本发明是关于用烯化氧在多相体系中生产亚烷基二醇的方法。按本发明烯化氧水解形成相应的亚烷基二醇,是在与固态载体上的电正性络合位缔合的增强选择性金属酸盐阴离子存在时进行。增强选择性金属酸盐阴离子其特征是其上有双键氧的含有多价金属的阴离子。此阴离子处于游离离子形式时,增强了生成单亚烷基二醇水介反应的选择性。通过本发明发现,即使水介期间金属酸盐与固态载体缔合,这种与增强选择性金属酸盐阴离子的游离离子缔合的选择性增强作用也是可以获得的。 商业生产亚烷基二醇,例如乙二醇、丙二醇和丁二醇,包括用相应的烯化氧以大大过量的水进行水解(参见Kirk-othmer《化学技术百科全书》Vol ll第三版939页1980)。此水解反应一般在适中的温度如100-200℃,水以比每摩尔烯化氧过量15摩尔的比例加入反应区,主要付产物是双亚烷基二醇或多亚烷基二醇,例如亚烷基二醇,三亚烷基二醇及四亚烷基二醇。双二醇或多二醇的产生,主要是因为烯化氧与亚烷基二醇再反应造成的,因为烯化氧与亚烷基二醇反应较之它们与水反应更容易。为使与水反应变得有利、便采用大大过量的水,由此获得商业上更有吸引力的单二醇产物的选择性。
因为亚烷基二醇必需从水解反应混合物中回收,大量过剩的水势必带来能量的集中消耗,一般是水用蒸发除去,含有亚烷基二醇的残留物再蒸馏提纯。因此从能量效率的观点,减少用水量,又能保持或增强生成单二醇产物的选择性是最为有利地。
水介反应可无催化进行,然而酸或碱的存在可增加反应速度。可是酸碱催化剂也有缺点,例如碱催化剂使形成单二醇不利,而酸催化剂一般又关系到腐蚀问题。因此商业生产一般采用相对中性的水介条件(例如PH6-10)。建议用作烯化氧水合作用的大量有代表性的酸催化剂包括:氟化烷基磺酸离子交换树脂(美国专利NO.4、165,440,1979第8月21日公布);羧酸和卤酸(美国专利NO.4、112、054 1978年9月5日公布);强酸阳离子交换树脂(美国专利No.4,107,221,1978年8月15日公布);脂肪-羧酸或多羧酸(美国专利No.3,933,923 1976年1月20日公布);阳离子交换树脂(美国专利No.3,062,889 1962年11月6日公布);酸沸石(美国专利No.3,028,434,1962年4月3日公布);二氧化硫(美国专利No.2,807,651,1957年9月24日公布);三卤代乙酸(美国专利No.2,472,417 1949年6月7日公布)和钼促进的磷酸铝盐(美国专利No.4,014,945 1977年3月29日公布)。
除酸催化剂外,很多烯化氧水合作用的催化剂均建议在二氧化碳存在下使用。这些催化剂包括碱金属的卤化物,例如氯化物,溴化物和碘化物;季铵卤化物,例如碘化四甲基铵及溴化四甲基铵(英国专利No.1,177,877);有机叔铵,例如三乙胺和吡啶(德国公开专利申请2,615,595,1976年10月14日公布和美国专利No.4,307,256,1981年12月22日公布);季磷鎓盐(美国专利No.4,160,116,1979年7月3日公布);以及部分胺中和磺酸催化剂,例如部分胺中和的磺酸树脂(美国专利No.4,393,254,1983年7月12日公布)。
各种含金属的化合物,包括金属氧化物,也建议用作烯化氧水介催化剂,例如,美国专利No.2,141,443(1938年12月27日公布)公开了在无水金属氧化物,如氧化铝、氧化钍或钨、钛、钒、钼、锆的氧化物存在下,使烯化氧与水反应生产二醇。此反应是在液相进行,温度和压力以维持液相为条件。在列7中,该专利权人提供一种有更稳定机械性能的黄色钨酸催化剂,此催化剂由加入硅酯,醇和水随后干燥制得。同样的,美国专利No.2,807,651(1957年9月24日公布),也报道过已知的用碱金属碱,醇盐,钛、钨和钍的氧化物,某些金属盐,例如硫酸镍、酸类盐如三氟化硼、锌、锡、铁的氯化物,某些氢化硅酸盐和酸化氢化硅酸盐,例如氢化硅酸铝,低烷叔胺(如三甲基、三乙基及三戊基胺)以及某些有机盐,例如硫酸二乙基酯,用以催化烯化氧与水的反应。
许多过渡金属化合物和别的金属例如钒,锰,钨,钛,铬,锆,硒,磅,钽,铼,铀和铌等的化合物也被建议用作由α-链烯和有机氢过氧化物反应来制备1-2环氧化物的催化剂成份,并且此催化剂也保留于其后的水介反应。例如美国专利No.3,475,499(1969年10月28日公布)的实施例Ⅰ和Ⅱ公开了用乙苯化过氧氢,在萘酸锰催化剂存在下,使含有11-15碳原子的普通α-链烯的混合物环氧化。蒸馏以后1.2环氧化物和含锰催化剂残留于瓶底,随即与含0.5%氢氧化钠的水于90℃温度下接触,反应产物被蒸馏,据报道1.2环氧化物的转化率为100%,生成1-2二醇的选择性为94%。
更近期的美国专利No.4,277,632(1981年7月7日发行)揭示在至少一种成份选自钼和钨族的催化剂中水介烯化氧制备二醇的方法。这里催化剂可以是金属钼或金属钨及其无机或有机化合物,例如氧化物、酸、卤化物、磷化物、多酸,碱金属,碱土金属,铵盐酸的重金属盐以及有机酸盐等。该方法指示烯化氧水介是在水约为化学计算值的1-5倍时没有明显的付产物例如多二醇时进行反应可在二氧化碳存在下进行。然而当反应在氮气、空气等存在下进行时,专利权人指出反应混合物的PH值,应当调节到5-10范围内。日本公开No.JA54/128,507(1979年10月5日发表)揭示使用金属钨和/或钨化合物从烯化氧和水制备烷二醇的方法。
日本公开No.JA56/073,035(1981年6月17日发表)揭示在二氧化碳大气下,在含有选自钛、锆、钒、铌、钽和铬族中的至少一种元素的化合物组成的催化剂存在时水介烯化氧的方法。这些化合物包括氧化物、硫化物、酸、卤化物,磷化物,多酸、酸和多酸的碱金属盐,酸和多酸的铵盐以及酸的重金属盐。
日本公开No.JA56/073,036(1981年6月17日发表)揭示在二氧化碳气氛,在含有选自铝、硅、锗、锡、铅、铁、钴和镍族中的至少一种元素的化合物组成的催化剂存在时烯化氧的水介方法。
日本公开No.JA56/92228(1981年7月25日发表)指出制备高纯亚烷基二醇的方法。该发明指出从在二氧化碳存在时烯化氧水介法中回收含钼和/或钨催化剂的蒸馏程序。该申请说明催化剂至少是选自钼和钨化合物组成的族的一种化合物,该钼和钨化合物还可同选自含碱金属化合物,碱土金属化合物,季铵盐和季磷鎓盐的至少一种添加剂结合。更佳的催化剂据报道是钼酸,钼酸钠,钼酸钾,钨酸,钨酸钠,钨酸钾。碘化钾是在实果中采用的唯一添加剂。
J.H.Rooson和G.E.Keller的系列专利申请No.s 428,815(申请日1982年9月30日,新方案)和No.s 530,235(1983年9月8日申请)揭示在水溶性金属钒酸盐存在下,以连烯化氧同水反应制备高选择性单亚烷基二醇的方法。因该发明有突出生成单亚烷基二醇的选择性特点,因此可采用低的水与烯化氧比。金属钒酸盐的反离子,选择在反应条件下提供水溶介性的金属钒酸盐离子。碱金属,碱土金属,季铵、铵、铜、锌和铁可作为这样的阳离子。它也揭示金属钒酸盐,可以以盐的形式,也可以在-载体上如硅,铝,沸后和粘土引入反应体系。因为金属钒酸盐离子是水溶性的,势必要从反应体系中流失,这就必须从反应区流出液中回收它。
遗憾的是,不溶性的钒酸盐离子例如钒酸钙,以及不溶性铜酸和别的不溶金属酸盐均不提供生成单二醇的选择性,而这一点水溶性金属盐是很成功的。回收金属酸盐的问题,所采用技术从商业规坚来考虑是相当重要的因素。
日本公开No.JA57/139,026(1982年8月27日发表)揭示在有二氧化碳存在时以卤素型阴离子交换树脂作催化剂水介烯化氧的方法。所列举的催化剂是氯型阴离子催化剂(Dowex MSA-l(TM)Dow化学公司的产品)和相似的碘型阴离子交换树脂。据报道采用氯型阴离子交换树脂和89.6%碘型阴离子交换树脂,-摩尔烯化氧比约0.66摩尔水,生成单乙二醇的选择性是91.0%。而若不用二氧化碳,该申请表明仅获得34.8%生成单乙二醇的选择性,并且还发现产品有不愉快的气味。当不用任何阴离子交换树脂,而仅用二氧化碳,据报道,生成单乙二醇的选择性是37.5%。所有实施例均在浸入油浴的高压锅中进行,温度150℃。该发明报道,最高反应液体温度为130℃,反应进行90分钟。该申请未特别指明,未加二氧化碳气的对比例中,不愉快气味的来源,可能是阴离子交换树脂分介的结果。
J.R.Briggs和J.H.Roloson同一日提出的抵触美国专利系列申请No.(D-13943)指出了使用一含有水相,水不溶混液相和含阴离子的金属酸盐物质的反应溶剂,以增强生成单乙二醇的选择性的烯化氧水介方法,该含阴离子金属酸盐物质在水不溶相中的浓度大于在水中的浓度。
本发明提供几种从烯化氧和水增加生成单亚烷基二醇之选择性的方法。按本发明,烯化氧水解是在存在一个增强选择性金属酸盐阴离子的增强选择性的量时进行的,该金属酸盐阴离子与固态载体上的电正性络合位相缔合。此反应是在足以产生相应的二醇的温度和压力下进行的。
金属酸盐通过电正性络合位与固体载体相缔合,假如金属酸盐系非水溶性的,优点是提供加工上的好处,然而本发明发现可提供增强对单二醇选择性的活性是以水溶性金属酸盐为特征的。
因而,本发明的生产单二醇的方法,在商业规模上,以其经济上引人注目的方式特具吸引力。除此而外,本发明的方法能使水对烯化氧之比降低,而其对单亚烷基二醇的选择性较之未经改进的常规商业生产方法所能达到的为高。然而也可能采用在现有商业操作中所用的水/烯化氧比例,例如,为利用本发明而又便于更新原有生产设备,在此情况下,同样也可获得单亚烷基二醇选择性的根本改进。
业已发现,按本发明的方法,可使用易于获得的阴离子交换树脂作为使之与金属酸盐缔合的电正性络合位的非水溶性物来源。
烯化氧和水是在与固体基料上的电正性络合位缔合的金属酸盐中相接触的,这些金属酸盐特征是含有至少一种多价金属原子(此金属原子M具有正功能性氧化态,例如通常至少+3,更经常是+4-+7价氧化态)和至少一个氧配位体(通常以双键合氧原子为特征)的阴离子结构,此金属酸盐阴离子可以下式表示:
此处q是阴离子的负电荷,通常是-1--4;A是为填满M剩余价(m)的一个或多个取代物,可相同亦可不同,例如可以是双键合氧,卤素(氯、氟、碘),-O-或-S-,这里氧或硫原子的剩余价以游离离子形式存在或与金属原子键合(作为含双金属或多金属的金属酸盐)或与反离子(例如碱金属,碱土金属,铵、磷翁等阳离子)成键,A还可是有机自由基,例如1-12个碳的烷基、芳基,酰基,烷氧基,氨基,磷基等等。A最普通的是-O-或O=,即使初始有机金属盐中A不是-O-,而例如是氯,在反应过程中也有可能初始的取代基被-O-取代。
金属酸盐阴离子的特优金属包括周期表Vb和Vlb族,例如钒、钼和钨,虽然别的金属也可以利用。代表性的特殊有用的金属酸盐离子包括钼酸盐、钨酸盐,偏钒酸盐,焦钒酸氢盐和焦钒酸盐。虽然因为络合物化学与许多金属酸盐阴离子有关联,而有效的一种类型或多种类型的精确结构可以不同。通常金属酸盐阴离子是以下式为特征的阴离子:〔M0O4〕2-,〔VO3〕-,〔V2O7H〕3-〔V2O7〕4-及〔WO4〕2-业已认识到,这些金属酸盐阴离子(特别是钒酸盐)的化学组成和性质是络合物,在不同的加工条件,可让其精确的化学式是不同的。
并不是所有金属酸盐阴离子,包括钒、钨和钼的金属酸盐在内都能表现出所期望的对烯化氧的活性。例如,可以观察到仲钼酸和仲钨酸阴离子,即质表现出对增强选择性有活性也是较小的。
本发明的一个方面内容是,金属酸盐阴离子的金属的选择是根据它在阴离子中对周围的烯化氧是亲核性还是亲电性来确定。例如,选择这样的金属:作为金属酸盐,通常在同样条件下,它对环氧乙烷比铼酸盐阴离子中的铼有较大的亲核性,也通常是这样的情况:作为金属酸盐,它在同样条件下,对环氧乙烷比原钒酸盐中的钒有较大的亲电性。
估计金属酸阴离子中金属的亲核性和亲电性特征的特别方便的方法是,在本质上相同的水解条件下,实验金属酸阴离子和参考阴离子采用等摩尔量(根据阴离子计算),比较它们的反应速度和生成单乙二醇的选择性。为方便起见,阳离子用钠,假如速度和/或对单乙二醇的选择性比铼酸阴离子提供的较小,那么这种金属作为金属酸盐较之铼酸中的铼对环氧乙烷来说亲核性较小。假如双乙二醇和多乙二醇产量较之原钒酸盐提供的较多,不管生成二醇的速度如何,这种金属作为金属酸盐就其对环氧乙烷来说较之原钒酸盐亲电性较小。
因为增强选择性金属酸盐阴离子增加了水介生成单二醇产物的选择性,可确信金属酸盐阴离子和烯化氧之间会发生相互作用,甚至化学反应。见J.R.Briggs和J.H.Rofson同日申请的美国抵触系列专利(Attorney Docket D-13956)已编(入参考书目)。金属酸盐与烯化氧之间形成的任何中间产物,认为能加快水解烯化氧的速度,以至于比它们自己形成的速度还快。在水存在时通过核磁光谱这样的技术化学测定中间生成物,在今天已是可行的,因而我们可以相信,有利的金属酸盐阴离子应是能与烯化氧反应或相互作用的,对此并不仅限于理论。
同金属酸盐阴离子结合的电正性络合位是在有机或无机的水不溶性载体上,也就是说在此反应条件下,载体是固态的。电正性络合位和水不溶性载体,本质上是不与水,烯化氧以及亚烷基二醇反应的。
较佳的电正性络合位和水不溶性载体应是这样的:它的分解产物不会反过来影响亚烷基二醇产物的质量或者可以容易地从亚烷基二醇产物中除去。
普通的电正性络合位部分可含有强的电正性络合物基团,例如季胺基团,季磷鎓基团,硫基,鉮基;也可是中度电正性络合物基团,例如质子化的叔胺和叔磷。因为多季铵和叔胺基团稳定性好并易获得,它们是最普遍被采用的。
稳定的电正性络合基团,有如下通式:
此处X是氮、磷、硫或砷、锡,直接或间接键合在载体上;R可相同亦可不同,可以是氢,单环芳基,6-8个碳的芳烷基,7-9个碳原子的单环烷芳基,烷基,1-6个碳原子的烷氧基;R可被实质上与烯化氧、亚烷基二醇及水不发生反应的基团取代,例如羟基(比如羟烷取代基),卤烷取代基,甲硅烷取代基,硅氧烷取代基等等;n表示配以足够的R基团以使X的剩余价饱和,例如当电正性络合位是季铵、X是氮时,n是3。在某些情况下,当R是低烷基,特别是甲基时,电正性络和位的稳定性增加。也有可能X含在杂环结构中,一般这样的环有5-6环节,其中有一个或两个载荷中心X。
电正性络合位可以通过例如亚烷基,亚芳基,硅甲基或硅氧基等连在固态载体上。
带有电正性络合位的固态载体含有无机基底,例如碳,硅胶,沸石、粘土及玻璃珠等,这些载体可通过吸附,反应或接枝聚合作用等来带上电正性络合位。参见日本公开No.s 50/32085及52/26386及P.Tundo等《固定在硅胶上的铵盐阴离子交换特性》(美国化学会志Voll04,PP6547-6551,1982),和《固定或吸附在铝和硅胶上的相转移催化剂》(美国化学会志Voll04,PP6551-6555,1982)两文。美国专利No.4,430,496揭示过在惰性颗粒上的硅甲基,烷基铵位,还请参见德国专利申请2,433,409(上面所有文章均编入参考材料)。
适合的电正性络合位载体也包括水不溶性阴离子树脂。为提供方便这些树脂可以是多样化的,可以含有基本上任何树脂络合物。这些树脂包括高分子量高聚物和共聚物,例如加成和缩合高聚物,包括聚链烯、聚酯、聚碳酸酯、聚砜,聚酰亚胺,酚醛树脂、甲醛树脂,聚氨基甲酸乙酯等等,电负性络合位可以吸附,反应或接技在树脂上。许多容易获得的树脂是碳作基底的,而硅作基底的树脂也可用于本发明的生产方法中,这些树脂包括有机硅氧烷高聚物,例如二甲基聚硅氧烷,甲基苯基聚硅氧烷、甲基乙烯基聚硅氧烷、氰烷基甲基聚硅氧烷和氟烷基聚硅氧烷·见美国专利No.4,417,066(1983年11月22日公布),是有关含季铵络合位的有机硅氧烷高聚物的。美国专利No.4,410,669揭示了带有二氧化硅骨架的高分子铵化合物,据说有很好的热稳定性及化学反应惰性。这两篇专利均编入参考书目。
可用以制备以碳为基底树脂的单体包括苯乙烯和苯乙烯衍生物,例如甲基苯乙烯,乙基苯乙烯,乙烯基萘,3,4,6-三甲基苯乙烯,氯代苯乙烯,三氟苯乙烯,三氟甲基苯乙烯和氨基苯乙烯;这些单体还可是丁二烯;丙烯腈和丙烯腈衍生物;丙烯酸和丙烯酸酯,例如丙烯酸甲酯和丙烯酸氯化甲酯;还包括甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯,例如甲基丙烯酸环或酯,甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸甲酯;也包括马来酸酯比如马来酸二甲酯;富马酸酯如富马酸二乙酯;乙烯酮、如甲乙烯酮、乙异丙酮、亚乙烯、丙烯酰胺和丙烯酰胺衍生物;脂肪酸乙烯酯例如醋酸乙烯,丁酸乙烯和己酸乙烯;甲醛与苯酚,二甲苯、尿素,三聚氰氨;双酚A;砜例如二氯二苯基砜,碳酰氯;二异氰酸甲苯酯;多醇例如乙二醇;环氧丁二烯等等。
为了增加强度及化学稳定性,树脂最好是交联的,可被交联的代表性树脂包括苯乙烯-二乙烯苯,苯乙烯-二甲基丙烯酸二醇酯,苯胺-甲醛,芳基多胺-甲醛、苯酚-甲醛,聚丙烯酸酯等等,总的来说,所用交联剂量是用于制备树脂的单体量的4或(5)-30或(40)%摩尔。
用于制备树脂的交联剂包括二乙烯基苯,二乙烯基甲苯,二乙烯基萘,二乙烯乙苯,三乙烯苯,二乙烯二苯甲烷,二乙烯苯苄,二乙烯砜,二乙烯酮,双(乙烯吡啶并乙基)亚乙基二胺,邻苯二甲酸二丙烯酯,三烯丙基胺,NN′-亚乙基二丙烯酰胺,二甲基丙烯酸乙二醇酯,二甲基丙烯酸三乙二醇酯,三甲基丙烯酸三羟甲基己酯,三丙烯酸三羟甲基乙酯、异三聚氰酸三丙烯酯以及二烯丙基三聚氰胺。
树脂可有多种形式,例如,可溶胀胶,半孔,均孔或微孔(微网状)树脂,树脂可以是球型的,不规则粒状,其本身可以支持在-较大固体结构上。通常大部分树脂的大小为0.1-5毫米(例如0.3到1或2毫米)。
商业上可购得带有季胺和叔胺络合位的阴离子交换树脂,包括带有丙烯基质的,例如Rohn及Haas公司生产的Amlerlite(TM)IRA-68、IRA-60和XE-258树脂;带有酚醛基质的例如该公司生产的Amlerlite(TM)IRA-4B树脂;带有苯乙烯-二乙烯苯基质的例如该公司生产的Amlerlite(TM),IRA-900,IRA-904、IRA-93,IRA-94和IRA-400树脂和DOW化学公司生产的DOWex(TM)1、2、11,WGR、MSA-1、MWA-1树脂以及Diamond Shamrock股份公司生产的Duolite(TM)A-101。
每克干载体上至少有约0.1,例如,0.5-10,最好是0.5-5毫克当量交换容易(根据所连电正性络合位计算)。正是在这些“位”上,产生金属酸盐阴离子和不溶性载体间的缔合。
金属酸盐与不溶性载体上络合位的缔合,可以任何方便的方式进行。通常金属酸盐在不溶性载体上的安置是通过装载工艺来完成的,即可溶性金属酸盐在一惰性介质的溶液中与不溶性载体接触,置换络合位上的原阴离子。
本发明所使用的,用于制备固体载体的金属酸盐的金属酸盐反离子最好是水溶性的,包括碱金属、碱土金属,铵离子、铜、锌、铁、季铵阳离子、季磷鎓阳离子、硫阳离子以及其它阳离子。
惰性液体介质通常包括水、脂肪和芳香烃类化合物及被取代的烃类化合物例如己烷、苯、甲苯、二甲苯、邻-二氯代苯、二氯甲烷,氯仿、四氯化碳等等。
装载可于金属酸盐能溶解的任何温度下进行。这个温度最好低于可引起对反应物有不适当的可逆影响的温度,一般这个温度是0℃-120℃,最好15℃-100℃。可采用任何合适的压力,低于大气压的压力有助于金属酸盐阴离子分散在整个载体上。装填过程一般在适当大气,通常可实质上是惰性大气下进行,例如空气,氮气,持续足够时间以使予期的金属酸盐阴离子量同电正性络合物位相缔合。时间一般随所用方法,反应剂和采用条件而不同,通常是0.5-50小时,1-15小时更宜。所获得的含金属酸盐的产物可用任何物理分离技术回收,例如过滤,倾析和蒸发等。
为了获得与不溶性载体上的正电性络合位相结合的所需要的金属酸盐,并不需要使用金属酸盐形式。事实上,任何能在随后反应产生金属酸盐供装载的金属形式都是适合的,包括水解反应期间在原位装载。因此,含金属的阴离子可以含有卤化物,例化氟化物和碘化物;也可含硫化物,脂肪芳香族烃或类似的取代基。对金属酸盐或金属酸盐前体的选择,一般根据化合物获得的难易和形式与不溶性载体上电正性络合位相结合的加工特性来决定,对金属酸盐前体来说,还取决于它形成所需产物的能力。
在装慎期间,一般金属酸盐对电正性络合位摩尔之比为1∶100-100∶1,更经常的是1∶1-25∶1。在已制备好的结合有金属酸盐阴离子的产物中,结合有金属酸盐阴离子的电正性络合位与总的电正性络合位它比经常是1∶10-1∶1,以0.9∶1-1∶1为佳。已普遍注意到,即使金属酸盐阴离子可以有两个或两个以上的负电荷。例如钼酸盐和钨酸盐,金属酸盐阴离子也只能结合一个电正性络合位。如常规元素分析测定结果所示的,一般装载于载体上的金属酸盐,根据干支含有至少0.1%,更好是至少1%,通常2-30%,宁可说是5-25%重量的该金属酸盐的金属(金属基础)。载体的总重量计算,在与不溶性载体上电正性络合位结合中,所含金属酸盐最大百分数的唯一极限是不溶性支持体上电正性络合位的饱和。为使之活性好和寿命长起见,一般希望尽可能达到接近饱和水平。并且也确信金属酸盐阴离子与电正性络合位结合有助于水解时稳定电正性络合位。当电正性络合位分解时,对所需亚烷基二醇产物有不利影响时,这一点就特别重要。例如,当使用含季铵的阴离子交换树脂时,树脂分离可产生胺,这使亚烷基二醇产物带有难闻的气味。
用于生产亚烷基二醇的链烯化氧有如下通式:
这里R1、R2、R3和R4可相同亦可不同,可以是氢或含烃基的1-20个碳原子的取代基。通常R1、R2、R3和R4是氢,1-10个碳原子的烷基,有直到12个碳原子的单环或二环芳基,有7-10个碳原子的烷芳基,7-15个碳原子的单环或二环芳烷基,有2-3个碳原子的链烯基,3-8个碳原子的环烷基或R1、R2、R3、R4中的任意两个结合起来构成3-8个碳的环。代表性的烯化氧是环氧乙烷,环氧丙烷,环氧丁烷包括环氧异丁烷,1、2-环氧丁烷,2-3环氧丁烷、环氧戊烷,环氧苯乙烯,环氧环丙烷等等。烯化氧最好是有2-3个碳原子的脂肪烯化氧,例如环氧乙烷和环氧丙烷。
烯化氧的制备是众所周知的。例如可以将链烯在存在催化剂时与有机过氧化氢反应或者在银催化剂存在下,用含氧分子的气体部分链烯(特别是乙烯)氧化制备烯化氧。往常,烯化氧要提纯,以除去水解产生的二醇产物中的有害杂质成份。水用作生产相应亚烷基二醇的联合反应剂,虽然可以用蒸汽,但以使用液体的水为好。为提供适当质量的亚烷基二醇产物,水通常要足够的纯。可以用蒸馏或脱矿化(比如离子交换处理)提纯水。
按本发明的方法,加入反应区带的水与烯化氧之摩尔比至少0.1左右。然而为保证烯化氧生成单亚烷基二醇产物有较高的选择性,所用水可望保持比根据化学计算同烯化氧反应所需水量略为过量的摩尔数。摩尔比可以大于50,但是因为回收亚烷基二醇需要大量能量,这样高的水比例是无多少商业价值的。一般的水与烯化氧摩尔之比为1∶1和40∶1,宁可设是1∶1和30∶1。当希望对单亚烷基二醇产物有高选择性时,此比例最好是5∶1-30∶1。
在本发明的生产方法中,确信生产亚烷基二醇的反应可以以至少两种路线进行。第一种途径是常规的方法,烯化氧直接与水反应,这种反应途径中,烯化氧还可与生成的亚烷基二醇反应。与第一种反应路线有竞争能力的是包含金属酸盐阴离子的路线,这种方法被认为对提供单亚烷基二醇有很高选择性。每种路线的特定反应速度,在些别的因素中,则由烯化氧,水亚烷基二醇及金属酸盐阴离子的浓度,以及所用烯化氧和金属酸盐阴离子的类型决定。
当欲追求生成单烷二醇的较大选择性时,反应可以在这样的条件下进行:与常规方法对照,增强通过金属酸盐路线进行水介反应的部分。例如,对每单位体积反应器提供大量的金属酸盐。总的来说,在反应区,金属酸盐位对烯化氧的摩尔比是至少0.0001∶1,通常至少0.01∶1(虽然确信某些金属酸盐具有多个可和烯化氧结合的位点,例如钨酸盐、钼酸盐但在这里讨论时,金属酸盐位的摩尔数将按金属酸盐阴离子摩尔数计算)。在某些情况下,可望证明在反应区,所需金属酸盐络合位比根据同烯化氧反应的化学计算的量要大,这样,在反应区,金属酸盐络合位与烯化氧之摩尔比可以是20∶1或甚至50∶1以上。因为涉及反应器的体积和对金属酸盐量的需要,通常从经济上考虑决定了金属酸盐络合位与烯化氧摩尔之比在0.01∶1-20∶1之内,更好是0.05∶1-15∶1。因为某些金属酸盐阴离子存在时生成亚烷基二醇的反应可很快地进行(因而这些金属酸盐阴离子可用于进一步同烯化氧相互作用),这样若用比化学计算量少的金属酸盐阴离子量仍可提供所期望的对单亚烷基二醇的选择性。
那些有利于常规水解路线的水介条件可以避免采用,最突出的是,反应溶剂的PH值可以维持相对中性,避免了酸碱条件,而酸碱条件对常规水介速度有相当大的促进作用。一般,PH值维持5-11左右,较好是6-10.5,最为常用的PH值范围为6-10左右。
对某些金属酸盐阴离子来说,例如钒酸盐、钨酸盐和钼酸盐,介质的PH可以决定这些金属酸盐以何种种类出现,比如在强碱性中,原钒酸盐占优势,而在中性条件,偏钒酸盐将存在。另一个例子是,酸性较强的介质促进多核钼酸盐形成,假如它一旦形成,对增强选择性不大有利。
可用加入酸或碱,缓冲液等已知技术,保持PH值在所需范围。然而,因为金属酸盐阴离子可从电正性络合位取代引起金属酸盐阴离子丢失,所以应当考虑盐的存在和性质。从已提出的机理来看,为维持所需PH值包括加入二氧化碳,无机酸或有机酸,例如硫酸、盐酸和醋酸。为维持反应溶煤PH值的试剂可以任何方便的方式加入,例如,在反应期间用二氧化碳清洗,或在反应剂加入反应器以前加在一种或多种反应剂之中,比如在同烯化氧混合以前,水成分的PH可将调节到所需的值。
维持PH在所希望的范围也有第二个作用,即增加金属酸盐和电正性络合位之间缔合的稳定性,提高固体载体,比如阴离子交换树脂的稳定性。因此,即使短暂的PH值漂移到高的范围,比如大于11,也应当避免。
反应是在能足以使金属酸盐阴离子达到增强选择性的效果的温度下进行。在较低温度下,金属酸盐的这一有利作用是可以达到的,但是产生亚烷基二醇的速变则达不到要求,而温度又不能高到对电正性络合位和/或水不溶性载体和/或金属酸盐阴离子产生过份不利影响。这样,此过程通常在约20℃-200℃之间的温度下进行。对于所采用的许多阴离子交换树脂说来,一般要避免高于140℃-150℃的温度,因为温度过高可对活性侧基因有变质作用。最为通常的反应在约50℃-140℃之间,或者说是80℃-130℃或140℃之间进行。
B、T、Keen的同日申请的抵触专利申请No.(Attorney Docket D-14366编入参考文献)揭示,通过加入少量金属酸盐阴离子到反应混合物中,可确信电正性络合位稳定性有所增强。必定是这些金属酸盐阴离子代替了反应过程中从电正性络合位上失去的金属酸盐阴离子。通常给与的金属酸盐阴离子量相对地小,比如,根据加入反应区带中的反应物来决定,小于1000ppm的重量,也就是说1-1000,例如50-250ppm的重量。通常,加入的金属盐阳离子与结合在电正性络合位的金属酸盐阴离子摩尔之比小于1∶20,或者说1∶50-1∶1000。
金属酸盐阴离子可被用作任何便利的,可解离的含金属酸盐阴离子材料。因此,含金属酸盐阴离子材料经常是水溶性酸或盐,即阳离子包括氢、碱金属、碱土金属、铵离子、铜、锌、铁、季胺阳离子,季磷鎓阳离子,硫阳离子等等。因为容易获得,钠或钾阳离子是常用的。然而在某些情况下,希望采用含有机物的阳离子,以便于萃取到它能很好溶解的水不溶混相中,而与亚烷基二醇分离。请见B.T Keen等同日申请的美国专利申请,系列号:(D-14368)编入参考文献)中进一步讨论。据说金属酸盐阴离子的回收也可以受到阴离子交换固体的影响,例如J.A Collier同日申请的美国专利系列No.(D-14367)(编有参考书目)所披露的。
按理说加入的金属酸盐阴离子并不必须是与电正性络合位相缔合的初始金属酸盐阴离子同样的,然而,初始的金属酸盐阴离子欲被加进的金属酸盐阴离子取代,故加入的金属酸盐阴离子通常要与初始金属酸盐阴离子相同。
压力可高于大气压也可低于大气压。通常反应是在足以使反应物保持液态的压力下进行,为有利起见,反应一般在比环境压力较大的压力下进行,例如约0.1-1,000公斤/cm2压力,较好是2-100Kg/cm2压力。
按本发明亚烷基二醇的生产可在气体存在下进行,较好是惰性气体,可采用的气体包括空气,二氧化碳,氮,氩气等。二氧化碳通常在烯化氧水介期间自然产生的并也来自烯化氧本身(特别是环氧乙烯,由于乙烯的部分氧化)。
通常,需要保持二氧化碳与烯化氧摩尔比小于0.1∶1,特别是小于0.05∶1。可使用一定量的二氧化碳增强由钒酸盐阴离子提供的选择性,例如B、T、Keen同日提出的美国系列专利申请No.(D-14253)(编有参考书目)所揭示的。
反应可在对固体载体电正性络合位,金属酸盐阴离子,烯化氧以及亚烷基二醇无过分不良影响的溶剂中进行。
本发明的方法可批量进行也可连续生产。按常规亚烷基二醇生产的水介过程是在连续基础上进行,本发明的方法可以同样采用这样的连续操作。按这样的操作,烯化氧和水反应物可予先混合也可不予先混合,将其通入保持恒温、绝热或混杂条件的反应器里。反应剂可以从一个地方加入反应区带,或者让一种或多种反应剂从不同点加入。
水介作用可发生在一个或多个区带,发生在含本发明包含金属酸盐阴离子的固体载体的所有区带或某些区带,水解反应是放热的,因此进入的反应剂的温度及反应器的热传递能力将影响反应器内达到的温度。同样地,未反应的,过剩的反应剂和别的反应介质成份例如溶剂可用于降热。当使用多个反应器或分级反应器时,通到后面的反应器(或级)的物料的部分或全部可被冷却以降热并调节温度。
常规的水介反应器实质上是绝热的,这能供蒸发水份以回收亚烷基二醇所需的高温得以达到。而为有利于保持金属酸盐的结合,电正性络合位以及载体的稳定性起见,恒温反应器都是更为可取的。此外,因为恒温反应器中使用的恒定温度高于绝热反应器的进口温度,这样,恒温反应器所需金属酸盐阴离子量可少于绝热反应器所需量。
总的来说,反应进行所需时间要足以保证大体上所有烯化氧都反应。为完成大体上完全的反应所需时间由所采用的别的决定条件,包括温度、反应剂的量等等。反应可以在很短的时间内进行比如一秒的几分之几,而假如需要,也可以在长达几小时的时间内进行。
亚烷基二醇可以用任何方便的方式从反应流出液中回收。一般用一列多效蒸发器来除去水,并用真空蒸馏进一步精制亚烷基二醇。
下面的实例用以帮助理解本发明,但并不限于此。所有百分数和份数对固体而言以重量计,而对液体而言以体积计,除非只有说明。
例1
向具有季铵官能团的100克Amberlite IRA 904(TM)(Rohm and Hass)强碱性阴离子交换树脂(20-50目美国分级筛、氯化物形式、交换容量为0.7毫克当量/ml湿的树脂)中加入500克5%钼酸钠溶液,形成一种泥浆状物。这种泥浆状物室温下搅拌半小时,从树脂倾折出液相,向树脂中加入另外的500克5%(以重量计)的钼酸钠水溶液,产生的悬浮液填充到一个1英寸(2.54cm)(内径)×20英寸(50.8cm)的离子交换柱上(玻璃)。共2000克5.0%(以重量计)钼酸钠水溶液流经树脂,然后再加入500克1%(以重量计)的钼酸钠水溶液,通过离子交换色谱分离分析柱中流出液中氯化物含量,作为钼的根离子交换氯化物程度的显示,测出氯离子含量小于1PPm,过滤树脂,用200毫升水/每次洗涤五次。
例2
向具有季铵官能团的25.0克DowEX MSA-1(TM)(Dow化学公司)强碱性阴离子交换树脂(20-50目、氯化物形式,交换容量4.0毫克当量/克干树脂)加入800克3.0%(以重量计)偏钒酸钠,(Navo3)水溶液,形成一种泥浆状物在室温下搅拌该泥浆状物2小时后,倾折液相。树脂用500毫升水洗涤两次,然后用200克3%偏钒酸钠水溶液使树脂泥浆化,并填充到0.5英寸(1.27cm)(id)×20英寸(50.8cm)的离子交换柱中,共2000克3%偏钒酸钠水溶液流经树脂,紧接着加入2升蒸馏水,然后,1升热水(50-75℃)流经树脂,真空过滤树脂,树脂的分析结果,如下:
树脂的元素分析
C% H% N% V% Na% Cl%
48.04 7.11 4.45 16.91 0.9 02
(3.2毫克当量/g)
(3.3毫克当量/g)
例3
向160克DOWEX MSA-1(TM)中加入300毫升水,形成泥浆状物,将这种泥浆状物填充到1.0英寸(2.54cm)(内径)×25英寸(63.5cm)离子交换柱中,下列溶液流经树脂:
1. 2升热的(大约50℃)0.1%重量钼酸水溶液
2. 1升热水(大约50℃)
3. 1.2升1%氢氧化钠水溶液
4. 1升水
5. 2升含有4.0%钼酸钾的水和0.1%的钼酸
6. 4升4.0%热的钼酸钾水溶液(50℃)
7. 4升2.0%热的钼酸钾水溶液(50℃)
8. 2升1.0%热的钼酸钾水溶液(50℃)
9. 2升0.5%热的钼酸钾水溶液(50℃)
然后树脂真空过滤。
在下列例中,使用下面描述的分析方法来测定反应流出液样品中亚烷基二醇产物,通过添加约2% 1.3-丁二醇作为对照样品。将大约50微升这种混合物加入1.0毫及Regisil(TM)硅烷,即(BSTFA)N.N-双三甲基甲硅烷基三氟乙酰胺,它可从Regis化学公司,Morton Grove,Iusnois得到,在清液管中至少混合12小时,通过使用装有4米×1/8英寸(0.32厘米外径)的不锈钢柱,填在80-100目Chromosord WHP(TM)上的20%OV-101(可从Supelco Ine Bellefonte Pa得到的)甲基硅氧烷静止液相,用Hewlett Packard 5880(TM)气相色谱进行标准气相色谱分析,测定单乙醇、二-乙二醇和三-乙二醇的重量百分数。生成乙二醇组分的选择性用以每个单乙二醇,二-乙二醇和三-乙二周的重量百分数之和除相应的乙二醇的重量百分数所得商来计算。
例4
将大约10克的Amberlite IRA904(TM)离子交换树脂悬浮在5.0%的钼酸盐溶液中,然后将树脂转移到玻璃柱上(2.54cm×40.64cm),在柱上用另外的钼酸盐溶液洗提氯化物,清洗树脂以除去多余的钼酸盐。然后将树脂移到烧结玻璃过滤器上以除去多余的水,将约10.0克这种半干树脂和约100、0克除离子水填充到可搅拌的,不锈钢的蒸压器(300CC)中。用氮气吹净蒸压器,然后加入10.2克在60Psig(大约4气压计)压力下的环氧乙烷并一开始以800转/分速搅拌。蒸压器温度从大约25℃(室温)增加到约120℃,并维持该温度1.5小时,然后逐渐冷却。达到120℃约3小时后,温度大约为71℃,在此过程期间,当第一次达到120℃时压力从起初的60Psig(4气压计)增加到约97Psig(6.6气压计),然后,在冷却开始那一点,压力降为66Psig(4.5气压计)。抽干蒸压器并用冷凝水洗涤,除去约4.1g固体,通过分析发现单乙烷-亚烷基二醇的选择性大约为94%(环氧乙烷的转化率大约100%)。
例5-例16
这些实验在一个U型3/8″(0.95Cm)(外径)的不锈钢反应器中进行,一般来说,所需体积的树脂从反应器两端加入形成水中泥浆状物。填充到反应器中湿树脂的量及反应器长度列于表1。在床的每一端置有不锈钢密结塞从而使树脂保持在反应器中,冷却水(5℃)和环氧乙烷(并采用碱金属化时)装入进料缸(内容量900CC)并用氮气保持压力在25磅/吋2(大约2.7绝对大气压),不锈钢管(1/16″)(0.16Cm)将反应物从进料缸带到反应器,再将产物从反应器带到产物接收器。使用背压调节器来保持系统压力大约在13大气压(200磅/吋2)(氮气)。反应物到反应器的流量通过一个双活塞高压液体色谱分离泵控制,通过将反应器排出管的蛇形部分浸在水浴中而使反应产物冷却到室温。
U型反应器浸在搅拌的,温度恒定的油浴中(一般只浸到反应器中树脂位置)。
除说明的地方外,烯化氧的转化率基本为100%,单乙二醇的选择性示于表1,使用选定的碱金属盐水溶液制备阴离子交换树脂催化剂,在所有情况下,与金属酸盐阴离子交换后,经离子色谱分析洗涤水中氯化物浓度低于大约5PPm。一般方法是在室温下使树脂悬浮在金属酸盐水溶液中(大约5%),同时搅拌半小时左右,洗涤然后使金属酸盐水溶液通过一个填充有树脂的玻璃柱来洗提而与金属酸盐反复接触,直至氯化物基本被完全交换,然后用水彻底清洗树脂。
例17-例33
例17-例33是说明可用于制造结合有金属酸盐阴离子的树脂的各种方法。在这些例中,通过制备三氧化钼在水中的悬浮液(室温),用来在水溶液中制备锂、钠、钾和铵的钼酸盐。该悬浮液在搅拌下用所需阴离子的氢氧化物的足够量(根据化学计算足够完全转化成钼酸盐)来处理。一般连续搅拌直到溶液的PH值恒定几分钟。如果仍有固体保持在水溶液中,或者水溶液的PH值低于7,可加入部分阳离子氢氧化物溶液,直到水溶液的PH值稳定在7和8。就铵盐的制备来说,氢氧化铵作为水溶液(大约0.7摩尔氢氧化铵)加入。下表标出含钼酸盐溶液。
表Ⅱ
含有钼酸盐的溶液
氢氧化物反应物
类型 起始量 三氧化钼量 水起始量
溶液A LiOH 13.75g 41.4g 945g
溶液B NaOH 19.47g 34.91 945g
溶液C KOH 23.56g 30.22g 945g
溶液D NH4OH 729ml 36.73g 235ml
一般通过将树脂填充到玻璃柱(5×100Cm)上用含金属酸盐阴离子的水溶液处理来加工树脂,用下列树脂说明。
树脂Ⅰ DOWEX1-×8(TM)阴离子交换树脂可从DOW化学公司获得,40-60目、季铵官能团强碱性树脂,氯化物形式、胶类、交换大约3.5毫克当量/g干树脂。
树脂Ⅱ DOWEX3(TM)阴离子交换树脂可从DOW化学公司获得具有叔胺性能的弱碱树脂、胶类、交换能力大约6.0毫克当量/g干树脂,用HCL处理。
树脂Ⅲ Amberlite IRA-410CP(TM)、阴离子交换树脂可从Rohm和Hass公司获得,具有二甲基乙醇胺性能的强碱,氯化物形式、胶类、交换能力大约为1.3毫克当量/ml湿树脂。
按照一般的方法,树脂可在一个装有沸水(约200毫升)的搅拌的、园底玻璃烧瓶(500毫升)中处理一小时。然后移到一个玻璃柱上(5×100厘米),该柱可在外部蒸气加热以使柱中约为100℃。上面列出的例子中,树脂或在100℃左右或在室温(18-24℃)。然后该树脂用约500毫升6N盐酸水溶液。处理在各种情况、处理方法(洗涤)包括以大约5毫升/分的速度依靠重力使溶液通过树脂床,酸洗后一般用200毫升左右水洗涤,然后用500毫升左右6N氢氧化钠溶液洗涤,接着用200毫升左右水洗涤,再用500毫升左右盐酸溶液洗涤,最后用200毫升左右水洗涤。
然后经处理的树脂以同样方式与含金属酸盐阴离子溶液依照上面的描述接触,再用200毫升左右水洗涤,这些例子概括于下面的表Ⅲ。
表Ⅲ
例子 树脂 树脂量(g) 溶液 加热的玻璃柱 备注
17 Ⅰ 50 A Yes
18 Ⅰ 50 A No
19 Ⅰ 50 B Yes
20 Ⅰ 50 B No
21 Ⅰ 50 C Yes
22 Ⅰ 50 C No
23 Ⅰ 50 D Yes
24 Ⅰ 50 D No
25 Ⅰ 100 a
26 Ⅰ 20 b
27 Ⅰ 20 c
28 Ⅰ 100 d
29 Ⅰ 100 No e
30 Ⅱ 52 f
31 Ⅲ 50 No
32 Ⅲ 50 No g
33 Ⅲ 50 No h
a、代替上面的方法,将100g左右树脂加到一个有200g左右水和20g左右仲钼酸铵回水合物(CNH4)6MO1O24·4H2O)的带搅拌的500毫升玻璃烧瓶中,将浓氢氧化铵加到烧瓶中,使PH值约为7,该混合物搅拌1小时左右并倾析液体。树脂被类似地处理2次以上。
b、代替上面的方法,配制16.8克钼酸钠(Na2MoO4)在250毫升左右水中的溶液,并逐滴(每分钟约20滴)通过玻璃柱中的树脂。此后,用1升左右的水洗涤树脂。
c、代替上面的方法,将20g左右的树脂放入柱中,用大约5g氢氧化钠在200g左右水中的溶液处理,然后用300g左右水洗涤,此后,大约10gH3PO4(M0O3)12在300g左右水中的溶液通过树脂,用300毫升左右水最后洗涤。
d、使用前面注释a的方法,不同的是浓氢氧化铵不加到混合物中。
e、将100g左右仲钼酸铵和在大约2Kg水中的10g三氧化钼搅拌半小时制备含金属酸盐溶液,然后过滤该溶液除去固体。
f、代替上面的方法,树脂在沸水中加热1小时左右,冷却、放置在玻璃柱中,再用四位于床体的水洗涤,然后用500毫升左右0.1N的盐酸溶液洗涤,再用500毫升左右0.1N的氢氧化铵溶液洗涤,然后用500毫升水洗涤,再用200毫升盐酸溶液洗涤。然后按一般方式用溶液D处理该树脂。
g、使用的含金属酸盐溶液是在500毫升左右水中约含50克钙酸钠(Na2WO4)的溶液。
h、使用的含金属盐溶液是在500毫升左右水中约含50克钼酸钠(Na2M0O4)的溶液。
在环氧乙烷水解为乙二醇中制备树脂,可以采用如例5中描述的加工设备。在所有制备的含金属化阴离子树脂均表现出提高了生成单乙二醇的选择性。
聚-4-2烯基吡啶树脂在50℃-60℃下与仲钼酸铵接触(约10%水溶液)1小时左右,用水洗涤,用含钼酸盐溶液再接触,调节该溶液PH值大约在7-8、1小时后,用蒸馏水洗涤。当树脂用来水解环氧乙烷(2份水量对1份环氧乙烷量)时,生成单乙二醇的选择性低于不使用树脂能达到的选择性。这样可以相信,显然树脂不是惰性的。
例34-47
使用类似于例5-例16中有关描述的设备,使用的树脂类似于前面例子中制备的树脂来水解环氧乙烷。在每个例子中大约填充到反应器14g树脂,详细情况概括于表Ⅳ。
例48(比较)
将大约14.7g氯甲基化苯乙烯-二乙烯基共聚物(20%交联)放置到含有40毫升甲苯和8克左右二甲基苯基磷的玻璃烧瓶中,该混合物在室温下(约20-22℃)搅拌20分钟左右,然后在75℃搅拌加热大约1小时,冷却后,倾折液体,依次用50毫升甲苯、异丙醇、乙醇、甲醇和水洗涤聚合物,然后,将大约100毫升水加入到聚合物中,混合物煮沸,冷却并允许保持15小时左右,湿聚合物的P31-核磁共振光谱在24.2PPm预计磷盐的低磁场磷酸处指示出共振,这被认为是聚合物A。
聚合物A放置在一个填充床中,在室温下慢慢通过含有100g左右钼酸钠的大约2升水溶液,用水洗涤该床以提供聚合物B。
在一个类似于例5-例16中描述的设备中使用聚合物A和B,在浴温112℃左右,在液体流率为大约0.5毫升/分的水解比为每份环氧乙烷2份水(重量),并使用大约14克聚合物水解环氧乙烷。使用聚合物A和B其中一个,对单1,2-亚乙基乙醇的选择性约为71%,提高选择性失败可能是由于高度交联聚合物和季磷基团包藏了钼酸盐阴离子或难于把钼酸盐阴离子连接到功能部位的缘故。
例49
Dowex 1-×8(TM)树脂在含有仲钼酸铵〔(NH4)6Mo7O24·4H2O〕重量百分比10%的水溶液中搅拌,该程序进行两次,然后用水洗涤树脂以除去剩余的仲钼酸铵,然后用氢氧化铵调节PH值大约为7。
该树脂用来水解环氧乙烷和环氧己烷,树脂在大约100℃与环氧己烷水溶液进行接触,环氧己烷被水解成1,2-环己二醇。
在例4中描述的搅拌蒸压器中装入树脂,水和环氧乙烷,其内水对环氧乙烷的重量比约为2∶1,蒸压器温度维持在100℃左右,环氧乙烷被水解,对单-亚烷基乙醇的选择性大约为90%。
例50
在一个玻璃容器中加入400gCat-Floc(TM)T-1聚合物的水溶液(约15%),Cat-Floc(TM)T-1聚合物可从Calgon有限公司购得其平均分子量约为300,000,杂环氮上是与氯阴离子结合的季胺基团将1600毫升左右的水加入该溶液,接着加入约80毫升湿DOWEX MSC-1(TM)阳离子磺酸型树脂,(可从DOW化学公司得到),该混合物在约50℃温度下搅拌过夜,倾析液体,加入1200毫升水和400g含有Cat-FlocT-1(TM)聚合物的水溶液,搅拌混合物同时在约70-80℃加热约5小时。倾析液体,加入1200ml水,形成另一混合物,加热到大约70℃-80℃,同时搅拌,倾析液体,用500毫升水分2次洗涤固体树脂。
在含有约重5%钼酸钠的1升左右水溶液使金属盐与树脂结合泥浆化。将这种泥浆加热到约50℃3小时,同时搅拌。倾析液体,这种泥浆化过程进行2次以上,倾析该液体后,将树脂填入到玻璃柱中(直径约2.5厘米),大约1.5升含3%钼酸钠的水溶液以相当低的速率(5升/分左右)抽到柱中。
使用如例5-16描述的有关设备,用树脂水解环氧乙烷。反应器长度约33厘米,树脂疏松地填在反应器中,为防止堵塞在树脂床和两端烧结料之间放置玻璃纤维。加入到反应器的溶液含有约1800g水,180克环氧乙烷和约0.6克钼酸钠。加料速率在0.2-1.0毫升/分范围内变化,反应器温度维持在大约125℃,压力为大约14大气压。进料速率约为0.2毫升/分时,环氧乙烷几乎完全转化,分析产物,对单乙二醇的选择性约为93%
例51
将从W.R.Grace公司的Davison化学公司购得大约50克Davison 59(TM)硅酸(大约8-20目美国分级筛)加到到500毫升的锥形烧瓶中,加入253克2份重浓盐酸对一份水重的溶液。在烧瓶上安置冷凝器(水冷),溶液回流3小时并倾析液体,固体用水洗涤三次,并放置在直径约2.5厘米,长约70厘米的玻璃柱中,然而,用泵抽水打入硅胶床直到PH值在大约6-7的范围(大约4升水)。在柱中加入大约500毫升甲醇使硅胶脱水,回收固体而且保持用甲醇覆盖。
通过倾析从甲醇分离出酸活化了的硅胶,将其与300毫升甲苯一起放入到预先干燥的、500毫升园底烧瓶中,用氮气吹净烧瓶,安装冷凝器然后加热回流,回收大约35毫升塔顶馏出物(作为液体)。混合物冷却到大约60℃,逐滴将8.6g(N.N-二甲基-3-氨基)丙基三甲氧基硅烷加入到溶液中,然后将该溶液回流过夜并收集到约10毫升塔顶馏出物,冷却到60℃左右后,再逐滴加入8克硅烷,该溶液回流4小时并冷却到60℃左右。加入1毫升左右水后,该溶液再回流过夜。冷却到60℃左右后,加入大约5克硅氧烷,该溶液回流4小时左右。冷却到60℃左右后,加入1毫升水,该溶液回流过夜。然后冷却此溶液并过滤回收固体,再将固体在150℃干燥大约一小时。分析表明,硅酸有大约1.21毫克当量/克胺络合位。
将填充有大约100毫升-二甲氧基乙烷的约30g具有胺络合位的硅胶加入到一个带搅拌的园底烧瓶中,这种混合物加入15毫升含有10毫升碘甲烷和5毫升-二甲氧基乙烷,该混合物加热到60℃左右,然后冷却,通过过滤回收固体,并用水洗涤,洗涤后的固体放置在一个具有直径约2.5Cm,长约45Cm的玻璃柱中。
在80℃左右,约2升含有大约60克钼酸钠的水溶液慢慢用泵打到柱中(大约3-5毫升/分)。固体再洗涤,然后真空干燥。元素分析表明该固体含有约1.46%钼。
使用如例5-16描述的有关设备,用这种材料水解环氧乙烷,反应器长度约33厘米,树脂疏松地填在其中,在床和烧结料间放置玻璃纤维,用于水解的溶液含有约1800ml水,约180ml的环氧乙烷及约0.25g的钼酸钠。进料速率在约1.0和0.5毫升/分之间变化,反应器在大约14大气压力下反应温度保持在125℃左右。在进料速度为约0.5毫升/分时,环氧乙烷基本上完全转化,对单乙二醇的选择性约95%。大约在1天半左右,压力增加,关闭反应器。固体床压缩可看到细屑。
例52
在一个锥形瓶内,加入约76克20%Cat-FlocT-1(TM)聚合物的水溶液和约100克Ludox HS-40(TM)胶体二氧化硅(它可从E.I.dupont de Nemours and Co,Inc得到),立即形成沉淀物。在约70℃-80℃加热该悬浮液同时搅拌。然后倾析液体,加水形成另一悬浮液,在约70℃-80℃下加热悬浮液。该程序重复几次,然后固体在水中又形成泥浆,用钼酸调节PH值大约为7,再加热溶液到大约60℃-80℃,30小时。
通过过滤回收固体,并放置在一个玻璃柱中(直径约2.5厘米),稀释的钼酸钠水溶液通过柱子直到洗提液中基本测不出氯化物为止。
然后回收固体,用它在如例5-16描述的有关设备中水解环氧乙烷。大约6.6g的固体(干的)疏松地填在长约25cm的反应器中,水打入反应器排出空气,并将玻璃纤维放置在固体和缝隙之间。使用的进料混合物含有约1800毫升水,180毫升环氧乙烷和0.25g钼酸钠,进料速率是在每分钟0.31-1.0毫升内变化在压力14大气压时,反应温度维持在约125℃。进料速率大约0.33毫升/分时,环氧乙烷基本上完全转化。对单乙二醇的选择性大约为95-96%。当进料速率约0.5毫升/分,温度增加到约140℃时,基本完全转化,但压力增加,选择性大约94%,关闭反应器,检查后,堵住在反应器外部的缝隙。
例53(比较)
1000毫升锥形瓶内加入约800毫升水和40克钼酸钠,然后加入约30克从Bio-Rad实验室得到的Bio-Rad HZo-1(TM)无机离子交换晶体(大约50-100目美国分级筛)。生成的悬浮液搅拌4小时,倾析液体,固体在钼酸钠水溶液(约40克/升)再泥浆化。搅拌2小时后,倾析液体,固体在钼酸钠的水溶液,(约20克/升)再泥浆化,但使用含有约10克/升钼酸钠的水溶液,再重复此程序,然后通过过滤和干燥回收固体。
使用如就例5-例16中描述的设备,用该固体来水解环氧乙烷。反应器长约12厘米,并疏松地填满晶体。在床和两端裂缝之间放置玻璃纤维,加到反应器的溶液含有约900克水,90.3克环氧乙烷和0.125克钼酸钠,进到反应器的速率大约为0.5毫升/分,反应维持在温度130℃左右和14绝对大气压,对单乙二醇选择性约为88%,这表明无机阴离子交换材料是非惰性的。