本發(fā)明涉及胺一步法制備3-甲基吲哚的方法，具體地說是由苯胺和1,2-丙二醇一步法催化合成3-甲基吲哚的方法。本發(fā)明還涉及用于實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。
背景技術(shù)：
：3-甲基吲哚是重要的醫(yī)藥、農(nóng)藥試劑，因其獨(dú)有的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得其衍生出的醫(yī)藥和農(nóng)藥具有獨(dú)特的生理活性。可用于制備抗局部缺血藥物，前列腺疾病治療藥和記憶增強(qiáng)劑鎮(zhèn)痛藥等，它也是香料的原料，像吲哚一樣，濃時(shí)具有強(qiáng)烈的糞臭味，讓人極不舒服，而在稀釋后具有優(yōu)美的大靈貓香及茉莉花香味，常用于茉莉、檸檬、紫丁香、蘭花和荷花等人造花精油的調(diào)配，可以代替吲哚作為定香劑使用。3-甲基吲哚的附加價(jià)值較高，市場(chǎng)價(jià)格在4000~4500元/kg。目前3-甲基吲哚合成方法較多，大部分操作繁雜，廢棄物較多，產(chǎn)品難以分離，對(duì)環(huán)境不友好。Gopal和Siwach等人用摩爾比為1:6的吲哚與甲醇為原料氣相催化反應(yīng)，得到收率為33%～55%的3-甲基吲哚（ApplCatalA:General2002Vol.224No.121-128）；Fujita等人以镥銥絡(luò)合物為催化劑，在111℃回流反應(yīng)20h，氧化環(huán)化氨基醇得到3-甲基吲哚的收率為73%（OrganicLetters2002Nol.16No.2691-2694）；Chan等人以苯胺和甲基環(huán)氧乙烷為原料在催化劑RuCl3的作用下環(huán)化成3-甲基吲哚和2-甲基吲哚，其中3-甲基吲哚收率只有11%，所得到的產(chǎn)物主要是2-甲基吲哚（TetrahedronLetters2003Vol.44No.2975-2977）；Fischer以丙醛與苯肼加熱脫去水分子形成丙醛苯腙，然后與硫酸加熱，脫去氨分子環(huán)化得到3-甲基吲哚，收率85%，但產(chǎn)物分離困難（Org.Prep.Proc.Int.1993Vol.25No.607-610）；Yokoyama等人使用鈀催化2-碘苯胺和烯丙醇反應(yīng)，3-甲基吲哚收率63%，要過柱分離產(chǎn)物（Adv.Synth.Catal.2007Vol.349No.662-668）；Simoneau等人以苯肼和硝基丙烷反應(yīng)，3-甲基吲哚收率50%（TetrahedronLetters2007Vol.48No.1809-1811）；Liu等人報(bào)道了使用KOH在THF和H2O溶劑中，用溴化十六烷三甲基銨（CTAB）催化N-甲苯基硫磺吲哚脫去N-甲苯磺?；铣?-甲基吲哚（ORGPROCESSRESDEV.2008Vol.12No.778-780）。液相法制備3-甲基吲哚，雖然有較高產(chǎn)物收率的優(yōu)點(diǎn)，但由于其方法存在相當(dāng)多的缺點(diǎn)，如反應(yīng)原料復(fù)雜、價(jià)格昂貴、反應(yīng)條件較為苛刻、反應(yīng)操作存在危險(xiǎn)性以及反應(yīng)中需要使用大量有毒溶劑污染環(huán)境等。因此該方法無法滿足現(xiàn)今的綠色化學(xué)和工業(yè)化生產(chǎn)的需求。近來，由苯胺和1,2-丙二醇催化一步法合成3-甲基吲哚的方法引起人們的廣泛關(guān)注。在Ag基多相催化劑催化作用下，300~450℃溫度范圍內(nèi)，1~50atm壓力下，苯胺和1,2-丙二醇一步反應(yīng)即可生成3-甲基吲哚，反應(yīng)過程如式1所示。式13-甲基吲哚的制備該方法不僅原料價(jià)格低廉，生產(chǎn)成本低，操作工藝簡(jiǎn)單，而且反應(yīng)過程中造成環(huán)境污染的廢棄物少，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，是合成3-甲基吲哚最有前途的一種方法。Campanati等人以摩爾比為1:1苯胺和1,2-丙二醇為原料、ZrO2/SiO2為催化劑，在310℃下，通過常壓固定床氣相催化反應(yīng)1h得到12%的3-甲基吲哚（JournalofCatalysis2005Vol.232No.1-9）；Zheng等人通過苯胺和1,2-丙二醇為原料、Ag/SiO2為催化劑，常壓固定床氣相催化合成3-甲基吲哚，收率為35%（Chin.J.Catal.2008Vol.29No.1199-1201）。上述試驗(yàn)收率偏低，主要在于催化劑對(duì)產(chǎn)品的選擇性低。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供苯胺一步法制備3-甲基吲哚的方法。本發(fā)明的又一目的在于提供一種用于實(shí)現(xiàn)上述方法的反應(yīng)裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的制備3-甲基吲哚的方法，采用Ag基多相催化劑和固定床流動(dòng)式氣固反應(yīng)工藝，原料苯胺和1,2-丙二醇的混合物用泵輸送至預(yù)熱器，經(jīng)預(yù)熱器汽化后再進(jìn)反應(yīng)器中催化劑床層進(jìn)行催化反應(yīng)，生成含有3-甲基吲哚的液體產(chǎn)物：反應(yīng)條件如下：苯胺和1,2-丙二醇的摩爾比為5:1至15:1，反應(yīng)溫度為300~450℃，反應(yīng)壓力為0.1~5.0MPa；預(yù)熱器的溫度為200~400℃，苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為0.1~2.0h-1，水進(jìn)料空速為0.05~1.0h-1，氫氣的空速為50~1000h-1。所述的制備3-甲基吲哚的方法，其中反應(yīng)溫度為350℃，反應(yīng)壓力為0.7MPa；預(yù)熱器的溫度為280℃，苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為0.4h-1，水進(jìn)料空速為0.2h-1。所述的制備3-甲基吲哚的方法，含有3-甲基吲哚的液體產(chǎn)物經(jīng)過精餾得到3-甲基吲哚。所述的制備3-甲基吲哚的方法，其中苯胺和1,2-丙二醇連續(xù)進(jìn)料，在催化劑床層上反應(yīng)后，液體產(chǎn)品連續(xù)出料。所述的制備3-甲基吲哚的方法，其中苯胺和1,2-丙二醇的混合物在預(yù)熱器中加入水一起汽化，可以抑制催化劑的積碳，提高催化劑的壽命。所述的制備3-甲基吲哚的方法，其中反應(yīng)在H2氣氛下進(jìn)行，還原態(tài)的H2可以抑制催化劑的積碳生成，提高催化劑的壽命。本發(fā)明提供的用于實(shí)現(xiàn)上述制備方法的裝置，主要包括：預(yù)熱器，用來將原料與水產(chǎn)生汽化；氫氣進(jìn)氣口，用來將預(yù)熱器中汽化的原料和水帶入反應(yīng)器中；固定床反應(yīng)器，內(nèi)部裝填有催化劑，用來將汽化的原料和水進(jìn)行催化反應(yīng)；產(chǎn)品收集罐，用來接受產(chǎn)物并進(jìn)行分相，產(chǎn)物經(jīng)產(chǎn)品收集罐底部的出料口放出；原料、水以及氫氣分別通過循環(huán)泵進(jìn)入預(yù)熱器內(nèi)。所述的裝置，其中產(chǎn)品收集罐的出料口連接精餾塔，該產(chǎn)品收集罐的溫度為100-200℃；該精餾塔對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行精餾，精餾后的產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)品儲(chǔ)罐，未反應(yīng)的原料進(jìn)入反應(yīng)物儲(chǔ)罐重新參與反應(yīng)；水汽和氫氣由產(chǎn)品收集罐進(jìn)入預(yù)熱器進(jìn)行循環(huán)。所述的裝置，其中產(chǎn)品收集罐的產(chǎn)物通過循環(huán)泵進(jìn)入精餾塔。所述的裝置，其中水汽和氫氣通過循環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)入預(yù)熱器。本發(fā)明采用的Ag基多相催化劑是以Ag為主活性組分，下列元素中的一種或幾種為助劑，采用浸漬法擔(dān)載在載體上：IA族的Li、Na、K、Rb和Cs，IIA族的Be、Mg、Ca、Sr和Ba；IIB族的Zn和Cd；VIIB族的Mn、Tc、Re，VIA族的Se、Te和La系，VIII族的Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt。載體選用二氧化硅、MCM-41、SBA-15、活性炭或三氧化二鋁等。載體的比表面積在100-600m2/g，孔容0.5-2.0cm3/g，孔徑分布在10-1000?，Ag在催化劑總重量中占1-30.0%，每一種助劑在催化劑總重量中占0.01-10.0%，所有助劑重量之和在催化劑總重量中占0.05-20.0%。所述的浸漬法為：首先以市售的高比表面、大孔道SiO2作為催化劑的載體。然后將催化劑的活性組分和助劑以共浸或分浸的方法浸漬到載體上。本方法的關(guān)鍵是選用合適的助劑調(diào)變催化劑的活性和選擇性，尤其注重調(diào)變、提高催化劑的穩(wěn)定性能。這樣我們研制的催化劑的催化活性、選擇性和穩(wěn)定性比較高，具有很強(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，而且省去用共沉淀法制備載體這一復(fù)雜步驟，催化劑的制備工藝簡(jiǎn)單可靠，催化劑的成本也比較低。通過使用這種催化劑，進(jìn)而可以完成本發(fā)明。所述的Ag基多相催化劑在使用前先還原活化。還原的具體方法如下。在含N2的H2氣下進(jìn)行還原，混合氣中H2的體積含量為10~100%，混合氣的空速為200~8000h-1，還原溫度為100~500℃，還原時(shí)間為1~20小時(shí)。催化反應(yīng)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間如500~5000小時(shí)后，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性和3-甲基吲哚的收率出現(xiàn)明顯的下降，催化劑中聚集了較多的大分子含碳化合物，需要再生。本發(fā)明的催化劑再生方法中，再生的氣體為含少量氧的氮?dú)猓摎怏w經(jīng)凈化后，進(jìn)入反應(yīng)器催化劑床層進(jìn)行燒碳反應(yīng)，然后催化劑再用氫氣進(jìn)行還原，即可再次進(jìn)行催化反應(yīng)。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例的基本裝置示意圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1利用圖1所示的反應(yīng)裝置，在下述反應(yīng)條件下進(jìn)行反應(yīng)。該生產(chǎn)方法采用簡(jiǎn)單浸漬方法制備的Ag基多相催化劑，由苯胺和1,2-丙二醇一步法制備3-甲基吲哚。催化劑裝填量為10ml，苯胺和1,2-丙二醇的比例為10:1(摩爾比)，反應(yīng)溫度325℃，反應(yīng)壓力0.1MPa;預(yù)熱器的溫度250℃,苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為0.2h-1，水進(jìn)料空速為0.11h-1，氫氣的空速為860h-1，12小時(shí)取樣分析。本實(shí)施例為單程反應(yīng)。具體的反應(yīng)過程如下:10:1的苯胺和1,2-丙二醇放置于反應(yīng)物儲(chǔ)罐1中，用精密雙柱塞泵2按0.2h-1流速打進(jìn)預(yù)熱器3中，將水罐4中水用精密雙柱塞泵5按0.1h-1流速打進(jìn)預(yù)熱器中，與反應(yīng)物料一起汽化。進(jìn)入預(yù)熱器的的氫氣以860h-1流速夾帶汽化的苯胺和1,2-丙二醇以及水進(jìn)入反應(yīng)器6中進(jìn)行催化反應(yīng)。氫氣要預(yù)先經(jīng)內(nèi)裝硅膠、SA分子篩活性碳以及脫氧劑的凈化罐7和8凈化，壓力由壓力調(diào)節(jié)器9控制，其流量由質(zhì)子流量計(jì)10控制，經(jīng)過單向閥11進(jìn)入預(yù)熱器。反應(yīng)產(chǎn)物分別經(jīng)由產(chǎn)品收集罐12和13收集。產(chǎn)品收集罐12和13的底部有一截止閥14。氫氣經(jīng)背壓閥15卸壓后放空。產(chǎn)品收集罐的溫度維持在室溫（如果需要用精餾塔對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精餾，則產(chǎn)品收集罐的溫度為100~200℃），收集的液體包括水/油兩相，經(jīng)分液漏斗分成水相和油相兩個(gè)部分，分別對(duì)其中的苯胺、1,2-丙二醇和3-甲基吲哚進(jìn)行分析，得出來的數(shù)據(jù)分別加和，最后進(jìn)行計(jì)算催化反應(yīng)的1,2-丙二醇轉(zhuǎn)化率、生成3-甲基吲哚的選擇性和生成3-甲基吲哚的收率。反應(yīng)數(shù)據(jù)列于表l中。實(shí)施例2利用圖l所增的反應(yīng)裝置，在下述反應(yīng)條件下進(jìn)行反應(yīng)。該生產(chǎn)方法采用簡(jiǎn)單浸漬方法制備的Ag基多相催化劑，由苯胺和1,2-丙二醇一步法制備3-甲基吲哚。催化劑裝填量為10ml，苯胺和1,2-丙二醇的比例為10:1(摩爾比)，反應(yīng)溫度350℃，反應(yīng)壓力0.1MPa;預(yù)熱器的溫度280℃，苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為0.2h-1，水進(jìn)料空速為0.1h-1，氫氣的空速為860h-1，12小時(shí)取樣分析。反應(yīng)數(shù)據(jù)列于表1中。本實(shí)施例為單程反應(yīng)。具體的反應(yīng)過程如實(shí)施例l所述。實(shí)施例3利用圖1所示的反應(yīng)裝置，在下述反應(yīng)條件下進(jìn)行反應(yīng)。該生產(chǎn)方法采用簡(jiǎn)單浸漬方法制備的Ag基多相催化劑，由苯胺和1,2-丙二醇一步法制備3-甲基吲哚。催化劑裝填量為10ml，苯胺和1,2-丙二醇的比例為10:1(摩爾比)，反應(yīng)溫度350℃，反應(yīng)壓力0.7MPa;預(yù)熱器的溫度280℃，苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為0.2h-1，水進(jìn)料空速為0.1h-1，氫氣的空速為860h-1，12小時(shí)取樣分析。反應(yīng)數(shù)據(jù)列于表l中。本實(shí)施例為單程反應(yīng)。具體的反應(yīng)過程如實(shí)施例1所述。實(shí)施例4利用圖1所示的反應(yīng)裝置，在下述反應(yīng)條件下進(jìn)行反應(yīng)。該生產(chǎn)方法采用簡(jiǎn)單浸漬方法制備的Ag基多相催化劑，由苯胺和1,2-丙二醇一步法制備3-甲基吲哚。催化劑裝填量為10mL，苯胺和1,2-丙二醇的比例為10:1(摩爾比)，反應(yīng)溫度350℃，反應(yīng)壓力0.7MPa;預(yù)熱器的溫度280℃，苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為0.4h-1，水進(jìn)料空速為0.2h-1，氫氣的空速為430h-1,12小時(shí)取樣分析。本實(shí)施例為單程反應(yīng)，具體的反應(yīng)過程如實(shí)施例l所述。反應(yīng)數(shù)據(jù)列于表1中。實(shí)施例5利用圖1所示的反應(yīng)裝置，在下述反應(yīng)條件下進(jìn)行反應(yīng)。該生產(chǎn)方法采用簡(jiǎn)單浸漬方法制備的Ag基多相催化劑，由苯胺和1,2-丙二醇一步法制備3-甲基吲哚。催化劑裝填量為10mL，苯胺和1,2-丙二醇的比例為10:1(摩爾比)，反應(yīng)溫度350°C，反應(yīng)壓力0.7MPa;預(yù)熱器的溫度280°C，苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為0.4h-1，水進(jìn)來斗空速為0.2h-1,氫氣的空速為300h-1，24小時(shí)取樣分析。本實(shí)施例為單程反應(yīng)，具體的反應(yīng)過程如實(shí)施例l所述。反應(yīng)數(shù)據(jù)列于表l中。實(shí)施例6利用圖1所示的反應(yīng)裝置，在下述反應(yīng)條件下進(jìn)行反應(yīng)。該生產(chǎn)方法采用簡(jiǎn)單浸漬方法制備的Ag基多相催化劑，由苯胺和1,2-丙二醇一步法制備3-甲基吲哚。催化劑裝填量為10mL，苯胺和1,2-丙二醇的比例為10:1(摩爾比)，反應(yīng)溫度350°C，反應(yīng)壓力0.7MPa;預(yù)熱器的溫度280℃，苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為0.4h-1，水進(jìn)料空速為0.2h-1，氫氣的空速為300h-1。每50小時(shí)取樣分析。連續(xù)進(jìn)行500小時(shí)的壽命實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)數(shù)據(jù)列于表2中。本實(shí)施方案只進(jìn)行單程反應(yīng)。具體的反應(yīng)過程如實(shí)施例1所述。由表1的結(jié)果可知，利用本發(fā)明的Ag基多相催化劑，在固定床反應(yīng)器中，苯胺和1,2-丙二醇一步法合成3-甲基吲哚。不同的反應(yīng)條件對(duì)Ag基催化劑合成3-甲基吲哚的催化性能有較大的影響。最佳的反應(yīng)條件如下：反應(yīng)溫度:350°C，反應(yīng)壓力:0.7MPa;預(yù)熱器的溫度280°C，苯胺和1,2-丙二醇混合物料的進(jìn)料空速為:0.4h-1，水進(jìn)料空速為0.2h-1，氫氣的空速為300h-1。在此條件下，Ag基多相催化劑的1,2-丙二醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)到97.1%，生成3-甲基吲哚的選擇性達(dá)到44.8%，生成3-甲基吲哚的收率達(dá)到43.50%，比文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的最佳結(jié)果(選擇性達(dá)到95%，生成3-甲基吲哚的收率達(dá)到35%)有一定提高。表2列出了Ag基多相催化劑的壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢姡谧罴训姆磻?yīng)條件下，苯胺和1,2-丙二醇連續(xù)進(jìn)料反應(yīng)500小時(shí)的1,2-丙二醇的轉(zhuǎn)化率和生成3-甲基吲哚的收率都有一定程度的下降，但是仍能保持較高的水平。重要的是生成3-甲基吲哚的選擇性隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)有一定增加，達(dá)到44%以后基本保持不變，這一結(jié)果很有意義，因?yàn)檫x擇性對(duì)工業(yè)應(yīng)用特別重要。文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)Ag基多相催化劑選擇性為38%，而且隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)(如幾百小時(shí))，催化劑的選擇性等各項(xiàng)指標(biāo)有一定下降，文獻(xiàn)分析這主要是反應(yīng)物苯胺和生成物3-甲基吲哚都是含氮和苯環(huán)的大分子，易于在催化劑上產(chǎn)生積碳，從而引起催化劑的暫時(shí)失活。我們這一結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果相比，顯然有一定的特色，具有明顯的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。該工藝在實(shí)驗(yàn)室小試采用單程反應(yīng)，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)采用循環(huán)反應(yīng)，即過量的苯胺、反應(yīng)中加入的水和氫氣在反應(yīng)裝置中打循環(huán)，這樣可以實(shí)現(xiàn)能耗最小化，節(jié)約資源，又可以達(dá)到環(huán)境友好的目的。在上述實(shí)施例中的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品收集罐12、13的出料口還可以通過循環(huán)泵16將產(chǎn)物送入精餾塔17，對(duì)產(chǎn)物作進(jìn)一步的精餾。這時(shí)，該產(chǎn)品收集罐12、13的溫度為100~200℃，該精餾塔17對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行精餾后的產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)品儲(chǔ)罐18，未反應(yīng)的原料進(jìn)入反應(yīng)物儲(chǔ)罐l重新參與反應(yīng)，水汽和氫氣通過循環(huán)壓縮19由產(chǎn)品收集罐12、13進(jìn)入預(yù)熱器3進(jìn)行循環(huán)。綜上所述，苯胺和1,2-丙二醇一步法催化合成3-甲基吲哚的反應(yīng)過程具有工藝流程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高和操作連續(xù)方便的優(yōu)點(diǎn)。表1不同工藝條件下多相銀基催化劑的性能溫度壓力液時(shí)空速水空速氫氣空速時(shí)間轉(zhuǎn)化率選擇性收率℃MPah-1h-1h-1h%%%3250.10.20.18601285.620.417.463500.10.20.18601295.223.822.663500.70.20.18601294.634.532.643500.70.40.24301297.144.843.503500.70.20.24302493.439.837.17表2多相銀基催化劑的穩(wěn)定性時(shí)間壓力液時(shí)空速水空速氫氣空速溫度轉(zhuǎn)化率選擇性收率hMPah-1h-1h-1℃%%%500.70.40.230035098.545.344.621000.70.40.230035097.845.644.601500.70.40.230035096.246.144.352000.70.40.230035094.947.545.082500.70.40.230035092.348.344.583000.70.40.230035090.147.244.623500.70.40.230035088.746.541.254000.70.40.230035085.646.039.384500.70.40.230035083.445.337.785000.70.40.230035080.844.836.20當(dāng)前第1頁1 2 3