一种一锅法液相合成喹啉及其衍生物的方法 (一)技术领域
本发明涉及一种用于硝基苯和脂肪醇一锅法液相合成喹啉及其衍生物的方法。
(二)背景技术
喹啉及其衍生物是重要的化工原料，在医药、染料、农药和化学助剂等方面有着广泛的应用。喹啉及其衍生物可以合成染料黄3、直接黄22、溶剂黄33和喹啉类花青染料以及氨基喹啉等重要染料；喹啉氧化得到烟酸是一种重要的中间体，在合成药物和食品添加剂中有重要应用。喹啉及其衍生物还是重要的分析化学试剂、缓蚀剂、溶剂和萃取剂等。目前，喹啉及其衍生物主要从煤焦油提取法或化学法合成。
煤焦油提取法不但大量使用硫酸和氢氧化钠等无机酸碱物质，造成设备的腐蚀和产生大量的酸性和碱性废水污染环境，而且工艺复杂、对设备要求高等。因此，人们一直在试图通过化学合成路线替代煤焦油提取法生产喹啉类化合物。
化学合成法主要有Skraup法、Mille法、Gould-Jacobs法、Knorr法、Beyer法、Conrad-Limpach法、法、Combes法和Pfitzinger法等。其中，最有代表性的工业合成方法是Skraup法(Zdenko H S.Ber.Dtsch.Chem.Ges.，1880，13：2086)。该方法将苯胺(氨基的两个邻位至少有一个不含取代基)和甘油在硫酸存在的条件下和氧化剂(如硝基苯或胂酸)的作用下发生环缩合反应合成喹啉类化合物。利用不同的芳胺化合物和α，β-不饱和羰基化合物，就能够合成出含不同取代基的喹啉类化合物和含喹啉环结构的稠环化合物。但是，Skraup法合成喹啉类化合物的反应过程非常剧烈，因此，反应过程中必须通过控制硫酸和甘油的添加速率来控制反应温度。由于这个原因，Skraup法适宜在小规模的间歇反应器中进行，如果大规模生产则存在生产安全问题等。Skraup法的优点是在优化的反应条件下，可以得到较高的喹啉类衍生物的收率，如8-甲基喹啉的收率可以达到90％。但是，Skraup法最大的缺点还在于该过程由于大量使用硫酸产生了大量的副产物硫酸钠(中和产物中的硫酸产生的)，硫酸钠的质量是喹啉类化合物质量的3-6倍。Mille法(Oscar D，Wilhelm von M.Ber.Dtsch.Chem.Ges.，1881，14：2816)是使用苯胺与乙醛(摩尔比1∶2)在盐酸或氯化锌存在下，发生反应生成喹啉；当不使用氧化剂时，生成产物为2-甲基喹啉。如果使用两个不同结构醛的混合物或用等摩尔的醛酮混合物来代替单一醛，则可以得到其他不同取代的喹啉类物质。Combes法(Bergstrom F W，Chem.Rev.，1944，35，156)是将芳胺与β-二羰基化合物在酸性条件下进行缩合，可以得到喹啉环结构；若β-二羰基化合物是β-酮酸酯，则反应称为Conrad-Limpach反应，能得到2-和4-羟基喹啉。合成法(Paul F.Ber.Dtsch.Chem.Ges.，1882，15(1)：2572)是以邻氨基苯甲醛或酮和一个含有亚甲基酮结构单元的化合物，在酸或碱催化下反应生成喹啉类物质。同样，变换反应物原料种类，亦可得到不同的产物。Pfitzinger合成法(Pfitzinger W.J.Prakt.Chem.，1886，33：100)是指吲哚满二酮在碱性条件下与甲基或亚甲基酮生成喹啉的反应。Watanabe等人(Yoshihisa W，Naoki S，Yasushi T，Sang C S.Bull.Chem.Soc.Jpn.，1982，55(4)：1116和Yoshihisa W，Yasushi T，Jun S.Bull.Soc.Chem.Jpn.，1984，57(2)：435)以邻硝基苯甲醛和乙醛或乙酮为原料，在KOH存在的条件下，室温反应3-23h，可以得到收率在33-55％的喹啉类物质。之后他们又提出了以Rh、Pd的盐类化合物(如[Rh2Cl2(nbd)2]、[RhCl2(cod)2，PdCl2])为催化剂，在CO和H2O存在下由芳香硝基化合物和脂肪醛合成了N-烷基化物和喹啉，其最高收率达到60％。此外，他们又以Ru的化合物(如[RuCl2(PPh3)3])为催化剂，在180℃下反应5h，由苯胺和醇得到喹啉类物质的收率为31-56％。同样，在过渡金属络合物催化剂[Rh2Cl2(nbd)2]、[RhCl2(cod)2，PdCl2]、[RuCl2(PPh3)3]作用下，以芳香硝基化合物和醇为原料，在180℃下反应也可得到总收率在32-78％的喹啉类物质。但是，这种方法使用了过渡金属络合物均相催化剂制备喹啉类化合物，催化剂分离和回收十分困难、生产成本高。尽管上述化学合成方法比煤焦油提取法有较大的改善，但还是使用了一定量的无机酸或碱。
为了防止喹啉类化合物合成中使用无机酸碱，Sang Chul Shim等(Chan S C，Byoung H O，Joon S K.Chem.Commun.，2000：1885)提出采用RuCl3·nH2O和SnCl2·2H2O为催化剂，苯胺和不同的三烃基胺在180℃下反应20h，可得到收率40-86％的喹啉类物质。Chae S.Yi(Chae S Y，Sang Y Y.Org.Lett.，2005，7(11)：2181)又发现在[(PCy3)2(CO)(Cl)Rud CHCHdC(CH3)2]+BF4-催化作用下，苯胺和乙烯反应可以生成N-乙基苯胺和2-甲基喹啉。具体是在上述催化剂和苯(2-5mL)存在条件下，将0.65mmol苯胺和7mmol乙烯在80℃下反应48h，得到1∶1的N-乙基苯胺和2-甲基喹啉，总收率为71％。但是由于使用的是均相催化剂，所以存在着催化剂与产物等分离困难问题。
1970年H.J.Uebel等人(Uebel H J，Moll K K，M.J.Prakt.Chem.，1970，312：263)提出由芳胺和醛、酮、酯气相法合成喹啉类物质，后由Mcateer等人实现了工业化，并取得世界专利(Mcateer C H，Davis R D，Calvin J R.WO：9703051，1997-1-30)。该方法中典型的反应是：以邻甲苯胺和甲醛、乙醛以及水为原料，以无定形硅铝酸盐和沸石分子筛为催化剂，在450℃下反应合成8-甲基喹啉。M.Campanati等(Campanati M，Savini P，Tagliani A.Catal.Lett.，1997，47：247)将市售K10蒙脱石经300℃锻烧处理后作为催化剂，或以酸处理后的蒙脱石及ZnCl2/K10蒙脱石为催化剂，以2-乙基苯胺和乙二醇为反应物制备2-甲基-8-乙基喹啉，在430℃、3000h-1气体空速条件下获得目标产物收率为41％。B.M.Reddy等人以ZnO-Cr2O3、CuO-ZnO/Al2O3、MoO3-V2O5/Al2O3或NiO-MoO3/Al2O3为催化剂，苯胺和甘油以1∶2摩尔流率进样，在350-450℃和常压下气相法合成了喹啉，在425℃下得到65％的喹啉收率。Bert Sels和Pierre Jacobs等人(Roald B，David G，Frederik V L.J.Catal.，2006，239(1)：362)报道了在H-BEA*和NH4F-BEA*沸石分子筛上，苯胺和乙醛以及水(1∶4∶4)反应生成2-甲基喹啉、4-甲基喹啉和喹啉的反应。在450℃下反应4.5h后，可得到2-甲基喹啉、4-甲基喹啉、喹啉总收率达到最高83％。气相法合成喹啉类化合物解决了使用无机酸碱的污染问题，同时也解决了催化剂和产物分离困难的问题。但是不足之处是将反应物汽化需要消耗能量，且使用的原料仍为苯胺类化合物和醛、酮和酯等化合物。
综上所述，在现有的化学方法合成喹啉及其衍生物的技术中，主要以苯胺和脂肪醛、三烃基胺或烯烃为原料。尽管也有以硝基苯和脂肪醇或醛为原料，但是，这些合成方法通常采用无机酸或过渡金属络合物为催化剂，催化剂的分离和回收困难，且对设备要求高。气相法合成喹啉主要以芳胺和醛、酮、酯为原料，但是气相法存在反应温度高，能耗高的缺点，且不是采用硝基苯为原料的，而是以苯胺为原料。
(三)发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种由芳香族硝基物和脂肪醇在氧化铝负载钯铜催化剂作用下一锅法液相合成喹啉及其衍生物的方法，该方法催化剂与产物分离简单，且可重复使用，催化剂制备过程和贵金属回收容易，降低了生产成本，同时产品质量好、收率较高。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种一锅法液相合成式(II)所示的喹啉及其衍生物的方法，所述方法以式(I)所示的芳香族硝基物和脂肪醇为原料在催化剂作用下反应制得喹啉或其衍生物，所述的脂肪醇选自C2～C5的脂肪醇中的一种或者甲醇与C2～C5的脂肪醇中的一种地混合物，所述催化剂为氧化铝负载钯固体催化剂或者氧化铝负载钯铜固体催化剂；
式(I)或式(II)中，X1、X2、X3和X4各自独立为氢或甲基，R1选自氢、甲基、乙基、丙基或丁基，R2选自氢、甲基、乙基或丙基。所述的芳香族硝基物优选硝基苯、邻硝基甲苯、间硝基甲苯或对硝基甲苯。
本发明所述的催化剂中钯和铜的负载量分别为1～10％和0～10％；优选所述的催化剂为氧化铝负载钯铜固体催化剂，其中钯和铜的负载量分别为1～10％和1～10％，更优选钯和铜的负载量分别为5～10％和2.5～10％，最优选钯和铜的负载量分别为5％。
本发明所述的喹啉及其衍生物的合成方法具体如下：在水溶剂中或无水条件下，芳香族硝基物和脂肪醇在氮气氛中在催化剂的作用下，于压力1.0～4.5MPa、温度140～200℃的反应条件下充分搅拌反应，所得反应液过滤除去催化剂，滤液经后处理得到喹啉或其衍生物，所述的芳香硝基物∶脂肪醇∶水的体积比为1∶3～7.4∶0～2.67。
本发明所述合成方法，一锅法合成了喹啉及其衍生物，所述的一锅法中，包括脂肪醇和芳香硝基物之间的催化转移加氢反应(产生了相应的脂肪醛和相应的芳胺)，两个醛之间的羟醛缩合反应(生成α-β-不饱和醛)和芳胺与α-β-不饱和醛之间的Michael加成反应及环化脱氢反应(生成目标产物喹啉及其衍生物)三步反应。催化剂同时对上述三步反应起作用，是一个固体多功能催化剂，反应体系中的脂肪醇或者脂肪醇和水还作为反应的溶剂。
进一步，本发明所述的催化剂的用量优选为芳香族硝基物投料质量的2.8～8.3％；更优选为3.3～6.7％。
进一步，本发明所述的芳香硝基物∶脂肪醇∶水的体积比优选1∶4～6∶1～2，最优选1∶4∶2。
进一步，本发明所述反应优选在压力2.5～4.0MPa、温度160～200℃的反应条件下进行，更优选反应压力为3.0～3.5MPa，更优选反应温度为180～200℃。
本发明可采用常规方法监控反应的进行，优选反应时间为12～24小时。
本发明所述的滤液的后处理采用常规操作，所得滤液通过减压蒸馏回收过量的脂肪醇和苯胺，即可得到纯度在98.5％以上的喹啉或其衍生物。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)与传统的煤焦油提取法相比，避免了无机酸/碱物质的使用，简化了生产工艺，且可以利用不同原料得到一些煤焦油提取法中无法获得的喹啉类衍生物。
2)与现有的以苯胺和醛或酮为原料化学合成法相比，避免了由芳香族硝基物还原制备芳胺的过程和脂肪醇气相脱氢为醛或酮的过程，而是直接以芳香硝基物和脂肪醇为原料，通过发生催化转移加氢反应同时获得芳胺和醛或酮；而且转移加氢得到的芳胺和醛或酮不需要分离，而是直接在同一个反应器中完成由芳胺与醛或酮生成喹啉及其衍生物。在整个反应过程中，芳香族硝基物和脂肪醇之间的转移加氢反应、两个醛之间的缩合反应，和最终环化并脱氢生成喹啉及其衍生物的反应，都是在同一个固体催化剂作用下，和同一个温度和压力下进行，实现了一条直接以芳香硝基物和脂肪醇为原料，在液相条件下和在固体催化剂作用下的一步合成喹啉及其衍生物。该技术具有操作简便、工艺流程简单、设备投资少和生产操作安全的优点，同时还避免了芳胺污染环境及易于氧化变质和不易储存的缺点，提高了生产效率、降低了生产成本。
3)与现有的气-固两相法生产喹啉及其衍生物的技术相比，本项技术采用液-固两相技术，避免了原料的汽化所带来的能耗、反应温度也明显的降低，且直接以芳香硝基物和脂肪醇为原料。因此，有效的节约了能量，降低了生产成本。
4)与现有的以过渡金属络合物为催化剂的均相催化反应技术相比，本发明提供了一种固体催化剂，实现了一项液-固两相条件下生产喹啉及其衍生物的新技术，便于产物的分离和催化剂的回收，不消耗过渡金属催化剂，因此降低了生产成本，为由芳香硝基物和脂肪醇一锅法合成喹啉及其衍生物的路线从实验室走向工业化提供了可能。
(四)具体实施方式：
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例一
(x wt％)Cu-(y wt％)Pd/Al2O3(x wt％和ywt％分别为Cu和Pd的负载量)催化剂的制备实施过程如下：用去离子水将一定量的载体在70～90℃温度下配置成浆液，然后滴加一定量的H2PdCl4(0.05gPd/ml)和Cu(NO3)2水溶液，保持该温度范围充分搅拌浸渍5h，再用10％NaOH(质量百分比)水溶液调节溶液pH值至8.6～10，继续老化30min，后冷却至室温，过滤，滤饼用去离子水洗涤至中性，并在空气气氛中于110℃下干燥5h，然后在260℃空气氛下焙烧4h，最后在100mL/min氢气流中以1℃/min升至260℃、并在260℃温度下恒温还原2h，最后在氢气气氛中降至室温，即得所述的催化剂。
实施例二至九
实施例二至九考察了反应温度对硝基苯和乙醇合成2-甲基喹啉的反应性能影响。在500mL不锈钢高压反应釜中，加入硝基苯10mL、无水乙醇60mL、水20mL、和实施例一制备的Cu 5％-Pd 5％/Al2O3催化剂0.5g，关闭反应器，用氮气置换出反应器中的空气并保持反应器中的压力，升温至设定的反应温度后，调节反应压力为1.0MPa，开始搅拌(800r/min)，恒温反应一定时间后，停止反应并冷却至室温，取出反应液，过滤除去催化剂，滤液用气相色谱分析。实验结果如表1所示。
表1反应温度对硝基苯和乙醇合成2-甲基喹啉的影响实验结果
实施例十至三十四
实施例十至三十四利用正交实验设计的方法对乙醇、水、催化剂用量和反应压力等影响因素进行了考察。在500mL不锈钢高压反应釜中，加入硝基苯15mL和一定量的无水乙醇、水和和实施例一制备的Cu 5％-Pd 5％/Al2O3催化剂，关闭反应器，用氮气置换出反应器中的空气并保持反应器中的压力，升温至180℃，调节反应压力到所需的值，开始搅拌(800r/min)，恒温反应12h，停止反应并冷却至室温，取出反应液，过滤除去催化剂，滤液用气相色谱分析。实验条件设计及实验结果分别如表2和表3所示。
表2正交实验表L25(54)
表3正交实验结果
实施例三十五至四十六
实施例三十五至四十六考察了按实施例一方法制备的氧化铝负载不同Pd或Cu负载量对硝基苯和乙醇合成2-甲基喹啉的反应性能影响。在500mL不锈钢高压反应釜中，加入硝基苯15mL、无水乙醇60mL、水30mL、x％Cu-y％Pd/Al2O3催化剂1g，关闭反应器，用氮气置换出反应器中的空气并保持反应器中的压力，升温至180℃，调节反应压力为3.5MPa，开始搅拌(800r/min)，恒温反应12h，停止反应并冷却至室温，取出反应液，过滤除去催化剂，滤液用气相色谱分析。实验结果如表4所示。
表4不同金属负载量对反应的影响
实施例四十七至四十九
实施例四十七至四十九为硝基甲苯和乙醇合成喹啉类化合物的反应性能。在500mL不锈钢高压反应釜中，加入硝基甲苯15mL、无水乙醇60mL、水30mL和实施例一制备的Cu5％-Pd 5％/Al2O3催化剂1g，关闭反应器，用氮气置换出反应器中的空气并保持反应器中的压力，升温至180℃，调节反应压力为3.5MPa，开始搅拌(800r/min)，恒温反应一定时间后，停止反应并冷却至室温，取出反应液，过滤除去催化剂，滤液用气相色谱分析。实验结果如表5所示。
表5硝基甲苯与乙醇反应合成喹啉类化合物的实验结果
实施例五十至五十二
实施例五十至五十二为硝基苯分别和正丙醇、正丁醇和正戊醇反应生成喹啉类化合物的实验结果。在500mL不锈钢高压反应釜中，加入硝基苯15mL、一定量的醇、水30mL和实施例一制备的Cu 5％-Pd 5％/Al2O3催化剂1.0g，关闭反应器，用氮气置换出反应器中的空气并保持反应器中的压力，升温至180℃，调节反应压力为3.5MPa，开始搅拌(800r/min)，恒温反应24h，停止反应并冷却至室温，取出反应液，过滤除去催化剂，滤液用气相色谱分析。硝基苯转化率100％，产物选择性实验结果如表6所示。
表6硝基苯分别和正丙醇、正丁醇和正戊醇反应生成喹啉类化合物的实验结果
实施例五十三至六十
实施例五十三至六十为甲醇与乙醇、正丙醇、正丁醇、正戊醇的混合醇与硝基苯反应合成喹啉类化合物的实验结果。在500mL不锈钢高压反应釜中，加入硝基苯15mL、一定量的甲醇、一定量的乙醇、正丙醇、正丁醇或正戊醇、水30mL和实施例一制备的Cu 5％-Pd5％/Al2O3催化剂1.0g，关闭反应器，用氮气置换出反应器中的空气并保持反应器中的压力，升温至180℃，调节反应压力为3.5MPa，开始搅拌(800r/min)，恒温反应22h，停止反应并冷却至室温，取出反应液，过滤除去催化剂，滤液用气相色谱分析，硝基苯转化率100％，产物选择性实验结果如表7所示。
表7硝基苯和含甲醇的混合醇反应生成喹啉类化合物的实验结果
实施例六十一
在10L不锈钢高压反应釜中，加入硝基苯825mL、无水乙醇3300mL、水1650mL和实施例一制备的Cu 5％-Pd 5％/Al2O3催化剂55g，关闭反应器，用氮气置换出反应器中的空气并保持反应器中的压力，升温至180℃，调节反应压力为3.5MPa，开始搅拌(800r/min)，恒温反应19.5h，停止反应并冷却至室温，取出反应液，过滤除去催化剂，滤液用气相色谱分析，2-甲基喹啉选择性63.5％，N-乙基苯胺的选择性0.7％，苯胺选择性27.1％，其它副产物8.7％，硝基苯的转化率100％。