一种用于3-氧杂环丁醇氧化合成3-氧杂环丁酮的催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于精细化工，具体涉及一种用于3-氧杂环丁醇氧化合成3-氧杂环丁酮的催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、3-氧杂环丁酮是一种重要的药物中间体，是药物化学中非常重要的合成片段，可应用于多种药物合成当中，以改善药物分子的溶解度、脂溶性，提高药物分子的稳定性。3-氧杂环丁酮是构成氧杂环丁烷体系最基础的中间体，可衍生出多种下游产品，具有非常好的应用前景。

2、目前，3-氧杂环丁酮的合成方法主要有以下三种：

3、(1)方法一：使用重氮甲烷和氯乙酰氯为原料反应得到重氮酮，重氮酮在碱性条件下水解、闭环得到3-氧杂环丁酮。

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5、(2)方法二：使用1,3-二氯丙酮为起始原料，在甲醇钠存在下水解、闭环，最后在酸性条件下水解得到3-氧杂环丁酮。

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7、(3)方法三：以3-氧杂环丁醇为原料，在氧化剂存在下得到3-氧杂环丁酮。

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9、上述方法一使用重氮甲烷，该品属于爆炸品，易燃，高毒，具有强刺激性，因此该方法有很大的安全隐患，不适合放大生产。

10、上述方法二使用1,3-二氯丙酮为起始物，1,3-二氯丙酮属于管之类化学品，具有强刺激性，购买和使用有很大风险，不适合放大生产。

11、上述方法三是路线最短的3-氧杂环丁酮的生产方法，其中氧化体系目前主要有3种：（1）五氧化二磷/dmso体系（cn109422709a）；（2）pcc/pdc氧化体系（j.org.chem.1983,48,2953）；（3）溴代丁二酰亚胺、氯代丁二酰亚胺，卤化物金属盐、碱氧化体系（cn103694201a）。五氧化二磷/dmso体系会产生大量的含磷废水，并且dmso与水互溶，很难回收再使用；pcc/pdc氧化体系使用三氧化铬，产生大量含铬废水，环保压力巨大；溴代丁二酰亚胺、氯代丁二酰亚胺，卤化物金属盐、碱氧化体系会产生大量的固体废弃物，同样面临环保压力。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种以al2o3为载体，cuo、fe2o3、mno2为活性组分的负载型催化剂（简写为cuo-fe2o3-mno2/al2o3），该催化剂具有较高的催化活性；本发明的目的之二是提供了该催化剂的制备方法；本发明的目的之三是提供了利用该催化剂使3-氧杂环丁醇经空气、氧气或双氧水氧化高效制备3-氧杂环丁酮的应用。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一方面，本发明提供了一种用于3-氧杂环丁醇氧化合成3-氧杂环丁酮的催化剂，该催化剂活性组分为cuo、fe2o3、mno2，载体为al2o3，其中活性组分cuo质量含量在1%~10%，fe2o3质量含量在0.5%~2%，mno2质量含量在0.5%~2%，al2o3为α、β、γ型，最优为γ型。

4、另一方面，本发明还提供了该催化剂的制备方法，具体步骤如下：

5、(1) 称取一定量的cu(no3)2·3h2o、fe(no3)3·9h2o、mn(no3)2 50%水溶液溶于去离子水中，制得溶液a，其中金属离子总浓度为0.1~1mol/l；

6、(2) 称取一定量的碳酸盐溶于去离子水中，制得沉淀剂溶液b，碳酸盐浓度为0.1~0.5mol/l；

7、(3) 称取一定量的al2o3和聚乙二醇(peg)，分散于去离子水中，制得溶液c，其中al2o3的浓度为100g/l，聚乙二醇浓度为0.01mol/l；

8、(4) 将溶液c搅拌升温至70℃，将溶液a和溶液b同时并流滴加入溶液c中，控制终点ph=7~8，滴加完后保温陈化2h，然后降温过滤，去离子水洗涤，滤饼100℃干燥2h，再于300~500℃焙烧2h，即得到所述催化剂。

9、其中步骤(2)中，所述碳酸盐为na2co3、k2co3、(nh4)2co3中的一种，所述聚乙二醇为peg2000、peg4000中的一种。

10、该催化剂也可以采用共沉淀法中的正加和反加法，其中采用本发明方法提供的并流法制得的催化剂活性组分负载更加均匀，催化活性更高。

11、本发明提供的催化剂制备原理为：cu(no3)2·3h2o、fe(no3)3·9h2o、mn(no3)2与沉淀剂碳酸盐发生反应生成cu(co3)2、fe2(co3)3、mn(co3)2，经干燥焙烧后生成cuo、fe2o3、mno2，聚乙二醇的加入使得活性组分更加均匀的沉积在载体表面。

12、另一方面，本发明还提供了该催化剂在3-氧杂环丁醇氧化合成3-氧杂环丁酮中的应用，将所述催化剂加入3-氧杂环丁醇和有机溶剂混合液中，在一定温度下通入或滴加入氧化剂进行氧化反应，反应完成后进行固液分离，液体部分纯化后得到3-氧杂环丁酮，其反应条件如下：

13、(1)所述催化剂用量为3-氧杂环丁醇的1~10wt%；

14、(2)所述氧化剂与3-氧杂环丁醇的摩尔比为1~1.5:1；

15、(3)所述氧化反应温度为0~100℃。

16、本发明提供的催化剂在用于将3-氧杂环丁醇氧化为3-氧杂环丁酮的反应时，所使用的氧化剂可以为空气、氧气或双氧水。当采用空气或氧气为氧化剂时，将空气或氧气鼓泡通入3-氧杂环丁醇、溶剂、催化剂组成的反应体系，通入速度不做特殊限定要求；当采用双氧水为氧化剂时，双氧水以滴加的方式加入反应体系。

17、3-氧杂环丁醇氧化为3-氧杂环丁酮反应中所采用的有机溶剂为丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、四氯乙烷、四氢呋喃、乙酸乙酯、正己烷、环己烷中的一种或多种。

18、氧化反应完成后，进行固液过滤分离，催化剂回收重复使用，母液经蒸馏纯化后得3-氧杂环丁酮。

19、本发明与现有技术相比，具有以下突出效果：采用本发明提供的cuo-fe2o3-mno2/al2o3催化剂，原料3-氧杂环丁醇转化率可达99%以上，几乎完全氧化为3-氧杂环丁酮，没有副反应发生，产品收率可达84~86%；催化剂可以回收，经多次重复套用后，催化活性能保持稳定；使用空气、氧气或双氧水为氧化剂，除了有水生成，无其他废弃物产生，过程清洁，环境友好。

20、实施方式

21、以下通过具体实施例对本发明进行更详细的说明；实施例仅是对本发明的一种说明，而不构成对本发明的限制。

22、实施例

23、制备催化剂：

24、称取30gcu(no3)2·3h2o、4gfe(no3)3·9h2o、2.5gmn(no3)2 50%水溶液溶于1000g去离子水中，制得溶液a；称取16g na2co3溶于1000g去离子水中，制得溶液b；称取100g γ-al2o3和20gpeg2000分散于1000g去离子水中，制得溶液c；溶液c搅拌升温至70℃，将溶液a和溶液b同时滴加入溶液c中，控制终点ph=7~8，滴加完后保温70℃反应2h，降至室温过滤，滤饼用去离子水洗涤，100℃干燥2h，再于400℃焙烧2h，即得到cuo-fe2o3-mno2/al2o3 1#催化剂。

25、制备3-氧杂环丁酮：

26、向反应瓶中加入二氯甲烷200g，3-氧杂环丁醇74g，1#催化剂5g，控制温度在10~20℃，鼓泡通入氧气；反应结束后，气相色谱分析，测得原料3-氧杂环丁醇转化率为99.8%，过滤反应液，并用二氯甲烷洗涤催化剂，催化剂洗涤液与反应液合并，常压蒸馏除去大部分的溶剂二氯甲烷后，减压精馏得到3-氧杂环丁酮，收率85.6%，纯度99.6%。

27、实施例

28、制备催化剂：

29、称取8gcu(no3)2·3h2o、2gfe(no3)3·9h2o、6gmn(no3)2 50%水溶液溶于1000g去离子水中，制得溶液a；称取7g na2co3溶于500g去离子水中，制得溶液b；称取100g γ-al2o3和20gpeg2000分散于1000g去离子水中，制得溶液c；溶液c搅拌升温至70℃，将溶液a和溶液b同时滴加入溶液c中，控制终点ph=7~8，滴加完后保温70℃反应2h，降至室温过滤，滤饼用去离子水洗涤，100℃干燥2h，再于450℃焙烧2h，即得到cuo-fe2o3-mno2/al2o3 2#催化剂。

30、制备3-氧杂环丁酮：

31、向反应瓶中加入二氯甲烷200g，3-氧杂环丁醇74g，2#催化剂3g，控制温度在10~20℃，鼓泡通入空气；反应结束后，气相色谱分析，测得原料3-氧杂环丁醇转化率为99.6%，过滤反应液，并用二氯甲烷洗涤催化剂，催化剂洗涤液与反应液合并，常压蒸馏除去大部分的溶剂二氯甲烷后，减压精馏得到3-氧杂环丁酮，收率84.1%，纯度99.5%。

32、实施例

33、制备催化剂：

34、称取16gcu(no3)2·3h2o、5gfe(no3)3·9h2o、4gmn(no3)2 50%水溶液溶于1000g去离子水中，制得溶液a；称取10g (nh4)2co3溶于1000g去离子水中，制得溶液b；称取100g γ-al2o3和40gpeg2000分散于1000g去离子水中，制得溶液c；溶液c搅拌升温至70℃，将溶液a和溶液b同时滴加入溶液c中，控制终点ph=7~8，滴加完后保温70℃反应2h，降至室温过滤，滤饼用去离子水洗涤，100℃干燥2h，再于400℃焙烧2h，即得到cuo-fe2o3-mno2/al2o3 3#催化剂。

35、制备3-氧杂环丁酮：

36、向反应瓶中加入二氯乙烷200g，3-氧杂环丁醇74g，3#催化剂7g，控制温度在10~20℃，鼓泡通入氧气；反应结束后，气相色谱分析，测得原料3-氧杂环丁醇转化率为99.5%，过滤反应液，并用二氯甲烷洗涤催化剂，催化剂洗涤液与反应液合并，常压蒸馏除去大部分的溶剂二氯甲烷后，减压精馏得到3-氧杂环丁酮，收率85.8%，纯度99.7%。

37、将实施例1中得到的回收催化剂经甲醇洗涤后自然风干，按照实施例1的条件重复进行催化剂套用实验，结果如下：

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