將含有7.23mlTiCl4的215ml2M的HC1溶液緩慢加入到200ml1.25M的H3P04溶液中，室溫攪拌24h，然後抽濾並用去離子水洗滌沉澱至pH3.5，濾餅轉入100'C烘箱乾燥20h，降溫冷卻，壓片敲碎3050目過篩，得到無定形磷酸鈦催化劑。將30~50目的無定形磷酸鈦催化劑0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為10h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到25(TC，然後將10%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例3將含有100ml0.6M的Na2HP04水溶液緩慢加入到100ml0.3M的SnCl4水溶液中，室溫攪拌，然後抽濾並用去離子水洗滌至pH3，濾餅轉入120'C烘箱乾燥18h，降溫冷卻，壓片敲碎3050目過篩，得到無定形磷酸錫催化劑。將30~50目的無定形磷酸錫催化劑0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為lh"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到350°C，然後將12%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例4將實施例1得到的無定形磷酸鋯10g在500ml10M的H3P04溶液中回流100h，過濾，去離子水洗滌至pH3.5，ll(TC乾燥，降溫冷卻，壓片敲碎30-50目過篩，得到回流製備得到的磷酸鋯催化劑。將3050目的回流製備得到的磷酸鋯0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為6h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到25(TC，然後將15%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體8排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例5將實施例2得到的無定形磷酸釹8g在320ml10M的11304溶液中回流50h，過濾，去離子水洗滌至pH3，IO(TC乾燥，降溫冷卻，壓片敲碎30~50目過篩，得到回流製備得到的磷酸鈦催化劑。將30~50目的回流得到的磷酸鈦0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為3h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到30(TC，然後將8%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例6將實施例3得到的無定形磷酸錫5.4g在250ml12M的H3P04溶液中回流100h，過濾，去離子水洗滌至pH3.5，IO(TC乾燥，降溫冷卻，壓片敲碎30~50目過篩，得到回流製備得到的磷酸錫催化劑。將30~50目的回流得到的磷酸錫0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為5h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到300°C，然後將12%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例7將實施例1得到的無定形磷酸鋯5g在管式爐中以TC/min的升溫速率升溫至40(TC並保持10h，降溫冷卻，壓片敲碎3050目過篩，得到焙燒製備得到的磷酸鋯。將30~50目的焙燒得到的磷酸鋯0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢査密封后，在體積空速為3h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到300°C，然後將10%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例8將實施例2得到的無定形磷酸鈦5g在管式爐中以rC/min的升溫速率升溫至450'C並保持8h，降溫冷卻，壓片敲碎3050目過篩，得到焙燒製備得到的磷酸鈦。將30~50目的焙燒得到的磷酸鈦0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢査密封后，在體積空速為5h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到25(TC，然後將10%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例9將實施例3得到的無定形磷酸錫5g在管式爐中以rC/min的升溫速率升溫至40(TC並保持8h,降溫冷卻，壓片敲碎30~50目過篩，得到焙燒製備得到的磷酸錫。將30~50目的焙燒得到的磷酸錫0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為lh"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到300°C，然後將10%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例10將20gZrOCl2'8H2O溶於110ml水中，在該溶液中加入85%H3P047.2ml，在室溫混合攪拌形成凝膠液，將該凝膠液轉移入反應釜中，再將反應釜在恆溫箱中18(TC反48h後取出，冷卻至室溫，用去離子水充分洗滌至pH^5，60°C真空乾燥，降溫冷卻，壓片敲碎3050目過篩，得到水熱製備得到的磷酸鋯。將3050目的水熱得到的磷酸鋯0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為4h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到300°C，然後將15%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例11將20gTi(SO4)2溶於100ml1MHC1中，在該溶液中加入85%H3P049.6ml，在室溫混合攪拌形成凝膠液，將該凝膠液轉移入反應釜中，在恆溫箱中1S(TC反應6h後取出，冷卻至室溫，用去離子水充分洗滌至pH^5，55'C真空乾燥，降溫冷卻，壓片敲碎30~50目過篩，得到水熱製備得到的磷酸鈦。將30~50目的水熱得到的磷酸鈦0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為3h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到30(TC，然後將10%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。實施例12將18gSnCU溶於100ml水中，在該溶液中加入85%&04溶液6.1ml，在室溫混合攪拌形成凝膠液，將該凝膠液轉移入反應釜中，在恆溫箱中180°C反6h後取出，冷卻至室溫，用去離子水充分洗滌至pH^5，60'C真空乾燥，降溫冷卻，壓片敲碎30~50目過篩，得到水熱製備得到的磷酸錫。將30~50目的水熱得到的磷酸錫0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為6h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到300°C，然後將10%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。對比例l將30~50目的HY原粉催化劑0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為3h"的N2氣流速下將催化床層程序升溫到300°C，然後將10%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。對比例2將3050目的HZSM-5原粉(Si/Al-100)催化劑0.5g裝入管式固定床反應器的恆溫段，其餘部分用石英砂填充。系統檢查密封后，在體積空速為3h'1的N2氣流速下將催化床層程序升溫到300°C，然後將10%的山梨醇溶液打入系統，氣化後通過催化床層進行反應，反應混合物經冰水浴冷卻和氣液分離後，氣體排空，將反應2h後收集到的液體取樣進行分析，結果見表一。表一實施例及對比例反應結果實tableseeoriginaldocumentpage12權利要求1.一種採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於以山梨醇為原料，四價金屬磷酸鹽為催化劑，通過脫水反應製備異山梨醇。2.根據權利要求1所述的製備異山梨醇的方法，其特徵在於所述的方法包括以下步驟將四價金屬磷酸鹽為催化劑裝入固定床反應器的恆溫段，在N2保護下將催化床層升溫到200350°C，將反應物山梨醇溶液加入反應器，氣化後通過催化床層進行反應，反應結束後的混合物經分離得到異山梨醇。3.根據權利要求2所述的採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於所述的山梨醇溶液的濃度為8%15%。4.根據權利要求2所述的採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於N2的體積空速為l~10h"，優選36h入5.根據權利要求2所述的採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於所述的固定床反應器為管式固定床反應器。6.根據權利要求2所述的採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於在N2保護下將催化床層升溫到250~300°C。7.根據權利要求1所述的採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於所述的四價金屬磷酸鹽為無定形的四價金屬磷酸鹽、回流製備的四價金屬磷酸鹽、焙燒製備的四價金屬磷酸鹽或水熱製備的四價金屬磷酸鹽。8.根據權利要求7所述的採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於所述的無定形的四價金屬磷酸鹽、回流製備的四價金屬磷酸鹽、焙燒製備的四價金屬磷酸鹽和水熱製備的四價金屬磷酸鹽中的四價金屬為Zr,Ti或Sn。9.根據權利要求8所述的採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，其特徵在於所述的無定形的四價金屬磷酸鹽是由如下方法得到的將四價金屬源ZrOCl2'8H20、TiCU或SnCl4與磷源H3P04或Na2HP04溶解後，以摩爾比1:61:2的比例在203(TC條件下混合攪拌，過濾，濾得的沉澱用去離子水洗滌至pH3~3.5，濾餅在100120'C乾燥18~20h即可得到無定形的四價金屬磷酸鹽；所述的回流製備的四價金屬磷酸鹽是由如下方法得到的將上述無定形的四價金屬磷酸鹽在1012M磷酸中回流50~100h，過濾，去離子水洗滌至pH3~3.5，10011(TC乾燥即得回流製備的四價金屬磷酸鹽；所述的焙燒製備的四價金屬磷酸鹽是由如下方法得到的將上述無定形四價金屬磷酸鹽在400450。C煅燒810h，升溫速率為rC/min，得到焙燒製備的四價金屬磷酸鹽；所述的水熱製備的四價金屬磷酸鹽是由如下方法得到的將四價金屬源ZrOCl2.8H20、Ti(S04)2或SnCU與H3P04溶解後，以摩爾比1:61:2的比例混合攪拌形成凝膠液，將該凝膠液轉移入反應釜中，再將反應釜在恆溫箱中18(TC反應6~48h後取出，冷卻至室溫，用去離子水充分洗滌至pH^5，在506(TC下真空乾燥得到水熱製備的四價金屬磷酸鹽。10.—種製備異山梨醇的催化劑，其特徵在於該催化劑為無定形的四價金屬磷酸鹽、回流製備的四價金屬磷酸鹽、焙燒製備的四價金屬磷酸鹽或水熱製備的四價金屬磷酸鹽。全文摘要本發明公開了一種採用四價金屬磷酸鹽作催化劑製備異山梨醇的方法，以山梨醇為原料，四價金屬磷酸鹽為催化劑，通過脫水反應直接製備異山梨醇，本發明反應操作過程簡單，生產成本低，環境汙染小，異山梨醇的選擇性高達81.30％，收率高達69.80％，並且催化劑易分離和回收，是一種滿足工業化需求、實用性很強的新方法。文檔編號C07D493/00GK101492458SQ20091002486公開日2009年7月29日申請日期2009年2月27日優先權日2009年2月27日發明者餘定華,顧銘燕,和黃申請人:南京工業大學