1-烷基-3-甲基-哌啶酮-2和1-烷 基-5-甲基哌啶酮-2的制备方法 这是1996年9月6日申请的，现在待审的专利申请系列号08/798,999的部分延续。
本发明涉及由2-甲基戊二腈制备1-烷基-3-甲基-哌啶酮-2和1-烷基-5-甲基哌啶酮-2的方法。
【发明背景】
2-甲基戊二腈是丁二烯氢氰化制备己二腈的副产物。己二腈有许多用途，包括加氢制备尼龙66的组分之一己二胺。2-甲基戊二腈的工业用途不多，但是已经知道，通过间歇式工艺，在加氢催化剂存在下，利用2-甲基戊二腈、具有1-18个碳原子的伯胺、水和氢的反应，可以将2-甲基戊二腈转化为1-烷基-3-甲基哌啶酮-2和1-烷基-5-甲基哌啶酮-2。1-烷基-3-甲基哌啶酮-2和1-烷基-5-甲基哌啶酮-2可以用作溶剂，它们都具有与其它N-烷基内酰胺相似的溶剂特性。
Kosak在美国专利5,449,780中叙述了将2-甲基己二腈转化为1，3-二烷基哌啶酮-2和1，5-二烷基哌啶酮-2的间歇方法。此方法以两相反应混合物开始，但当所有的氢都反应时，就变成单相。还知道Kosak方法对于1，5-二-(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷具有12-40％的高选择性，还包括有各种浓度其它不希望的高沸点物。在提纯烷基甲基哌啶酮-2时，1，5-二(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷的存在是一个问题，在提纯二甲基哌啶酮时，其存在就更成问题，因为在精馏的过程中，1，5-二(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷会热环化，形成1，3-二甲基戊二酰亚胺。1，3-二甲基戊二酰亚胺的形成不仅由于放出甲胺而影响真空精馏的操作，而且它还会与产物二甲基哌啶酮-2发生共精馏，使得实际上不容易产生二甲基哌啶酮-2的纯产品物流。在比二甲基哌啶酮-2更高级地烷基甲基哌啶酮-2’的情形，从合成反应中得到的相应的1，5-二(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷将在精馏的过程中形成相应的1-烷基-3-甲基戊二酰亚胺，并放出相应的挥发性烷基胺。
发明概要
本发明的连续方法是一种由氢和2-甲基戊二腈、具有1-18个碳原子的烷基伯胺水溶液、一种均化溶剂的单相液体反应混合物，在加氢催化剂存在下制备1-烷基-3-甲基哌啶酮-2和1-烷基-5-甲基哌啶酮-2的方法，它包括如下的步骤：
(a)使加氢催化剂在反应容器中与液体单相反应混合物接触，其中均化溶剂、烷基伯胺水溶液和2-甲基戊二腈占该液体单相反应混合物总重量的重量百分数在图1的直线AB、BC和AC所圈出的范围内；
(b)将含有2-甲基戊二腈、烷基胺水溶液和氢的一股或多股反应物流加入到反应容器中；
(c)将反应混合物在高于约27bar(400psi)的氢气压力下加热到高于大约150℃的温度；以及
(d)从含有1，3-和1，5-烷基甲基哌啶酮-2的反应混合物中取出产物，同时继续向反应容器中加入步骤(b)的反应物物流，使得均化溶剂、烷基胺水溶液和2-甲基戊二腈在液体单相反应混合物总重量中的重量百分数仍然在图1的直线AB、BC和AC所圈出的范围内。本发明方法对形成1，5-二(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷的选择性小于8％。
均化溶剂可以是在反应环境下是非活性的任何溶剂，它与水可混溶，且烷基胺和2-甲基戊二腈在其中可以溶解到图1所要求的限度。
本发明的方法也可以按间歇的方式进行。
因为间歇方式在高于大约27bar(400psi)的压力和高于大约150℃的温度下进行，本发明的方法提供了改善了的对产物1-烷基-3-甲基哌啶酮-2和1-烷基-5-甲基哌啶酮-2的选择性。本发明的改进包括将单相的2-甲基戊二腈、烷基伯胺水溶液和均化溶剂的液体混合物与加氢催化剂混合，使得这些组分中每一个的浓度作为全部液相的重量百分数均落在图1中被直线AB、BC和AC所圈出的区域内。
本方法的优选烷基伯胺是甲胺、优选的产物是1，3-二甲基哌啶酮-2和1，5-二甲基哌啶酮-2。
附图简述
图1表示了液体反应混合物的单相区，即被直线AB、BC和AC所圈出的区域，以及按照本发明的2-甲基戊二腈、烷基伯胺水溶液和均化溶剂用在单相液体反应混合物总重量中的重量百分数表示的浓度。
图2表示了在连续搅拌槽(CSTR)和连续滴流床中，操作200小时以上，在甲基戊二腈转化率90％时的对1，5-二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷的选择性。
详细说明
正如在本文中所使用的，选择性一词表示在产品物流中，特定产物的重量除以全部产物的总重量。
属于Kosak的美国专利5,449,780叙述了将2-甲基戊二腈加氢成为1，3-和1，5-二烷基哌啶酮-2的间歇方法。在此专利的方法中，反应混合物，即2-甲基戊二腈、水、烷基胺和加氢催化剂被加到一个反应器中。然后用氢吹扫反应器并加压，加热到适当的反应条件。
众所周知，在Kosak的反应条件下，液相反应物以及溶解的副产物氨，在大部分反应过程中，基本上保留在分离的两个相中。在胺的水溶液中，2-甲基戊二腈只具有有限的溶解度，胺的浓度主要分布在水相中。因此，在Kosak的反应系统中，存在有固体的催化剂相、气相和两个液相。Kosak方法对于形成高沸点的副产物也具有高选择性，特别是有利于形成1，5-二(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷。在甲胺和2-甲基戊二腈的反应中，Kosak方法对1，5-二(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷的选择性为12-40％。在提纯过程中，此副产物(以及当用比甲胺更高级的胺合成时，相应的类似结构的高级烷基副产物)在制造提纯的产物时会引起严重的问题。在精馏的条件下，1，5-二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷(以及在按照Kosak的方法合成1-烷基-3-甲基哌啶酮-2或1-烷基-5-甲基哌啶酮-2时形成的相应的高级烷基化合物)会按照下面的反应进行环化：1，5-二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷 1，3-二甲基戊二酰亚胺
在本发明的连续液体单相方法中，按照图1，连续排出产物和连续加入反应物结合在一起，这使得反应在单相液体中发生，导致对高沸点副产物，特别是1，5-二(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷的选择性很低。就平衡和动力学考虑而言，此单相反应似乎比先有技术更有利。
本发明通过在反应物与催化剂的混合物中加入均化溶剂来实现液体单相反应。在整个反应的过程中，本方法连续地保持在单相区内—即在图1中A、B和C三个点连线所包围的区域内烷基胺水溶液、均化溶剂和2-甲基戊二腈的浓度(表示为液相反应混合物总重量的百分数)。
均化溶剂可以是在反应环境下非活性的任何溶剂，它与水混溶，烷基胺和2-甲基戊二腈可以在其中溶解到图1所要求的限度。优选的溶剂是二氧杂环己烷、N-甲基吡咯烷酮、1，3-或1，5-烷基甲基哌啶酮-2或1，3-和1，5-烷基甲基哌啶酮-2的混合物，或者其它的具有所需的水混溶性和对烷基胺及2-甲基戊二腈溶解度的N-甲基或N-高级烷基内酰胺。特别是1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2的混合物，或者N-甲基吡咯烷酮是优选的均化溶剂。
在本发明方法中，优选产物1，3-和1，5-烷基甲基哌啶酮-2可以在其中溶解的均化溶剂，但是只要产物1，3-和1，5-烷基甲基哌啶酮-2可以作为连续的均匀的产品物流排出，就不要求这一点。
在本连续方法中，可以通过调节反应物的加料(烷基胺水溶液和2-甲基戊二腈)和产物的取出的比例处在图1所决定的单相混合物区当中，来满足图1的浓度限制。比如按照如图1所示的本发明，当2-甲基戊二腈的浓度是25％(重量)时，则烷基胺水溶液的浓度必须是40％(重量)，而均化溶剂的浓度必须是35％(重量)。图1还指出，在2-甲基戊二腈的浓度很低，或者水的浓度很高的情况下，均化溶剂的浓度可以是0。
在水溶液中烷基伯胺的浓度可以是在反应条件下完全水溶的烷基胺的任何浓度。此数值将随着用作反应物的特定烷基胺的种类而变化。对于甲胺，该浓度一般优选为40％(重量)，这接近于在室温和正常压力下甲胺在水中的溶解度，但是按照所允许的温度和压力条件，此浓度可以更低或者稍高。
在反应混合物中存在均化溶剂比简单地将以前所知的间歇方法转变为连续方法具有更多的优点。本发明人还发现，通过加入均化溶剂加氢反应以稍微更快的速率进行，同时1，3-和1，5-烷基甲基哌啶酮-2的选择性也意外地增大，形成的高沸点副产物，特别是1，5-二(烷基酰胺基)-3-甲基戊烷则减少。与先有技术相比，本发明可为更有利的产品结构创造条件。本发明的有利的选择性与该方法是间歇还是连续进行无关。此选择性也与用于进行本方法的连续反应器的种类无关。
通常的商品加氢催化剂可以用于本发明的方法。载于基底，比如石墨、碳、氧化铝、碳酸锶或碳酸钙、二氧化硅、硅藻土、二氧化钛或氧化锆等之上的第VIII族金属就是这样的催化剂。钯是优选的第VIII族金属催化剂。使用的催化剂的数量将随着使用的特定的催化金属、基底上金属的浓度、反应器的类型和反应条件而变化。
可以与催化剂一起使用促进剂，比如铂、铼、锡和钌或它们的混合物。促进剂的浓度可以是在催化剂上面金属重量的约0.5-约5％。
优选在高于大约150℃的温度下和在高于大约27bar(400psi)的压力下实施此方法。
反应器中的氢至少应该是等化学当量的。等化学当量意味着氢的数量至少足够将腈转化为烷基胺和氨。
按照本发明的连续方法可以在连续的固定床反应器、连续搅拌槽式反应器中，在泡罩塔或外环式反应器中实施。
实施例
实施例1
本实施例表示按照本发明将2-甲基戊二腈用连续式固定床加氢成为1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2。
将18.3g(60mL)4×6目颗粒度的2％(重量)碳载钯加氢催化剂加到36英寸(91.4cm)×0.75英寸(1.9cm)直径的Hastelloy C油夹套滴流床连续操作反应器中。加氢产物循环流(产物1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2、其它的有机物、烷基伯胺水溶液和胺)被用作此方法的溶剂稀释剂。在180℃和34bar的氢气压力下，在加氢催化剂上以100mL/h的速度开始循环含40％(重量)胺的甲胺水溶液。
两股料流同时加入到反应器中。一股料流是2-甲基戊二腈(99.5％重量，购自Wilmington，DE的Du Pont公司)，另一股是40％(重量)的甲胺水溶液。2-甲基戊二腈的进料速度是7.4mL/hr，胺水溶液的速度是8.2mL/hr。循环比是6.4∶1。使用的氢的流速是498mL/min。烷基伯胺、2-甲基戊二腈和1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2在均化溶剂中的浓度均符合图1所要求的百分比。
以15mL/min的速度从反应器混合物中除去产物物流，送入一个2L的不锈钢分离器中，保持在0.34bar(5psi)的压力，使得从产品中分离出氢和氨。从产品中分离的氢和氨被排到氮气排出吹扫气流中。取出产品和加入反应物的速度使得含均化溶剂的烷基伯胺水溶液、2-甲基戊二腈和1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2的浓度仍然符合图1所要求的重量百分比。
在24小时后达到稳定态操作。
连续操作45小时以后，对产物进行气相色谱分析表明，2-甲基戊二腈的转化率为95％。对1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2的选择性为68％。对1，3-二甲基哌啶、1，5二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷、3-和5-甲基哌啶酮-2和其它高沸点物的副产物选择性分别为12％、1％、2.2％和11％。
实施例2
本实施例表明按照本发明将2-甲基戊二腈经连续搅拌槽反应器加氢成为1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2。
将100mL40％(重量)的甲胺溶液和湿重3g(50％重量)在碳粉上载有5％(重量)钯的催化剂加入到300mL不锈钢高压釜中。该高压釜装有磁性搅拌器、冷却盘管、温度计和排出产物的浸渍管。在向高压釜加料以后，密封反应器，并用氢气吹扫3次。
将经过密封和吹扫的高压釜加热到180℃，用氢气加压到34bar。开始以1000rpm的转速搅拌。
将99.5％的2-甲基戊二腈(购自Wilmington，DE的Du Pont公司)以10mL/小时的速度加入到高压釜中，而第二股料流40％的甲胺水溶液以8.8mL/小时的速度加入到高压釜中。保持时间是5小时。氢气的流量是250mL/min。
以17.6mL/hr的速度取出产物料流，如实施例1所述送入到一个2L的不锈钢罐中。和在实施例1中一样，在初始反应混合物中含均化溶剂的烷基伯胺水溶液、2-甲基戊二腈和1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2的浓度符合图1所要求的重量百分比。
40小时以后达到操作稳定态。
反应进行161小时以后取出产物，高压釜的压力升至54.4bar(800psi)。
和实施例1一样，当取出产物时，取出产品和加入反应物的速度保持平衡，使得含均化溶剂的烷基伯胺水溶液、2-甲基戊二腈和1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2的浓度仍然符合图1所要求的重量百分比。
连续操作304小时以后，对产物进行气相色谱分析表明，2-甲基戊二腈的转化率为92％。对1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2的选择性为68.7％。对1，3-二甲基哌啶、1，5二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷、3-和5-甲基哌啶酮-2和其它高沸点物的副产物选择性分别为9.5％、3.5％、9.0％和13.3％。
实施例3
本实施例表明使用N-甲基吡咯烷酮均化溶剂，将2-甲基戊二腈间歇加氢成为1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2。
在一个300mL的不锈钢高压釜中加入38g2-甲基戊二腈、49mL40％的甲胺水溶液、2.3g水、60g N-甲基吡咯烷酮和1.5g的5％碳载钯(基于2-甲基戊二腈加入4.0％的催化剂)。
本混合物形成了三组分的均相溶液。
闭合反应器，并用氮气和氢气吹扫2次，然后在室温下用氢加压到100psig的压力。
将反应物加热到180℃，用氢气加压到34bar(500psig)d。以1100rpm的转速搅拌。
用与记录仪相连的传感器监测氢气的吸收。该还原反应需要120分钟。在此之后再也观察不到氢气的吸收。
对反应物进行的气相色谱分析表明，2-甲基戊二腈已经完全转化。对1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2的选择性为56.7％。对1，3-二甲基哌啶、1，5二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷、3-和5-甲基哌啶酮-2和其它高沸点物副产物选择性分别为7％、2.4％、1.7％和29.9％。
实施例4
本实施例表明在不使用均化溶剂的情况下，将2-甲基戊二腈间歇加氢成为1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2。
在一个装有搅拌器的300mL的不锈钢高压釜中加入60g2-甲基戊二腈、80.3mL37.8％的甲胺水溶液和4.8g的5％碳载钯(基于2-甲基戊二腈加入4.0％的催化剂)。
本混合物形成了两相分离的液体。
闭合反应器，并用氮气和氢气吹扫2次，然后在室温下用氢加压到100psig的压力。将反应物加热到180℃，用氢气加压到34bar(500psig)。以1100rpm的转速搅拌。用与记录仪相连的传感器监测氢气的吸收。
该还原反应需要240分钟。在此之后再也观察不到氢气的吸收。
对反应物进行的气相色谱分析表明，2-甲基戊二腈已经完全转化。对1，3-和1，5-二甲基哌啶酮-2的选择性为43.5％。对1，3-二甲基哌啶、1，5二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷、3-和5-甲基哌啶酮-2和其它高沸点物副产物选择性分别为1.0％、42.1％、2.0％和15％。
下面的表1表明先有技术和本发明选择性的比较。反应条件显示在该表中。本发明的反应条件显示在项目9-12中。
表1催化剂 ％(重量) 温度 压力 溶剂 分子量 DPMD 序号 ℃ psig 172 选择性％
选择性％5％Pd/C 4.0 180 500 无 32.1 53.4 15％Pd/C 0.5 180 500 无 42.1 43.5 24.5％Pd/0.5Pt/C 3.2 200 800 无 31.8 43.6 35％Pd/C 2.8 180 800 无 17.0 55.5 45％Pd/C 2.0 180 1500 无 30.5 52.7 55％Pd/C 4.0 180 1000 无 26.9 57.3 65％Pd/C 4.0 180 2000 无 20.2 54.6 74.5％Pd/0.5Pt/C 6.4 200 800 无 33.5 49.6 85％Pd/C 3.2 180 500 NMP 1.5 54.7 94.5％Pd/0.5Pt/C 4.3 190 500 NMP 7.5 69.6 104.5％Pd/0.5Pt/C 4.7 200 800 NMP 4.8 53.4 114.5％Pd/0.5Pt/C 3.2 200 800 NMP 6.7 58.5 12
在此表中：
甲基戊二腈的转化率＞95％，NMP表示N-甲基吡咯烷酮；DMPD表示二甲基哌啶酮-2；分子量172表示副产物1，5-二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷，因为这是该副产物的分子量。
图2表示在连续搅拌槽(CSTR)和连续滴流床，操作200小时以上，在甲基戊二腈的转化率为90％时，1，5-二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷的选择性。与不需要均化溶剂的先有技术的间歇方法相比，作为本发明方法的连续方法，对于1，5-二(甲基酰胺基)-3-甲基戊烷的选择性是低的。