由甲醛合成甘油的方法

2023-09-17 15:12:05 5

專利名稱：由甲醛合成甘油的方法
技術領域：
本發明涉及由甲醛合成甘油的方法。
甘油是一種有用的原料，它可用於生產各種酯類、印刷油墨、一食品、防凍劑、菸草和肥皂潤溼劑，並可用作生產硝化甘油的原料。
迄今為止，甘油是由動物及植物油和脂肪生產的，它主要通過棕櫚酸、硬脂酸和油酸的甘油酯進行水解或氫解而生成。甘油也可作為肥皂生產過程的副產物而大量生產，這仍然是甘油的商業來源。製備甘油的另一種方法是使添加有亞硫酸鈉的葡萄糖發酵(產率為20-25%)。甘油也可以由丙烯生產，將丙烯轉化為烯丙基氯，然後將其轉化為烯丙醇，再被轉化為一氯醇，最後經水解為甘油。
一種新方法是將四氧化鋨和過氧化氫加至丙烯醛中，然後將生成的甘油醛催化加氫轉化為甘油。
因此，除了兩種較為昂貴和複雜的合成途徑外，甘油的主要商業來源仍然是肥皂及脂肪醇生產中的副產物。
本發明的目的是設計一條簡單的由甲醛製備甘油的合成路線。
在《美國化學會志》1984，106，pp4829-4832上，Matsumoto，T.等人介紹了一種由仲甲醛合成二羥基丙酮的方法。帝國化學公司(ICI)的美國專利4024193描述了採用均相催化劑體系氫化純二羥基丙酮製備甘油的方法。歐洲專利245976(ICI)描述了一種採用低的甲醛/催化劑比進行自縮合反應並且由反應混合物中分離二羥基丙酮的方法。
在所有這些先有技術方法中，自縮合反應是採用含有一定量水(通常為2-7%W/W)的甲醛或是採用較低的甲醛與催化劑之比來進行的。所以，較低的生產能力和產率使得產物如甘油的合成不具備工業生產可行性。
業已發現，甲醛能夠以可觀的速率和產率轉化為二羥基丙酮然後再被氫化為甘油從而使這一綜合方法能夠應用於工業生產。
因此，本發明提供了一種由甲醛生產甘油的方法，該方法包括(a)在含有含氮雜環化合物的鹽和質子接受體的縮合催化劑體系存在下，於基本上無水的液體反應介質中進行甲醛的自縮合反應，生成二羥基丙酮或其二聚物或低聚物，反應條件是(ⅰ)初始反應混合物中含有至少10%W/W甲醛，(ⅱ)初始反應混合物中甲醛/催化劑摩爾比至少為150∶1，(ⅲ)反應溫度為20-200℃，和(ⅳ)反應壓力的控制應使得反應混合物中的反應物及溶劑為液態;
(b)由縮合催化劑中分離生成的二羥基丙酮，使其基本上不含有含硫、氮和囟素的組分;
(c)在加氫催化劑存在下、氫化步驟(b)獲得的二羥基丙酮及其二聚物和低聚物。
「基本上無水的液體反應介質」指甲醛和自縮合催化劑體系的溶液的含水量少於0.4%W/W。該含水量以少於0.1%W/W為佳。若要達到這一標準，可採用基本上乾燥的甲醛作為反應物。作為商品出售的甲醛通常為alcoform、仲甲醛或其水溶液。仲甲醛一般含有約7%W/W水，即使是最佳品位的仲甲醛也含有約2%W/W水。無論是取自工業來源還是進行進一步的乾燥，目的都在於將反應前甲醛的水含量降至1%W/W以下，使用乾燥甲醛反應物是本發明的特徵。
在步驟(a)中，甲醛可以單體、低聚物或聚合物的形式加入。若以單體形式加入，則可以甲醛氣體或甲醛於有機溶劑中所形成的溶液形式加入，適宜的有機溶劑為醇，例如甲醇、乙醇或丙醇、丁醇、環乙醇、甲基異丁基甲醇、2-乙基己醇、甘醇、多元醇如甘油或其混合物。可以使用甘油作為步驟(a)的溶劑/反應介質，這一作法的優點在於在進行後續步驟之前無須分離溶劑。
適宜的含氮雜環化合物的鹽為噻唑鎓鹽或咪唑鎓鹽。以脂族、芳族或雜環噻唑鎓鹽為佳。這類鹽的具體實例包括囟化物，尤其是溴化物和碘化物鹽。其具體實例為碘化3-甲基苯並噻唑鎓、溴化3-乙基苯並噻唑鎓、溴化3-月桂基苯並噻唑翁、溴化3-異丙基苯並噻唑鎓、溴化3-丁基苯並噻唑鎓和溴化3-乙基噻唑鎓。多相含N鹼的選擇應為步驟(a)的反應活性和為步驟(b)中的二羥基丙酮易於分離提供最佳的組合效果。另一種方式是使催化劑與聚合物主鏈或無機氧化物載體進行化學鍵合以利於它們與反應產物相分離。
同樣，質子接受體也應為自縮合反應的縮合催化劑體系的活性和為步驟(b)中的二羥基丙酮易於分離提供最佳的組合效果。這類質子接受體的實例包括(ⅰ)胺類，可以是脂肪族、脂環族、芳族或雜環類的伯、仲或叔胺，(ⅱ)含有鹼性氧原子的化合物，如由無機氧化物、胺或膦與環氧化物進行反應而衍生的化合物，或(ⅲ)金屬醇鹽。
若使用胺作為質子接受體，適宜地選用烴基胺可使分離容易進行。胺的具體實例包括三乙胺、咪唑、吡啶、嘧啶、哌嗪或脒或胍類強鹼，例如1，5，7-三氮雜二環-[4.4.0]-5-癸烯(TBD)。
上面(ⅱ)中提到的膦可以是烷基或芳基膦或混合烷基/芳基膦。這類膦的具體實例包括三苯基膦及三乙基膦。無論是使用膦或胺，都可以將這類質子接受體負載在或固定在例如離子交換樹脂或二氧化矽之上。
環氧化了的鹼的具體實例包括離子交換樹脂如環氧丁烷與大孔樹脂A21(註冊商標)的反應產物和環氧化的金屬氧化物如環氧丁烷和 -氧化鋁的反應產物。
縮合催化劑體系中含氮雜環化合物的鹽與質子接受體的化學當量比為1∶1-10∶1。較好的是，上述二者之比的取值在化學當量比範圍內或者含氮雜環化合物的鹽稍有過量。若採用弱鹼如咪唑鎓鹽，其用量可明顯過量，對自縮合反應不產生不利影響。
在自縮合反應的初始反應混合物中，甲醛與縮合催化劑組分的摩爾比至少為150∶1。假設縮合催化劑體系中噻唑鎓鹽及質子接受體的含量為化學當量的話，甲醛與催化劑組分之一的摩爾比應在實用範圍內儘可能地高，其範圍為150∶1-10000∶1。
適宜的自縮合步驟液體反應介質為能夠溶解至少甲醛和縮合催化劑體系二者之一的溶劑或溶劑混合物。在均相體系中，溶劑顯然可將二者均溶解。可以使用的這類溶劑的具體實例包括脂族醇，例如乙醇、正丙醇、異丙醇、丁醇、甲基異丁基甲醇及2-乙基己醇;二醇及多元醇，例如丙三醇;脂環醇，例如環己醇;酯;醚如四氫呋喃、二噁烷以及乙二醇醚如二乙二醇二甲醚;非質子傳遞溶劑如二甲基亞碸及二甲基甲醯胺;烴類，尤其是烷類如庚烷;以及兩種或多種這些溶劑的混合物。
甲醛的自縮合在20-200℃，較好的是在80-170℃下進行。反應放熱，因此，在此溫度下引發的反應在反應期間會超出優選的上限170℃。反應壓力為環境壓力或加壓，條件是壓力的控制應使反應物和/或溶劑基本上處於液態。
例如，若甲醛/縮合催化劑摩爾比為150∶1，並且使用2-乙基己醇作為溶劑，反應溫度約為130℃，適宜的反應時間約為10分鐘。
至於步驟(b)，本發明的主要特徵是從步驟(a)所用的自縮合催化劑中分離出二羥基丙酮。自縮合催化劑體系易於使該反應第二步驟中使用的加氫催化劑中毒。為了使這一影響削弱至最小，則須在加氫步驟(c)之前，使步驟(a)的反應產物基本上不含有自縮合催化劑。應該脫除物料流中自縮合催化劑體系的含硫、氮和囟素組分。典型情況下，脫除程度應使物流中所含有的硫、氮或囟素不多於10ppmw。
可以藉助於傳統的方法，例如一種或多種下列方法使含有二羥基丙酮自身，其二聚物或前二者混合物的自縮合產物與催化劑組分相分離，這些方法有沉澱法，滲析法，液-液萃取法，離子交換法，膜分離法如超濾，減壓蒸餾，例如汽提，以及應用吸附材料。
在自縮合步驟，使用特定的溶劑，例如醇溶劑如異丙醇和2-乙基己醇，通過冷卻可使二羥基丙酮沉澱，由反應混合物中分離出生成的二羥基丙酮。剩下的液相可根據需要循環至縮合反應器或在分離步驟進行進一步處理。可以使之沉澱的方法進行分離以便比簡單地進行冷卻回收更多的二羥基丙酮或其二聚物。一種方法是先通過蒸餾減少溶劑的體積，然後冷卻剩餘溶液。另一種方法是將差不多全部溶劑脫掉，從而得到固體或粘稠液相。然後，將該固體狀或粘稠液相再溶於一種溶劑，使得通過冷卻或加入第二種液體組分(如將二乙醚或2-乙基己醇加至該粘液相與丙酮的溶液中)能很容易使二羥基丙酮或其二聚物沉澱出來。
在特定的溫度或二羥基丙酮濃度範圍條件下，可以將二羥基丙酮以液相沉澱的形式基本上自反應溶劑中分離出來。這樣，脫除富含二羥基丙酮的液相以便進行進一步處理，留下富含溶劑的相以便循環用於步驟(a)。
若採用液-液萃取作為分離方法，則應該根據所用的溶劑和萃取劑選用步驟(a)的含氮雜環鹼和胺催化劑體系。例如，可以選用水作為萃取劑由反應溶劑如2-乙基己醇中優選萃取二羥基丙酮。在此情況下，採用均帶有大脂族基團(這些基團可促進催化劑體系在有機相內的配分)的含氮雜環鹼和胺作為催化劑可改善二羥基丙酮的分離效率。舉例來說，在水/2-乙基己醇的液體分離過程中，胺中至少存在一個疏水基，便有助於使胺組分保留在2-乙基己醇相中。
吸附材料也可以單獨使用或與任意一種上述方法聯合使用脫除反應產物中的催化劑體系。典型的吸附劑包括活性炭、氧化鋁、二氧化矽、金屬氧化物、負載在碳或金屬氧化物之上的金屬以及離子交換樹脂。所選用的吸附材料應便於進行吸附劑的再生，例如，可以通過在適宜的氣氛如氫、水蒸汽或空氣中加熱吸附劑來進行吸附劑的再生過程。吸附處理尤其適合與諸如液-液萃取之類的處理聯合使用。
本發明的另一特徵在於，若步驟(a)反應產物中的含硫、氮和囟素的組分基本上被脫除，剩下的含粗二羥基丙酮的產物在用於加氫步驟(c)之前無須進一步提純。
在步驟(c)中，二羥基丙酮的氫化反應是在加氫催化劑和氫存在下進行的。這種加氫催化劑可以是非均相或均相的。
若選用非均相加氫催化劑，適宜的是細粉碎的或載於載體的Ⅷ族金屬。舉例來說，該催化劑可以是負載於在反應條件下呈惰性的載體如碳或石墨之上的鎳、阮內鎳或釕，或亞鉻酸銅型催化劑。若加氫催化劑為均相催化劑，則該催化劑可溶於液體反應介質，並且適宜為下列化合物或下列化合物的混合物，該化合物含有(ⅰ)貴金屬部分和(ⅱ)式XR3部分(其中X為磷、砷或銻，基團R為氫或烴基或被取代烴基)。本文中的貴金屬一詞是指鉑、鈀、銠、釕、銥或鋨。其中以鈀、鉑、鈀、銠和釕為佳。該式中的X以磷為佳。式中的基團R以烴基或取代烴基為佳。適宜的烴基包括取代或未取代的烷基、環烷基和芳基。適宜的作法是使催化劑中的部分(ⅰ)與部分(ⅱ)結合為單一的化合物，例如形成化合物Rh Cl(PPh3)3或Ru(H)(OAc)(PPh3)3。此外，也可以將部分(ⅰ)和(ⅱ)分別地以單獨的化合物的形式例如RhCl2和PPh3加入從而形成催化劑。
若催化劑為均相加氫催化劑，尤其是當其以單一化合物的形式存在時，可將其載於適宜的載體之上。適宜的載體包括有機聚合物，例如含有適宜的官能度(ⅱ)的聚苯乙烯。
氫可以其商業上可得到的形式投入使用，必要的話，還要進一步提純。適宜的氫分壓範圍為10-30000KPa，以100-5000KPa為佳。
適宜的是在升溫條件下完成氫化步驟(c)，適宜的溫度範圍為室溫-150℃，以40-150℃為佳，最好是40-120℃。
適宜的氫化步驟液體反應介質為能夠溶解加氫反應物，在均相反應條件下，並能溶解催化劑的溶劑。適宜的溶劑包括，但並不局限於，醇、水、醚以及一種或多種這些物質的混合物。特別優選的溶劑是那些與自縮合步驟(a)及催化劑脫除步驟(b)所選用的溶劑相同的物質。
氫化步驟(c)適宜以間歇或連續的方式進行，以連續法為佳。
對於間歇操作來說，氫化反應時間將隨加氫催化劑的類型及濃度、氫分壓及待氫化的產物性質(即是粗產物還是純品或者該反應是否就地進行)而起變化。可以採用先有技術已知的方法提純和回收氫化處理生成的甘油產物。適宜的提純方法為減壓蒸餾。必要的話，可以採用已知的後處理方法。這類處理包括，但並不局限於，使物料通過碳床層並用漂向劑處理。
與迄今使用的合成法相比，本發明方法明顯地具有操作簡單和費用低廉的優點。其原料易於得到且產物易於分離和提純。
參照下列實施例進一步描述本發明。
實施例1-3下列實施例表明甲醇是一種適宜的反應溶劑。在各種情況下，反應在一個長20m、體積為62ml、配置有變速泵、水冷凝器和壓力調節閥的不鏽鋼管式反應器中進行。
將由仲甲醛固體熱解生成的甲醛氣體置於P2O5上乾燥並鼓泡通入無水溶劑之中。向每100g所得到的溶液中加入0.584g溴化3-乙基苯並噻唑鎓和0.336g1，5，7-三氮雜二環[4.4.0]-5-癸烯(TBD)。
通過用亞硫酸氫鈉/碘溶液滴定來測定甲醛濃度。藉助高壓液相色譜測定二羥基丙酮的濃度。
結果示於表1。
表1實初始CH2O初始CH2O 溶劑初始烘箱停留產物溶液施催化劑%(重量)水溫度時間中DHA例(摩爾)%℃分鐘的濃度(重)%(重量)114610.510∶1DMF/0.101208.17.4MeOH214710.6MeOH0.121417.59.8328820.7MeOH0.1214120.917.1DHA二羥基丙酮DMF二甲基甲醯胺實施例4-7實施例4-7說明由鹼性離子交換樹脂(AmberlystA21)或無機氧化物與環氧化合物反應衍生的、含有鹼性氧原子的化合物的應用。
實施例4將溶於DMF/甲醇(10∶1)的100ml(99.4g)甲醛(9.04%W/W)與0.284gAmberlystA21(註冊商標，真空中室溫24小時預乾燥)和0.345g1-丁烯氧化物一起裝入三頸圓底燒瓶。燒瓶裝有冷凝器和電磁從動件，將其加熱至60℃，同時攪拌1小時。然後將物料加熱至120℃，加入0.584g溴化3-乙基苯並噻唑鎓，用g.l.c監視反應(見下面圖2)。
費歇爾滴定法測得的初始水含量為0.07%W/W。
初始甲醛與噻唑鎓鹽摩爾比為96∶1。
實施例5使用1g
-氧化鋁(預乾燥)取代Amberlyst A21(註冊商標)，重複實施例4的步驟。用g.l.c監視反應(見下表2)。
費歇爾滴定法測得的初始水含量為0.16%W/W。
初始甲醛與噻唑鎓鹽摩爾比大於80∶1。
實施例6使用1g二氧化矽(預乾燥)取代AmberlystA21(註冊商標)，重複實施例4的步驟。用g.l.c監視反應(見下表2)。
費歇爾滴定法測得的初始水含量為0.07%W/W。
初始甲醛與噻唑鎓鹽摩爾比為78∶1。
實施例7使用1g粉末狀3A分子篩(預乾燥)取代AmberlystA21(註冊商標)，重複實施例4的步驟。用g.l.c監視反應(見下表2)。
費歇爾滴定法測得的初始水含量為0.02%W/W。
初始甲醛與噻唑鎓鹽摩爾比為175∶1。
表2實施例4567載體 Amberlyst A21 -氧化鋁二氧化矽 3A分子篩試驗時間＊60606060(分)二羥基丙酮6.834.65.967.62(克)＊t＝以加入溴化3-乙基苯並噻唑鎓的時間為起始時刻。
實施例8將1.201g溴化2-乙基苯並噻唑鎓和0.691g1，5，7-三氮雜二環[4.4.0]-5-癸烯溶於370.9g正丁醇、甲醛(10.8%W/W)和水(0.18%W/W)的儲備溶液中。該溶液在流動反應器中反應(進料速度10ml/時，97-98℃，加熱10分鐘)，冷卻並通過離子交換柱(Amberlyst15H(註冊商標)20g，預乾燥)，用20小時收集，在旋轉蒸發器上除去溶劑。由此得到的黃色油狀樣品用異丙醇稀釋至75ml。將25ml稀釋液與0.5g阮內鎳一起裝入FischerPorter管。\在100℃，590KPa氫壓下進行氫化6小時，然後冷卻，用g.l.c.分析黃色溶液。發現含有甘油(約2.5%(重))。
作為對比試驗，在用離子交換樹脂處理前對自縮合反應得到的產物進行氫化時，沒有得到甘油。
使用流動式反應器可以縮短反應時間，以便將由於長反應時間而出現的二羥基丙酮的分解減至最低程度(見實施例15)。
實施例9-13使幹甲醛氣體(由先前的仲甲醛固體(14.4g)熱分解，並使這種氣流進入加熱的五氧化二磷顆粒床而製得的)緩慢鼓泡進入保持在120℃、含有二甲基甲醯胺(84.55g)和甲醇(8.45g)的反應燒瓶。加入完成後，將甲醛發生器隔離，分析反應燒瓶內物料的水含量(用費歇爾滴定法)和甲醛含量(用氣相色譜法)。加入所需量的去離子水調節水量。
將催化劑前體溴化3-乙基苯並噻唑鎓(0.584g)和1，5，7-三氮雜二環[4.4.0]-5-癸烯(0.336g)溶於5ml等分熱溶液並注入反應燒瓶。從催化劑加入時起，以規定的間隔取樣進行二羥基丙酮和甲醛分析。這些實例表明，增加的水含量對催化劑活性和二羥基丙酮的產生是有害的。結果示於下面表3中。
表3實施例初始水量初始甲醛與反應時間二羥基丙酮甲醛%W/W催化劑之比(分)%W/W%W/W(摩爾)90.4137∶1103.6273.847100.2145∶1104.0821.877110.15173∶1104.7971.426120.12165∶1106.5740.937130.06150∶1107.6482.120
實施例14將仲甲醛和2-乙基己醇一起加熱至100℃，然後用3A分子篩處理所得溶液以除去水，製備出甲醛溶液(23.9%(重)CH2O，＜0.1%(重)H2O)。
將溴化3-乙基苯並噻唑鎓(0.6mmol)和三乙胺(0.6mmol)溶於200g甲醛儲備溶液，製備出反應器進料溶液。甲醛與催化劑摩爾比為2656∶1。
反應在加壓(1000KPa)不鏽鋼管式反應器(玻璃球填料床，空隙率＝2.8ml)中進行。反應器配有進料槽，變速泵，水冷凝器和產物罐。床溫用裝有三個熱電偶(床的上部、中部和底部)的中心熱電偶套管監測，床溫控制在140℃。用氣相色譜測定甲醛濃度。水量用費歇爾滴定法測定，二羥基丙酮用高壓液相色譜測定。結果示於下面表4。
表4反應時間 CH2O 二羥基丙酮轉化率二羥基丙酮(分)%W/W%W/W%的選擇性%416.76.73093
實施例15使用異丙醇取代2-乙基己醇重複實施例14的方法。初始水含量為0.07%(費歇爾滴定法)。初始甲醛含量為40%(氣相色譜)。初始甲醛與催化劑摩爾比為1115∶1。
表5所示的結果表明異丙醇也是適用的反應溶劑。
表5反應時間轉化率二羥基丙酮的選擇性(分)%%136883.5517175669
實施例16重複實施例15的方法。允許反應混合物冷卻至室溫。用冷異丙醇洗滌二羥基丙酮沉澱物，然後用氮氣乾燥。將0.8g二羥基丙酮(經HPLC確認)溶於異丙醇(6g)，在FischerPorter管中將其與0.5g阮內鎳一起加熱至100℃，氫壓為590KPa。2小時後將反應混合物冷卻至室溫。經氣相色譜和HPLC分析，表明二羥基丙酮出現了100%的轉化，得到了甘油(80%產率)。這說明通過從反應溶劑中結晶二羥基丙酮可以實現產物與催化劑的分離提純。
實施例17-19實施例17-19說明使用液-液萃取，離子交換樹脂和碳吸附劑由二羥基丙酮分離自縮合催化劑。
實施例17將5g二羥基丙酮，0.5g溴化3-乙基苯並噻唑鎓和0.1g三乙胺鹼溶於100g2-乙基己醇和甲醛(2.5%W/W)的儲備溶液(用分子篩乾燥至少於0.5%W/W水)。將混合物靜置過夜，然後用10ml去離子水萃取50ml有機層(接觸時間15分鐘，沉澱時間30分鐘)。分層後，有機相再用新鮮去離子水用相似的方法萃取兩次，實現相繼的三次萃取。HPLC分析表明原始的有機相含有4.7%W/W二羥基丙酮，而最後的有機相含有低於0.1%W/W二羥基丙酮。因此，相繼三次用水萃取實現了98%二羥基丙酮的回收。這一系統採用的有機相與水相比為5∶1(體積)，回收到有機相的硫、氮和溴化物分別為90%、54%和8%。溴化物和硫的元素分析是用燃燒/離子色譜完成的，而氮的元素分析是用氧化熱解/化學發光法完成的。
實施例18重複實施例17的步驟，不同的是用0.5g溴化3-月桂基苯並噻唑鎓取代3-乙基苯並噻唑鎓作為催化劑。用去離子水萃取使93%氮回收入2-乙基己醇相。因此，催化劑的3-月桂基苯並噻唑翁組分與3-乙基苯並噻唑鎓組分相比更傾向於進入有機層。
這樣，二羥基丙酮和溴化物組分在2-乙基己醇/水萃取過程中優先進入水層。
實施例19採用下面的步驟脫除實施例17產物中的溴化物組分。將實施例17的水層用泵打入一含有10ml陰離子交換樹脂(如BayerE1388/88)或碳吸附劑(如SutcliffSpeakmanCarbon607)的垂直柱(內徑10mm，LHSV＝4)。加入硝酸銀溶液(0.1M)經沉澱檢測溴化物離子。沉澱在離子交換/吸附劑處理之前而不是在其後出現。
實施例20在一玻璃Fischer Porter管中裝入一電磁從動件，Ru(H)(OAc)(PPh3)3(0.12g)，二羥基丙酮(1g)和異丙醇(6g)。管子用氫氣清掃並加壓至590KPa氫壓。攪拌中以油浴加熱該管至100℃，這時根據是否有氣體被消耗判斷反應開始與否。必要時再加入更多的氫氣使壓力保持在500-700KPa。180分鐘後氣體消耗停止。用氣-液色譜(g.l.c)分析冷卻的產物，表明二羥基丙酮基本上全部轉化為甘油。
實施例21使用0.5g RhCl(PPh3)3取代Ru(H)(OAc)PPh3)3，重複實施例20的步驟。1小時45分鐘不再有氣體被消耗。g.l.c分析表明產率為100%。
實施例22使用0.5g RhCl(PPh3)3取代Ru(H)(OAc)PPh3)3，重複實施例20的步驟。2小時後不再有氣體被消耗。g.l.c分析表明產率為100%。
實施例23將一電磁從動件，阮內鎳(0.5g)，二羥基丙酮(1g)和異丙醇(6g)裝入FischerPorter玻璃管中。系統建立後用氫氣清掃並加壓至590KPa氫壓。攪拌中以油浴加熱該管至100℃，這時根據是否有氣體被消耗判斷反應開始與否。必要時再加入更多的氫氣使壓力保持在大約450-590KPa。50分鐘後不再有氣體被消耗。用氣-液色譜(g.l.c)分析冷卻產物，表明二羥基丙酮基本上全部轉化為甘油。
實施例24使用0.5g碳載釕(5%)取代阮內鎳，重複實施例23的步驟。1小時25分鐘後不再有氣體被消耗。g.l.c分析表明產率為98%。
對比試驗(不屬於本發明)在縮合催化劑組分存在下氫化除阮內鎳外，還使用0.17g三乙胺和0.41g溴化3-乙基苯並噻唑鎓，重複實施例23的步驟。未觀察到有氣體被消耗。沒有甘油生成(g.l.c分析)。
實施例25-28在一個0.1dm3的半自動化連續操作單元中採用50%Ni/SiO2∶Al2O3催化劑(Sud-Chemie G134 A RS 1/32″擠壓物)進行二羥基丙酮的氫化。對於1710KPa下的實驗，在內徑為2.5mm的不鏽鋼反應器中裝入100ml催化劑，反應器可以三個獨立的段(上部，催化床、下部)被加熱。在1710KPa下於50∶50的H2∶N2氣流中以15℃/時的速率加熱至200℃對催化劑進行活化，然後保持6小時。活化後，催化劑用氫氣冷卻至所需的反應溫度。溶於異丙醇的二羥基丙酮[7-8%(重)]和氫氣的混合物通過催化劑，用氣動式壓力自動控制閥將壓力調節至所需值。10小時試運行後再進行10小時物料衡算以達到穩定狀態，對催化劑的性能進行估價。產物蒸氣、氣體和液體分別取樣，氣/液分離後，進行離線氣-液色譜和高性能液相色譜分析。溫度由插在催化床頂部、中部和底部的熱電偶監測。
為達到實施例的目的，所計算的轉化率和選擇性分別為反應了的二羥基丙酮所佔的比例和參加反應並轉化為甘油的二羥基丙酮所佔的比例。
定義LHSV＝液體時空速度[液體進料(升)/催化劑(升)]單位生產率＝轉化為甘油的二羥基丙酮(公斤)/每公斤催化劑/每小時。
將溶於異丙醇的二羥基丙酮[7%(重)]用二氧化矽-氧化鋁催化劑(Sud-ChemieG134ARS)進行氫化。LHSV的範圍為0.5-2.0，氫氣與二羥基丙酮的摩爾比為約30∶1，壓力為1710KPa。催化劑如前所述進行活化。結果列在表6中。
在LHSV＝2時，得到最高選擇性。
表6實施例252627281.溫度100.00100.00100.00100.002.LHSV0.501.001.502.003.壓力290.00290.00290.00290.004.H2二羥基丙酮 30.00 30.00 30.00 30.005.轉化率100.00100.00100.00100.006.甘油選擇性75.0085.0087.0090.007.單位生產率0.040.070.100.1權利要求
1.由甲醛生產甘油的方法，所述方法包括(a)於基本上無水的液體反應介質中在縮合催化劑存在下使甲醛自縮合以形成二羥基丙酮或其二聚物或低聚物，所述催化劑體系由含氮雜環化合物的鹽和質子受體構成，反應條件如下(1)初始反應溶液含有至少10%(重)甲醛，(2)初始反應混合物中甲醛與催化劑的摩爾比至少為150∶1，(3)反應溫度為20-200℃，(4)反應壓力的控制應使得反應混合物中的反應物和溶劑處於液態；(b)將形成的二羥基丙酮與縮合催化劑分離，使之基本上不含硫、氮和含囟素的組分；和(c)在氫化催化劑存在下氫化步驟(b)得到的二羥基丙酮，其二聚物和低聚物。
2.根據權利要求1的方法，其中步驟(a)中加入的甲醛的含水量低於1%(重)。
3.根據權利要求1或2的方法，其中甲醛以其單體形式應用，且加入的是甲醛氣體或是甲醛與有機溶劑的溶液。
4.根據上述任一權利要求的方法，其中含氮雜環化合物的鹽是噻唑鎓鹽或咪唑鎓鹽。
5.根據權利要求4的方法，其中縮合催化劑體系中的噻唑鎓鹽是脂族、芳族或雜環噻唑鎓鹽。
6.根據權利要求4或5的方法，其中噻唑鎓鹽是碘化3-甲基苯並噻唑鎓，溴化3-乙基苯並噻唑鎓，溴化3-異丙基苯並噻唑鎓，溴化3-丁基苯並噻唑鎓，溴化3-月桂基苯並噻唑鎓或溴化三乙基噻唑鎓。
7.根據上述任一權利要求的方法，其中質子受體是(1)脂族、環脂族、芳族或雜環伯胺、仲胺或叔胺，或(2)可由無機氧化物胺或膦與環氧化物反應得到的含有鹼性氧原子的化合物，或(3)金屬醇鹽。
8.根據權利要求7的方法，其中(2)中所述的膦是烷基或芳基膦或混合的烷基/芳基膦。
9.根據權利要求7的方法，其中所述的胺選自三乙胺、月桂胺、咪唑、吡啶、嘧啶、哌嗪以及脒和胍類鹼。
10.根據權利要求7的方法，其中(2)中所述的環氧化鹼選自丁烯氧化物與Amberlyst21樹脂的反應產物和丁烯氧化物與 -氧化鋁的反應產物。
11.根據上述權利要求的任一方法，其中含氮雜環化合物的鹽與質子受體的化學當量比為1∶1至10∶1。
12.根據上述權利要求的任一方法，其中自縮合反應的甲醛與縮合催化劑組分(基本上以化學當量存在的含氮雜環化合物的鹽和質子受體)的摩爾比為150∶1至10000∶1。
13.根據上述權利要求的任一方法，其中自縮合步驟中的液體反應介質是能溶解甲醛和縮合催化劑中至少一種的溶劑或混合溶劑。
14.根據權利要求13的方法，其中溶劑選自脂族醇、環脂族醇、甘醇、多元醇、酯、醚、非質子傳遞溶劑、烴類以及上述兩種或多種溶劑的混合物。
15.根據上述權利要求的任一方法，其中甲醛的自縮合在溫度為80-170℃下進行，反應壓力的控制應使得反應物和/或溶劑處於液態。
16.根據上述權利要求的任一方法，其中在氫化步驟(c)之前使反應產物基本上不含有自縮合催化劑。
17.根據權利要求16的方法，其中通過採用離子交換技術，滲析，液-液萃取，沉澱，真空蒸餾和吸附的方法使含有二羥基丙酮，其二聚物或兩者混合物的自縮合反應產物與催化劑組分分離。
18.根據上述權利要求的任一方法，其中多相氫化反應催化劑是(1)細粉碎的或載於載體的Ⅷ族金屬或(2)亞鉻酸銅。
19.根據上述權利要求1-17的任一方法，其中多相氫化反應催化劑在液體反應介質中是可溶的，是含有(1)貴金屬部分和(2)式XR3所示的部分(其中X是磷、砷或銻，R基團各自是氫或烴基或取代的烴基)的化合物或化合物的混合物。
20.根據權利要求19的方法，其中R基團是取代或未取代的烷基，環烷基或芳基。
21.根據權利要求19或20的方法，其中(1)部分和(2)部分結合於一單一化合物中。
22.根據權利要求21的方法，其中的單一化合物是RhCl(RRh3)3或Ru(H)(OAc)(PPh3)3。
23.根據上述任一權利要求的方法，其中步驟(c)的氫分壓為10-30000KPa。
24.根據上述任一權利要求的方法，其中氫化步驟(c)在環境溫度至150℃的條件下進行。
25.根據上述任一權利要求的方法，其中步驟(a)，(b)和(c)使用相同的溶劑進行。
全文摘要
本發明涉及由甲醛合成甘油的方法，其中基本上無水的甲醛以催化步驟自縮合形成二羥基丙酮，將產物與自縮合催化劑分離，用催化方法將其氫化，得到甘油。
文檔編號C07C67/00GK1031696SQ8810628
公開日1989年3月15日 申請日期1988年8月29日 優先權日1987年8月29日
發明者格雷西·班傑明·派屈克, 赫德森·巴裡, 威廉斯·彼得·塞夫頓 申請人:Bp化學有限公司