CN1155575C - 一种生产杂环腈的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生产高产率的杂环腈的方法，是在含有选自铜和锌至少一种元素的氧化物的催化剂存在下使杂环羧酸或其酯与氨进行气相催化反应，和一种有效的生产杂环醛的方法，是使用上述方法制得的杂环腈为原料在阮内催化剂存在下进行加氢作用而得。

Description

一种生产杂环腈的方法

本发明涉及一种生产杂环腈(nitrile)的方法，是通过杂环羧酸或其酯与氨反应而得。

迄今，通过杂环羧酸或其酯与氨反应来生产杂环腈的方法，已知一种方法是在磷氧氯化物存在下使6-甲基烟酸酯与氨反应来生产2-甲基-5-氰基吡啶。[IZV.AKad.Nauk.Kaz.SSR.Ser.Khim.(1977)，27，(5)，89-90]。

然而，在已知的方法中，2-甲基-5-氰基吡啶的产率仅为35％，并且希望在一种方法中能生产出更高产率的杂环腈。

本发明的目的是提供一种能够生产出更高产率的杂环腈的方法，并且杂环羧酸或其酯与氨的反应所产生的杂环腈有更高选择性比例。

本发明的发明者们曾经进行了广泛的研究为达到上述目的。结果，他们发现，在含有至少一种铜或锌元素的氧化物的催化剂的存在下，当杂环羧酸或其酯与氨进行气相催化反应时，能够达到明显较高的产率和选择性比例。

本发明的发明者们还发现，利用这样生产的杂环腈作为原料，能够有效地生产杂环醛。

本发明提供了一生产杂环腈的方法，是在含有选自铜和锌的至少一种元素的氧化物的催化剂存在下通过杂环羧酸或其酯与氨进行气相催化反应。

本发明还提供了一种生产杂环醛的方法，包括：将杂环羧酸或其酯与氨在含有选自铜和锌的至少一种元素的氧化物的催化剂存在下进行气相催化反应来生产杂环腈，并将这样生产的杂环腈在加氢催化剂存在下进行催化氢化。

发明的一些实施方案

在本发明中，杂环羧酸或其酯被用作原料。在本发明中可使用的杂环羧酸是一种具有杂环的化合物，该杂环含有至少一个杂原子选自氮原子、硫原子和氧原子，并且含有至少一个羧基连接于杂环的碳原子上。优选，杂环羧酸含有一个氮原子作为杂环中的杂原子。杂环的例子包括吡咯环、咪唑环、咪唑啉环、吡唑环、吡啶环、嘧啶环、喹啉环、噁嗪环、吡嗪环、三嗪环及氮杂环(azepine ring)。特别优选的是含氮杂环羧酸，其中杂环仅含有一个羧基和只有一个或两个氮原子作为杂原子，例如吡啶羧酸，吡嗪羧酸及嘧啶羧酸。在本发明中的杂环羧酸包括该羧酸的酸酐。

在本发明中可使用的杂环羧酸酯的例子包括上述各杂环羧酸的烷基酯。在烷基酯中烷基没有特别限定。它们的例子包括具有1-4个碳原子的直链或支链烷基。其中，甲基和乙基是优选的。

在本发明的方法中，所使用的催化剂是含有选自铜和锌的至少一种元素的氧化物。选自铜和锌的至少一种元素的氧化物包括氧化铜、氧化锌、铜和锌的复合氧化合、以及它们的混合物。优选，催化剂包含有一种氧化铜和一种氧化锌，亦即，它包含有氧化铜和氧化锌的混合物，铜和锌的复合氧化物，或它们的混合物。在含有铜和锌二者的催化剂中铜与锌的重量比优选为0.05-99.5∶1，更优选0.2-8.0∶1，这是基于氧化铜和氧化锌的比例计算的。

本发明所使用的催化剂还包括一种非铜和锌的另一种金属氧化物作为附加成分或促进剂，只要它不抑制本发明的气相催化反应即可。非铜和锌的另一种金属的例子包括钡、铬及钼，当然金属并不限于这三种。

本发明所使用的催化剂，可以按照传统用于生产金属氧化物催化剂的已知方法来生产。也可以使用市场上出售的选自铜和锌的至少一种元素的氧化物作为本发明能使用的催化剂。将催化剂模压成所需要的形状，如细粉、圆柱、圆筒球粒、丸片，用于本发明的气相催化反应。

用作生产本发明催化剂的原料的铜化合物和锌化合物，没有特别的限制。它的例子包括络合物、乙酸盐、碳酸盐、卤化物、氢氧化物、氮化物、铵盐、磷酸盐、硫酸盐、草酸盐、乳酸盐、甲酸盐以及铜和锌的一些氧化物。

选自铜和锌的元素的氧化物，本身可用作催化剂。氧化物可固载在惰性载体上，载体可为普通催化剂用的载体。载体的例子包括硅、钛、锆、或铝等的氧化物。其中硅的氧化物是特别优选的。

本发明的气相催化物反应通常是将杂环羧酸或其酯和氨供入反应器中进行，该反应器已经事先装入了催化剂。(在下文中术语“杂环羧酸”不仅包括杂环羧酸，还包括杂环羧酸酯)。氨的用量通常约为1-100摩尔，优选2-20摩尔，基于1摩尔的杂环羧酸计算。

当具有高熔点的杂环羧酸如吡啶羧酸，用于本发明时，优选将杂环羧酸溶解在适当的溶剂中，因为这样能够用简单的装置和操作来容易地向反应器中供料。在本发明的气相催化反应过程中，溶剂是稳定的，对杂环羧酸、氨和杂环腈是惰性的。例如，当杂环羧酸是含氮杂环羧酸如吡啶羧酸或其酯时，可使用水，吡啶碱如2-甲基吡啶、3-甲基吡啶和4-甲基吡啶，芳香烃类如甲苯和二甲苯等作为适合的溶剂。溶剂的用量需加以控制使杂环羧酸在溶剂中的含量通常为5-70％重量，优选10-30％重量。

在本发明的气相催化反应中，可使用惰性气体如氮、氦和水蒸气作为稀释剂。在这些惰性气体中，氮是优选的。当使用稀释剂时，稀释剂的用量通常为0.1-100摩尔，优选1-40摩尔/每1摩尔杂环羧酸。

本发明的气相催化反应，可在一固定床反应器中或一流化床反应器中进行，当使用固定床时，本发明的催化剂是填装在一个反应器的管子中，填充有催化剂的管子部分通常需加热到250-550℃，优选至300-500℃。此后将杂环羧酸，或将杂环羧酸溶解在某一溶剂中的溶液，氨，需要时还加入稀释剂，一起供送至催化剂填充部分，进行气相催化反应。杂环羧酸的液体时空速度(下文叫做LHSV)通常为0.001-5.0克/(亳升催化剂·小时)，优选0.01-2.0克/(亳升催化剂·小时)。杂环羧酸、氨和任选成份亦即溶剂和稀释剂等混合气体的空间速度(下文叫做SV)通常为30-10000hr^-1，优选50-1000hr^-1。本发明的反应可在减压下，大气压下或在高压下进行。

通过本发明反应得到的杂环腈，可按照，例如，以下方法进行分离。

含有杂环腈的反应产物气体，从反应器中流出被冷却而得到一种含杂环腈的冷凝物，或者将产生的气体引入适当的溶剂中而得到含有杂环腈的溶液。杂环腈可通过一种联合单元操作如浓缩和蒸馏从冷凝物或溶液中分离出来。

使用本发明的杂环腈作为原料，能够有效地生产杂环醛。

亦即，杂环醛可以通过以下方法来生产，该方法包括一种杂环羧酸或其酯与氨，在含有铜和锌的至少一种元素的氧化物催化物的存在下，进行气相催化反应而制得杂环腈，和将得到的杂环腈在氢化或加氢催化剂和在水溶液中的酸存在下进行催化加氢。

杂环腈的催化加氢可通过向反应器中加入杂环腈，水溶剂和氢化催化剂，如果需要还可加入铜，然后进行反应，同时进行搅拌和供入氢气来保持氢气压力在1.0×10⁵-2.0×10⁶Pa，优选在5.0×10⁵-1.0×10⁶Pa。反应温度通常为10-50℃，优选20-40℃。在上述反应中，当氢气的吸收量超过约理论量的1.1倍时，通常氢气的吸收速率变慢。这时停止供给氢气并终止反应。

本发明中使用的加氢催化剂的例子包括阮内(Raney)催化剂例如阮内镍和阮内钴，稀有金属催化剂如钌/碳，铑/碳和铂/碳等。

也可使用用铜盐处理过的氢化催化剂，与使用未经铜盐处理过的氢化催化剂相比，在使用用铜盐处理过的催化剂情况下，副产物的产生会受到抑制和杂环醛的产率可提高。

在氢化催化剂中，经过用铜盐处理过的阮内镍和阮内钴是特别优选的。作为铜盐，铜盐的水溶液是优选的。铜盐的例子包括硫酸铜、氢氧化铜、乙酸铜及它们的水合物。用于处理加氢催化剂所使用的铜盐的量，通常为10-80％重量，优选20-70％重量，基于加氢催化剂的量计算。

经过铜盐处理过的加氢催化剂可用各种方法得到。例如可由以下方法得到：将市售氢化催化剂分散在铜盐溶液中并悬浮之，另一种方法是按照普通方法制得加氢催化剂并加入铜盐等。

在得到催化剂悬浮物的方法中，使悬浮液沉淀催化剂并通过倾析除去上清液。然后向残余物中加入水来洗涤催化剂。将得到的混合物进行搅拌，让其静置，随后通过倾析除去上清液。用于洗涤催化剂的这些步骤重复几次而得到铜盐处理过的氢化催化剂。

在杂环腈的催化加氢过程中，加氢催化剂的用量通常为1-50份(重量)，优选5-30份(重量)/每100份重量的杂环腈。

即使催化加氢是使用未经铜盐处理的加氢催化剂，但如果将铜盐加入到反应体系中，副产物的产生仍能得到抑制并且杂环醛的产率可得到提高，这与使用经过铜盐处理过的加氢催化剂的情况相同。

在使用本发明的方法对杂环腈进行催化加氢来生产杂环醛的情况下，使用一种酸来中和在反应中所产生的氨。作为酸，可以使用无机酸或有机酸。无机酸的例子包括硫酸和磷酸，而有机酸的例子包括乙酸。酸的用量需足以中和所产生的氨。由于从1摩尔的杂环腈可产生1摩尔的氨，所以每1摩尔的杂环腈是使用1个当量以上的酸，优选1-3当量的酸。

如果酸的用量少于1个当量，则氨的中和变得不足，并且杂环醛的产率降低，这是由于氨与杂环醛的反应所致。

在杂环腈的催化加氢时，1个摩尔的水与1个摩尔的杂环腈反应。因此，反应是在每1摩尔杂环腈存在1摩尔或更多水的情况下进行。通常，水被用作反应的溶剂，虽然也可使用所需量的水和水可溶溶剂的混合物。水可溶性溶剂的例子包括醇类如甲醇和乙醇。水性溶剂、水或含水的混合溶剂的用量，通常为1-15份重量，优选3-13份重量/每1份重量的杂环腈。

在反应中产生的杂环醛能够容易地分离出来和纯化，方法是在反应终止后将反应混合物过滤，并向滤液中加入碱来中和除去催化剂，随后萃取、蒸馏等。

下面的各实施例将更详细地说明本发明。这些实施例不应构成对本

发明范围的限制。

在这此实施例中，转化率，产率和选择比率是按照以下定义计算的。

转化率(％)＝{(已反应的杂环羧酸的摩尔量)/(供料杂环羧酸的摩尔量)}·100；

产率(％)＝{(产物，亦即通过反应所产生的杂环腈的摩尔量)/(供料杂环羧酸的摩尔量)}·100；

选择性比率(％)＝{(产物，亦即通过的反应所产生的杂环腈的摩尔量)/(已反应杂环羧酸的摩尔量)}·100。

实施例1

作为催化剂，是使用氧化铜和氧化锌丸片(6.4mm×3.2mm，氧化铜/氧化锌＝33/65(重量))。在用Pyrex玻璃制成的和具有内径18mm的反应器中，填装有14.0亳升的催化剂，并将反应器的填装有催化剂的部分加热至320℃。向催化剂填装部分供入摩尔比为1∶4的6-甲基烟酸甲酯和甲苯的混合物，以及氨，供料速率分别为0.07克/分钟和6.3亳升/分钟(为6-甲基烟酸甲酯供料速率的摩尔的2倍)。从反应器管子出来的反应产物进入100亳升的乙醇中，经过25分钟来溶解含于所产生的气体中可溶性成份，使其溶解于乙醇中。将这样得到的溶液用气体色谱法进行分析。由分析结果可看出得到了以下结果：

6-甲基烟酸甲酯的转化率：               82.1％；

2-甲基-5-氰基-吡啶产率：               67.9％；

2-甲基-5-氰基吡啶的选择性比率：        82.7％；

2-甲基吡啶产率：                       3.3％；

2-甲基吡啶的选择性比率：               4.1％。

甲苯的回收比率为：                     93.7％。

实施例2

反应和分析方法与实施例1相同，只是氨的供料速率改变为12.6毫升/分钟(为6-甲基烟酸甲酯供料速率的摩尔数的4倍)。由分析可知，得到了以下结果。

6-甲基烟酸甲酯的转化率：               90.2％；

2-甲基-5-氰基-吡啶产率：               78.1％；

2-甲基-5-氰基吡啶的选择性比率：        86.6％；

2-甲基吡啶产率：                       2.1％；

2-甲基吡啶的选择性比率：               2.4％。

甲苯的回收比率为：                     93.3％。

实施例3

反应和分析方法与实施例1相同，只是氨的供料速率改变为25.2毫升/分钟(为6-甲基烟酸甲酯供料速率摩尔数的8倍)。由分析结果可看出，得到了如下结果：

6-甲基烟酸甲酯的转化率：            96.5％；

2-甲基-5-氰基-吡啶产率：            83.9％；

2-甲基-5-氰基吡啶的选择性比率：     86.9％；

2-甲基吡啶产率：                    0％；

2-甲基吡啶的选择性比率：            0％。

甲苯的回收比率为：                  91.6％。

实施例4

作为催化剂是使用丸片状的氧化铜和氧化锌(6.4mm×3.2mm，氧化铜/氧化锌＝42/47重量)。反应器是由Pyrex玻璃制成并具有内径为18mm，填装有14.0毫升催化剂，并将反应器的催化剂填装部分加热至320℃。向催化剂填装部分，供入6-甲基烟酸甲酯和甲苯的混合物，其摩尔比为1∶4，并供入氨，它们的供料速率分别为0.07克/分钟和6.3毫升/分钟(为6-甲基烟酸甲酯供料速率摩尔数为2倍)。从反应管中出来的反应产物气体进入100毫升的乙醇中，经过25分钟来溶解可溶性成份，这些成份是含于所产生的气体中。然后，将得到的溶液用气相色谱法进行分析。由分析结果可知，得到了以下结果：

6-甲基烟酸甲酯的转化率：          96.5％；

2-甲基-5-氰基-吡啶产率：          79.3％；

2-甲基-5-氰基吡啶的选择性比率：   82.2％；

2-甲基吡啶产率：                  6.9％；

2-甲基吡啶的选择性比率：          7.2％。

甲苯的回收比率为：                95.0％。

实施例5

在高压釜中装入59.1克(0.50摩尔)的2-甲基-5-氰基吡啶、245.0克(0.75摩尔为硫酸)的30％的硫酸水溶液、5.9克阮内镍(由Nikkou RiKaCO.，Ltd生产的催化剂R-101)及1.8克碳酸铜五水合物。从入口管子向高压釜中供给氢气并保持氢气压力为0.7MPa，在35℃进行反应。当氢气的吸收量达到107-110％理论值时，停止供料。反应时间为4.5小时。通过过滤除去催化剂并将溶液用高效液相色谱分析。从分析结果，得到了以下结果。

2-甲基-5-吡啶碳醛(Carbaldehyde)产率：86.8％；

2-甲基-5-吡啶甲醇产率：              1.8％；

2-甲基-5-吡啶甲胺产率：              9.8％；

未检测出2-甲基-5-氰基吡啶。

实施例6

重复实施例5，只是将硫酸酮五水合物的量从1.8克改变为3.6克。反应时间为15小时。

得到了以下结果：

2-甲基-5-吡啶碳醛产率：              83.9％；

2-甲基-5-吡啶甲醇产率：              3.2％；

2-甲基-5-吡啶甲胺产率：              9.8％；

未检测出2-甲基-5-氰基吡啶。

实施例7

在氮气氛下，将8.36克的阮内镍(由Nikkou Rika Co.，Ltd生产的催化剂R-101)加入到250克的1％重量的硫酸铜五水合物水溶液中，将得到的混合物在室温下搅拌30分钟。然后，将混合物，悬浮液静置沉淀催化剂并除去上清液。向残余物中加入100毫升水洗涤催化剂，搅拌所得到的混合物，然后静置以沉淀催化剂并除去上清液。这种洗涤步骤总共重复5次而得到用铜盐溶液处理过的阮内镍催化剂。

在高压釜中装入83.6克(0.70摩尔)的2-甲基-5-氰基吡啶，514.6克(1.05摩尔硫酸)的20％硫酸水溶液，8.36克阮内镍催化剂，为上述用铜盐溶液处理过的催化剂。从入口管子向高压釜中供给氢气并保持氢气压力为0.7MPa，在25℃进行反应。当氢气的吸收量达到理论值的112％时，停止供氢、终止反应。反应时间为9.5小时。通过过滤除去催化剂并将滤液用高效液相色谱法分析。从分析结果得到了以下结果：

2-甲基-5-吡啶碳醛产率：    84.1％；

2-甲基-5-吡啶甲醇产率：    0.5％；

2-甲基-5-吡啶甲胺产率：    5.0％；

未检测出2-甲基-5-氰基吡啶。

Claims (7)

1.一种生产杂环腈的方法，其特征在于是在含有选自铜和锌至少一种元素的氧化物的催化剂存在下通过具有吡啶环、嘧啶环、喹啉环、吡嗪环或三嗪环的杂环羧酸或其酯与氨进行气相催化反应。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于催化剂含有一种氧化铜和氧化锌的混合物、一种铜和锌的复合氧化物，或一种它们的混合物。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于在催化剂中铜和锌的重量比为0.05-99.5∶1，是根据氧化铜和氧化锌的比例计算的。

4.一种生产杂环醛的方法，其特征在于包括一种具有吡啶环、嘧啶环、喹啉环、吡嗪环或三嗪环的杂环羧酸及其酯与氨一起在含有选自铜和锌至少一种元素的氧化物的催化剂存在下进行气相催化反应来生产杂环腈，和

将这样所制得的杂环腈在加氢催化剂和一种在水性溶剂中的酸存在下进行催化加氢作用。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于催化加氢作用是在铜盐存在下进行。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于加氢催化剂是阮内镍。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于阮内镍是用铜盐处理过的。