CO氧化偶联合成草酸二甲酯研究进展

CO氧化偶联合成草酸二甲酯研究进展

1. 前言

随着近年来国民经济的长足发展，我国石油消费一直呈上涨趋势。从1993年起我国已成为石油净进口国。预计2010年我国石油供应缺口将达到1.16～1.26亿吨；2020年缺口将近一步达到1.9～2亿吨，占总需求量的40%以上。从国家安全和能源战略的角度出发，研究开发以一碳资源替代石油作为原料的新的化学生产工艺，对于我国这样一个煤多、油少、甲烷资源丰富的国家，有着格外重要的意义。同时，吸取历史经验教训，发展工业不能以牺牲环境为代价，因而环境保护或新兴的绿色合成技术在一碳化学化工的研究与开发中始终是不可忽视的重要因素。只有在真正意义上做到了绿色的一碳化学工艺，才能取得经济与环境的双赢。[1]

传统的草酸酯生产路线是利用草酸同醇发生酯化反应来制备的，生产工艺成本高，能耗大，污染严重，原料利用不合理。CO氧化偶联合成草酸二甲酯工艺以其低成本、原子经济、绿色化工等优势成为当前一碳化工研究领域的重要课题之一。上世纪八、九十年代在我国得到了广泛的重视，国家科技部和化工部曾立为“八五”重点攻关项目。国内很多研究机构在这一领域相继开展了研究，西南化工研究院、中科院成都有机所和福建物构所、天津大学、浙江大学、华东理工大学等单位也都进行了研究并取得了一定的进展。

2. 草酸酯合成方法

草酸及草酸酯是重要的有机化工原料，大量用于精细化工制备各种染料医药、重要的溶剂、萃取剂以及各种中间体。进入21世纪，草酸酯作为可降解的环保型工程塑料单体而受到国际上广泛的重视。此外，草酸酯低压加氢可制备重要的化工原料乙二醇，常压可水解制得草酸，常压氨解可得优质化肥草酰胺。草酸酯还可以用作溶剂，生产医药和医药中间体等，例如与脂肪酸酯、环己乙酰苯、胺基醇以及许多杂环化合物进行各种缩合反应。它还可以合成在医药上用作激素的胸腺碱[2]。

草酸酯的生产方法主要有三种：传统法，一次酯化脱水法[3]和CO催化偶联法，最后一个方法又分为液相法和气相法两种。

2.1 传统法

传统草酸酯的合成方法是采用草酸和醇为原料酯化生成[4]，采用无机酸或离子交换树脂为催化剂，以氯仿、苯等能与水形成共沸物的低沸点溶剂或过量的醇来除去草酸的结晶水，收率可达80%～90%。反应式如下：

其生产过程采用甲苯或苯作为脱水剂，先脱去工业草酸中的结晶水，然后加入工业醇，与甲苯或苯的混合液进行第一次酯化，加热分水回流一定时间后，进行蒸馏。然后再加入甲苯或苯和工业醇进行第二次酯化和蒸馏，即得到粗产品草酸二酯，对它进行减压蒸馏，得到草酸二酯成品。实际生产中，往往增加反应物醇的投放量，以达到提高草酸二酯收率的目的。这种方法生产周期长，酯化过程一般需要22～24小时。

2.2 一次酯化脱水法

为了缩短生产周期，提高生产效率，降低产品单耗，进一步研究后将传统法改进为一次酯化脱水法。

一次酯化脱水法生成草酸酯的主反应和传统法相同。区别在于该方法将工业草酸和醇，脱水剂甲苯按照一定的比例同时投入到反应器中进行酯化反应，减少了一次酯化蒸馏的步骤；反应过程中加热分水，回流至酯化终点时，蒸出甲苯，得到粗品草酸酯。再对粗产品进行减压蒸馏，得到成品草酸酯。

该生产方法过程简单，操作方便，酯化时间也比传统法缩短了大约6小时左右，相应地设备的生产能

力增强。与传统法相比，此法收率较高，以草酸计算，草酸酯的收率达到86%～94%，因此一次酯化脱水法生产工艺具有一定的实用性和推广价值。

2.3 一氧化碳氧化偶联法

1) 液相法

利用一氧化碳氧化偶联制备草酸酯最初是在液相中进行的。20世纪60年代中期，美国Union Oil Company的Donald M. Fenton等在研究铂族金属液相催化反应时，发现在氧化气氛中，在反应体系中加入一种铁盐或铜盐作为氧化还原剂，乙烯、一氧化碳和甲醇发生氧化偶联反应生成丁二酸酯。同时发现若从反应体系中除掉乙烯，则生成草酸酯[5]。

自从Fenton,Steinwand的合成草酸酯方法公布以后[6]，世界各公司一直致力于Pd-Cu氧化还原系催化剂的改进，相继有不少专利报道，如大西洋里奇费尔德公司的PdCl2-CuCl2-LiCl-碱系催化剂、三菱瓦斯化学公司的Pd（NO3）2-醌系催化剂、宇部兴产公司的PdCl2-CuCl2-LiCl-NH3系催化剂等，其改进目的多是为了避免采用昂贵的CH(OC2H5)3等脱水剂，以降低生产成本，提高工艺的先进性和实用性。在所有的这些工艺中，日本宇部兴产公司的S.Uchiumi等人研究改进的催化剂效果最好。所用催化剂还是以Pd为主体，在其中加入不同的改进成分。他们分别研究了以下6种催化剂，即PdCl2-CuCl2-K2CO3、PdCl2-CuCl2-R3N、Pd（NO3）2-HNO3、PdCl2-NO、Pd(0)/活性炭- HNO3和Pd(0)/活性炭- NO。研究中发现，引入了NO的体系具有较高的活性和选择性。进一步的研究结果表明，活性和选择性的提高在于NO与反应物中的醇生成了亚硝酸酯。如果将亚硝酸酯代替NO加入反应体系，不仅活性和选择性提高很多，催化剂的寿命也大大延长。加入亚硝酸酯后，反应按下式进行：

将所生成的氮化物进行氧化并与醇反应，转化为亚硝酸酯，可循环利用。生成的水通过与亚硝酸酯共沸而分离。但是该法草酸酯生成的速率低，副产物较多。

国内西南化工研究院[7]也对液相法进行了研究。他们采用氯化钯和氯化铜为催化剂，碳酸钾为反应促进剂，进行了液相法一氧化碳、氧和乙醇合成草酸二乙酯的研究。其乙醇的转化率为18.03%，草酸二乙酯和碳酸二乙酯的总选择性为79.63%。

针对工业化的要求，日本宇部兴产公司和美国联碳公司共同开发成功液相法草酸二烷基酯合成工艺[8]。该工艺采用浆态床反应器，催化剂为负载型钯催化剂，载体为活性炭，亚硝酸丁酯为助催化剂。于1978年建了1套6000t/a草酸二丁酯工业规模生产装置，生产的草酸酯成本在当时比传统的草酸酯化法降低40%左右。反应工艺条件为：压力8～11MPa，温度90～110℃。

2) 气相法

一氧化碳液相法合成草酸酯条件比较苛刻，反应在高压下进行，液相体系易腐蚀设备，且反应过程中催化剂易流失。日本宇部兴产公司和意大利蒙特爱迪生公司于1978年相继开展了气相法研究[9]。

气相法合成草酸酯分为两步反应：第一步为偶联反应，以负载型Pd/α-Al2O3为催化剂，在常压下与亚硝酸甲酯偶联生成草酸二甲酯和一氧化碳；第二步为再生反应，偶联反应生成的一氧化氮与产品分离后进入再生反应器，在那里与甲醇和氧气反应生成亚硝酸甲酯，反应式如下：

气相法较液相法又向前发展了一步，它可以不使用高价的高压反应装置，同时可以减小压缩空气的动力消耗。固体催化剂设置固定床或流化床，不必象液相法那样另外设置反应生成物与催化剂的分离装置。同时又避免了生产过程中钯催化剂的流失和金属钯在液相中的溶解损失，催化剂的寿命比液相法长。