专利名称：β－甲基吡啶的汽相催化氯化的制作方法
技术领域：
本发明涉及2-氯-5-三氯甲基吡啶的制备方法。更特别地，本发明涉及通过β-甲基吡啶在催化剂存在下的选择性汽相氯化(vapor phasechlorination)来制备2-氯-5-三氯甲基吡啶的方法。催化剂选自脱铝丝光沸石或负载型钯催化剂。
背景技术：
2-氯-5-三氯甲基吡啶(β-2-tet)是用于制备数种农用药剂，包括例如，吡氟乐草灵、吡氟氯禾灵、吡虫隆和氟啶胺的关键中间体。然而，β-2-tet难以通过β-甲基吡啶的直接氯化获得。美国专利3,370,062和3,420,833大体描述了甲基吡啶的非催化汽相氯化。在美国专利4,205,175、4,241,213和5,247,093中描述了β-甲基吡啶的非催化汽相氯化。美国专利4,288,599描述了β-甲基吡啶在汽相中的连续氯化和氟化。美国专利4,429,132描述了β-甲基吡啶在金属氧化物或金属卤化物催化剂存在下的汽相氯化。在美国专利4,483,993和4,497,955中描述了β-甲基吡啶的非催化液相氯化，并在美国专利4,324,627中描述了β-甲基吡啶的紫外线催化的液相氯化。然而，这些方法都没有在β-甲基吡啶的高转化率下以良好收率获得β-2-tet。
由于通过β-甲基吡啶的直接氯化难以获得β-2-tet，因此需要对β-2-tet具有改进的选择性的直接氯化法。
发明内容
已经发现，通过在催化剂的存在下进行氯化，可以提高通过β-甲基吡啶的汽相氯化获得的2-氯-5-三氯甲基吡啶的量。本发明涉及在高温下在汽相中氯化β-甲基吡啶(I)
以获得富含2-氯-5-三氯甲基吡啶(β-2-tet)(II)的氯化混合物的改进方法 其中所述改进包括，使β-甲基吡啶(I)与氯在存在脱铝丝光沸石或负载型钯催化剂的情况下接触。
在实施本发明时，在存在脱铝丝光沸石或负载型钯催化剂的情况下，使β-甲基吡啶和氯在汽相中在有益于四氯化作用的条件下接触。获得包含主要产物β-2-tet以及各种量的其它聚氯-β-甲基吡啶的混合物。
在实施本发明时，在至少175至400℃，在存在丝光沸石或负载型钯催化剂的情况下，将β-甲基吡啶的蒸气与超过化学计量的气态氯在短暂接触时间内混合。或者，在至少175至400℃，在存在丝光沸石或负载型催化剂的情况下，将β-甲基吡啶与合适稀释剂的混合蒸气与超过化学计量的气态氯在短暂接触时间内混合。
所述的超过化学计量的过量氯的量并不重要，并且可以从化学计量至进料中每摩尔β-甲基吡啶超过400摩尔氯的过量氯不等。优选地，超过化学计量的过量氯的量为进料中每摩尔β-甲基吡啶对应至少20摩尔氯。
适合进行本发明的方法的稀释剂是在反应条件下对氯的作用基本惰性的材料，包括氮、氩、二氧化碳、全氟化碳、全氯化碳和全氟氯碳(perfluorochlorocarbons)。优选的稀释剂是氮和挥发性全氯代烃，例如四氯化碳和全氯乙烯。稀释剂与β-甲基吡啶的合适摩尔比可以从10∶1至300∶1不等。
在175至400℃的温度范围内进行汽相反应。优选范围为250至350℃。
尽管停留时间不重要，但不应该使反应剂与催化剂保持长时间接触。停留时间通常不超过60秒。优选接触时间为在250至350℃温度下0.5至15秒。
操作压力不重要，可以从低于大气压至超过大气压不等。大气压是令人满意且优选的。高压可以有利地提高反应速率。
本发明中使用的丝光沸石催化剂的沸石类型是本领域技术人员公知的。一般而言，丝光沸石催化剂是酸或H形式的(例如从日本TOSOH公司获得含有SAR 203的的HSZ-690HOD催化剂)。按照本领域公知的程序将其脱铝，例如，用无机酸(或胺、胺盐或有机酸)处理催化剂，然后煅烧，从而去除一些氧化铝并用氢取代碱金属(H形式)。(参看Alan Dyer，“An introduction to Zeolite Molecular Sieves”，John Wiley& Sons Editor，pg 113-115，New York(1988))。含有SAR 175至250的催化剂是优选，因为它们能抵抗酸性条件并提供所需产物的良好收率。
本发明中使用的负载型钯催化剂也是本领域技术人员公知的。一般而言，钯可以负载在二氧化硅、氧化铝、氧化镁或碳上，氧化铝是优选的。催化剂含有0.1至10wt％的钯，优选0.5至1.0wt％的钯。
本发明的催化剂可以借助于粘合剂以各种形式结合。可以使用多种类型的粘合剂，例子包括，但不限于，粘土、无定形二氧化硅和氧化铝。形成结合材料的方法是本领域中公知的。粘合剂加载通常小于30wt％，优选小于20wt％。结合的催化剂(bound catalyst)粒可以具有各种尺寸或形状。所述的粒的形状或尺寸不重要。典型形状是直径为1/16英寸(1.59毫米(mm))至3/8英寸(9.53毫米)且长度为从小于粒直径的一半至粒直径的20倍的圆柱体。粒的其它形状如球状、管状、鞍状或lobed粒形状都是合适的。
可以使用任何合适的反应器。反应器的入口和出口以及内表面必须是已知的在高温情况下能抵抗氯和氯化氢腐蚀的材料。因此，例如，暴露表面可以用镍、碳、二氧化硅或玻璃衬里或构成。在实践中已经发现，耐热的高二氧化硅玻璃(例如Vycor牌或石英)对于小型反应器是令人满意的。在大型装置中，使用衬有熔凝硅石或合适耐火材料(例如碳)的镍外壳是方便的。无衬里的镍或镍合金反应器也是合适的。为了完成反应剂的混合和加入，反应器可以配有混合喷嘴以在加入反应剂的同时进行混合。或者，可以通过彼此分开但是间距小的孔口向反应器中加入β-甲基吡啶以及稀释剂和氯，调节这些孔口以便使氯喷入β-甲基吡啶与稀释剂的输入流中。反应器中需要部分或相当多地装有催化剂。对于反应器来说，合适的反应器构造包括壳管式反应器(shell and tube reactors)、开管或流化床反应器。对于管壳式反应器，催化剂可以位于管程或壳壁上。这可以通过使传热流体循环通过反应器对侧来方便地控制反应温度。反应器的比例不重要。在装置的优选形式中，适合的反应器是长为直径的1至30倍的圆筒。反应器部分装有催化剂。也可以使用流量计、冷凝器和涤气器之类的常用配件。
在进行反应时，通常将β-甲基吡啶，任选加上稀释剂，加入到蒸发器中以制备在惰性稀释剂蒸气中的汽化的β-甲基吡啶。或者，可以在蒸发器中使用氯气以制备含有β-甲基吡啶与氯的所需混合物的汽化流。使蒸发器保持发生快速汽化的温度，通常80至250℃，优选100至200℃。可以使用任何汽化设备作为蒸发器，但是对于较大规模，刮板式薄膜蒸发器或降膜蒸发器是方便的。为了有效操作，必须保持β-甲基吡啶的加入速率和/或蒸发器的温度以完全β-甲基吡啶的汽化并使其保持蒸气态。将来自蒸发器的混合蒸气引入反应器中，在此处，它们在存在脱铝丝光沸石或负载型钯催化剂的情况下在175至400℃，优选250至350℃与氯接触。将通过反应器的蒸气冷却或骤冷以便从气态氯和副产物氯化氢中分离出氯化甲基吡啶产物。通过分馏之类的传统技术将所需β-2-tet与其它氯化甲基吡啶产物分离。可以将氯化不足的甲基吡啶产物与β-2-tet分离并再循环到反应器中。在小规模设备中，可以使用气相色谱法表征反应器排出气体。
下列实施例对本发明进行举例说明。
实施例用于实验的反应器配置在能够维持最高400℃的温度的烘箱上配备三个独立的反应器系统。反应器由5英寸(”)(12.7厘米(cm))长的具有0.25”(6.35毫米)OD的杆状Pyrex玻璃管组成。反应管是空的(用作对照)或装有催化剂，根据所用催化剂密度和所用催化剂的重量，所用催化剂床为0.25克(g)至0.5克重，30至75毫米长。催化剂和催化剂载体体系通常获自市售的较大粒，将它们研磨并使用筛子筛分至直径大约1-2毫米。进入(和离开)反应器的经加热的进料(和排料)管路通常是由镍或Inconel 600制成的并保持在本领域已知的温度下以避免其中的反应剂和产物缩合或降解。
独立地在每一反应器系统中加入氯。对于每一系统，通过分离的三通阀和质量流控制器控制氯。所述三通阀控制进入每一反应器的氯并可以在不使用时用氮气吹扫进料管路。将质量流控制器以给定值(通常5标准立方厘米(sccm))控制该系统中的氯流速。氯通常是在将有机蒸气加入到催化剂中之前进入反应器系统的第一气体。
从能够保持-20至120℃温度的冷却浴中所含的分离的蒸发器装置向每一反应器中加入β-甲基吡啶。使用氮作为通过蒸发器的吹扫气体。蒸发器是使β-甲基吡啶保持在氮气流下的圆筒形Pyrex容器。通常通过质量流控制器使氮的进料速率保持10sccm。将蒸发器低于液面地放置在冷却浴中。冷却浴通常在10或20℃运作，这分别产生3.09E-3大气压(atm)或5.93E-3atm的β-甲基吡啶蒸汽压。反应器系统的进料和出料在大气压附近运作。
在反应器入口之前，在混合管中的烘箱内将氯进料与β-甲基吡啶蒸气混合。然后将两种反应剂的混合物加入到5”长、0.25”O.D.杆形Pyrex玻璃反应器中。将来自反应器的产物流引向8孔阀，然后选择性送入在线分析系统，或经过有机阱和排气系统送入涤气器系统。然后在反应器中加入氯，然后加入在氮中的β-甲基吡啶。可以在250℃开始反应，然后以25至50℃为增量经过限定时间缓慢提高至反应温度，由此实现催化剂调节。在线分析系统由气相色谱(GC)和质谱(MS)分析组成。所用GC毛细管柱是RXT-5，15m×0.530mm，1.50μm膜厚。对炉温进行设定以便以最小时间获得最大分离。GC分析的周期时间为大约15分钟，并且使用标准样品校准GC分析。以大约15至60分钟的固定间隔进行分析，并且一旦该系统以所需反应条件设置达到稳定，即以重量百分比给出所得值。
用于控制微反应器系统过程的软件是Camile TG。Camile TG监测每一反应器系统内部的压力，并控制烘箱、排气管道和冷却浴以及用于氮和氯进料的质量流控制器的温度。通过在宏程序(macro programs)下运行的Camile以200℃至400℃之间的温度分布控制反应器炉温。对来自阀室的排气管和分析输送管进行热追踪，并保持高温以确保内容物处于气相。
实施例1将粒化催化剂，负载在氧化铝上的0.5％钯催化剂(HarshawChemical Co.)研磨成粗粉并筛分以获得1-2mm直径的均匀尺寸。将0.25克催化剂加入到0.25”反应管中并使用玻璃棉(Pyrex)使其固定就位。在250℃的初始温度、5cc/分钟的氯进料速率、0.13mg/分钟(10cc/分钟N2，10℃的冷却器温度)的β-甲基吡啶进料速率下操作，将反应器在大约1小时升温至340℃。该系统在340℃的反应温度下达到稳定之后，产物气体含有67.4％β-2-tet(条件参看表1，结果参看表2)。
实施例2将粒化的催化剂，含有二氧化硅粘合剂的TOSOH HSZ-690 HOD(SAR 203)研磨成粗粉并筛分以获得1-2mm直径的均匀尺寸。将0.26g催化剂加入反应管中并使用玻璃棉(Pyrex)使其固定就位。以5cc/分钟的氯进料速率、0.13mg/分钟(10cc/分钟N2，10℃的冷却器温度)的β-甲基吡啶进料速率操作，将反应剂在250℃的初始温度下加入反应器中。首先使该系统升温至325℃，然后稳定化。在这些条件下，产物气体是18.5％ 3-三氯甲基吡啶(β-tri)和65.4％ β-2-tet。当该系统在350℃达到稳定时，产物气体中β-tri的量降至2.6％，且转化成β-2-tet的转化率提高至68.6％(参看表2)。
实施例3将催化剂，含有二氧化硅粘合剂的TOSOH HSZ-690 HOD(SAR203)筛分成1-2mm直径的均匀粒度。将0.26g催化剂加入反应管并使用玻璃棉(Pyrex)使其固定就位。在以5cc/分钟的速率加入氯流之前，首先将反应器温度设为250℃。将β-甲基吡啶进料速率设为0.13mg/分钟(N2流10cc/分钟，10℃的冷却器)，同时在1小时内使反应器炉升温至350℃。在350℃，在产物气体中观察到的β-2-tet的量为65.6％(参看表2)。
实施例4将催化剂，含有二氧化硅粘合剂的TOSOH HSZ-690 HOD(SAR203)筛分成1-2mm直径的均匀粒度。将0.51g催化剂加入反应管中并使用玻璃棉(Pyrex)使其固定就位。在以5cc/分钟的速率加入氯流之前，首先将反应器温度设为250℃。将β-甲基吡啶进料速率设为0.13mg/分钟(冷却器为10℃)，氮气流速为10cc/分钟，同时在2小时内使反应器炉升温至350℃。当该系统在350℃达到稳定时，产物气体中观察到的β-2-tet的量为71.7％(参看表2)。
实施例5将催化剂，含有二氧化硅粘合剂的TOSOH HSZ-690 HOD(SAR203)筛分成1-2mm直径的均匀粒度。将0.51g催化剂加入反应管并使用玻璃棉(Pyrex)使其固定就位。在以5cc/分钟的速率加入氯流之前，首先将反应器温度设为250℃。将β-甲基吡啶进料速率设为0.25mg/分钟(10cc/分钟的N2，20℃的冷却器)，同时在2小时内使反应器炉缓慢升温至350℃。当该系统在350℃达到稳定时，产物气体中观察到的β-2-tet的量为66.9％(参看表2)。
实施例A这是对照试验，其中反应器含有玻璃棉(Pyrex)塞子，不含催化剂。在以5cc/分钟的速率加入氯之前，首先将反应器温度设为350℃。在350℃的炉温下，将β-甲基吡啶进料速率设为0.25mg/分钟(10cc/分钟的N2，20℃的冷却器)。当该系统达到稳定时，β-2-tet的量仅为8.7％，大部分都转化成β-tri(65.4％)。当温度升至400℃时，β-tri的降低(21.5％)，β-2-tet的量升至46.1％。还观察到相当量的过氯化2，6-二氯-3-三氯甲基吡啶(β-2，6-penta，12.2％)(参看表2)。
表1实施例的实验条件
表2实施例的列表式GC结果
注意DCP＝二氯吡啶异构体；TCP＝三氯吡啶异构体；
β-Tri＝3-三氯甲基吡啶；2C-3DCM＝2-氯-3-二氯甲基吡啶；2C-5DCM＝2-氯-5-二氯甲基吡啶；β-2-Tec＝2-氯-5-三氯甲基吡啶；β-6-Tec＝2-氯-3-三氯甲基吡啶；β-2，3-penta＝2，3-二氯-5-三氯甲基吡啶；β-2，6-penta＝2，6-二氯-3-三氯甲基吡啶
权利要求
1.一种在高温下汽相氯化β-甲基吡啶(I) 以获得富含2-氯-5-三氯甲基吡啶(β-2-tet)(II)的氯化混合物的改进方法 其中所述的改进包括，使β-甲基吡啶(I)与氯在存在脱铝丝光沸石或负载型钯催化剂的情况下接触。
全文摘要
使用丝光沸石或负载型钯催化剂在汽相中氯化β－甲基吡啶来获得2－氯－5－三氯甲基吡啶。
文档编号C07D213/61GK1934085SQ200580009199
公开日2007年3月21日 申请日期2005年4月26日 优先权日2004年4月26日
发明者K·D·坎贝尔, D·A·利文斯顿, H·S·旺, B·J·斯库曼, S·R·拉克索, K·M·拉森 申请人:美国陶氏益农公司