1,1,3,5-四甲基哌啶羟基盐的合成工艺研究_罗超然.pdf

第 3 期收稿日期:20221123作者简介:罗超然，硕士研究生，中级职称，研究方向:精细化工、有机合成、农药。1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐的合成工艺研究罗超然，陈洪龙，岳瑞宽，王文魁，丁永山(南京红太阳生物化学有限责任公司，江苏 南京210047)摘要:以 3，5二甲基哌啶、多聚甲醛、氢气为原料先合成 1，3，5三甲基哌啶，再与氯甲烷反应，生成 1，1，3，5四甲基哌啶氯盐，通过离子交换得到 1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐的合成工艺;研究了多聚甲醛加入量，加氢反应时间、温度、压力、催化剂加入量，氯甲烷压力，氯甲烷甲基化反应温度等因素对合成目标产物收率的影响。评价了 1，1，3，5四甲基哌啶氯盐的浓度，再生剂 NaOH 浓度对离子交换的影响。结果表明，哌啶与多聚甲醛 40 下反应 6 h，再以雷尼镍为催化剂，在 80 通入氢气，20 MPa 压力下反应 10 h，得到 1，3，5三甲基哌啶，脱水得到纯品1，3，5三甲基哌啶后继续和氯甲烷在55，03 MPa 压力下搅拌反应5 h，得到1，1，3，5四甲基哌啶氯盐，总收率为822%。用 20%的 1，1，3，5四甲基哌啶氯盐溶液进行离子交换，得到 1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐水溶液，离子交换树脂可用 4%(质量分数)氢氧化钠溶液再生。该过程反应简单，安全环保，适合工业化。关键词:3，5二甲基哌啶;1，3，5二甲基哌啶;1，1，3，5四甲基哌啶鎓盐;1，1，3，5四甲基哌啶氯盐;加氢中图分类号:TQ2532文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03004503Synthesis of 1，1，3，5tetramethylpiperidine Hydroxy SaltLuo Chaoran，Chen Honglong，Yue uikuan，Wang Wenkui，Ding Yongshan(Nanjing ed Sun Biochemistry Co，Ltd，Nanjing210047，China)Abstract:1，3，5trimethylpyridine was synthesized by using 3，5dimethylpyridine，paraformaldehyde，and hydrogen gas as rawmaterials1，1，3，5tetramethylpyridine chloride salt was synthesized by reacting 1，3，5trimethylpyridine with methyl chloride1，1，3，5 tetramethylpyridine hydroxy salt was obtained by ion exchange The effects of the addition of paraformaldehyde，hydrogenation reaction time，temperature，pressure，catalyst addition，pressure of methyl chloride，and reaction temperature ofmethyl chloride methylation on the yield of the target product were investigatedThe results showed that piperidine reacted withparaformaldehyde at 40 for 6 h，then hydrogen was introduced at 80 with aney nickel as catalyst，and the reaction wasconducted at 20 MPa for 10 h to obtain 1，3，5trimethylpiperidine The pure 1，3，5trimethylpiperidine was obtained bydehydration，and then continued to mix with methyl chloride at 55 and 03 MPa for 5 h to obtain 1，1，3，5trimethylpiperidinechlorideThe total yield was 822%Use 20%of 1，1，3，5tetramethylpiperidine chloride solution for ion exchange to obtain 1，1，3，5tetramethylpiperidine hydroxide solutionThe ion exchange resin can be regenerated with 4%sodium hydroxide solutionTheprocess was simple，safe and environmentally friendly，and is suitable for industrializationKey words:3，5dimethylpiperidine;1，3，5dimethylpiperidine;1，1，3，5tetramethylpiperidium salt;1，1，3，5tetramethylpiperidine chloride;hydrogenation1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐是合成 SSZ39 型分子筛模板剂的一种。SSZ39 型分子筛是 AEI 结构，可应用于 MTO(甲醇制烯烃)和 SC(选择性催化还原)。在 MTO 领域，研究表明SSZ39 分子筛对于丙烯产物的选择性更高，而且催化寿命较长1。在 SC 领域，负载金属的分子筛，如 CuSSZ39、FeSSZ39 具有较好催化性能和低温活性23。此外，SSZ39 还可以用于 LPG(液化石油气)领域，特别是合成气选择性制备丙烷4。可见 SSZ39 型分子筛应用广泛。模板法制备 SSZ39 分子筛是常用的方法，模板剂有很多种，如 N，N二烷基2，6二烷基哌啶鎓5、N，N二烷基3，5二烷基哌啶鎓5 等，1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐就是其中一种。Z 直接合成 1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐的文献较少，专利US5958370 和 US20160122192 提及了 1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐可作为模板剂，但并未给出具体的合成方法，实施例是以N，N二乙基2，6二甲基哌啶鎓羟基盐作为模板剂。专利CN201811355939 公开了一种利用碳酸二甲酯作为甲基化试剂制备 1，1，3，5四甲基哌啶鎓的碳酸单酯盐，然后与氢氧化钙反应生成1，1，3，5四甲基哌啶鎓的羟基盐。专利 US20160304457提及了以 3，5二甲基吡啶为原料，先生成 N烷基吡啶的硫酸单酯盐，然后加氢生成 N烷基哌啶，再继续与硫酸二烃基酯烷基化生成 N，N二烃基哌啶的硫酸氢盐，最后与碱金属的氢氧化物或者氨水反应获得 N，N二烃基哌啶鎓。本文提供一种较新的工艺路线合成 1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐，以 3，5二甲基哌啶为原料，先与多聚甲醛反应，得到Mannich 中间体亚胺离子盐，亚胺离子盐在加氢催化剂的作用下得到 1，3，5三甲基哌啶，再进一步和氯甲烷反应，生成 1，1，3，5四甲基哌啶鎓的氯盐，最后用离子交换树脂得到 1，1，3，5四甲基哌啶鎓的羟基盐。该过程成本低廉，工艺简单，易于工业化，反应路线如下:54罗超然，等:1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐的合成工艺研究DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.004山东化工1实验部分11试剂和仪器3，5二甲基哌啶(960%，其中顺式 75%，反式 25%)，阿拉丁试剂有限公司;多聚甲醛(95%)，南京化学试剂有限公司;氯甲烷(995%)，上海晴川实业有限公司;雷尼镍(aneCAT1100)，上海迅凯新材料科技有限公司;氢气(9999%)，南京特种气体 有 限 公 司;阴 离 子 交 换 树 脂 Bio ad AG1 X8，Lumiprobe。GC14 气相色谱仪，岛津公司;CTO10AS 型高效液相色谱仪，岛津公司;250 mL 高压釜，威海自控反应釜有限公司;填料精馏塔(理论塔板数 1520)，南京炳辉仪器仪表有限公司;离子交换柱，南京炳辉仪器仪表有限公司。12制备方法121中间体 1，3，5三甲基哌啶的制备将 2 mol 3，5二甲基哌啶加入四口烧瓶，边搅拌边缓慢加入多聚甲醛固体198 g，加入多聚甲醛固体过程中控制温度不超过 40，待固体全部溶解，继续搅拌 1 h，得到的溶液转移至高压釜中，在高压釜中加入 30 g 的雷尼镍(其中雷尼镍 17 g，水13 g)，合上高压釜，用氢气置换出高压釜中的空气，加入氢气，升温至 80，保持压力在 20 MPa，搅拌反应 10 h，降温开釜，过滤出催化剂，得到含水 1，3，5三甲基哌啶溶液粗品。将高压釜中的溶液取 200 g，加入 100 g 环己烷，放入精馏塔塔釜，蒸馏出 74 左右的馏分 1，该馏分分为上下两层，下层水层，上层有机层可回收套用。调整回流比为 33 1，采出塔顶温度 804 左右的馏分 2，回收套用，调整回流比为 1 1，精馏出塔顶温度 142 的馏分 3，得到含量 1，3，5三甲基哌啶纯品。HPLC 外标法定量含量 997%，收率 895%。122中间体 1，1，3，5四甲基哌啶氯盐的制备在高压釜中加入 50 g 制得的 1，3，5三甲基哌啶，100 g 乙腈，缓慢通入氯甲烷，控制高压釜内温度不超过 55，压力为03 MPa，搅拌 5 h，用高效气相色谱中控 1，3，5三甲基哌啶，当1，3，5三甲基哌啶消耗完，表明反应结束。有黄色固体从溶液中析出，过滤，真空干燥，得到固体 652 g，纯度 981%，收率918%。123产品 1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐的制备对强碱性阴离子交换树脂进行预处理后装填至离子交换柱内，将 1，1，3，5四甲基哌啶氯盐配置成 20%(质量分数)溶液进行离子交换，得到 1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐水溶液，氢氧根离子的浓度用酚酞试剂进行滴定。树脂用 4%(质量分数)氢氧化钠溶液再生后套用。2结果与讨论本工艺在制备 1，3，5三甲基哌啶过程中，引入精馏塔进行提纯操作，主要原因是 1，3，5三甲基哌啶粗品中含有少量轻组分溶于水的杂质，精馏可以除去杂质和水分。在制备 1，1，3，5四甲基哌啶氯盐中采用乙腈为溶剂而不用水，主要原因是氯甲烷甲基化过程中产生少量极性杂质，乙腈既作为反应溶剂也作为重结晶的溶剂。1，1，3，5四甲基哌啶羟基盐的收率主要与多聚甲醛的加入量、加氢温度和压力、催化剂用量、加氢反应时间、制备 1，1，3，5四甲基哌啶氯盐的温度和压力及 1，1，3，5四甲基哌啶鎓的氯盐经过离子交换树脂的浓度和离子交换树脂再生剂浓度有关。21多聚甲醛加入量对 1，3，5三甲基哌啶收率的影响将 2 mol 3，5二甲基哌啶加入四口烧瓶，再缓慢加入多聚甲醛固体，温度不超过 40，待固体全部溶解，得到的溶液转移至高压釜中，在高压釜中加入 30 g 雷尼镍，用氢气置换出高压釜中的空气，加入氢气，升温至 80，保持压力在 20 MPa，搅拌反应 10 h，即控制亚胺离子盐的反应条件及加氢的反应条件和参数，考察多聚甲醛加入量对 1，3，5三甲基哌啶收率的影响，结果如图 1 所示。图 1多聚甲醛加入量对 1，3，5三甲基哌啶收率的影响由图 1 可以看出，随着多聚甲醛加入量的增加，1，3，5三甲基哌啶的收率增加，但是当加入量超过 22 mol(198 g)后，1，3，5三甲基哌啶的收率的增长趋于平缓。22加氢催化剂的量对 1，3，5三甲基哌啶收率的影响将 121 中制得的亚胺离子盐溶液加入高压釜中，加入一定量的雷尼镍催化剂，雷尼镍催化剂一般在水中保存，由于水量对于该加氢过程影响不大，所以含水雷尼镍可以直接加入高压釜中，用氢气置换出高压釜中的空