本发明涉及化工产品的技术领域，尤其涉及一种由乙酰丙酸制备戊酸及戊酸酯的方法。
背景技术：
戊酸酯作为一类精细化学品具有广泛的使用范围，既可以作为食用香精、食品赋香剂，也可用于合成医药、溶剂等。同时，戊酸酯还是一类新型的生物质燃料，具有良好的能量密度及更合适的极性，能与现有的运输燃料完全混溶，具有良好广泛的应用前景。目前，戊酸酯主要是由戊酸与醇发生酯化反应制得，而戊酸则可以由生物质平台分子乙酰丙酸通过加氢制得。当前的技术中，首先将乙酰丙酸加氢转化为γ-戊内酯，再将γ-戊内酯转化为戊酸，步骤比较繁杂，而且条件较为苛刻，反应温度和氢压都比较大，不利于大规模工业化应用。同时，我国当前由戊酸制备戊酸酯的工艺中，工业合成戊酸酯主要采用浓硫酸为催化剂，催化戊酸和醇酯化而来。然而浓硫酸对设备腐蚀严重，后续处理工艺常产生废酸废碱等，污染环境。因此，现在我们需要一种安全高效、工艺简单、洁净环保的方法来生产戊酸及戊酸酯。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种由乙酰丙酸制备戊酸及戊酸酯的方法，其具有工艺简单，反应条件温和、产物收率高、易纯化、环境友好等特点，适合大规模工业化生产。
本发明提出了一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，以乙酰丙酸作为原料，加氢催化剂和三氟甲磺酸金属盐作为催化剂，在氢气氛围下进行催化氢解反应，得到戊酸。
其合成路线具体如下：
优选地，所述加氢催化剂为金属负载型催化剂，金属优选为Pd、Pt、Ru中的一种或者多种的组合，载体优选为活性炭；优选地，所述加氢催化剂为Pd/C或者Pt/C催化剂，且Pd/C或者Pt/C催化剂中的金属负载量为0.5-10wt％；
优选地，所述加氢催化剂的用量为乙酰丙酸的0.1-5mol％。
优选地，三氟甲磺酸金属盐中的金属价态为+1-+6价；优选地，三氟甲磺酸金属盐为W(OTf)6、Hf(OTf)4、Al(OTf)3、Ta(OTf)5、Nb(OTf)5、Zr(OTf)4、Ce(OTf)3、Sm(OTf)3、Fe(OTf)3、Ga(OTf)3、La(OTf)3、Er(OTf)3中的一种或者多种的组合；
优选地，三氟甲磺酸金属盐的用量为乙酰丙酸的0.1-10mol％。
优选地，催化氢解反应中，氢气压力为0.1-10MPa，优选为3-5MPa；反应温度为80-250℃，优选为100-150℃；反应时间为1-24h，优选为4-10h；反应溶剂为烷烃、羧酸、醚类化合物中的一种或者多种的组合，优选为正辛烷、二氧六环、四氢呋喃、乙酸中的一种或者多种的组合。
优选地，还包括对戊酸进行分离纯化；优选地，分离纯化得到戊酸后还包括将催化剂回收，再进行重复循环利用。
本发明所述由乙酰丙酸制备戊酸的方法中，在催化氢解反应完全后，通过减压蒸馏分离得到戊酸纯品，并且分离后的催化剂可对乙酰丙酸继续进行催化氢解反应，实现对催化剂的重复循环利用。
优选地，所述由乙酰丙酸制备戊酸的方法具体操作包括：将乙酰丙酸加入反应容器中，再加入反应溶剂和以乙酰丙酸为基准的0.1-5mol％的加氢催化剂和0.1-10mol％的三氟甲磺酸金属盐，通入氢气置换2-5次后，搅拌下升温至80-250℃，在压力为0.1-10MPa的氢气氛围下催化氢解反应1-24h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
本发明还提出了一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，以前述方法得到的戊酸为原料，三氟甲磺酸金属盐为催化剂，加入醇类化合物进行酯化反应，得到戊酸酯。
其合成路线具体如下：
优选地，醇类化合物为C1-C10的脂肪醇或芳香醇，优选为甲醇、乙醇、正戊醇、正癸醇、环己醇或苯甲醇；三氟甲磺酸金属盐的金属价态为+1-+6价，优选为W(OTf)6、Hf(OTf)4、Al(OTf)3、Ta(OTf)5、Nb(OTf)5、Zr(OTf)4、Ce(OTf)3、Sm(OTf)3、Fe(OTf)3、Ga(OTf)3、La(OTf)3、Er(OTf)3中的一种或者多种的组合；优选地，醇类化合物的用量为乙酰丙酸的100-2000mol％，三氟甲磺酸盐的用量为乙酰丙酸的0.1-10mol％。
优选地，还包括对戊酸酯进行分离纯化；优选地，分离纯化得到戊酸酯后还包括将催化剂回收，再进行重复循环利用。
本发明所述由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，在酯化反应完全后，通过减压蒸馏将戊酸酯与催化剂分离得到戊酸酯纯品，并且分离出戊酸酯纯品后的催化剂还可对乙酰丙酸继续进行催化氢解，同时催化剂中包含的三氟甲磺酸金属盐继续催化酯化反应，由此实现对催化剂的重复循环利用。
优选地，所述由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法具体操作包括：将乙酰丙酸加入反应容器中，再加入反应溶剂和以乙酰丙酸为基准的0.1-5mol％的加氢催化剂和0.1-10mol％的三氟甲磺酸金属盐，通入氢气置换2-5次后，搅拌下升温至80-250℃，在压力为0.1-10MPa的氢气氛围下催化氢解反应1-24h，冷却至室温后得到反应液；去除反应液中的反应溶剂后，加入以乙酰丙酸为基准的100-2000mol％的醇类化合物，搅拌下升温至50-180℃，保温反应1-16h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
本发明所述由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，首先将乙酰丙酸进行催化氢解反应，反应完成后，不分离出中间体戊酸，将反应体系中的反应溶剂去除后直接加入醇类化合物即可进行催化酯化反应。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明公开的一种由乙酰丙酸制备戊酸及戊酸酯的方法，通过包含加氢催化剂和三氟甲磺酸金属盐的催化剂体系，可以在常压氢气条件，将乙酰丙酸催化氢解制备得到戊酸；并且该催化剂体系中的三氟甲磺酸金属盐可以进一步催化戊酸与醇类化合物反应制取戊酸酯。即乙酰丙酸在金属负载型催化剂和三氟甲磺酸金属盐的催化体系的作用下，经过氢解转化为了戊酸，随后经过酯化转换为各种相应的戊酸酯。整个本发明具有反应条件相对比较温和，产物收率高，催化剂催化效率高、利用率高，工艺简单，环境友好的优点，因而具有很强的工业应用意义。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.5mol％的Pd/C和2mol％的Hf(OTf)4，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至150℃，在压力为5MPa的氢气氛围下催化氢解反应6h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸收率为95％，纯度为99％。其中气相色谱检测条件：岛津公司GC-2014C，DM-wax柱，气化温度：260℃，检测器温度：280℃，柱温：100℃(5min)→10℃/min→180℃(3min)→20℃/min→240℃(10min)。
实施例2
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.1mol％的Pd/C和10mol％的Al(OTf)3，通入氢气置换4次后，搅拌下升温至200℃，在压力为10MPa的氢气氛围下催化氢解反应10h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸收率为92％，纯度为99％。
实施例3
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的二氧六环作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的5mol％的Ru/C和0.1mol％的Zr(OTf)4，通入氢气置换2次后，搅拌下升温至100℃，在压力为8MPa的氢气氛围下催化氢解反应4h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸收率为94％，纯度为99％。
实施例4
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.8mol％的Pt/C和6mol％的Ce(OTf)，通入氢气置换2次后，搅拌下升温至250℃，在压力为0.1MPa的氢气氛围下催化氢解反应8h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸收率为85％，纯度为99％。
实施例5
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的DMF作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.6mol％的Pd/C和3mol％的Fe(OTf)3，通入氢气置换5次后，搅拌下升温至220℃，在压力为3MPa的氢气氛围下催化氢解反应24h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸收率为86％，纯度为99％。
实施例6
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的乙酸作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的2mol％的Pt/C和1mol％的Ta(OTf)5，通入氢气置换5次后，搅拌下升温至180℃，在压力为2MPa的氢气氛围下催化氢解反应1h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸收率为90％，纯度为99％。
实施例7
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.2mol％的Pd/C和0.3mol％的W(OTf)6，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至120℃，在压力为0.1MPa的氢气氛围下催化氢解反应16h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸收率为90％，纯度为99％。
实施例8
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的四氢呋喃作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的1mol％的Pt/C和0.7mol％的Nb(OTf)5，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至80℃，在压力为1MPa的氢气氛围下催化氢解反应6h，冷却至室温后得到反应液，再减压蒸馏得到戊酸。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸收率为91％，纯度为99％。
实施例9
一种由乙酰丙酸制备戊酸的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.5mol％的Pd/C和2mol％的Hf(OTf)4，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至150℃，在压力为5MPa的氢气氛围下催化氢解反应6h，冷却至室温后得到反应液，将反应液减压蒸馏分离出戊酸后，继续加入0.1mol乙酰丙酸，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至150℃，在压力为5MPa的氢气氛围下催化氢解反应6h，冷却至室温后得到反应液，将反应液减压蒸馏分离出戊酸后，再加入0.1mol乙酰丙酸，再重复上述操作，连续操作5次后，将每次所得产物戊酸通过气相色谱法测定收率分别为95％、93％、90％、90％、88％。
实施例10
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.5mol％的Pd/C和2mol％的Hf(OTf)4，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至150℃，在压力为5MPa的氢气氛围下催化氢解反应6h，冷却至室温后得到反应液；减压蒸馏除去反应液中溶剂正辛烷后加入以乙酰丙酸为基准的0.5mol的甲醇，搅拌下升温至85℃，保温反应6h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸酯收率为82％，纯度为99％。其中气相色谱检测条件：岛津公司GC-2014C，DM-wax柱，气化温度：260℃，检测器温度：280℃，柱温：100℃(5min)→10℃/min→180℃(3min)→20℃/min→240℃(10min)。
实施例11
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.1mol％的Pd/C和10mol％的Al(OTf)3，通入氢气置换4次后，搅拌下升温至200℃，在压力为10MPa的氢气氛围下催化氢解反应10h，冷却至室温后得到反应液；减压蒸馏除去反应液中溶剂正辛烷后加入以乙酰丙酸为基准的0.1mol的正戊醇，搅拌下升温至140℃，保温反应16h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸酯收率为85％，纯度为99％。
实施例12
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的二氧六环作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的5mol％的Ru/C和0.1mol％的Zr(OTf)4，通入氢气置换2次后，搅拌下升温至100℃，在压力为8MPa的氢气氛围下催化氢解反应4h，冷却至室温后得到反应液；减压蒸馏除去反应液中溶剂二氧六环后加入2mol的正癸醇，搅拌下升温至180℃，保温反应1h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸酯收率为81％，纯度为99％。
实施例13
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.8mol％的Pt/C和6mol％的Ce(OTf)，通入氢气置换2次后，搅拌下升温至250℃，在压力为0.1MPa的氢气氛围下催化氢解反应8h，冷却至室温后得到反应液；减压蒸馏除去反应液中溶剂正辛烷后加入1mol环己醇，搅拌下升温至120℃，保温反应10h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸酯收率为85％，纯度为99％。
实施例14
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的DMF作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.6mol％的Pd/C和3mol％的Fe(OTf)3，通入氢气置换5次后，搅拌下升温至220℃，在压力为3MPa的氢气氛围下催化氢解反应24h，冷却至室温后得到反应液；减压蒸馏除去反应液中溶剂DMF后加入1.2mol苯甲醇，搅拌下升温至80℃，保温反应14h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸酯收率为82％，纯度为99％。
实施例15
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的乙酸作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的2mol％的Pt/C和1mol％的Ta(OTf)5，通入氢气置换5次后，搅拌下升温至180℃，在压力为2MPa的氢气氛围下催化氢解反应1h，冷却至室温后得到反应液；减压蒸馏除去反应液中溶剂乙酸后加入0.5mol苯甲醇，搅拌下升温至150℃，保温反应2h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸酯收率为87％，纯度为99％。
实施例16
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.2mol％的Pd/C和0.3mol％的W(OTf)6，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至120℃，在压力为0.1MPa的氢气氛围下催化氢解反应16h，冷却至室温后得到反应液；减压蒸馏除去反应液中溶剂正辛烷后加入0.3mol环己醇，搅拌下升温至100℃，保温反应6h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸酯收率为83％，纯度为99％。
实施例17
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的四氢呋喃作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的1mol％的Pt/C和0.7mol％的Nb(OTf)5，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至80℃，在压力为1MPa的氢气氛围下催化氢解反应6h，冷却至室温后得到反应液；减压蒸馏除去反应液中溶剂四氢呋喃后加入0.6mol甲醇，搅拌下升温至50℃，保温反应16h，冷却至室温后，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏得到戊酸酯。
取样稀释，通过气相色谱法(GC)测定戊酸酯收率为80％，纯度为99％。
实施例18
一种由乙酰丙酸制备戊酸酯的方法，包括：将0.1mol乙酰丙酸加入反应容器中，再加入100ml的正辛烷作为反应溶剂以及以乙酰丙酸为基准的0.5mol％的Pd/C和2mol％的Hf(OTf)4，通入氢气置换3次后，搅拌下升温至150℃，在压力为5MPa的氢气氛围下催化氢解反应6h，冷却至室温后得到反应液，减压蒸馏除去反应液中溶剂正辛烷后加入0.5mol苯甲醇，搅拌下升温至150℃，保温反应12h，冷却至室温得到反应液，先通过浓缩回收未反应的醇类化合物和去除酯化反应产生的水，再减压蒸馏分离出戊酸酯后，继续向里加入0.1mol乙酰丙酸，再重复上述操作，连续操作5次后，将每次所得产物戊酸酯通过气相色谱法测定收率分别为87％、85％、82％、82％、80％。
综上可知，本发明所述一种由乙酰丙酸制备戊酸及戊酸酯的方法中，戊酸和戊酸的纯度都达到99％以上，并且戊酸的收率达到80％以上，戊酸酯的收率也达到80％以上。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。