吡啶/甲基吡啶的制备方法 本发明涉及制备吡啶和/或甲基吡啶的方法。
吡啶在诸如除草剂和杀虫剂的农用化学品以及药物的生产中是一种重要的中间体，其在聚合物和纺织工业中还用作溶剂。吡啶的重要衍生物包括例如烟酸和烟酰胺(人类健康所需的基本维生素)、扑尔敏(抗组胺药)、十六烷基吡啶律(杀菌剂和抗菌剂)、异烟肼(重要的抗结核药)和百草枯(除草剂)。
在环结构上连接一个甲基的吡啶称为甲基吡啶，包括2-或α-甲基吡啶、3-或β-甲基吡啶和4-或γ-甲基吡啶。
吡啶和甲基吡啶可作为煤焦油工业或焦炭生产的副产物获得。但是发现在煤焦油中仅有少量的吡啶，优选获得吡啶的方法是通过化学合成。化学合成一般借助于氨(或胺)和诸如醛或酮的羰基化合物之间的催化气相反应(缩合)。但是，这些化学合成方法长期受到低产率和差选择性、操作周期和催化剂寿命短的缺陷的困扰。
术语“基本合成”(base synthesis)是已知的并在吡啶化学的领域用于指通过醛和/或酮与氨在气相使用多相催化剂反应制备吡啶的碱类和其烷基化衍生物地合成方法。例如，在350-550℃，在多相催化剂存在下，乙醛和氨反应生成2-和4-甲基吡啶(α-和γ-甲基吡啶)。作为另一个例子，乙醛和甲醛可与氨反应生成吡啶和3-甲基吡啶。在例如Feitler的美国专利4675410和Chang等人的美国专利4220783中描述了这类吡啶合成方法。
已经在含有各种促进剂的无定形的二氧化硅-氧化铝复合材料存在下进行乙醛或其它此类低分子量的醛与氨在没有或有甲醇和/或甲醛存在下的反应生成吡啶和其烷基衍生物。参见例如美国专利2807618和3946020。使用后者催化剂，所需产物的产率很低。如“催化工艺的进展(Advances in Catalysis)，”18：344(1968)报道，通过将气相乙醛和氨通过结晶硅铝酸盐NaX和H-丝光沸石还合成了烷基吡啶。使用这些物质作为催化剂时起始转化率很高，但是由于结焦催化剂迅速失活，由于催化剂稳定性差，在商业上是无吸引力的反应体系。
已经发现具有通过沸石约束指数(Constraint Index)测定的1-12之间的中间小孔尺寸的合成晶体沸石，例如ZSM-5，提供了可用于工业化的产率和产品选择性。美国专利4220783是这项发现的先驱，提出将氨和羰基反应物在有效的条件下、在一种含有晶体硅铝酸盐沸石的催化剂存在下反应，羰基反应物是含有2-4个碳原子的醛、含有3-5个碳原子的酮或醛和/或酮的混合物，晶体硅铝酸盐沸石已经用镉进行了离子交换，并且其二氧化硅与氧化铝之比至少12，约束指数在1-12范围内。
美国专利4675410教导了将ZSM-5催化剂成分用于流化床或其它移动床反应器。美国专利4886179教导了通过氨和羰基化合物、优选与加入的氢在含有晶体硅铝酸盐沸石的催化剂上反应合成吡啶，晶体硅铝酸盐沸石已经用元素周期表第8族的金属进行了离子交换。晶体硅铝酸盐沸石的二氧化硅对氧化铝的摩尔比为至少15，优选30-200，约束指数为4-12，例如ZSM-5，该方法高产率并选择性地得到吡啶。
美国专利5013843指出，在大规模的连续工艺中，在所用醛和/或酮的二元混合物中加入第三种醛或酮，制备吡啶和烷基取代的吡啶的混合物。在一个优选的体系中，将丙醛加入乙醛和甲醛的二元混合物中，制备β-吡啶和吡啶。该方法的催化剂是约束指数1-12的酸性晶体硅铝酸盐沸石，例如ZSM-5。
但是，尽管近来有所改进，现有的用于制备吡啶和甲基吡啶的方法受到了对所需的吡啶和烷基吡啶的选择性差这一缺点的困扰，而使该方法的工业前景不容乐观。因此，本发明的目的是提供一种改进的吡啶和甲基吡啶合成方法，其中，能够以从费用和时间方面都经济有效的方法达到所需产物的高产率和高纯度。
因此，本发明涉及一种制备吡啶或甲基吡啶化合物的方法，包括：(a)在分子筛催化剂的存在下，含有氨和至少一种C1-5羰基反应物的反应物流进行反应，制备含有吡啶或甲基吡啶产物和多烷基吡啶的第一产物流；(b)从第一产物流分离含有吡啶或甲基吡啶的产物馏分和含有多烷基吡啶的多烷基吡啶馏分；和(c)使多烷基吡啶馏分与分子筛催化剂接触，生成含有吡啶或甲基吡啶产物的第二产物流。
本发明的方法基本上降低了多烷基吡啶或更高分子量的芳族烃成分的净生成，提高了所需吡啶和甲基吡啶产物的产率。优选在产物馏分和第二产物流中一共含有的多烷基吡啶和更高分子量芳族成分的净含量小于总产物产量的5重量％，更优选小于2重量％。
任选地，转化步骤(c)包括将多烷基吡啶馏分循环到用于反应步骤(a)所用的催化剂上，从而接触步骤(c)在与反应步骤(a)相同的反应条件下进行。
本发明提供一种“基本合成”途径制备吡啶或烷基吡啶衍生物，其中羰基化合物开始与氨在气相使用多相分子筛催化剂进行反应。将基本合成反应的产物分成吡啶和/或甲基吡啶馏分和多烷基吡啶馏分，吡啶和/或甲基吡啶馏分被回收，多烷基吡啶馏分与分子筛催化剂接触制备另外的吡啶和/或甲基吡啶产物。
用于该基本合成反应的羰基反应物是含1-5个碳原子和至少一个羰基部分的烃化合物。进行在此所述的催化反应的羰基反应物可以是甲醛、有2-4个碳原子的醛、有3-5个碳原子的酮或其混合物。典型的反应物醛包括乙醛、丙醛、丙烯醛、丁醛和巴豆醛。典型的反应物酮包括丙酮、甲乙酮、二乙酮和甲基丙基酮。羰基反应物可作为水溶液存在，例如福尔马林，其为甲醛在水中的溶液，使用了少量的甲醇帮助溶解。羰基反应物可含有两种或多种羰基化合物的混合物。如果使用混合物，每种羰基化合物在混合物中的组分优选以和其它羰基组分相关的预定的量存在。例如，当至少一种羰基反应物是甲醛和乙醛的混合物时，两种组分优选以0.2至1.0、更优选0.4至0.8的甲醛/乙醛的摩尔比存在。或者，乙醛和丙烯醛混合物一般具有0.7至1.25的乙醛/丙烯酸摩尔比。其它羰基反应物的混合物可类似地配制以选择性地控制基本合成的产物。优选羰基反应物含有甲醛和乙醛的混合物，基本合成反应的第一产物为吡啶和β-甲基吡啶。
在所使用的反应混合物中氨对羰基反应物的摩尔比(NH3/CO)一般为0.5-30，优选0.5-10，更优选1-5。
如果需要，在反应中可例如以O(不加入氢气)至H2/羰基反应物(H2/CO)摩尔比5.0的比例加入氢气(H2)，优选0.1至1.0。
进行氨和至少一种羰基化合物之间的基本合成反应的反应条件包括：(a)温度285-600℃，优选340-550℃；(b)压力20-2000kPa(0.2-20大气压)，优选80-1000kPa(0.8-10大气压)；和(c)气时空速(GHSV)200-20000小时-1，优选300-5000小时-1。
基本合成反应结束，以任何适宜的方式将回收的产物分离成所需的成分，例如通过分馏，回收含有吡啶和/或一种或多种甲基吡啶化合物的产物。本发明方法选择性制备的甲基吡啶化合物中，3-甲基吡啶是生产3-吡啶羧酸，即，烟酸，和其它药物、农药和化学产品的重要中间体。通过转化3-甲基吡啶产物并将回收的3-甲基吡啶与诸如KMnO4的氧化剂接触，本发明的方法可进一步改进以适应3-吡啶羧酸的合成。
与传统的方法相比，本发明方法的优点是基本上降低了多烷基吡啶和/或其它较高分子量的芳族化合物类的形成，同时增加了所需的吡啶或甲基吡啶产物的产率。这通过使多烷基吡啶副产物在第二反应中与分子筛催化剂接触得以实现。“多烷基吡啶副产物”指在环结构上连接了两个或多个烷基的吡啶衍生物。这类化合物是例如二甲基吡啶和三甲基吡啶。在传统的单步骤反应中，这些多烷基吡啶副产物以及其它较高分子量的芳族化合物(诸如烷基化的多环芳族结构)以至多20重量％或更高的量生成，这使得这类方法效率很低。相反，已经发现本发明的方法将多烷基吡啶和较高分子量的芳族化合物的总生成量降低到小于5重量％，常小于2重量％，通常小于1重量％。
第二反应将多烷基吡啶馏分中的多烷基吡啶或其它较高分子量的芳族化合物转化成富含吡啶或甲基吡啶产物的第二产物。用于第二反应的催化剂和转化条件可与第一反应所用的相同或不同，尽管第二反应的转化条件一般在近似相同于为基本合成反应所规定采用的那些范围内。优选在相同的反应器中，使用与基本合成反应相同的催化剂，通过将部分或全部多烷基吡啶馏分循环回第一反应器来进行第二反应。催化剂体系
基本合成反应和多烷基吡啶转化反应在分子筛催化剂上进行。优选的分子筛催化剂是那些具有约束指数为1-12的中间孔尺寸的。美国专利4016218描述了约束指数和其确定方法。适合的中间孔尺寸的分子筛的例子包括ZSM-5(美国专利3702886和Re29948)；ZSM-11(美国专利3709979)；ZSM-12(美国专利3832449)；ZSM-22(美国专利4556447)；ZSM-23(美国专利4076842)；ZSM-35(美国专利4016245)；ZSM-48(美国专利4397827)；ZSM-57(美国专利4046685)；和ZSM-58(美国专利4417780)。
其它有用的催化剂材料包括MCM-22(美国专利4954325)、MCM-36(美国专利5250277)、MCM-49(美国专利5236575)和MCM-56(美国专利5362697)。SAPO-5、SAPO-11、沸石X，沸石Y和沸石β也可例举为可根据本发明使用的分子筛材料。
可与分子筛复合的天然存在的粘土包括那些蒙脱石和高岭土类，其中包括亚膨润土和通常称为Dixie、McNamee、Georgia和Florida粘土的高岭土，或那些主要矿物成分是埃洛石、高岭石、地开石、珍珠陶土或蠕陶土的其它类。适合的粘土材料例如包括膨润土和硅藻土。这类粘土可以原始开采的未加工的状态使用，或在开始进行煅烧、酸处理或化学改性。
适合的晶体分子筛对催化剂和粘合剂或载体的总组成的相对比例可以为成分的1-99重量％，优选30-90重量％，更优选50-80重量％。
可将氢化-脱氢功能的金属掺合到本发明的催化剂中。基于改性的催化剂的总重量计，功能金属的量适宜在0.001-10重量％，优选0.05-5重量％，更优选0.1-2重量％。适合的氢化-脱氢金属的例子包括第8、9和10族的金属(即，Pt,Pd,Ir,Rh,Os,Ru,Ni,Co和Fe)、第7族金属(即，Mn,Tc和Re)、第6族金属(即，Cr,Mo和W)、第15族金属(即，Sb和Bi)、第14族金属〔即，Sn和Pb)、第13族金属(即，Ga和In)、第11族金属(即，Cu，Ag和Au)和第12族金属(即，Zn,Cd和Hg)。贵金属(即，Pt,Pd,Ir,Rh,Os,Re,Ru,Mo和W)是优选的。
实施例1
使用在二氧化硅-氧化铝-粘土基质中喷雾干燥的40％HZSM-5沸石催化剂进行制备吡啶和甲基吡啶产物的基本合成反应。在一般的过程中，将5-10mL20/40目催化剂置于石英反应器中，在氮气吹洗下加热到440-454℃(825-850°F)。原料含有如下摩尔比的乙醛、甲醛、氨和氢气：乙醛=1.4；甲醛=1.0；氨=3.6；氢气=1.6。原料以580小时-1的GHSV(NH3)通过催化剂，用气相色谱(GC)分析流出物，用喹啉作为内标。用Karl-Fischer滴定法确定产品中的水含量。该反应的各种产物的产率见表1。
实施例2
蒸馏并收集实施例1所述反应排出物中的吡啶和甲基吡啶产物，除去水层。较重的含N成分循环回到反应器。为了提高多甲基吡啶的转化率，加入额外的催化剂。这样反应的各种产物的产率见表1。
表1
实施例1(无循环) 实施例2(有循环)温度(℃) 440 440催化剂装料(mL) 5.0 7.0运行时间(分钟) 120 120乙醛转化率(％) 85.9 86甲醛转化率(％) 79.1 80N-产物1产率(％) 43.1 43选择性(％)吡啶 38.7 50甲基吡啶 22.1 30多烷基吡啶 18.1 ＜1较高MW产物、焦油 21.1 20等
1wt含氮产物/wt醛原料
表1清楚地说明，与现有技术的单程工艺(实施例1)相比，本发明的方法(实施例2)可基本上提高对吡啶和甲基吡啶的工艺选择性。基本上降低多烷基吡啶副产物的产率，从18.1％降低到小于1％。注意到，为了比较，每个实施例的乙醛转化率通过提高向反应器中催化剂的装料来实现。因此，以给定量的原料制备吡啶和甲基吡啶产物的总产率为基础，本发明的方法实现了效率上的实际提高。