本发明涉及有机合成技术领域，尤其涉及一种二(2-羟乙基)哌嗪的制备方法。
背景技术：
二(2-羟乙基)哌嗪，又称N,N′-双(2-羟乙基)哌嗪，分子式为C8H18N2O2，结构式如下式(Ⅰ)所示：
二(2-羟乙基)哌嗪是一种重要的化工原料，主要用来脱硫、处理温室气体—二氧化碳等，具有广阔的市场。
二(2-羟乙基)哌嗪由哌嗪与2-氯乙醇反应而首次制备得到(J.Chem.Soc.93,第1802页(1908))。目前，生产二(2-羟乙基)哌嗪的主要方法是由哌嗪和环氧乙烷反应得到(DE1954546A(1971)，BASF AG)。还包括公开文献(Journal of the American Chemical Society,1954,76:1126-37)、(Reaction Kinetics and Catalysis Letters,2004，82(2):339-346)中也提到了上述工艺。但该制备方法采用哌嗪为原料，成本高且不易得。
可知，目前可实现工业化生产二(2-羟乙基)哌嗪的方法还沿用几十年前的传统工艺，因此，亟待开发一种新的工艺路线。
技术实现要素：
本发明提供了一种二(2-羟乙基)哌嗪的制备方法，该工艺以环氧乙烷和乙二胺为起始原料，经反应后得到由三(2-羟乙基)乙二胺和四(2-羟乙基)乙二胺组成的原料液，在特定催化剂的作用下发生催化胺化反应，从而得到高纯度的二(2-羟乙基)哌嗪，该工艺生产成本低廉，可实现工业化连续生产。
具体实施方案如下：
一种二(2-羟乙基)哌嗪的制备方法，步骤如下：
(1)环氧乙烷和乙二胺按摩尔比为3～4:1混合，反应后得到混合液，再将混合液与溶剂混合，得到原料液；
(2)催化剂作用下，原料液在氢气氛围下发生分子内醇的催化胺化反应，分离后得到所述的二(2-羟乙基)哌嗪；
所述的催化剂由载体及负载在载体上的活性组分组成，所述载体为碱性Al2O3；所述的活性组分为铜、铜的氧化物、钴或钴的氧化物中的至少一种。
作为优选，步骤(1)的具体工艺过程为：
室温下，将环氧乙烷滴加到乙二胺中反应3～4h，控制反应温度不高于50℃。
步骤(1)中，经反应后得到的混合液由三(2-羟乙基)乙二胺和四羟基乙二胺组成。进一步优选，环氧乙烷和乙二胺的摩尔比为3.2:1。经试验发现，在该特定摩尔比下获得的混合液中，三(2-羟乙基)乙二胺与四羟基乙二胺在一个合适的比例范围内，在特定的催化剂作用下，产物二(2-羟乙基)哌嗪的选择性最高。
作为优选，步骤(1)中，所述的溶剂选自甲醇、乙醇、四氢呋喃、1，4-二氧六环、三乙胺、甲基叔丁基醚、乙醚、异丙醚、水、正己烷、环己烷中的至少一种。进一步优选，所述原料液的最优浓度为10～50wt％，溶剂选自1，4-二氧六环、甲基叔丁基醚、甲醇、乙醇或水。
作为优选，步骤(2)中，以重量百分比计，所述催化剂的组成包括：活性组分15～30％，载体70～85％。进一步优选，活性组分为Cu或Co；更优选，活性组分为20～30％，载体70～80％。
上述催化剂可以通过下述两种方法制备：
(1)浸渍法，将活性组分的金属硝酸盐水溶液均分为两次与载体浸渍；第一次浸渍6～18小时后过滤，将担载有金属硝酸盐的载体在110～130℃干燥12～24小时，之后在300～400℃焙烧3～6小时；待载体冷却后第二次浸渍6～18小时，过滤后于110～130℃干燥12～24小时，之后在350～650℃焙烧3～6小时。
(2)挤条法，将活性组分的金属硝酸盐水溶液和共沉淀剂的水溶液机械搅拌至沉淀完全；水浴温度保持50～90℃，调节pH值为7.0～8.0；保持温度继续搅拌30～90分钟后，过滤洗涤至中性，并检测至无NO3-为止；滤饼在110～130℃烘干12～24小时；滤饼粉碎后加入到稀硝酸水溶液与拟薄水铝石的均匀混合物中，搅拌、研磨，用挤条器挤成条状，置于烘箱中110～130℃烘干12～24小时，然后在马弗炉内缓慢程序升温至350～650℃焙烧3～6小时。
所述的共沉淀剂为氢氧化钾、氢氧化钠、氨水、碳酸铵、碳酸钾、碳酸钠、醋酸钠或草酸钠。
作为优选，步骤(2)中，
将原料液通入装填有催化剂的固定化床反应器发生分子内醇的催化胺化反应；
所述固定化床反应器中的温度为100～250℃，氢气压力为0.5～5.0MPa，反应液的空速为0.5～6h-1。进一步优选，氢气压力为3～4MPa，反应液的空速为0.9～2.3h-1。
作为优选，步骤(2)中，所述的分离过程包括：将反应产物冷却后进行气液分离，分离所得液体转入精馏釜，蒸除溶剂后减压精馏，得到二(2-羟乙基)哌嗪，再经过重结晶得到精品二(2-羟乙基)哌嗪，纯度在99.5％以上。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
1、本发明以环氧乙烷和乙二胺为起始原料，上述原料来源广泛，成本低廉，保证了整个工艺路线具有很好的经济效益；
2、本发明采用特定的负载型催化剂，可以高效地催化三(2-羟乙基)乙二胺和四(2-羟乙基)乙二胺的催化胺化反应，制得的粗品二(2-羟乙基)哌嗪再通过精馏后，质量符合工业品一级品标准，纯度不低于99.0％，且该负载型催化剂寿命长；
3、利用固定化床生产，工艺简单，适用于工业化连续生产。
具体实施方式
实施例1
(1)在室温下，将140g环氧乙烷缓慢滴加到60g乙二胺中，反应放热，控制温度不要超过50摄氏度，滴加完毕后反应4h得到混合液，。然后取60g混合液加入到140g1，4-环氧乙烷中，配成30wt％的反应液。
(2)将50克氧化型固体负载催化胺化催化剂填装在直径15mm，长度为1.0m的单管固定床反应器内，催化剂层的填装高度约0.3m。反应器内催化剂保持临氢状态并有氢气流通过，温度维持在250℃还原5小时，使催化剂具有活性。还原结束后降温至160℃，氢气压力升至3.0MPa，反应液经预热器从上端进入催化胺化反应器中，流速为60毫升每小时，此时空速为1.13h-1。催化胺化反应产物从固定床反应器下端流出，流出物经冷却、气液分离后得产物混合液。产物混合液经气相色谱分析，转化率为97.4％，选择性为96.9％。减压精馏后得产品二(2-羟乙基)哌嗪，气相色谱分析纯度为99.0％以上。上述催化剂是按照挤条法来制备的，所用催化剂为Cu/碱性Al2O3＝30/70。
对比例1
(1)在室温下，将140g环氧乙烷缓慢滴加到60g乙二胺中，反应放热，控制温度不要超过50摄氏度，滴加完毕后反应4h得到混合液。然后取60g混合液加入到120g甲基叔丁基醚中，配成50wt％的反应液。
(2)将50克氧化型固体负载催化胺化催化剂填装在直径15mm，长度为1.0m的单管固定床反应器内，催化剂层的填装高度约0.3m。反应器内催化剂保持临氢状态并有氢气流通过，温度维持在250℃还原5小时，使催化剂具有活性。还原结束后降温至220℃，氢气压力升至3.0MPa，反应液经预热器从上端进入催化胺化反应器中，流速为48毫升每小时，此时空速为0.904h-1。催化胺化反应产物从固定床反应器下端流出，流出物经冷却、气液分离后得产物混合液。反应混合液经气相色谱分析分析转化率99％，选择性78.3％。减压精馏后得产品二(2-羟乙基)哌嗪，气相色谱分析纯度为99.0％以上。
上述催化剂是按照浸渍法来制备的，所用催化剂为Cu/γ-Al2O3＝20/80。
实施例2
(1)在室温下，将140g环氧乙烷缓慢滴加到60g乙二胺中，反应放热，控制温度不要超过50摄氏度，滴加完毕后反应4h得到混合液。然后取60g混合液加入到600g甲醇中，配成10wt％的反应液。
将50克氧化型固体负载催化胺化催化剂填装在直径15mm，长度为1.0m的单管固定床反应器内，催化剂层的填装高度约0.3m。反应器内催化剂保持临氢状态并有氢气流通过，温度维持在250℃还原5小时，使催化剂具有活性。还原结束后降温至220℃，氢气压力升至3.0MPa，反应液经预热器从上端进入催化胺化反应器中，流速为120毫升每小时，此时空速为2.26h-1。催化胺化反应产物从固定床反应器下端流出，流出物经冷却、气液分离后得产物混合液。反应混合液经气相色谱分析分析转化率97.6％，选择性95.3％。减压精馏后得产品2-羟乙基哌嗪，气相色谱分析纯度为99.0％以上。
上述催化剂是按照挤条法来制备的，所用催化剂为Co/碱性Al2O3＝20/80。
实施例3
(1)在室温下，将140g环氧乙烷缓慢滴加到60g乙二胺中，反应放热，控制温度不要超过50摄氏度，滴加完毕后反应4h得混合液。然后取60g混合液加入到300g乙醇中，配成20wt％的反应液。
将30克氧化型固体负载催化胺化催化剂填装在直径15mm，长度为1.0m的单管固定床反应器内，催化剂层的填装高度约0.6m。反应器内催化剂保持临氢状态并有氢气流通过，温度维持在250℃还原5小时，使催化剂具有活性。还原结束后降温至200℃，氢气压力升至3.0MPa，反应液经预热器从上端进入催化胺化反应器中，流速为90毫升每小时，此时空速为1.7h-1。催化胺化反应产物从固定床反应器下端流出，流出物经冷却、气液分离后得产物混合液。反应混合液经气相色谱分析分析转化率98.9％，选择性96.7％。减压精馏后得产品2-羟乙基哌嗪，气相色谱分析纯度为99.0％以上。
上述催化剂是按照浸渍法来制备的，所用催化剂为Co/碱性Al2O3＝30/70。
对比例2
(1)在室温下，将140g环氧乙烷缓慢滴加到60g乙二胺中，反应放热，控制温度不要超过50摄氏度，滴加完毕后反应4h得混合液。然后取60g混合液加入到300g水中，配成20wt％的反应液。
(2)将30克氧化型固体负载催化胺化催化剂填装在直径15mm，长度为1.0m的单管固定床反应器内，催化剂层的填装高度约0.6m。反应器内催化剂保持临氢状态并有氢气流通过，温度维持在250℃还原5小时，使催化剂具有活性。还原结束后降温至200℃，氢气压力升至3.0MPa，反应液经预热器从上端进入催化胺化反应器中，流速为60毫升每小时，此时空速为1.13h-1。催化胺化反应产物从固定床反应器下端流出，流出物经冷却、气液分离后得产物混合液。反应混合液经气相色谱分析分析转化率98.9％，选择性66.7％。减压精馏后得产品2-羟乙基哌嗪，气相色谱分析纯度为99.0％以上。
上述催化剂是按照浸渍法来制备的，所用催化剂为Co/γ-Al2O3＝30/70。