醇胺法合成吲哚机理及工艺优化

醇胺法合成吲哚机理及工艺优化
何志勇
【摘要】为了改进醇胺法合成吲哚工艺,提高吲哚的收率,考察了新催化剂下的反应机理及工艺条件.用气相色谱-质谱(GC-MS)分析了醇胺法合成吲哚中的副产物,得到了18个具体副产物的结构信息,其中副产物N,N'-二苯基-1,2-乙二胺和N-苯基吗
啉的存在证明吲哚合成中生成了中间体2-苯胺基乙醇,确定了吲哚合成的主要机理:首先苯胺和乙二醇催化反应生成了中间体2-苯胺基乙醇,然后2-苯胺基乙醇再脱水、脱氢得到吲哚.根据此机理,调整了工艺条件,并对催化剂的载体进行改进,自制GC6
催化剂合成吲哚,催化剂的使用寿命得到极大提高,500 h稳定实验结果显示催化剂
活性较好,吲哚收率仍维持在70％以上.
【期刊名称】《化学反应工程与工艺》
【年(卷),期】2018(034)002
【总页数】6页(P124-129)
【关键词】苯胺;乙二醇;吲哚
【作者】何志勇
【作者单位】中国石油化工股份有限公司南京化工研究院有限公司,江苏南京210042
【正文语种】中文
【中图分类】O621.13
吲哚是制备各种医药、农药、香料、染料和饲料添加剂的主要原料，是一种重要的杂环精细化工中间体[1]。

80年代日本的渡边[2]发明了苯胺和乙二醇在金属催化剂的作用下气相合成吲哚产品的方法。

以苯胺和乙二醇为原料催化合成吲哚（醇胺法），该方法不仅原料价格低廉，生产成本低，而且操作工艺简单，环境友好，具有明显的优点，是合成吲哚最有前途的一种方法。

为了开发具有自主知识产权的合成工艺，需要研究该反应的机理，提出优化的工艺。

前期研究发现，不管是使用Ag基催化剂还是Cu基催化剂，醇胺法合成吲哚的反应初活性相对较高，使用Ag基催化剂反应1 h吲哚的收率能够达到75%，但是
催化剂稳定性较差，吲哚的收率随着时间的延长而快速降低。

为了改善催化剂的性能，稳定吲哚的收率，本工作对反应中的副产物进行分离检测，研究反应机理，调整工艺，同时对催化剂的载体SiO2进行改进，改进后的催化剂寿命得到了极大的提高，500 h实验显示吲哚收率仍大于70%。

1 实验部分
1.1 催化剂的制备
载体扩孔：将100 g的SiO2（40～60 目）和200 mL去离子水加入500 mL的
高压釡中密闭，升温到180 ℃，保温2 h，然后将载体过滤、洗涤、干燥，得到
扩孔后的载体备用。

催化剂制备采用等体积浸制方法。

将上述载体放入65 ℃的助剂中，搅拌浸渍4 h，然后于120 ℃下干燥4 h，并在500 ℃焙烧4 h，得到预制载体。

预制载体在活
性组分溶液中常温浸渍24 h，于120 ℃下干燥4 h，并在500 ℃焙烧4 h，得到
催化剂GC6。

1.2 反应实验方法
反应实验在50 mL单管加压固定床连续流动反应器中进行。

催化剂颗粒度40～
60目，体积20 mL。

催化剂在温度120 ℃，氢气流速50 mL/min条件下还原1 h。

催化剂活化完毕开始进料，原料苯胺和乙二醇物质的量比为 9:1。

程序升温达
到指定的反应温度，调节背压阀，控制体系的氢气压力，开启泵1和泵2按设定
的物料比例和空速进料，物料进入气化器汽化后进入固定床反应器反应，反应后的气化混合物经过冷凝器变成液体进入分液器进行油水分离，有机层进入精馏塔精馏得到产品吲哚。

苯胺法合成吲哚工艺流程如图1所示。

图1 吲哚合成工艺流程Fig.1 The flowsheet of indole synthesis1-pump;2-preheater;3-fixed bed reactor;4-condensator;5-oil water separator;6-rectifying column;7- receiving groove;8-storage tank
2 结果与讨论
2.1 传统催化剂的性能
首先根据文献[3-11]的方法制备了载体SiO2负载不同活性组分和不同负载量的催化剂C1-C7（C1-C7，C1-3%Ag硅胶，C2-6%Ag硅胶，C3-6%Ag-Zn-Fe硅胶，C4-6%Ag-Zn-Fe-Ce硅胶，C5-6%Ag-Zn硅胶，C6-4%Ag扩孔硅胶，C7-
6%Ag扩孔硅胶），在液时空速为 0.4 h-1，氢气压力为 0.5 MPa，反应温度为325 ℃的条件下进行了吲哚合成实验，结果如图2所示。

实验结果显示，在10 h
运行时间内催化剂活性下降很快，尤其是前面6 h内吲哚收率急剧下降，催化剂失活明显。

图2所示，C6催化剂合成吲哚的初始收率较高，但催化剂失活较快，因此对其使用前后的结构进行了表征，结果见表1。

图2 吲哚合成收率随时间变化Fig.2 Indole yield changs with time
表1 C6催化剂使用前后表征结果Table 1 The characterized result of C6 catalyst before and after useSample number Specific surface area /(m2·g-1)Pore volume /(mL·g-1)Average pore size / nm Pore size distribution,%≤2 nm 2-5 nm 5-10 nm ≥10 nm C6 new sample 297 0.80 4.80 0 71.11 28.13
0.76 C6 used sample 81 0.30 7.99 0 29.50 69.64 0.86 C6 used sample
500 ℃roasting 2 h 289 0.84 5.12 0 70.50 28.54 0.86
结果显示，C6催化剂比表面积下降较大，同时，2～5 nm的孔道由71.11%减少
为29.5%，说明催化剂在使用过程反应的孔道被堵塞了。

原因可能是高温反应的
过程中产生了焦油等物质，覆盖住了催化剂的活性位点，阻止了反应的进行，因此催化剂失活较快，吲哚合成收率下降明显。

将使用后的C6催化剂500 ℃焙烧后
再次检测，各项指标和新鲜催化剂大体相同，吲哚收率65%左右，4 h左右催化
剂失活仍较快。

2.2 副产物的表征及机理分析
为了更好地解决催化剂失活的问题，首先对反应过程中副产物进行了分离和表征，对反应的历程进行了研究分析，从理论上指导实验改进。

苯胺和乙二醇合成吲哚的反应是一个多通道多步骤的反应，共有四条反应通道[3]，但归纳起来经历的反应有两条途径。

一条是乙二醇上的羟基先与苯胺邻位碳上的氢反应脱去一分子水生成中间体邻氨基苯乙醇（中间体 1），然后邻氨基苯乙醇在催化剂的作用下继续反应生成目标产物吲哚。

另外一条途径是乙二醇上的羟基先与苯胺氨基上的氢反应脱去一分子水生成 2-苯胺基乙醇（中间体 2），然后2-苯胺基
乙醇继续反应脱水、脱氢生成目标产物吲哚。

孙仁安等[4]通过理论模拟计算得到各条反应途径的反应活化能值，通过活化能的
高低来推测反应是按照第2条途径进行的，即苯胺和乙二醇先生成2-苯胺基乙醇，该中间体再脱水、脱氢得到目标产物吲哚，但未见实验报道验证具体的反应途径，实验中若能捕捉到中间体或者中间体相关的下游产物，即可实验证明反应的历程，对于工艺改进具有实际的指导意义。

按照工艺条件开展了吲哚的合成实验，将收集的反应液进行GC-MS检测，发现了
至少18种副产物（如下），其中大部分是以吲哚环为母体的产物，同时也有部分以苯胺为母体的产物，检测中没有发现上述两条反应途径中间体1和中间体2。

但在副产物中发现了两个中间体2的下游产物N,N’-二苯基-1,2-乙二胺和4-苯基吗啉（其MS谱图如图3和图4），其中中间体2与苯胺在SiO2载体上高温醇胺缩合得到N,N’-二苯基-1,2-乙二胺[12]，中间体2与乙二醇在SiO2载体上高温醇胺缩合得到N-苯基乙二醇胺，其在高温下分子内脱水形成4-苯基吗啉[13]。

图3 4-苯基吗啉的质谱Fig.3 The mass spectrogram of 4-phenylmorpholine 图4 N,N'-二苯基乙二胺的质谱Fig.4 The mass spectrogram ofN,N'-diphenylethane-1,2-diamine
具体的反应如下，说明吲哚合成反应过程中有中间体2生成。

据此推测合成吲吲哚的主体反应机理为：第一步苯胺和乙二醇反应生成中间体2-苯胺基乙醇，随即2-苯胺基乙醇环合反应生成吲哚和副产物N,N’-二苯基-1,2-乙二胺及 4-苯基吗啉，由于产物中未检测到中间体2-苯胺基乙醇的残留，表示中间体2-苯胺基乙醇快速转化成吲哚和副产物了，因此相对而言，两步反应中第一步反应相对较慢，第二步反应相对较快。

反应如式（5）所示。

2.3 工艺改进和催化剂寿命实验
从检测和副产物表征结果来看，反应中的副产物虽然含量较低，但是品种较多，都是以吲哚和苯胺为基的物质，环上面含有电负性较强的氮原子，这些物质极容易吸附在催化剂的小孔道内形成积碳，堵塞反应孔道，降低催化剂的活性。

而反应历程也显示第一步苯胺参与的是慢反应，如果空速过大，苯胺通入过量，高温下未反应
苯胺氧化势必产生焦油[14]等副产物，因此适当降低空速，减少单位时间内苯胺的流量，有利于减少苯胺转化成副产物。

二是调整催化剂的载体，自制了 GC6催化剂，使催化剂载体的孔道适应反应物和产物的分子大小，便于反应的顺利进行以及产物等顺利扩散出反应孔道。

三是通入水蒸汽。

由于吲哚与水能形成共沸物，苯胺及其副产物和水也能形成共沸物，因此反应中通入适量的水生成水蒸汽，能起到蒸汽汽提的效果，有利于反应中生成的产物吲哚和苯胺系列化合物从催化剂孔道和表面快速脱离，避免这些物质吸附在催化剂孔道和表面高温炙烤而结焦和进一步生成其它的副产物，同时也有利于脱除吲哚和苯胺类副产品。

对催化剂的载体进行改进，扩大载体孔径，保持主体孔径为5～10 nm，自制了不同的孔径和金属含量的催化剂开展工艺改进实验，其中GC6催化剂取得了较好的
实验效果，吲哚催化剂的寿命得到了极大的延长，寿命实验结果如图5所示（每8 h取样）。

结果显示，经过500 h的连续实验，吲哚的收率仍然维持在70%以上，说明通过催化剂载体改进和工艺的调整，极大地提升了合成吲哚催化剂的使用寿命。

GC6催化剂的表征结果如表2所示。

图5 GC6催化剂合成吲哚的寿命实验Fig.5 The life test of indole synthesized by GC6 catalyst
表2 GC6催化剂表征结果Table 2 The characterized result of GC6 catalystA g c o n t e n t(w),%Z n c o n t e n t(w),%S p e c i f i c s u r f a c e a r e a /(m 2·g-1)P o r e v o l u m e /(m L·g-1)A v e r a g e p o r e s i z e / n m P o r e s i z e d i s t r i b u t i o n,%≤2 n m 2-5 n m 5-1 0 n m ≥1 0 n m 8 0.5 1 6 1 0.9 1 8.7 6 0 3.0 6 7 0.8 2 6.1 4
3 结论
通过对吲哚合成反应中的副产物进行气相色谱-质谱分析，确定了其中 18中副产
物的具体结构，没有发现文献报道的间体邻氨基苯乙醇（中间体1）和2-苯胺基
乙醇（中间体2），但发现其中的两个副产物N,N’-二苯基-1,2-乙二胺和N-苯基吗啉是由中间体2分别与苯胺和乙二醇反应得到的产物，证明反应过程中生成了中间体2，说明吲哚合成的主体反应是按照途径2进行，即苯胺和乙二醇反应生成2-苯胺基乙醇（中间体2），然后再与乙二醇反应得到吲哚。

根据反应历程的分析，改进了催化剂载体，制得主体孔径为5～10 nm的GC6催化剂，降低反应空速，反应中通入适量水蒸汽，使反应催化剂的寿命极大提高，500 h催化剂稳定性实验显示，吲哚收率仍保持在70%以上。

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