一種百里酚的合成方法
【專利摘要】本發明公開了一種百里酚的合成方法。目前的合成方法中，有的選擇性低；有的操作條件控制難度大；有的催化劑都是極具腐蝕性的強酸和產生三廢較多的路易斯酸，而且不能回收利用，向反應釜中通入丙烯也不能連續化生產，不利于工業化。本發明以間甲酚與丙烯為原料，在用溶膠凝膠法制備的以摻雜鈷為主的活性氧化鋁催化劑的催化下反應，所述活性氧化鋁催化劑的結構為：Co&X@Al2O3，鈷的重量比為0.1～15％；所述的X為除鈷以外的第VIII族過渡金屬，其含量小于鈷。本發明采用的方法合成目標產物時條件易于控制，過程對環境友好，催化劑穩定性好、壽命長，而且選擇性非常高，能連續化生產，有利于工業化。
【專利說明】
一種百里酚的合成方法
技術領域
[0001] 本發明屬于精細化學品的制備領域，具體地說是一種百里酚的合成方法。
【背景技術】
[0002] 百里酚，又稱百里香酚、麝香草酚，英文名為thymol，化學名為2-異丙基-5-甲基苯 酸，分子式為Ci〇Hi4〇,分子量為150.22, CAS號為89-83-8。百里酸的化學分子結構式如下：
[0003]
[0004] 百里酚具有百里草或麝香草的特殊香氣，其作為一種香料主要用于配制止咳糖 漿、椒樣薄荷口香糖和辛香料等香精，同時也是制作香煙的添加劑之一。百里酚還是重要的 香料中間體，是合成L-薄荷醇的重要原料。此外，百里酚具有殺菌作用，尤其是對上呼吸道 感染和口腔細菌有抑制作用；可用來處理傷口，儲存解剖標本;可作防腐劑，且毒性低于苯 酸;也是高效抗氧化劑。
[0005] 在上世紀40年代以前，百里酚主要來源于自然界。隨著社會的發展，人們對百里酚 需求越來越大。但是受各種因素影響，使得天然提取百里酚的成本很高。因此，近半個多世 紀以來，尤其隨著催化技術的發展，合成百里酚逐漸取代天然百里酚。
[0006] 百里酚的制備基本上都是采用間甲酚與一種烷基化試劑反應。根據烷基化試劑形 式的不同，主要分為異丙基鹵方法、丙烯法和異丙醇法。美國專利US2286953采用異丙基氯 作烷基化試劑和間甲酚反應，以二氯乙烷作溶劑，在AlCl 3催化下，在-10~(TC下進行的傅 克反應。雖然該法也能得到百里酚，但是采用AlCl3催化劑產生大量三廢，不利于工業化生 產。早在1932年，美國專利US1886311就報道了丙烯作烷基化試劑合成百里酚的方法，采用 高壓釜作反應器，溫度為330~350°C，壓力為30~40MPa，間甲酚轉化率和百里酚選擇性分 別為40%和50~60%，但該工藝條件苛刻，產率低。
[0007] 美國專利US4086283報道了拜耳公司的工藝，主要包括在350~365°C的溫度下、 50bar的壓力下進行的間甲酚和丙烯的液相連續烷基化反應。粗產品的氣相圖譜顯示包括 60 %的百里酚、25 %未轉化的間甲酚和15 %其它產物。盡管該產率相對較高，此工藝仍然包 含以下缺點：（1)操作條件十分苛刻；（2)添加的助劑一含氮的有機堿會對產品造成污染。后 來，該公司在1991年繼續發表了專利US5030770,使用孔道直徑最小為5A的沸石分子篩催 化間甲酚與丙烯氣相連續烷基化合成百里酚，條件為250°C和常壓，其中絲光沸石催化效果 最好，間甲酚的轉化率達到53%，產物中百里酚的選擇性達到84%。沸石催化劑產生的過烷 基化產物較多，而且百里酚的熱力學穩定異構體3-異丙基-5-甲基苯酚也產生較多，不利于 后續分離。
[0008] 中國專利CN201410201122.7采用濃H2SO4和AlCl3的組合物、多聚磷酸和AlCl 3的組 合物、濃H2SO4和ZnCl2的組合物作催化劑，向含有間甲酚的反應釜中持續通入丙烯可在較低 溫度80~150°C下以75~80%的收率獲得百里酚。該工藝的缺點是催化劑都是極具腐蝕性 的強酸和產生三廢較多的路易斯酸，而且不能回收利用，向反應釜中通入丙烯也不能連續 化生產，不利于工業化。
[0009] 因此目前亟需一種能夠連續化生產，催化劑不僅要求壽命長和活性高，尤其是對 百里酚選擇性好，操作過程安全可靠，生產成本低的合成工藝。
【發明內容】
[0010] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術而進行深入研究，繼而提供一 種百里酚的新的合成方法，其采用溶膠凝膠法制備的摻雜鈷為主的活性氧化鋁催化劑，不 僅反應溫度相對較低，催化活性高，其最大的亮點在于對百里酚具有特別高的選擇性，以大 大提高生產效率和簡化后續分離步驟。
[0011]為此，本發明采用如下的技術方案:一種百里酚的合成方法，其以間甲酚與丙烯為 原料，在用溶膠凝膠法制備的以摻雜鈷為主的活性氧化鋁催化劑的催化下反應，所述活性 氧化鋁催化劑的結構為：C ο & X @ A12 0 3，鈷的重量比為0.1~15 % ;所述的X為除鈷以外的第 VIII族過渡金屬，其含量小于鈷。
[0012] 其反應方程式為：
[0013]
[0014] 本發明通過溶膠凝膠法制備的以摻雜鈷為主的活性氧化鋁催化劑，不僅加強了酸 性位并促進了催化活性，還提高了活性氧化鋁的熱穩定性。尤其是所形成的特定孔道結構 特別對選擇性生成百里酚有利。不同于苯的烷基化，間甲酚的烷基化在苯環未被取代的四 個位點. 4-. 5-. l· Φ成伯S核H水者β不一*￥. 1別·府SW某仆,W個S核H水加下，
[0015]
[0016] 由上述結構式可知，只有其中一個異構體是百里酚，所以要選擇性生成百里酚是 極具挑戰性的。本工藝的反應機理如圖1所示。流經床層的間甲酚和丙烯先經過外擴散到達 催化劑顆粒的表面，然后沿表面的微孔道向內擴散至催化劑內的孔室中，孔室的孔壁上富 含豐富的Lewis酸和Bramteci酸位點以及豐富的電子層結構。間甲酚失去一個質子后以0原 子和Lewis酸活性位點結合，這會導致苯環上的C原子在空間上有不同的位置，如圖1所示。 丙烯進入到孔室后通常會形成異丙基碳正離子中間體而被吸附在孔壁表面，當貼近被"固 定"的間甲酚時會對它發起親電進攻。由于酸性位的"固氧"強度和空間效應的協同作用，2-號位最易于接受進攻而生成百里酚，使之獲得優異的選擇性。最后生成的百里酚先通過內 擴散至催化劑球外表面，再外擴散到產品物流中。
[0017] 進一步，所述活性氧化鋁催化劑的制備方法如下：稱取鈷化合物和除鈷以外的第 VIII族過渡金屬鹽化合物加到丁二醇和/或丁醇中，接著在室溫下將異丙氧基鋁加入到上 述連續攪拌的溶液中，將所得混合液進行靜置，自然老化24~96h，將所得凝膠蒸發濃縮后 擠成直徑1.5-2.5mm的條狀物，室溫瞭干后于115-125°C干燥12~24h，接著在空氣氛中于 400~700 °C下焙燒4~8h，最后將制得的催化劑粉碎過篩成1~2mm的顆粒。
[0018] 進一步，所述的鈷化合物為(：〇(：12、(：〇(^)3)2、(：〇(304)2、(：(^ 2、(：〇(&〇&(3)3中的一種 或多種，優選〇0(從)3)2、〇3(303(3)3，更優選〇3(303(3)3。
[0019] 進一步，所述催化劑的主體材料是活性氧化鋁，其BET比表面積為220~310m2/g， 最可幾孔徑范圍為4 · 9~5 · 8nm，孔容為0 · 71~0 · 73mL/g 〇
[0020] 進一步，所述除鈷以外的第VIII族過渡金屬是？6、附、此、1^1、？(1、〇8、1^?七中的一 種或兩種以上，其重量比為0.1~3%，鈷的重量比優選為0.5~10%，更優選為1~5%。
[0021] 本發明還包含如下合成百里酚的具體步驟：
[0022] 1)將催化劑填裝于固定床反應器中間的恒溫段中，催化劑床層的上、下兩端分別 加填惰性瓷球或石英砂填料，其中反應器分五段加熱進行控溫;反應器中間有一根內置一 熱電偶的測溫套管，用以實時監控催化劑床層各點實際溫度；
[0023] 2)間甲酚和丙烯分別以液路和氣路定量進料，液路通過注射栗打入氣化室，丙烯 通過氣體質量流量計輸送至氣化室，二者在氣化室中混合均勻，然后進入固定床反應器中；
[0024] 3)反應好的粗品進行氣液分離，液體混合物經過減壓精餾、重結晶得到目標產物 百里酚，氣體回收后循環使用。
[0025] 發明人經過仔細研究后發現采用固定床反應器比常規間歇反應器可以在很大程 度上降低二取代和多取代產物。因此除了催化劑本身的特性外，本發明采用連續化固定床 反應器做反應裝置也促進了百里酚的選擇性的提高。
[0026] 進一步，步驟1)中，控制催化劑床層的溫度為200~240°C，優選為210~230°C;氣 化室溫度為280~350°C，填料段溫度為220~250°C，反應在常壓下進行。
[0027] 進一步，步驟2)中，所述的間甲酚和異丙基化試劑丙烯的摩爾比為1:0.5~1:6,優 選為1:1~1:4,更優選為1:1~1: 2。反應中間甲酚6-號位接受進攻生成的3-甲基-2-異丙基 苯酚的沸點與百里酚相近，要將其精餾分離十分困難，因此它的量的控制也非常重要。間甲 酚和異丙基化試劑的反應，除了生成單異丙基取代的間甲酚外，還會發生過烷基化反應生 成二取代的間甲酚甚至多取代產物。對于精餾分離后的間甲酚的處理是返回繼續使用，而 單異丙基取代的異構體主要是3-甲基-2-異丙基苯酚，以及二異丙基取代物可以返回重新 在本發明催化劑下和間甲酚反應，進行轉烷基或是脫烷基重新生成百里酚。
[0028] 進一步，所述的原料流速是與催化劑床層質量結合起來考慮，即以間甲酚的質量 空速表征，其值為〇. 05~1.75h-1，優選為0.1~lh-1，更優選為0.3~0.6h一1。
[0029]進一步，所述催化劑的連續使用壽命大于720h，在此之后間甲酚的轉化率降至70 ~80%，將此催化劑在干燥的空氣氛下于550°C下焙燒6小時后重新活化。
[0030] 通過采用上述技術方案，與現有技術相比，本發明的有益效果如下：
[0031] (1)結合本發明的溶膠凝膠法制備的摻雜鈷的活性氧化鋁催化劑和連續化固定床 反應裝置，可以使得百里酚的選擇性提高到90~97%，這不僅大大提高制備效率而且為后 續分離步驟也創造極大便利，得到目標產物的含量高達99.9%以上;此外，采用固定床裝置 可以連續化常壓反應，生產效率高。
[0032] (2)本發明催化劑大大降低間甲酚烷基化反應的活化能，反應溫度控制在210~ 230°C，反應在常壓下進行，間甲酚的轉化率為90%，與現有工業化工藝相比（拜耳工業化工 藝，>350°C，50bar，US4086283)，大大降低了生產的能耗。
[0033] (3)本發明制備百里酚反應只需使用間甲酚和丙烯，不涉及其它溶劑，所用催化劑 為穩定高效的固體催化劑，能長時間反復使用，不僅降低了成本，而且使得三廢的排放大大 減少，對環境友好。
[0034] (4)本發明催化劑制備過程中使得混合溶劑自然老化，催化劑組分在丁二醇/或丁 醇的溶劑作用下會趨于最穩定的狀態來進行排列，這樣制得的催化劑組分分布更均勻、緊 密、穩定，催化性能更好。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明間甲酚和丙烯的反應機理圖。
【具體實施方式】
[0036]為了更好地理解本發明，以下通過具體實例進一步描述本發明的內容。不過這些 實例僅僅是對本發明的解釋，并不因此而對本發明的保護范圍產生任何限制。
[0037] 實施例1-20
[0038] 溶膠凝膠法制備鈷摻雜為主的活性氧化鋁催化劑的方法如下，稱取計算量的鈷化 合物和第VIII族過渡金屬鹽化合物加到丁二醇和/或丁醇中，接著在室溫下將異丙氧基鋁 加入到上述連續攪拌的溶液中，將該混合液進行靜置，自然老化24~96h，將所得凝膠蒸發 濃縮后擠成直徑2mm的條狀物，室溫晾干后于120°C干燥12~24h，接著在空氣氛中于400~ 700 °C下焙燒4~8h，最后將制得的催化劑粉碎過篩成1~2mm的顆粒。
[0039]分批次稱取溶膠凝膠法制備的鈷摻雜為主的活性氧化鋁催化劑CAT-I~CAT-20各 IOg填裝于固定床反應器恒溫段的中間，催化劑床層上、下端各加填石英砂填料。整個反應 器采用五段式加熱，反應器中間有一根直徑3mm套管，內置一熱電偶，用以實時監控床層各 點實際溫度。反應前，在氮氣流下將氣化室溫度逐步升至300°C，催化床層的溫度逐步升至 220°C。到達設定溫度后，繼續用氮氣吹掃lh。用注射栗控制間甲酚的質量空速為0.61Γ 1，對 應1.2摩爾當量的丙烯用氣體質量流量計測量后進入氣化室，間甲酚在氣化室氣化后與丙 烯充分混合均勻后一起進入反應器的催化劑床層中反應。反應粗品流經管道進入氣液分離 罐中進行氣液分離，液體從分離罐的下端采出，連續反應兩小時后，取一段時間內產生的樣 品進行氣相色譜分析，間甲酚的轉化率和百里酚的選擇性列于表1中。
[0040]表 1
[0043] 實施例21-27
[0044] 稱取IOg溶膠凝膠法制備的鈷摻雜活性氧化鋁催化劑CAT-8填裝于固定床反應器 (即管道)恒溫段的中間，催化劑床層上、下端各加填石英砂填充。整個反應器采用五段式加 熱，反應器中間有一根直徑3mm套管，內置一熱電偶，用以實時監控床層各點實際溫度。反應 前，在氮氣流下將氣化室溫度逐步升至300°C，催化床層的溫度逐步升至210~240°C。到達 設定溫度后，繼續用氮氣吹掃Ih。用注射栗控制間甲酚的質量空速為0.6~1.21Γ 1，對應1~4 摩爾當量的丙烯用氣體質量流量計測量后進入氣化室，間甲酚在氣化室氣化后與丙烯充分 混合均勻后一起進入反應器的催化劑床層中反應。反應粗品流經管道進入氣液分離罐中進 行氣液分離，液體從分離罐的下端采出，連續反應兩小時后，取一段時間內產生的樣品進行 氣相色譜分析，間甲酚的轉化率和百里酚的選擇性列于表2中。
[0045]表 2
[0048] 實施例28
[0049] 使用催化劑CAT-8,按上述實施例實驗方法，將丙烯改為異丙醇，控制異丙醇與間 甲酚的摩爾比為4,異丙醇和間甲酚混合均勻后通過液路進樣，將催化劑床層的溫度控制在 240Γ，連續反應兩小時后，取一段時間內產生的樣品進行氣相色譜分析，間甲酚的轉化率 為82%，百里酚的選擇性為88%。
[0050] 實施例29
[0051] 使用催化劑CAT-8,并研磨成粉末狀，將丙烯改為異丙醇，控制異丙醇與間甲酚的 摩爾比為4;將一定量物料及催化劑一次性投入到0.5L高壓釜中，氮氣保護，反應溫度控制 在220°C，連續攪拌反應六小時后，取樣進行氣相色譜分析，間甲酚的轉化率為47%，百里酚 的選擇性為12%。
[0052] 實施例30
[0053] 使用催化劑CAT-8,并研磨成粉末狀，將丙烯改為異丙醇，控制異丙醇與間甲酚的 摩爾比為4;將一定量物料及催化劑一次性投入到0.5L高壓釜中，氮氣保護，反應溫度控制 在280°C，連續攪拌反應六小時后，取樣進行氣相色譜分析，間甲酚的轉化率為67%，百里酚 的選擇性為78 %。
[0054] 實施例31
[0055] 收集實施例8的反應粗產品進行減壓精餾，控制體系壓強為100~150Pa，收取78~ 82°C的餾分，用石油醚重結晶，得到無色透明晶體，經氣相檢測百里酚含量為99.9%。
[0056] 實施例32
[0057]收集實施例8的反應粗產品進行減壓精餾，控制體系壓強為100~150Pa，收取78~ 82°C的餾分，用正己烷重結晶，得到無色透明晶體，經氣相檢測百里酚含量為99.8%。
[0058]雖然在上述文中已經為了說明目的而具體描述了本發明，但本領域技術人員應當 理解，這些詳細的描述只是為了舉例說明，本領域技術人員可在不偏離本發明實質和范圍 的情況下，可以對本發明技術方案及其實施方式進行多種變換或改進，這些均落入本發明 的范圍內。本發明的保護范圍可以由權利要求書限定。
【主權項】
1. 一種百里酚的合成方法，其以間甲酚與丙烯為原料，在用溶膠凝膠法制備的以摻雜 鈷為主的活性氧化鋁催化劑的催化下反應，所述活性氧化鋁催化劑的結構為 :C〇&X@A12〇3， 鈷的重量比為0.1~15% ;所述的X為除鈷以外的第VIII族過渡金屬，其含量小于鈷。2. 根據權利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述活性氧化鋁催化劑的制備方法如 下:稱取鈷化合物和除鈷以外的第VIII族過渡金屬鹽化合物加到丁二醇和/或丁醇中，接著 在室溫下將異丙氧基鋁加入到上述連續攪拌的溶液中，將所得混合液進行靜置，自然老化 24~96h，將所得凝膠蒸發濃縮后擠成直徑1.5-2.5mm的條狀物，室溫晾干后于115-125 °C干 燥12~24h，接著在空氣氛中于400~700 °C下焙燒4~8h，最后將制得的催化劑粉碎過篩成1 ~2mm的顆粒。3. 根據權利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述的鈷化合物為C〇Cl2、Co (N〇3) 2、Co (S〇4)2、CoAc2、Co(acac)3中的一種或多種。4. 根據權利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述催化劑的主體材料是活性氧化 鋁，其BET比表面積為220~310m2/g，最可幾孔徑范圍為4.9~5.8nm，孔容為0.71~0.73mL/ g°5. 根據權利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述除鈷以外的第VIII族過渡金屬是 Fe、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt中的一種或兩種以上，其重量比為0.1~3%，鈷的重量比為0.5 ~10%〇6. 根據權利要求1所述的合成方法，其特征在于，合成百里酚的具體過程如下： 1) 將催化劑填裝于固定床反應器中間的恒溫段中，催化劑床層的上、下兩端分別加填 惰性瓷球或石英砂填料，其中反應器分五段加熱進行控溫;反應器中間有一根內置一熱電 偶的測溫套管，用以實時監控催化劑床層各點實際溫度； 2) 間甲酚和丙烯分別以液路和氣路定量進料，液路通過注射栗打入氣化室，丙烯通過 氣體質量流量計輸送至氣化室，二者在氣化室中混合均勻，然后進入固定床反應器中； 3) 反應好的粗品進行氣液分離，液體混合物經過減壓精餾、重結晶得到目標產物百里 酚，氣體回收后循環使用。7. 根據權利要求6所述的合成方法，其特征在于，步驟1)中，控制催化劑床層的溫度為 200~240°C，氣化室溫度為280~350°C，填料段溫度為220~250°C，反應在常壓下進行。8. 根據權利要求6所述的合成方法，其特征在于，步驟2)中，所述的間甲酚和異丙基化 試劑丙烯的摩爾比為1:0.5~1:6。9. 根據權利要求6所述的合成方法，其特征在于，所述的原料流速是與催化劑床層質量 結合起來考慮，即以間甲酚的質量空速表征，其值為〇. 05~1.751Γ1。10. 根據權利要求1-6任一項所述的合成方法，其特征在于，所述催化劑的連續使用壽 命大于720h，在此之后間甲酚的轉化率降至70~80%，將此催化劑在干燥的空氣氛下于550 °C下焙燒6小時后重新活化。
【文檔編號】C07C37/14GK106008169SQ201610473855
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】張玉紅, 肖唐鑫, 胡柏剡, 于明, 張龍, 齊勇, 李其川
【申請人】浙江新和成股份有限公司, 山東新和成藥業有限公司, 浙江大學