一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法
阅读说明：本技术 一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法 (Method for preparing 2-chloro-5-trifluoromethylpyridine by continuous method ) 是由 张梦华 于登博 李军 刘红志 张玉雪 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法,包括制备多孔催化剂载体,制备氯化反应催化剂,制备氟化反应催化剂,固定催化剂,氯化反应,氟化反应,分析提纯；本发明的方法能够提高防止反应中温度过热造成爆炸；能够降低氯化反应和氟化反应的反应温度,降低能耗,本发明的氯化反应温度为40-45℃,氟化反应温度为30-35℃；氟化反应结束后得到的油状物中2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为79.7%-80.8%,对油状物减压蒸馏后得到的2-氯-5-三氟甲基吡啶的纯度为99.04%-99.42%。(A method for preparing 2-chloro-5-trifluoromethylpyridine by a continuous method comprises the steps of preparing a porous catalyst carrier, preparing a chlorination reaction catalyst, preparing a fluorination reaction catalyst, fixing the catalyst, performing chlorination reaction and fluorination reaction, analyzing and purifying; the method can improve and prevent explosion caused by overheating in the reaction; the method can reduce the reaction temperature of chlorination reaction and fluorination reaction, and reduce energy consumption, wherein the chlorination reaction temperature is 40-45 ℃, and the fluorination reaction temperature is 30-35 ℃; the mass content of the 2-chloro-5-trifluoromethylpyridine in the oily substance obtained after the fluorination reaction is 79.7-80.8%, and the purity of the 2-chloro-5-trifluoromethylpyridine obtained after the oily substance is distilled under reduced pressure is 99.04-99.42%.)
技术领域
本发明涉及一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，属于化学合成技术领域。
背景技术
2-氯-5-三氟甲基吡啶主要用于农用化学品如精吡氟禾草灵和医药品的生产，还可用作液晶材料中间体；2-氯-5-三氟甲基吡啶的制备方法是以3-甲基吡啶为原料,先进行氯化得2-氯-5-三氯甲基吡啶,再进一步进行氟化而得到产品；也可以用3-甲基吡啶为原料,在催化剂存在下进行氟氯化反应而得到产品； 也可以用2-氯-5-甲基吡啶为原料,用氯气先将侧链氯化成2-氯-5-三氯甲基吡啶,再用氟化氢氟化得产品。但是氟化反应和氯化反应均为放热反应，反应剧烈，速度快，热量变化大，若温度升高太快，很容易发生爆炸；为了避免温度升高太快，现有技术通常会在反应中进行降温，但是该方法不仅耗费能量，还会导致反应变慢。
此外，氯化反应和氟化反应过程中均会产生杂质，氯化反应过程中产生的杂质还会影响氟化反应的反应速度和收率，通常是通过控制氟化反应温度来避免副反应，但是更加增加了反应难度和能量消耗；也有通过使用催化剂来控制反应速度的，但是仍存在温度急剧升高和杂质问题。所以，在控制反应急剧升高，提高收率和反应速度的同时，控制杂质的产生和减少反应耗能，是目前急需解决的技术问题。
专利CN109988102B公开了一种2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶的制备方法，其中包括如下步骤：先把催化剂填装到反应管，再把反应管装在固定床上；通入氮气和氢气的混合气，给反应管加热并保温；关闭氢气，继续通氮气并降温至反应温度；停止氮气，同时向反应管泵入原料2-氯-5-三氟甲基吡啶、溶剂并且通入氯气；原料2-氯-5-三氟甲基吡啶和氯气经过高温反应即可得到2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶。该专利的不足：反应温度过高，容易发生爆炸，而且反应中会产生杂质。
专利CN110003096B公开了一种两段法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，包括氯氟化反应和氯化反应两个步骤，其中氯化反应中使用的氯化催化剂选自镁、钙、钡的氟化物、氧化物、氢氧化物、碳酸盐或氯化物、负载在活性炭、氧化铝或氟化铝上的负载型钯催化剂。该专利的不足：仍然存在反应温度急剧升高和杂质干扰反应的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，实现以下发明目的：在控制2-氯-5-三氟甲基吡啶的合成反应急剧升高，提高收率和反应速度的同时，控制杂质的产生和减少反应耗能。
为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：
一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，包括制备多孔催化剂载体，制备氯化反应催化剂，制备氟化反应催化剂，固定催化剂，氯化反应，氟化反应，分析提纯。
所述制备多孔催化剂载体，将氧化铝粉、均三甲苯加入到无水乙醇中，以80-85rpm的搅拌速度搅拌15-17min，然后加入阴离子聚丙烯酰胺、聚酰胺环氧氯丙烷树脂、壳聚糖，以80-85rpm的搅拌速度继续搅拌30-35min，得到混合溶液，然后对混合溶液进行真空喷雾干燥，控制真空喷雾干燥温度为120-125℃，真空喷雾干燥的真空度为0.085-0.088MPa，真空喷雾干燥结束，得到多孔催化剂载体。
所述制备多孔催化剂载体中的原材料，按重量份计，包括：0.5-0.6份氧化铝粉，1-1.2份均三甲苯，5-5.2份无水乙醇，0.2-0.25份阴离子聚丙烯酰胺，0.1-0.12份聚酰胺环氧氯丙烷树脂，0.3-0.35份壳聚糖。
所述氧化铝粉的粒径为0.1-0.3μm。
所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为1000-1200万。
所述聚酰胺环氧氯丙烷树脂的固含量为12%-13%。
所述制备氯化反应催化剂，将多孔催化剂载体与氧化铁、四氧化三铁混合均匀，得到氯化反应催化剂。
所述制备氯化反应催化剂中的原材料，按重量份计，包括：3-3.5份多孔催化剂载体，1-1.2份氧化铁，0.3-0.35份四氧化三铁。
所述制备氟化反应催化剂，将多孔催化剂载体与氧化铬、硝酸镍、四丁基溴化铵、二氧化钛粉混合均匀，得到氟化反应催化剂。
所述制备氟化反应催化剂的原材料，按重量份计，包括：3-3.5份多孔催化剂载体，0.3-0.35份氧化铬，0.5-0.55份硝酸镍，0.1-0.12份四丁基溴化铵，0.04-0.06份二氧化钛粉。
所述二氧化钛粉的粒径为300nm。
所述固定催化剂，先将第一固定床列管式反应器、混合釜、第二固定床列管式反应器依次串联并固定，将氯化反应催化剂装载入第一固定床列管式反应器，将氟化反应催化剂装载入第二固定床列管式反应器。
所述氯化反应，将第一固定床列管式反应器的温度控制到40-45℃，将3-甲基吡啶和偶氮二异丁腈混合均匀后汽化得到混合原料气，然后与氯气一起通入第一固定床列管式反应器，控制混合原料气的流量为3.1-3.5g/min，氯气的流量为2-2.2g/min，将混合原料气和氯气与催化剂床层的接触时间控制到8-9s，经催化剂床层催化反应后，将生成的第一反应物导入混合釜，反应结束后出第一固定床列管式反应器的第一反应物的温度为90-95℃。
所述氯化反应的原材料，按重量份计，包括：6-6.5份3-甲基吡啶，0.2-0.3份偶氮二异丁腈，4-4.5份氯气。
所述氟化反应，向混合釜中加入乙醇溶液，然后将乙醇溶液与第一反应物一起通入第二固定床列管式反应器中，将第二固定床列管式反应器的温度控制到30-35℃，乙醇溶液的流量为3-3.5g/min, 第一反应物的流量为1-1.2g/min，将乙醇溶液和第一反应物与催化剂床层的接触时间控制在10-12s，经催化剂床层催化反应后，得到第二反应物，出第二固定床列管式反应器的第二反应物的温度为80-85℃。
其中，乙醇溶液与第一反应物的质量比为3-4:1。
所述乙醇溶液为氟化钾、氢氧化钾、过硫化钠和氟化钠的乙醇溶液，其中，氟化钾的质量分数为3%-3.5%，氢氧化钾的质量分数为1%-1.2%，过硫化钠的质量分数为0.2%-0.3%，氟化钠的质量分数为2%-2.2%。
所述分析提纯，将第二反应物通入冰水浴冷凝后在收集瓶中汇集，得到油状物，然后对油状物进行减压蒸馏，控制减压蒸馏的温度为40-45℃，减压蒸馏的压力为10-12mmHg，得到2-氯-5-三氟甲基吡啶。
油状物中2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为79.7%-80.8%。
对2-氯-5-三氟甲基吡啶进行气相色谱分析，纯度为99.04%-99.42%。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明的连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，通过将催化剂负载到多孔催化剂载体上，并在多孔催化剂载体的制备过程中加入聚酰胺环氧氯丙烷树脂和壳聚糖，能够提高多孔催化剂载体的散热能力，防止反应中温度过热造成爆炸，本发明中在反应结束后出第一固定床列管式反应器的第一反应物的温度为90-95℃，出第二固定床列管式反应器的第二反应物的温度为80-85℃；
（2）本发明的连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，通过在氯化反应催化剂中加入四氧化三铁，在氟化反应催化剂中加入二氧化钛粉，能够降低氯化反应和氟化反应的反应温度，降低能耗，本发明的氯化反应温度为40-45℃，氟化反应温度为30-35℃；
（3）本发明的连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，通过将催化剂负载到多孔催化剂载体上，并在在氯化反应催化剂中加入四氧化三铁，在氟化反应催化剂中加入二氧化钛粉，提高了反应收率，氟化反应结束后得到的油状物中2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为79.7%-80.8%，对油状物减压蒸馏后得到的2-氯-5-三氟甲基吡啶的纯度为99.04%-99.42%。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，具体为：
1. 制备多孔催化剂载体：将0.5kg氧化铝粉、1kg均三甲苯加入到5kg无水乙醇中，以80rpm的搅拌速度搅拌15min，然后加入0.2kg阴离子聚丙烯酰胺、0.1kg聚酰胺环氧氯丙烷树脂、0.3kg壳聚糖，以80rpm的搅拌速度继续搅拌30min，得到混合溶液，然后对混合溶液进行真空喷雾干燥，控制真空喷雾干燥温度为120℃，真空喷雾干燥的真空度为0.085MPa，真空喷雾干燥结束，得到多孔催化剂载体。
所述氧化铝粉的粒径为0.1μm。
所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为1000万。
所述聚酰胺环氧氯丙烷树脂的固含量为12%。
2.制备氯化反应催化剂：将3kg多孔催化剂载体与1kg氧化铁、0.3kg四氧化三铁混合均匀，得到氯化反应催化剂。
3.制备氟化反应催化剂：将3kg多孔催化剂载体与0.3kg氧化铬、0.5kg硝酸镍、0.1kg四丁基溴化铵、0.04kg二氧化钛粉混合均匀，得到氟化反应催化剂。
所述二氧化钛粉的粒径为300nm。
4.固定催化剂：先将第一固定床列管式反应器、混合釜、第二固定床列管式反应器依次串联并固定，将氯化反应催化剂装载入第一固定床列管式反应器，将氟化反应催化剂装载入第二固定床列管式反应器。
5.氯化反应：将第一固定床列管式反应器的温度控制到40℃，将6kg 3-甲基吡啶和0.2kg偶氮二异丁腈混合均匀后汽化得到混合原料气，然后与4kg氯气一起通入第一固定床列管式反应器，控制混合原料气的流量为3.1g/min，氯气的流量为2g/min，将混合原料气和氯气与催化剂床层的接触时间控制到8s，经催化剂床层催化反应后，将生成的第一反应物导入混合釜，反应结束后出第一固定床列管式反应器的第一反应物的温度为90℃。
6. 氟化反应：向混合釜中加入乙醇溶液，然后将乙醇溶液与第一反应物一起通入第二固定床列管式反应器中，将第二固定床列管式反应器的温度控制到30℃，控制乙醇溶液与第一反应物的质量比为3:1，乙醇溶液的流量为3g/min, 第一反应物的流量为1g/min，将乙醇溶液和第一反应物与催化剂床层的接触时间控制在10s，经催化剂床层催化反应后，得到第二反应物，出第二固定床列管式反应器的第二反应物的温度为80℃。
所述乙醇溶液为氟化钾、氢氧化钾、过硫化钠和氟化钠的乙醇溶液，其中，氟化钾的质量分数为3%，氢氧化钾的质量分数为1%，过硫化钠的质量分数为0.2%，氟化钠的质量分数为2%。
7. 分析提纯：将第二反应物通入冰水浴冷凝后在收集瓶中汇集，得到油状物，对油状物进行气相色谱分析，2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为80.2%；
对油状物进行减压蒸馏，控制减压蒸馏的温度为40℃，减压蒸馏的压力为10mmHg，得到2-氯-5-三氟甲基吡啶，对2-氯-5-三氟甲基吡啶进行气相色谱分析，纯度为99.35%。
实施例2
一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，具体为：
1. 制备多孔催化剂载体：将0.55kg氧化铝粉、1.1kg均三甲苯加入到5.1kg无水乙醇中，以82rpm的搅拌速度搅拌16min，然后加入0.22kg阴离子聚丙烯酰胺、0.11kg聚酰胺环氧氯丙烷树脂、0.32kg壳聚糖，以82rpm的搅拌速度继续搅拌32min，得到混合溶液，然后对混合溶液进行真空喷雾干燥，控制真空喷雾干燥温度为122℃，真空喷雾干燥的真空度为0.086MPa，真空喷雾干燥结束，得到多孔催化剂载体。
所述氧化铝粉的粒径为0.2μm。
所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为1100万。
所述聚酰胺环氧氯丙烷树脂的固含量为12.5%。
2.制备氯化反应催化剂：将3.2kg多孔催化剂载体与1.1kg氧化铁、0.32kg四氧化三铁混合均匀，得到氯化反应催化剂。
3.制备氟化反应催化剂：将3.2kg多孔催化剂载体与0.32kg氧化铬、0.52kg硝酸镍、0.11kg四丁基溴化铵、0.05kg二氧化钛粉混合均匀，得到氟化反应催化剂。
所述二氧化钛粉的粒径为400nm。
4.固定催化剂：先将第一固定床列管式反应器、混合釜、第二固定床列管式反应器依次串联并固定，将氯化反应催化剂装载入第一固定床列管式反应器，将氟化反应催化剂装载入第二固定床列管式反应器。
5.氯化反应：将第一固定床列管式反应器的温度控制到42℃，将6.2kg 3-甲基吡啶和0.25kg偶氮二异丁腈混合均匀后汽化得到混合原料气，然后与4.2kg氯气一起通入第一固定床列管式反应器，控制混合原料气的流量为3.2g/min，氯气的流量为2.1g/min，将混合原料气和氯气与催化剂床层的接触时间控制到8.5s，经催化剂床层催化反应后，将生成的第一反应物导入混合釜，反应结束后出第一固定床列管式反应器的第一反应物的温度为92℃。
6. 氟化反应：向混合釜中加入乙醇溶液，然后将乙醇溶液与第一反应物一起通入第二固定床列管式反应器中，将第二固定床列管式反应器的温度控制到32℃，控制乙醇溶液与第一反应物的质量比为3.5:1，乙醇溶液的流量为3.2g/min,第一反应物的流量为1.1g/min，将乙醇溶液和第一反应物与催化剂床层的接触时间为11s，经催化剂床层催化反应后，得到第二反应物，出第二固定床列管式反应器的第二反应物的温度为82℃。
所述乙醇溶液为氟化钾、氢氧化钾、过硫化钠和氟化钠的乙醇溶液，其中，氟化钾的质量分数为3.2%，氢氧化钾的质量分数为1.1%，过硫化钠的质量分数为0.25%，氟化钠的质量分数为2.1%。
7. 分析提纯：将第二反应物通入冰水浴冷凝后在收集瓶中汇集，得到油状物，对油状物进行气相色谱分析，2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为80.8%；
对油状物进行减压蒸馏，控制减压蒸馏的温度为42℃，减压蒸馏的压力为11mmHg，得到2-氯-5-三氟甲基吡啶，对2-氯-5-三氟甲基吡啶进行气相色谱分析，纯度为99.42%。
实施例3
一种连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，具体为：
1. 制备多孔催化剂载体：将0.6kg氧化铝粉、1.2kg均三甲苯加入到5.2kg无水乙醇中，以85rpm的搅拌速度搅拌17min，然后加入0.25kg阴离子聚丙烯酰胺、0.12kg聚酰胺环氧氯丙烷树脂、0.35kg壳聚糖，以85rpm的搅拌速度继续搅拌35min，得到混合溶液，然后对混合溶液进行真空喷雾干燥，控制真空喷雾干燥温度为125℃，真空喷雾干燥的真空度为0.088MPa，真空喷雾干燥结束，得到多孔催化剂载体。
所述氧化铝粉的粒径为0.3μm。
所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为1200万。
所述聚酰胺环氧氯丙烷树脂的固含量为13%。
2.制备氯化反应催化剂：将3.5kg多孔催化剂载体与1.2kg氧化铁、0.35kg四氧化三铁混合均匀，得到氯化反应催化剂。
3.制备氟化反应催化剂：将3.5kg多孔催化剂载体与0.35kg氧化铬、0.55kg硝酸镍、0.12kg四丁基溴化铵、0.06kg二氧化钛粉混合均匀，得到氟化反应催化剂。
所述二氧化钛粉的粒径为500nm。
4.固定催化剂：先将第一固定床列管式反应器、混合釜、第二固定床列管式反应器依次串联并固定，将氯化反应催化剂装载入第一固定床列管式反应器，将氟化反应催化剂装载入第二固定床列管式反应器。
5.氯化反应：将第一固定床列管式反应器的温度控制到45℃，将6.5kg 3-甲基吡啶和0.3kg偶氮二异丁腈混合均匀后汽化得到混合原料气，然后与4.5kg氯气一起通入第一固定床列管式反应器，控制混合原料气的流量为3.5g/min，氯气的流量为2.2g/min，将混合原料气和氯气与催化剂床层的接触时间控制到9s，经催化剂床层催化反应后，将生成的第一反应物导入混合釜，反应结束后出第一固定床列管式反应器的第一反应物的温度为95℃。
6. 氟化反应：向混合釜中加入乙醇溶液，然后将乙醇溶液与第一反应物一起通入第二固定床列管式反应器中，将第二固定床列管式反应器的温度控制到35℃，控制乙醇溶液与第一反应物的质量比为4:1，乙醇溶液的流量为3.5g/min,第一反应物的流量为1.2g/min，将乙醇溶液和第一反应物与催化剂床层的接触时间为12s，经催化剂床层催化反应后，得到第二反应物，出第二固定床列管式反应器的第二反应物的温度为85℃。
所述乙醇溶液为氟化钾、氢氧化钾、过硫化钠和氟化钠的乙醇溶液，其中，氟化钾的质量分数为3.5%，氢氧化钾的质量分数为1.2%，过硫化钠的质量分数为0.3%，氟化钠的质量分数为2.2%。
7. 分析提纯：将第二反应物通入冰水浴冷凝后在收集瓶中汇集，得到油状物，对油状物进行气相色谱分析，2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为79.7%；
对油状物进行减压蒸馏，控制减压蒸馏的温度为45℃，减压蒸馏的压力为12mmHg，得到2-氯-5-三氟甲基吡啶，对2-氯-5-三氟甲基吡啶进行气相色谱分析，纯度为99.04%。
对比例1
采用实施例1所述的连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，其不同之处在于：制备多孔催化剂载体步骤中不加入酰胺环氧氯丙烷树脂和壳聚糖，即将制备多孔催化剂载体改为：
0.5kg氧化铝粉、1kg均三甲苯加入到5kg无水乙醇中，以80rpm的搅拌速度搅拌45min，得到混合溶液，然后对混合溶液进行真空喷雾干燥，控制真空喷雾干燥温度为120℃，真空喷雾干燥的真空度为0.085MPa，真空喷雾干燥结束，得到多孔催化剂载体。
所述氧化铝粉的粒径为0.1μm。
所述阴离子聚丙烯酰胺的分子量为1000万。
所述聚酰胺环氧氯丙烷树脂的固含量为12%。
本对比例中出第一固定床列管式反应器的第一反应物的温度为135℃；出第二固定床列管式反应器的第二反应物的温度为150℃。
氟化反应后油状物中2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为71.4％；
分析提纯后得到的2-氯-5-三氟甲基吡啶的纯度为87.52%。
对比例2
采用实施例1所述的连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，其不同之处在于：制备氯化反应催化剂过程中不加入四氧化三铁；氯化反应中将第一固定床列管式反应器的温度控制到80℃。
本对比例中出第一固定床列管式反应器的第一反应物的温度为185℃；出第二固定床列管式反应器的第二反应物的温度为140℃。
氟化反应后油状物中2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为75.6％；
分析提纯后得到的2-氯-5-三氟甲基吡啶的纯度为82.67%。
对比例3
采用实施例1所述的连续法制备2-氯-5-三氟甲基吡啶的方法，其不同之处在于：制备氟化反应催化剂过程中不加入二氧化钛粉；氟化反应中将第二固定床列管式反应器的温度控制到130℃。
本对比例中出第一固定床列管式反应器的第一反应物的温度为230℃；出第二固定床列管式反应器的第二反应物的温度为190℃。
氟化反应后油状物中2-氯-5-三氟甲基吡啶的质量含量为72.6％；
分析提纯后得到的2-氯-5-三氟甲基吡啶的纯度为87.32%。
除非另有说明，本发明中所采用的百分数均为质量百分数。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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