环氧丙烷醚化反应合成丙二醇醚的研究进展
2017-05-02任保增
赵 聪 , 李 涛 , 任保增
(1.郑州大学 化工与能源学院 , 河南 郑州 450001 ; 2.中国科学院过程工程研究所 离子液体与绿色工程研究部 , 北京 100190)
•综述与述评•
环氧丙烷醚化反应合成丙二醇醚的研究进展
赵 聪1,2, 李 涛1, 任保增1
(1.郑州大学 化工与能源学院 , 河南 郑州 450001 ; 2.中国科学院过程工程研究所 离子液体与绿色工程研究部 , 北京 100190)
丙二醇醚类化合物是一种性能优良的环保型高级溶剂,广泛应用于各个化工行业,对丙二醇醚的研究具有重要意义。主要针对环氧丙烷法合成丙二醇醚的工艺、反应机理及催化剂的研究现状进行了论述,并简要介绍了现有生产工艺和催化剂存在的问题,指明了丙二醇醚合成的研究重点和发展方向。
环氧丙烷 ; 醚化反应 ; 丙二醇醚 ; 工艺 ; 催化剂
0 引言
丙二醇醚类化合物是环氧化合物醚化反应的重要工业衍生物之一,主要由环氧化物与低碳醇反应制得,主要包括丙二醇甲醚(PM)、丙二醇乙醚(PE)、丙二醇丁醚(PB)以及它们对应的酯类。由于其结构中具有两个强溶解性功能基团——醚键和羟基,前者具有亲油性,可溶解憎水性化合物;后者具有亲水性,可溶解亲水性化合物,因而具有很强的溶解能力,素有“万能溶剂”之称。
我国目前的醇醚市场活跃,需求量大,其中占主导地位的乙二醇醚年表观需求量能达到16万~18万t,但是乙二醇丁醚也属于偏毒性的产品[1],随着近年来环保政策的日趋严格,越来越多的人关注到可以替代它的环保产品——丙二醇丁醚。与传统的乙二醇醇醚溶剂相比,丙二醇醚的毒性极低,是一种环境友好、性能优良的醇醚类溶剂,其安全性极高,可广泛应用于涂料、油墨、油漆、印刷、电子化学品、染料、净洗、纺织等行业中[2-4]。同时,丙二醇醚也是重要的化工原料中间体,可与醛缩合反应生成醛缩二醇、乙腈化反应生成腈类衍生物、进一步环氧化生成多醚、与羧酸酯化生成羧酸酯衍生物等,通用性强,附加值高,生产开发前景十分广阔。此外,丙二醇醚可将不溶的油品添加剂或稳定剂溶于石油产品中。丙二醇醚类化合物用途广泛,在工业化生产和人们生活中的重要性日益突出。
1 丙二醇醚合成工艺
1.1 丙二醇醚的发展概况
自20世纪30年代二醇醚类产品进入工业化以来,醇醚类产品的需求量不断增长,产能也逐年增加,2011年世界丙二醇醚的产能已达75万t以上[5]。丙二醇醚的消费市场主要分布在美国、西欧、日本和巴西,其中以美国的生产能力和消费量最大。目前世界上丙二醇醚的主要生产商为陶氏化学公司、Lyondell公司、巴斯夫股份公司、BP 化学公司、Shell 化学公司和Arco 化学公司,其中陶氏化学的产能占世界产能的30% 以上[6]。日本生产二元醇醚的厂家中最大的是四日市化学有限公司、日本乳化剂公司、日本触媒公司、协和油化公司、大赛珞化学工业公司和东邦化学工业公司等[7]。
国内自20世纪70年代末才有少量二元醇醚投产,至80年代初才有丙二醇醚进入市场,但是产能很低,不超过1 000 t,主要分布在上海、江苏、山东、辽宁、吉林等地。随着国内支柱行业如汽车等工业的发展,丙二醇醚作为配套的化工产品,需求量急剧增加。扬州华伦股份有限公司、天津亚华溶剂厂、江阴市怡达化工有限公司、江苏天音化工股份有限公司、无锡百川化工股份有限公司、抚顺化工四厂等企业的装置陆续投产,丙二醇醚产能逐年增加,其中丙二醇甲醚的生产占丙二醇醚总产能的70%以上[6]。随着亚洲地区丙二醇醚产能的快速增长,预计亚洲将成为未来世界丙二醇醚产能增加的重要来源。
1.2 丙二醇醚合成的典型生产工艺
丙二醇醚的合成路线主要有:威廉逊合成法、缩乙醛法、烷氧基环氧丙烷法以及环氧丙烷法等[8-10]。环氧丙烷法原子利用率高、操作危险性低,是一种绿色高效的合成方法,也是目前开发和研究最活跃、唯一实现工业化的合成路线。由于环氧丙烷法合成丙二醇醚的反应体系可以分为均相反应体系和非均相反应体系,所以目前环氧丙烷法合成醇醚的工艺也分均相催化工艺和非均相催化工艺两大类。均相催化工艺开发得最早,技术比较成熟,是目前工业上普遍采用的方法。
在国外丙二醇醚合成的工艺主要有美国壳牌公司开发的连续加压均相反应工艺和日本东邦公司开发的单塔连续反应蒸馏工艺。美国壳牌公司的五塔连续塔式反应器分反应和精馏两个工段。反应工段由环氧乙烷与过量的醇以及催化剂相混合进入反应器,反应后经蒸醇蒸醚塔减压蒸出乙二醇醚,其收率72%。东邦单塔连续法反应精馏也可以生产丙二醇醚产品,塔内装有填料,醇与环烷烃逆流反应,醇类由塔顶蒸出,醚类由塔底排出。
国内目前主要以间歇釜式反应器为主,上海造漆厂间歇法生产的丙二醇醚,收率在65%左右,该工艺虽然设备少、投资低、见效快,但其生产能力和单醚收率低。为克服均相催化工艺设备腐蚀严重、难以分离、废料处理困难等问题,上海石化研究院开发了LA-2型固体酸催化连续加压固定床工艺[11]。由于环氧丙烷醚化反应生成丙二醇醚为放热反应,反应过程中热量留在固定床反应器中难以移出,从而造成局部过热,为克服固定床工艺的不足,催化精馏技术作为一种集化学反应和产物分离于一体的新工艺过程被引入到丙二醇醚的合成中。辽宁化工研究院、上海石油化工研究院、华东理工大学、天津大学等也对催化精馏技术合成丙二醇醚进行了一系列研究[12-14]。催化精馏技术既实现了生产过程的连续化,提高了装置的生产能力,又简化了工艺,节约投资,同时也使单醚收率得到提高,是一种先进的生产工艺,如能克服均相催化剂对设备的腐蚀问题,将会大有发展前途。
2 环氧丙烷法合成丙二醇醚的反应机理
环氧丙烷法合成丙二醇醚类化合物即环氧丙烷和低脂肪醇反应,然而,由于环氧丙烷的空间位阻效应,使其在酸和碱催化的条件下开环的位置会有不同,再与醇类发生加成反应,而得到不同的醇醚产物,碱催化生成1-烷氧基-2-丙醇,以及酸催化生成2-烷氧基-1-丙醇[15]。
图1 环氧丙烷与醇反应合成丙二醇醚
酸催化合成丙二醇醚的目标产物选择性并不高,目标产物与其异构体的比例主要取决于酸强度。由于2-烷氧基-1-丙醇的毒性要高于1-烷氧基-2-丙醇,关于碱催化合成丙二醇醚的研究越来越多。而在碱催化中,产物主要为1-烷氧基-2-丙醇。环氧丙烷醚化反应生成丙二醇醚的反应机理依据与催化剂的性质有关,酸碱催化反应的机理如图2所示。
图2 丙二醇醚合成的酸碱催化机理
Knözinger H等[16-18]发现金属氧化物催化合成丙二醇醚经历如下过程:醇吸附在催化中心表面发生去质子化作用,解离生成电子供体烷氧根离子和质子;环氧丙烷吸附在活性中心与碳负离子经过去电子作用形成环氧化物结构的中间体;二者通过加成作用形成目标产物丙二醇丁醚。
图3 MgO催化合成丙二醇醚的机理
环氧化物的开环是环氧丙烷醚化反应生成丙二醇醚的关键步骤,开环作用的位置受取代基伯位上的空间位阻效应和电子释放作用的共同影响[15]:空间位阻效应阻止仲位的亲核攻击作用,电子释放作用促进相应的仲位攻击,形成更加稳定的相应中间体。同时中科院过程所离子液体团队的很多研究者也发现了离子液体对环氧丙烷的开环会有十分显著的作用,阴阳离子的协同催化作用被广泛应用在环氧丙烷与CO2的开环加成中,为开发设计新型的离子液体催化剂,高效地催化环氧丙烷醚化反应生成丙二醇醚提供了重要的方向[19-21]。
3 丙二醇醚合成催化剂
3.1 均相催化剂
3.1.1 均相碱性催化剂
醇钠(钾):传统工业主要采用醇钠(钾)为催化剂均相催化合成丙二醇醚[22-24]。环氧丙烷与低脂肪醇在醇钠的作用下进行管道连续反应生成丙二醇醚,反应温度为100~185 ℃,反应压力为3~4.5 MPa。经过方法的改进,提高了丙二醇醚产物的收率和纯度,并且丙二醇伯醚/丙二醇仲醚(两种异构体)的物质的量比可以高达97∶3。
专利US20090187049A1和WO2009091379A1中提到了醇钠催化合成丙二醇醚的工艺改进。碱(土)金属醇盐经以下步骤催化合成丙二醇单烷基醚:①环氧丙烷与醇进行反应烷氧基化作用在均相体系中形成原料、产物以及催化剂的混合物;②经第一次蒸馏,原料环氧丙烷和醇从塔顶流出,醇醚类物质从塔底流出;③第一个精馏塔的塔底馏出物经二次精馏将丙二醇单烷基醚从塔顶分离出来,重组分的副产品从塔底流出,待进一步精馏分离;所形成的蒸馏残渣主要是腐蚀性的重组分副产物,将碱金属硼氢化物引入该残渣(至少一部分)中,形成含碱金属硼氢化物的馏出物,并把其加入一个或多个二次精馏之后回收的塔顶馏出物。
苛性钠:苛性钠也可用作催化环氧丙烷与醇反应生成丙二醇醚,并且考察了相应的温度以及催化剂浓度等参数,并给出了相关的经验速率方程[25-26]。
此外,胺化物如:三甲胺、三乙胺、三甲胺与溴化亚铅(或氯化亚铅)混合物,叔胺催化剂均可用作丙二醇醚合成的催化剂[8]。
3.1.2 均相酸性催化剂
传统的液体酸如BF3、H2SO4曾被用来催化环氧丙烷醚化反应[8]。但是产品选择性差,设备腐蚀严重,物料单耗大,能耗高,污染严重,大大制约了其工业化应用。因此,有研究者设计开发出了一些腐蚀性相对较低的新型催化剂。杂多酸催化剂在该反应中也表现出较好的活性,Zhao等[27]研究表明:Dawson结构的杂多酸活性优于Keggin结构的杂多酸,其中杂多蓝表现出最好的催化活性;GreenMJ等[28]将三氟甲磺酸盐[CF3SO3]3Al用于催化环氧乙烷与丁醇反应,表现出较好的单醚选择性。
3.1.3 离子液体催化剂
离子液体:中科院化学所的LigangS等[29-30]合成出了三甲基胍类离子液体,并在温和的条件下催化环氧丙烷与甲醇反应合成丙二醇甲醚,1-甲氧基-2-丙醇的收率可达90%,并且该催化剂在保持催化活性和选择性不降低的情况下,可以循环利用10次以上。
均相酸碱催化反应的优缺点:目前所使用的液体碱催化剂具有活性好、伯醚选择性高、对原料含水要求不苛刻等优点,但存在设备腐蚀严重,催化剂需中和处理,无法回收,三废生成量较高以及产品中催化剂难以除去等问题。
3.2 非均相催化剂
3.2.1 非均相碱性催化剂
碱(土)金属和两性金属氧化物:ZhangW等[31]用MgO、CaO、ZnO作为固体碱催化剂催化环氧丙烷与甲醇发生开环加成反应,并且用FT-IR作为检测手段,探究了MgO的具体催化机理。研究表明:具有中等强度碱性中心的MgO可以催化合成丙二醇醚,并且相较CaO和Al2O3具有更高的反应活性和1-甲氧基-2-丙醇的选择性[17,31]。
LiuSG[32]用溶胶凝胶法合成了一种新型的MgO-ZrO2介孔材料,以其催化合成丙二醇醚。经催化剂的表征可知该催化剂具有很大的比表面积和热稳定性,在高达700 ℃下依然能够保持其介孔骨架。CO2-TPD表明在该材料表面可以保持两种碱性中心的共存。由于该材料的大比表面积和介孔结构,因此有更多的碱中心与反应物接触,该材料表现出很好的催化性能。
氟处理的金属氧化物:MAF固体碱,经过水热处理的镁铝复合氧化物在一定温度下负载KF,然后在一定的温度下干燥活化即可制得[33];改性γ-Al2O3负载金属氟化物以及镁铝复合金属氢氧化物为固体碱催化剂,并用固定床反应评价其在环氧丙烷醚化反应中的活性,结果表明该催化剂具有较好的活性和优异的丙二醇醚选择性(达95%~98%)[14]。
改性分子筛:Beta沸石分子催化合成丙二醇醚的选择性和收率可达90%以上[34];以CTAB为模板剂制备出的MCM-41催化合成丙二醇甲醚,该催化剂不仅高效而且可循环利用[35]。ZhangXH等[36-37]在温和的条件下采用超声技术合成了胺改性的多孔硅材料,并用其催化环氧丙烷与甲醇作用合成丙二醇甲醚,研究了该类催化剂可能的催化机理。结果表明,胺功能化的二氧化硅催化剂对于丙二醇醚的合成表现出高的催化活性和很好的循环性能。
Al层柱黏土:通过将Al-、Ga-及Zr-多聚阳离子嵌入不同结构性质和化学组成的三层层状硅铝酸盐中制备出了一系列Al-,Ga-和Zr,Al-柱撑黏土 (Al-MM,Ga-MM和Zr,Al-MM)。经评价这些材料在甲醇与环氧丙烷反应中的催化性能发现:Zr、Al柱撑黏土的催化性能受其结构性质(孔尺寸),化学组成(Si/Al和Zr含量)和制备柱撑溶液的Al源类型(硝酸盐或氯化物)的影响。多聚阳离子中金属阳离子的类型与反应速率以及异构体的选择性密切相关,Al-MM的催化效率高于Ga-MM以及Zr-MM[38]。
TimofeevaMN等[39]通过Na黏土与老化0.5~14d的Al-羟基聚合阳离子溶液发生交换作用合成Al-层柱黏土(Al-PILCs),研究表明铝羟基聚合阳离子柱撑溶液的老化时间影响Al-PILCs催化剂的结构特征和理化性质。老化时间增长,Al-PILCs中的Al含量增加,进而提高其催化合成丙二醇醚的活性。碱性水滑石及其衍生物:阴离子黏土双氢氧化物通过水处理可溶性阴离子,将所得材料再次水合,焙烧该水合材料即可得到具有催化活性的碱性水滑石[40]。
负载型固体碱催化剂:多孔材料负载咪唑,Ca/Mg交换的离子交换树脂,阴离子交换树脂也被用于丙二醇醚的合成反应,尽管活性和循环性较好,但是催化剂稳定性差,活性组分易流失[41-44]。
3.2.2 非均相酸性催化剂
专利CN1068522A介绍了酸性分子筛的制备并评价了其催化环氧丙烷醚化反应的性能。该分子筛的制备步骤如下:无机酸(如:HCl)处理的分子筛(SiO2/Al2O3=9~60)经离子交换、过滤、洗涤,在120 ℃下干燥,然后与10%~30% 的Al2O3混合 (黏合剂),500~600 ℃下烧结,并与400~700 ℃的高温蒸汽反应,最终在550 ℃下焙烧制得。
专利EP45618A2研究发现:加入强酸如H2SO4、H3PO4、HCl、HF或对甲苯磺酸,可以提高阳离子交换的层状黏土或者晶体状硅铝酸盐催化剂在酯化反应、醚化反应及水合反应中的活性;并且继续向反应中加入水可以延长黏土催化剂的寿命以及在一定程度上提高反应的活性[45]。
TimofeevaMN等[46]将金属磷酸盐分子筛如SAPO-34和Fe-VSB-5用于催化环氧丙烷与醇的反应中,并研究了其酸碱性与催化性能之间的关系。结果表明催化剂的酸碱性受其金属含量的影响,根据催化剂性质的不同,反应路径不同,产物伯烷基醚或者仲烷基醚增多。
非均相催化的优缺点:非均相催化虽然存在活性较好,反应产物易分离的优点,但是一般要求较高的醇烷比,而且催化剂制备复杂,反应过程控制困难,催化剂易结焦失活。
4 结论
丙二醇醚是一种性能良好、用途广泛的绿色溶剂,并且拥有广阔的市场空间,因此对其合成工艺、催化机理、催化剂的研究十分必要。了解其反应机理与合成过程,有目的性的设计出适合工业化生产的廉价易得、绿色高效、性能稳定的催化剂,替代传统催化剂;探索出合成丙二醇醚的最佳流程,解决丙二醇醚合成的现有问题,应是未来研究开发的主要方向。
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Research Progress in Synthesis of Propylene Glycol Ether by Etherification of Propylene Oxide
ZHAO Cong1,2, LI Tao , REN Baozeng1
(1.School of Chemical Engineering and Energy , Zhengzhou University , Zhengzhou 450001 , China ; 2.Department of Ionic Liquids and Green Engineering , Institute of Process Engineering , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100190 , China)
Propylene glycol ether is a kind of environmental friendly high-grade solvent with high quality,which is widely used in chemical industries,so the research of propylene glycol ether is great importance.The current status of the process,reaction mechanism and catalysts for synthesis of propylene glycol ether via propylene oxide method are discussed.The existing problems of production process and catalyst are briefly introduced. The research emphasis and development trendtoproduce propylene glycol ether are pointed out.
propylene oxide ; etherification ; propylene glycol ether ; process ; catalysts
2017-01-25
国家自然科学基金项目(U16621129)
赵 聪(1990-),女,硕士,研究方向为绿色化工;联系人:李 涛,副教授,硕导,从事绿色化工研究工作,电话: 0371-67781267;E-mail: litao912@zzu.edu.cn
TQ413.23
A
1003-3467(2017)03-0007-06