一种百里酚的合成方法
【专利摘要】本发明公开了一种百里酚的合成方法。目前的合成方法中，有的选择性低；有的操作条件控制难度大；有的催化剂都是极具腐蚀性的强酸和产生三废较多的路易斯酸，而且不能回收利用，向反应釜中通入丙烯也不能连续化生产，不利于工业化。本发明以间甲酚与丙烯为原料，在用溶胶凝胶法制备的以掺杂钴为主的活性氧化铝催化剂的催化下反应，所述活性氧化铝催化剂的结构为：Co&X@Al2O3，钴的重量比为0.1～15％；所述的X为除钴以外的第VIII族过渡金属，其含量小于钴。本发明采用的方法合成目标产物时条件易于控制，过程对环境友好，催化剂稳定性好、寿命长，而且选择性非常高，能连续化生产，有利于工业化。
【专利说明】
一种百里酚的合成方法
技术领域
[0001] 本发明属于精细化学品的制备领域，具体地说是一种百里酚的合成方法。
【背景技术】
[0002] 百里酚，又称百里香酚、麝香草酚，英文名为thymol，化学名为2-异丙基-5-甲基苯 酸，分子式为Ci〇Hi4〇,分子量为150.22, CAS号为89-83-8。百里酸的化学分子结构式如下：
[0003]
[0004] 百里酚具有百里草或麝香草的特殊香气，其作为一种香料主要用于配制止咳糖 浆、椒样薄荷口香糖和辛香料等香精，同时也是制作香烟的添加剂之一。百里酚还是重要的 香料中间体，是合成L-薄荷醇的重要原料。此外，百里酚具有杀菌作用，尤其是对上呼吸道 感染和口腔细菌有抑制作用；可用来处理伤口，储存解剖标本;可作防腐剂，且毒性低于苯 酸;也是高效抗氧化剂。
[0005] 在上世纪40年代以前，百里酚主要来源于自然界。随着社会的发展，人们对百里酚 需求越来越大。但是受各种因素影响，使得天然提取百里酚的成本很高。因此，近半个多世 纪以来，尤其随着催化技术的发展，合成百里酚逐渐取代天然百里酚。
[0006] 百里酚的制备基本上都是采用间甲酚与一种烷基化试剂反应。根据烷基化试剂形 式的不同，主要分为异丙基卤方法、丙烯法和异丙醇法。美国专利US2286953采用异丙基氯 作烷基化试剂和间甲酚反应，以二氯乙烷作溶剂，在AlCl 3催化下，在-10~(TC下进行的傅 克反应。虽然该法也能得到百里酚，但是采用AlCl3催化剂产生大量三废，不利于工业化生 产。早在1932年，美国专利US1886311就报道了丙烯作烷基化试剂合成百里酚的方法，采用 高压釜作反应器，温度为330~350°C，压力为30~40MPa，间甲酚转化率和百里酚选择性分 别为40%和50~60%，但该工艺条件苛刻，产率低。
[0007] 美国专利US4086283报道了拜耳公司的工艺，主要包括在350~365°C的温度下、 50bar的压力下进行的间甲酚和丙烯的液相连续烷基化反应。粗产品的气相图谱显示包括 60 %的百里酚、25 %未转化的间甲酚和15 %其它产物。尽管该产率相对较高，此工艺仍然包 含以下缺点：（1)操作条件十分苛刻；（2)添加的助剂一含氮的有机碱会对产品造成污染。后 来，该公司在1991年继续发表了专利US5030770,使用孔道直径最小为5A的沸石分子筛催 化间甲酚与丙烯气相连续烷基化合成百里酚，条件为250°C和常压，其中丝光沸石催化效果 最好，间甲酚的转化率达到53%，产物中百里酚的选择性达到84%。沸石催化剂产生的过烷 基化产物较多，而且百里酚的热力学稳定异构体3-异丙基-5-甲基苯酚也产生较多，不利于 后续分离。
[0008] 中国专利CN201410201122.7采用浓H2SO4和AlCl3的组合物、多聚磷酸和AlCl 3的组 合物、浓H2SO4和ZnCl2的组合物作催化剂，向含有间甲酚的反应釜中持续通入丙烯可在较低 温度80~150°C下以75~80%的收率获得百里酚。该工艺的缺点是催化剂都是极具腐蚀性 的强酸和产生三废较多的路易斯酸，而且不能回收利用，向反应釜中通入丙烯也不能连续 化生产，不利于工业化。
[0009] 因此目前亟需一种能够连续化生产，催化剂不仅要求寿命长和活性高，尤其是对 百里酚选择性好，操作过程安全可靠，生产成本低的合成工艺。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术而进行深入研究，继而提供一 种百里酚的新的合成方法，其采用溶胶凝胶法制备的掺杂钴为主的活性氧化铝催化剂，不 仅反应温度相对较低，催化活性高，其最大的亮点在于对百里酚具有特别高的选择性，以大 大提高生产效率和简化后续分离步骤。
[0011]为此，本发明采用如下的技术方案:一种百里酚的合成方法，其以间甲酚与丙烯为 原料，在用溶胶凝胶法制备的以掺杂钴为主的活性氧化铝催化剂的催化下反应，所述活性 氧化铝催化剂的结构为：C ο & X @ A12 0 3，钴的重量比为0.1~15 % ;所述的X为除钴以外的第 VIII族过渡金属，其含量小于钴。
[0012] 其反应方程式为：
[0013]
[0014] 本发明通过溶胶凝胶法制备的以掺杂钴为主的活性氧化铝催化剂，不仅加强了酸 性位并促进了催化活性，还提高了活性氧化铝的热稳定性。尤其是所形成的特定孔道结构 特别对选择性生成百里酚有利。不同于苯的烷基化，间甲酚的烷基化在苯环未被取代的四 个位点. 4-. 5-. l· Φ成伯S核H水者β不一*￥. 1别·府SW某仆,W个S核H水加下，
[0015]
[0016] 由上述结构式可知，只有其中一个异构体是百里酚，所以要选择性生成百里酚是 极具挑战性的。本工艺的反应机理如图1所示。流经床层的间甲酚和丙烯先经过外扩散到达 催化剂颗粒的表面，然后沿表面的微孔道向内扩散至催化剂内的孔室中，孔室的孔壁上富 含丰富的Lewis酸和Bramteci酸位点以及丰富的电子层结构。间甲酚失去一个质子后以0原 子和Lewis酸活性位点结合，这会导致苯环上的C原子在空间上有不同的位置，如图1所示。 丙烯进入到孔室后通常会形成异丙基碳正离子中间体而被吸附在孔壁表面，当贴近被"固 定"的间甲酚时会对它发起亲电进攻。由于酸性位的"固氧"强度和空间效应的协同作用，2-号位最易于接受进攻而生成百里酚，使之获得优异的选择性。最后生成的百里酚先通过内 扩散至催化剂球外表面，再外扩散到产品物流中。
[0017] 进一步，所述活性氧化铝催化剂的制备方法如下：称取钴化合物和除钴以外的第 VIII族过渡金属盐化合物加到丁二醇和/或丁醇中，接着在室温下将异丙氧基铝加入到上 述连续搅拌的溶液中，将所得混合液进行静置，自然老化24~96h，将所得凝胶蒸发浓缩后 挤成直径1.5-2.5mm的条状物，室温瞭干后于115-125°C干燥12~24h，接着在空气氛中于 400~700 °C下焙烧4~8h，最后将制得的催化剂粉碎过筛成1~2mm的颗粒。
[0018] 进一步，所述的钴化合物为(：〇(：12、(：〇(^)3)2、(：〇(304)2、(：(^ 2、(：〇(&〇&(3)3中的一种 或多种，优选〇0(从)3)2、〇3(303(3)3，更优选〇3(303(3)3。
[0019] 进一步，所述催化剂的主体材料是活性氧化铝，其BET比表面积为220~310m2/g， 最可几孔径范围为4 · 9~5 · 8nm，孔容为0 · 71~0 · 73mL/g 〇
[0020] 进一步，所述除钴以外的第VIII族过渡金属是？6、附、此、1^1、？(1、〇8、1^?七中的一 种或两种以上，其重量比为0.1~3%，钴的重量比优选为0.5~10%，更优选为1~5%。
[0021] 本发明还包含如下合成百里酚的具体步骤：
[0022] 1)将催化剂填装于固定床反应器中间的恒温段中，催化剂床层的上、下两端分别 加填惰性瓷球或石英砂填料，其中反应器分五段加热进行控温;反应器中间有一根内置一 热电偶的测温套管，用以实时监控催化剂床层各点实际温度；
[0023] 2)间甲酚和丙烯分别以液路和气路定量进料，液路通过注射栗打入气化室，丙烯 通过气体质量流量计输送至气化室，二者在气化室中混合均匀，然后进入固定床反应器中；
[0024] 3)反应好的粗品进行气液分离，液体混合物经过减压精馏、重结晶得到目标产物 百里酚，气体回收后循环使用。
[0025] 发明人经过仔细研究后发现采用固定床反应器比常规间歇反应器可以在很大程 度上降低二取代和多取代产物。因此除了催化剂本身的特性外，本发明采用连续化固定床 反应器做反应装置也促进了百里酚的选择性的提高。
[0026] 进一步，步骤1)中，控制催化剂床层的温度为200~240°C，优选为210~230°C;气 化室温度为280~350°C，填料段温度为220~250°C，反应在常压下进行。
[0027] 进一步，步骤2)中，所述的间甲酚和异丙基化试剂丙烯的摩尔比为1:0.5~1:6,优 选为1:1~1:4,更优选为1:1~1: 2。反应中间甲酚6-号位接受进攻生成的3-甲基-2-异丙基 苯酚的沸点与百里酚相近，要将其精馏分离十分困难，因此它的量的控制也非常重要。间甲 酚和异丙基化试剂的反应，除了生成单异丙基取代的间甲酚外，还会发生过烷基化反应生 成二取代的间甲酚甚至多取代产物。对于精馏分离后的间甲酚的处理是返回继续使用，而 单异丙基取代的异构体主要是3-甲基-2-异丙基苯酚，以及二异丙基取代物可以返回重新 在本发明催化剂下和间甲酚反应，进行转烷基或是脱烷基重新生成百里酚。
[0028] 进一步，所述的原料流速是与催化剂床层质量结合起来考虑，即以间甲酚的质量 空速表征，其值为〇. 05~1.75h-1，优选为0.1~lh-1，更优选为0.3~0.6h一1。
[0029]进一步，所述催化剂的连续使用寿命大于720h，在此之后间甲酚的转化率降至70 ~80%，将此催化剂在干燥的空气氛下于550°C下焙烧6小时后重新活化。
[0030] 通过采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0031] (1)结合本发明的溶胶凝胶法制备的掺杂钴的活性氧化铝催化剂和连续化固定床 反应装置，可以使得百里酚的选择性提高到90~97%，这不仅大大提高制备效率而且为后 续分离步骤也创造极大便利，得到目标产物的含量高达99.9%以上;此外，采用固定床装置 可以连续化常压反应，生产效率高。
[0032] (2)本发明催化剂大大降低间甲酚烷基化反应的活化能，反应温度控制在210~ 230°C，反应在常压下进行，间甲酚的转化率为90%，与现有工业化工艺相比（拜耳工业化工 艺，>350°C，50bar，US4086283)，大大降低了生产的能耗。
[0033] (3)本发明制备百里酚反应只需使用间甲酚和丙烯，不涉及其它溶剂，所用催化剂 为稳定高效的固体催化剂，能长时间反复使用，不仅降低了成本，而且使得三废的排放大大 减少，对环境友好。
[0034] (4)本发明催化剂制备过程中使得混合溶剂自然老化，催化剂组分在丁二醇/或丁 醇的溶剂作用下会趋于最稳定的状态来进行排列，这样制得的催化剂组分分布更均匀、紧 密、稳定，催化性能更好。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明间甲酚和丙烯的反应机理图。
【具体实施方式】
[0036]为了更好地理解本发明，以下通过具体实例进一步描述本发明的内容。不过这些 实例仅仅是对本发明的解释，并不因此而对本发明的保护范围产生任何限制。
[0037] 实施例1-20
[0038] 溶胶凝胶法制备钴掺杂为主的活性氧化铝催化剂的方法如下，称取计算量的钴化 合物和第VIII族过渡金属盐化合物加到丁二醇和/或丁醇中，接着在室温下将异丙氧基铝 加入到上述连续搅拌的溶液中，将该混合液进行静置，自然老化24~96h，将所得凝胶蒸发 浓缩后挤成直径2mm的条状物，室温晾干后于120°C干燥12~24h，接着在空气氛中于400~ 700 °C下焙烧4~8h，最后将制得的催化剂粉碎过筛成1~2mm的颗粒。
[0039]分批次称取溶胶凝胶法制备的钴掺杂为主的活性氧化铝催化剂CAT-I~CAT-20各 IOg填装于固定床反应器恒温段的中间，催化剂床层上、下端各加填石英砂填料。整个反应 器采用五段式加热，反应器中间有一根直径3mm套管，内置一热电偶，用以实时监控床层各 点实际温度。反应前，在氮气流下将气化室温度逐步升至300°C，催化床层的温度逐步升至 220°C。到达设定温度后，继续用氮气吹扫lh。用注射栗控制间甲酚的质量空速为0.61Γ 1，对 应1.2摩尔当量的丙烯用气体质量流量计测量后进入气化室，间甲酚在气化室气化后与丙 烯充分混合均匀后一起进入反应器的催化剂床层中反应。反应粗品流经管道进入气液分离 罐中进行气液分离，液体从分离罐的下端采出，连续反应两小时后，取一段时间内产生的样 品进行气相色谱分析，间甲酚的转化率和百里酚的选择性列于表1中。
[0040]表 1
[0043] 实施例21-27
[0044] 称取IOg溶胶凝胶法制备的钴掺杂活性氧化铝催化剂CAT-8填装于固定床反应器 (即管道)恒温段的中间，催化剂床层上、下端各加填石英砂填充。整个反应器采用五段式加 热，反应器中间有一根直径3mm套管，内置一热电偶，用以实时监控床层各点实际温度。反应 前，在氮气流下将气化室温度逐步升至300°C，催化床层的温度逐步升至210~240°C。到达 设定温度后，继续用氮气吹扫Ih。用注射栗控制间甲酚的质量空速为0.6~1.21Γ 1，对应1~4 摩尔当量的丙烯用气体质量流量计测量后进入气化室，间甲酚在气化室气化后与丙烯充分 混合均匀后一起进入反应器的催化剂床层中反应。反应粗品流经管道进入气液分离罐中进 行气液分离，液体从分离罐的下端采出，连续反应两小时后，取一段时间内产生的样品进行 气相色谱分析，间甲酚的转化率和百里酚的选择性列于表2中。
[0045]表 2
[0048] 实施例28
[0049] 使用催化剂CAT-8,按上述实施例实验方法，将丙烯改为异丙醇，控制异丙醇与间 甲酚的摩尔比为4,异丙醇和间甲酚混合均匀后通过液路进样，将催化剂床层的温度控制在 240Γ，连续反应两小时后，取一段时间内产生的样品进行气相色谱分析，间甲酚的转化率 为82%，百里酚的选择性为88%。
[0050] 实施例29
[0051] 使用催化剂CAT-8,并研磨成粉末状，将丙烯改为异丙醇，控制异丙醇与间甲酚的 摩尔比为4;将一定量物料及催化剂一次性投入到0.5L高压釜中，氮气保护，反应温度控制 在220°C，连续搅拌反应六小时后，取样进行气相色谱分析，间甲酚的转化率为47%，百里酚 的选择性为12%。
[0052] 实施例30
[0053] 使用催化剂CAT-8,并研磨成粉末状，将丙烯改为异丙醇，控制异丙醇与间甲酚的 摩尔比为4;将一定量物料及催化剂一次性投入到0.5L高压釜中，氮气保护，反应温度控制 在280°C，连续搅拌反应六小时后，取样进行气相色谱分析，间甲酚的转化率为67%，百里酚 的选择性为78 %。
[0054] 实施例31
[0055] 收集实施例8的反应粗产品进行减压精馏，控制体系压强为100~150Pa，收取78~ 82°C的馏分，用石油醚重结晶，得到无色透明晶体，经气相检测百里酚含量为99.9%。
[0056] 实施例32
[0057]收集实施例8的反应粗产品进行减压精馏，控制体系压强为100~150Pa，收取78~ 82°C的馏分，用正己烷重结晶，得到无色透明晶体，经气相检测百里酚含量为99.8%。
[0058]虽然在上述文中已经为了说明目的而具体描述了本发明，但本领域技术人员应当 理解，这些详细的描述只是为了举例说明，本领域技术人员可在不偏离本发明实质和范围 的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种变换或改进，这些均落入本发明 的范围内。本发明的保护范围可以由权利要求书限定。
【主权项】
1. 一种百里酚的合成方法，其以间甲酚与丙烯为原料，在用溶胶凝胶法制备的以掺杂 钴为主的活性氧化铝催化剂的催化下反应，所述活性氧化铝催化剂的结构为 :C〇&X@A12〇3， 钴的重量比为0.1~15% ;所述的X为除钴以外的第VIII族过渡金属，其含量小于钴。2. 根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述活性氧化铝催化剂的制备方法如 下:称取钴化合物和除钴以外的第VIII族过渡金属盐化合物加到丁二醇和/或丁醇中，接着 在室温下将异丙氧基铝加入到上述连续搅拌的溶液中，将所得混合液进行静置，自然老化 24~96h，将所得凝胶蒸发浓缩后挤成直径1.5-2.5mm的条状物，室温晾干后于115-125 °C干 燥12~24h，接着在空气氛中于400~700 °C下焙烧4~8h，最后将制得的催化剂粉碎过筛成1 ~2mm的颗粒。3. 根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述的钴化合物为C〇Cl2、Co (N〇3) 2、Co (S〇4)2、CoAc2、Co(acac)3中的一种或多种。4. 根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述催化剂的主体材料是活性氧化 铝，其BET比表面积为220~310m2/g，最可几孔径范围为4.9~5.8nm，孔容为0.71~0.73mL/ g°5. 根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述除钴以外的第VIII族过渡金属是 Fe、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt中的一种或两种以上，其重量比为0.1~3%，钴的重量比为0.5 ~10%〇6. 根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，合成百里酚的具体过程如下： 1) 将催化剂填装于固定床反应器中间的恒温段中，催化剂床层的上、下两端分别加填 惰性瓷球或石英砂填料，其中反应器分五段加热进行控温;反应器中间有一根内置一热电 偶的测温套管，用以实时监控催化剂床层各点实际温度； 2) 间甲酚和丙烯分别以液路和气路定量进料，液路通过注射栗打入气化室，丙烯通过 气体质量流量计输送至气化室，二者在气化室中混合均匀，然后进入固定床反应器中； 3) 反应好的粗品进行气液分离，液体混合物经过减压精馏、重结晶得到目标产物百里 酚，气体回收后循环使用。7. 根据权利要求6所述的合成方法，其特征在于，步骤1)中，控制催化剂床层的温度为 200~240°C，气化室温度为280~350°C，填料段温度为220~250°C，反应在常压下进行。8. 根据权利要求6所述的合成方法，其特征在于，步骤2)中，所述的间甲酚和异丙基化 试剂丙烯的摩尔比为1:0.5~1:6。9. 根据权利要求6所述的合成方法，其特征在于，所述的原料流速是与催化剂床层质量 结合起来考虑，即以间甲酚的质量空速表征，其值为〇. 05~1.751Γ1。10. 根据权利要求1-6任一项所述的合成方法，其特征在于，所述催化剂的连续使用寿 命大于720h，在此之后间甲酚的转化率降至70~80%，将此催化剂在干燥的空气氛下于550 °C下焙烧6小时后重新活化。
【文档编号】C07C37/14GK106008169SQ201610473855
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】张玉红, 肖唐鑫, 胡柏剡, 于明, 张龙, 齐勇, 李其川
【申请人】浙江新和成股份有限公司, 山东新和成药业有限公司, 浙江大学