一种用于合成芳香腈催化剂的制备方法和芳香腈的合成方法
阅读说明：本技术 一种用于合成芳香腈催化剂的制备方法和芳香腈的合成方法 (Preparation method of catalyst for synthesizing aromatic nitrile and synthesis method of aromatic nitrile ) 是由 张磊 唐天地 陈中淼 傅雯倩 才国仁 陈群 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明属于芳香腈合成技术领域,公开了一种用于合成芳香腈催化剂的制备方法以及芳香腈合成方法。本发明采用通过离子交换的方法获得以Pd/ZSM-5为催化剂,然后采用该催化剂合成芳香腈,具体为：将芳基甲酰胺溶于乙腈溶剂中,在60-120℃反应温度下催化反应时间3～5h,得到芳香腈。同现有的技术相比,此方法无需引入酸碱添加剂、配体,以及含有配体的金属催化剂,采用该催化剂,配合乙腈溶剂,芳基甲酰胺的转换率和芳香腈目标产物选择性高,产率高,操作简单,易于纯化,对环境影响较小,具有潜在的工业价值,值得推广应用。(The invention belongs to the technical field of aromatic nitrile synthesis, and discloses a preparation method of a catalyst for synthesizing aromatic nitrile and a synthetic method of aromatic nitrile. The invention adopts an ion exchange method to obtain Pd/ZSM-5 as a catalyst, and then adopts the catalyst to synthesize the aromatic nitrile, which specifically comprises the following steps: dissolving aryl formamide in an acetonitrile solvent, and carrying out catalytic reaction at the reaction temperature of 60-120 ℃ for 3-5 h to obtain the aromatic nitrile. Compared with the prior art, the method does not need to introduce acid-base additives, ligands and metal catalysts containing the ligands, and the catalysts are adopted and matched with acetonitrile solvents, so that the conversion rate of aryl formamide and the selectivity of aromatic nitrile target products are high, the yield is high, the operation is simple, the purification is easy, the influence on the environment is small, the method has potential industrial value, and the method is worthy of popularization and application.)
技术领域
本发明属于精细化工领域，涉及一种用于合成芳香腈催化剂的制备方法以及芳香腈合成方法。
背景技术
芳香腈是一种有效的有机中间体，被广泛的应用于农药、医药、染料化学品的合成，芳香腈分子的结构基序也被发现存在于生物活性和天然产物中，因此其研究一直受到广泛关注。目前合成芳香腈的常用方法有二种：第一种方法，以芳基醛为原料，通过对芳基醛氰化反应合成的。该方法不足之处在于需要使用有毒的氰化试剂，比如KCN、Zn(CN)2、NaCN和CuCN等，收率一般在66.0～90％，但是反应后产生的大量含有金属的反应废液，对环境影响较大。第二种方法由酰胺脱水反应制得，以含有不同配体的金属配合物作为均相催化剂，并加入碱性添加剂如硅烷类化合物，N-甲基-N-(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺，选择性氟试剂(1-氯甲基-4-氟-1,4-重氮化二环[2.2.2]辛烷双(四氟硼酸)盐)，醋酸银等，在一定温度下反应得到芳香腈。该方法不足之处在于使用到的金属配合物催化剂难以获得，并且体系中加入大量的添加剂，从而导致目标产物难以提纯分离，增加合成的成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种选择性高、产率高、易于分离提纯、廉价的合成芳香腈的方法。
本发明所涉及的合成芳香腈反应步骤如下：
其中，R为芳基；
进一步，R为苯基、取代苯基、萘基或取代萘基。
进一步，上述方法合成得到芳香腈结构包括：
以合成苯甲腈为例，详细介绍其合成方法：
将苯甲酰胺和Pd/多孔沸石催化剂，加入反应溶剂乙腈中，60～120℃温度下剧烈搅拌3～5h，反应结束后进行离心分离，减压蒸馏，即可获得苯甲腈。
其中，Pd/多孔沸石催化剂是采用离子交换的方法制得：
称取2.0g的含有平衡阳离子的多孔沸石载体置于150mL的烧杯中，加入80mL蒸馏水，称取0.1026g的Pd(NO3)2·2H2O加入烧杯中，在室温下搅拌24-72h。完成过滤、洗涤后，将所得催化剂样品放于50-80℃烘箱中干燥24-72h，即得Pd/多孔沸石催化剂。
进一步，多孔沸石催化剂为ZSM-5、FAU、Beta、ZSM-22、MOR或其它含有平衡阳离子的多孔沸石。
离子交换法制备中，实际上溶液的体积远大于载体的体积，在一定量的溶液中，沸石本身有平衡阳离子，经过长时间搅拌，保证溶液中的阳离子Pd2+尽可能多的与沸石本身的平衡阳离子发生交换。
通过ICP技术手段测得Pd的负载量为2.0wt.％。采用离子交换的方法制备的Pd催化剂，Pd负载量增多或者减少，对反应速率有影响，2.0wt.％负载量是优选后的结果。
作为优选：制备的Pd/ZSM-5催化剂中ZSM-5的比表面积为370～450m2/g，孔体积为0.08～0.12cm3/g。
作为优选：反应温度为60-120℃，优选100℃。
作为优选：反应时间为3～5h，优选4h。
作为优选：催化剂与反应物苯甲酰胺的质量比为1:1.0～5.0的标准加入。
在本发明中，Pd/多孔沸石催化剂(Pd/ZSM-5)催化剂不是作为常规的脱“水”催化剂，如果是起到催化脱水的作用，改变反应的溶剂，应该能检测到苯甲腈，但是当改变溶剂，如以四氢呋喃(THF)等作为反应溶剂的时候，在相同的反应条件下，没有检测到相关产物，没有催化性能。仅有在乙腈溶剂下才能取得显著的催化性能。
本反应的反应历程：
Pd2+与乙腈分子配位，在沸石载体上作为一个活性位，而沸石载体的活性酸性位点作为诱导苯甲酰胺分子中电子的转移的引发剂，促使反应发生，发生机理如下：
本发明制备的离子交换催化剂达到的有益效果为：
(1)本发明得到离子交换催化剂如Pd/ZSM-5，Pd与沸石表面发生配位，均是以离子状态存在于ZSM-5沸石表面，在反应过程中Pd2+离子与反应分子发生配位变换，催化反应的发生；而传统的浸渍制备的催化剂(Pd/ZSM-5-IM)，Pd以PdO的形式存在于沸石表面，在本发明的反应中没有催化活性；
(2)对于本发明反应，可以认为制备的Pd/多孔沸石催化剂是一种新型的非均相催化剂，且具有催化性能优异、产物易于分离、经济环保等特点。
具体实施方式
下面的实施例将有助于说明本发明，但是不局限其范围。
Pd/ZSM-5的制备方法为：
称取2.0g的ZSM-5载体置于150mL的烧杯中，加入80mL蒸馏水，称取0.1026g的Pd(NO3)2·2H2O加入烧杯中，在室温下搅拌72h。完成过滤、洗涤后，将所得催化剂样品放于50℃烘箱中干燥72h，即得Pd/ZSM-5催化剂。
具体实施例1：
在50mL的反应釜中依次加入苯甲酰胺(2mmol,0.24g)、Pd/ZSM-5(0.1g)以及20mL的乙腈，反应温度控制在100℃，并且剧烈搅拌反应4h。反应结束后，冷却至室温，反应体系进行离心分离后，对反应液进行色相色谱分析，反应物全部转化，苯甲腈选择性100％；通过减压蒸馏可获得苯甲腈～0.19g(经过多次实验，得到的收率为92-97％)。
反应涉及的方程式如下：
具体实施例2：
在50mL的反应釜中依次加入苯甲酰胺(2mmol,0.24g)、Pd/ZSM-5(0.1g)以及20mL的乙腈，反应温度控制在80℃，并且剧烈搅拌反应6h。反应结束后，冷却至室温，反应体系进行离心分离后，对反应液进行色相色谱分析，反应物全部转化，苯甲腈选择性100％。通过减压蒸馏可获得苯甲腈通过减压蒸馏可获得苯甲腈～0.19g(收率92-97％)。
反应涉及的方程式如下：
上述催化剂，在相同的反应条件下，对R进行部分拓展，均得到较好的催化效果：较高的转化率和产物选择性，目标产物和催化性能为：
具体实施例3：
Pd/FAU(FAU＝X和Y沸石分子筛)的制备方法为：
称取2.0g的FAU载体置于150mL的烧杯中，加入80mL蒸馏水，称取0.1026g的Pd(NO3)2·2H2O加入烧杯中，在室温下搅拌72h。完成过滤、洗涤后，将所得催化剂样品放于50℃烘箱中干燥72h，即得Pd/FAU催化剂。
在50mL的反应釜中依次加入苯甲酰胺(2mmol,0.24g)、Pd/FAU(0.1g)以及20mL的乙腈，反温度控制在100℃，并且剧烈搅拌反应4h。反应结束后，冷却至室温，反应体系进行离心分离后，对反应液进行色相色谱分析，反应物全部转化，苯甲腈选择性100％；通过减压蒸馏可获得苯甲腈～0.19g(收率92-97％)。
反应涉及的方程式如下：
具体实施例4：
Pd/Beta的制备方法为：
称取2.0g的Beta载体置于150mL的烧杯中，加入80mL蒸馏水，称取0.1026g的Pd(NO3)2·2H2O加入烧杯中，在室温下搅拌72h。完成过滤、洗涤后，将所得催化剂样品放于50℃烘箱中干燥72h，即得Pd/Beta催化剂。
在50mL的反应釜中依次加入苯甲酰胺(2mmol,0.24g)、Pd/Beta(0.1g)以及20mL的乙腈，反温度控制在100℃，并且剧烈搅拌反应4h。反应结束后，冷却至室温，反应体系进行离心分离后，对反应液进行色相色谱分析，反应物全部转化，苯甲腈选择性100％；通过减压蒸馏可获得苯甲腈～0.19g(收率92-97％)。
反应涉及的方程式如下：
具体实施例5：
Pd/MOR的制备方法为：
称取2.0g的MOR载体置于150mL的烧杯中，加入80mL蒸馏水，称取0.1026g的Pd(NO3)2·2H2O加入烧杯中，在室温下搅拌72h。完成过滤、洗涤后，将所得催化剂样品放于50℃烘箱中干燥72h，即得Pd/MOR催化剂。
在50mL的反应釜中依次加入苯甲酰胺(2mmol,0.24g)、Pd/MOR(0.1g)以及20mL的乙腈，反温度控制在100℃，并且剧烈搅拌反应4h。反应结束后，冷却至室温，反应体系进行离心分离后，对反应液进行色相色谱分析，反应物全部转化，苯甲腈选择性100％；通过减压蒸馏可获得苯甲腈～0.19g(收率92-97％)。
反应涉及的方程式如下：
具体实施例6：
Pd/ZSM-22的制备方法为：
称取2.0g的ZSM-22载体置于150mL的烧杯中，加入80mL蒸馏水，称取0.1026g的Pd(NO3)2·2H2O加入烧杯中，在室温下搅拌72h。完成过滤、洗涤后，将所得催化剂样品放于50℃烘箱中干燥72h，即得Pd/ZSM-22催化剂。
在50mL的反应釜中依次加入苯甲酰胺(2mmol,0.24g)、Pd/ZSM-22(0.1g)以及20mL的乙腈，反温度控制在100℃，并且剧烈搅拌反应4h。反应结束后，冷却至室温，反应体系进行离心分离后，对反应液进行色相色谱分析，反应物全部转化，苯甲腈选择性100％；通过减压蒸馏可获得苯甲腈～0.19g(收率92-97％)。
反应涉及的方程式如下：
对比实施例1
对比实施例1与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1中的Pd/ZSM-5替换成常规等体积浸渍方法制备的Pd/ZSM-5-IM，其余操作同实施例1。
等体积浸渍法：
称取ZSM-5载体1.0g，然后准确称取将Pd(NO3)2·2H2O 0.05007g并将其溶解于1.4g的蒸馏水中，将所得溶液滴至ZSM-5载体上，室温下放置12-24h，浸渍100℃烘箱中，即得Pd/ZSM-5-IM催化剂。
催化反应结果见表1
表1
转化率
选择性
实施例1
Pd/ZSM-5
100％
100％
对比例1
Pd/ZSM-5-IM
1％
-
从表1可知，采用离子交换方法制备的Pd/ZSM-5催化剂，具有很高的催化性能，而采用等体积浸渍方法制备的催化剂(Pd/ZSM-5-IM)，在相同的反应条件下，几乎不具有催化性能。苯甲酰胺的转换率和目标产物选择性在两个催化剂上的差距很大。所以不同的方法制得的催化剂催化效果显著不同，
对比实施例2-5
对比实施例2-5与实施例1相比，主要区别在于：将实施例1中的乙腈溶剂分别替换成四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、1,4-二氧六环、甲苯，其余操作同实施例1。
催化反应结果见表2。
表2
从表2可知，采用实施例1相同的催化剂，以四氢呋喃(THF)、N,N-二甲基甲酰胺、1,4-二氧六环、甲苯等溶剂作为反应溶剂时，在相同的反应条件下，没有检测到相关产物，没有催化性能。仅以乙腈作为反应溶剂，配合Pd/ZSM-5催化剂反应，能检测到苯甲腈，具有优异的催化性能。
以上描述了本发明的可选实施方案，以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明方案，已经对一些常规技术方面进行了简化和省去。本领域技术人员应该理解源自这方面的变型，均在本发明的保护范围之内。
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