13C-甲醇的制备

第25卷第4期司位素Vol. 25 No. 4Nov.20122012年11月.Journal of IsotopesB3C-甲醇的制备罗勇，杜晓宁,宋家龙，陆平晔，李美华(上海化工研究院,上海200062)摘要:采用自制的催化剂和自行设计的高效催化反应器,用催化加氢的方法,以Be"CO3为原料制备了C甲醇。所得甲醇水溶液在微型高效精馏反应器中进一步提纯后,得到的“C-甲醇化学纯度>99.5%。实验设计的合成路线反应条件温和，同位素利用率>90%."C甲酶经色质联用(GC-MS)和核磁('H NMR)检测,"C同位素丰度>97% ,"C甲醇的同位素丰度与原料相比降低<1%.以上结果表明,采用自制的催化剂和自行设计的高效催化反应器.成功地用催化加氢的方法制备得到了”C-甲醇。关键词:"C标记;甲醇;催化加氢中图分类号: O628. 2文献标志码: A文章编号: 1000-7512(2012)04-0214-05Synthesis of "C-labeled MethanolLUO Yong, DU Xiao ning, SONG Jia-long, LU Ping-ye, LI Mei-hua(Shanghai Research Instiute of Chemical Industry ，Shanghai 20062, China)Abstract: A novel convenient method for the synthesis of "3C methanol was described.methanol was prepared by means of catalytic hydrogenation, and then as-synthesized metha-nol solution was further purified in a microscale high eficient rectification column. Thechemical purity of "C-methanol was more than 99. 5%. The synthetic route was featured bymild conditions and high yields of more than 90% based on isotopic substrate consumed.The product was characterized by GC-MS and 'H NMR, and the "C abundance of "C-methanol was more than 97%. Compared with the raw materials, the reduction of relativeisotopic abundance of product was less than 1%.Key words: "C-label; methanol; catalytic hydrogenation稳定同位素*C标记甲醇(}C-甲醇)是合目前在工业上,甲醇的合成有许多成熟工成'C标记产品的基础试剂，将其作为前体,可艺°,包括高压、中压和低压工艺流程,这些合成以在化合物中引入C标记的甲基,进而得到一工艺生产设备投资大,生产工艺复杂,产物甲醇的系列$C标记的化合物。单程转化率低,不适合实验室中C甲醇的合成。收稿日期: 2012-04-23;惨回日期: 2012-05-29基金项目:“+-五”国家科技支撑计划(2009BAK61B04);科技部转制院所专项(201E116066)作者简介:罗勇(1974 -),男,甘肃人,高级工程师(博士),主要从事精细有机合成及工业催化等研究215第4期罗勇等:"C甲醇的制备13C-甲醇的合成通常可以分为有机化学试18CO2 + 3H2Cu-Zn. 13CH,OH+H2O剂还原法和催化加氢法,其中前者采用氢化铝锂2.1 CO2 的发生等强还原剂，在高沸点溶剂如乙二醇二乙醚中，精确称取计算量的BaCO3置于500 mL玻将"CO2还原为C-甲醇。该方法需要消耗大量璃烧瓶中,用高纯氮气置换体系多次后,用分液昂贵的还原剂和高沸点溶剂,反应要求在严格的漏斗将稀硫酸缓慢滴人烧瓶中,发生的CO2随无水无氧条件下进行,反应进程和收率受操作者氦气缓慢带出,经液氮冷阱收集,转移到气袋，的经验和实验技能影响很大,这些条件使得实验备用。室制备甲醇的收率低于文献报道[241。2.2 催化剂的制备[°0]-些研究者[5°]对工业合成甲醇的方法进行将868 g(2. 94 mol)三水硝酸铜、312 g了改进,以适应实验室中合成C甲醇。与CO(0. 35 mol)六水硝酸锌和140 g(1. 05 mol)无水相比,以CO2作为原料进行催化加氢具有如下硝酸铬在剧烈搅拌下加人到10L85 C含547 g优点:反应可以在较低的压力下进行(低于碳酸钠的水溶液中。将反应生成的沉淀过滤后，3. 0 MPa);CO2沸点较高(-78 C),易于转移用去离子水彻底清洗，沥干,于压片机上挤压成储存和原料回收;使用CO2为原料可延长催化约2 mm直径的棒状，110心烘箱中空气干燥剂的寿命。24 h,同时温度缓慢升高至250 C ,保持6 h.Ott等[0]采用Cu-Zn催化剂,在自制不锈钢再将催化剂进- -步破碎为1~2 mm的颗催化剂反应器中,获得了粗收率超过90%的“C粒,放置于反应器的催化剂床层中,将体系减压甲醇，产物进-一步经分子筛联球减压转移,得到抽空后加人氦气(大约0. 8 MPa)，加热到无水甲醇。上述方法虽然可以获得良好的甲醇230C。停止加热,间歇通人高纯氢气(每次大收率,但需要增设高压循环泵等附加设备,促进约加7 kPa,让温度变化不超过10 C),体系压反应器内气体循环，以强化传质作用,缩短反应力最高不超过2.0 MPa,保持24 h。以上还原过时间，提高同位素收率。程共进行3次。本工作拟采用自制的催化剂和自行设计的2.3 BC-甲醇的催化合成高效催化反应器,用催化加氢的方法，以Ba自制的CO2催化加氢反应器示意图示于图"CO3为原料制备"C-甲醇,以克服以上不足。1。将80g活化后的CO2加氢催化剂置于反应器的床层中,连接并安装反应器,对体系抽真空，1主要仪器与试剂从进气口处将预先收集在气袋中的CO2引人反1.1主要仪器应器,再切换至氢气钢瓶,向反应器内压人一定Agilent 7890A气质联用仪Agilent 1790F分压的高纯氢气。待体系内压力达到预定值时，气相色谱仪:美国安捷伦公司;Nocolet6700傅关闭进气阀,迅速升温到预定值。将收集器置于里叶红外仪:美国尼高力公司;KF-1卡尔费休水干冰冷阱中,同时开启收集器上方的阀门，反应分测定仪:上海化工研究院;MAT-271气体同位一段时间后,体系压力不再发生变化,开始降温，素质谱计:美国Finnigan公司;DLSB循环冷却最后关闭收集器上方的阀门,取下收集器,对收泵:河南巩义英峪予华仪器厂;微型高效精馏反集的甲醇水溶液称重并测量其化学纯度。分别应器:配备TC-1微电脑回流比控制器，上海化考察反应温度和反应压力对"C-甲醇收率的影工研究院。响。实验中还对与甲醇合成反应有关的其他参1.2主要试剂数如冷却水温度、冷阱收集器的温度和收集时间Bal"CO3(8C丰度98%):美国CIL公司;等做了进一步优化。.Cu-Zn催化剂为自制;甲醇、硫酸、BaCO3等为市2.4 IC-甲醇水溶液的精馏提纯售分析纯试剂。甲醇水溶液精馏装置示意图示于图2。在φ38 mmX 560 mm的玻璃塔中装人φ8 mmX5402实验方法mm填料塔,塔内装填规整金属丝波纹填料,玻I3C-甲醇的合成路线如下式所示:璃塔表面包绕金属丝加热带。TC-1微电脑控制216同位素第25卷器调节回流比,将10~30 mL甲醇水溶液加人外的适 当距离处设有倒U字型气体回流挡板;烧瓶中,电热套和加热带控制全塔温度和馏出速反应釜外设有循环水夹套;反应釜底部连接不锈度,低温循环冷却泵控制冷却水的温度和流量。钢冷阱收集器;反应釜顶部配有反应气入口。反全回流30min后开始采出,塔顶馏分经在应中生成的水和甲醇不断被冷阱捕获,使得反应线分析合格后直接进入收集器。通过调节回流不断向生成产物的方向移动。反应结束后,关闭比、塔釜温度和冷凝温度控制采出的甲醇质量分阀门,目标产物甲醇收集于不锈钢冷阱中。数，每隔30 min查看色谱分析结果。3.2反应床层 温度对”C-甲醇收率的影响反应温度对'C-甲醇收率的影响列于表1.十进气口其他反应条件如下:CO2加人量7.0 L(常温常中巴P[排气曰压条件),再补加氢气至反应器总压为2. 0 MPa.反应时间维持6~8 h,待系统压力保持1 h不再.冷凝水回变化即停止,冷却循环水温度20 C。区凝水进回I1:加热器占2:反应床层表1反应温 度对”C-甲醇收率的影响3:进气孔收集器反应温度/C产物中甲醇旧C-甲醇质量分数/%收率/%图1 CO2催化加氢制备甲醇装置.2442.5IB.12055.264.716057.88.51:升降台2:电热煲1459.479.43:圆底烧瓶4:填料塔1260.480.3S:热补偿金属丝6:冷凝水进口10062. 1一961.668.8:塔顶产品收集器9:在线色谱分析10:蒸汽冷凝系统11:回流比控制器由表1可知,自制的低压甲醇催化剂具有较好的反应活性,在较低的温度下(100 C左右)即图2 甲醇水溶液精馏装置示意圍可获得较高的甲醇收率。反应温度对甲醇的收3结果与讨论率影响显著,随着反应温度从240 C降低至140C,产物甲醇的收率有明显提高;反应温度3.1 1C-甲醇的催化合成采用催化加氢方法,在实验室规模上制备稳.在100~140 C范围内,均可获得较高的甲醇定同位素'C标记甲醇的主要难点8-10]在于:由收率。于受化学反应平衡影响,产物甲醇的单程转化率按照化学式计算得到甲醇水溶液中甲醇的低,通常仅为20%~30%。为了获得较好的传理论质量分数为64.01%,在实验中发现,产物质作用,需要额外增加高压循环泵等设备,以强中甲醇含量始终低于理论含量,这是由于在本反化反应器内气体循环,缩短反应时间,提高同位应体系中,除了生成甲醇的目标反应外,同时还素原料的收率。为了解决上述问题,本实验设计有生成甲烷等副产物的平行反应"1进行,对反制造了一种新型的甲醇合成反应器,使其能够突应余气进行分析时,检测到了微量的甲烷和乙烷破原有化学平衡,提高反应釜合成效率和°C同等副产物。对此，可通过降低反应温度,适当抑位素利用率,反应条件相对温和,操作简便,适用制平行副反应的进行,从而获得较高的“C甲醇于实验室规模'C-甲醇的合成。该反应器为固定床反应釜(图1),其结构特3.3反应 压力对"C-甲醇收率的影响点为:反应签内设催化剂固定床,内装有催化剂，反应压力对“C-甲醇收率的影响列于表2.形成可控的等温反应床层;固定床催化剂反应器CO2加氢制甲醇的过程是个体积臧小的反应，第4期罗勇等:"C-甲醇的制备217理论上升高反应压力和增加氢气分压都使化学精馏过程中,随着轻组分甲醇陆续蒸出,塔釜甲平衡向正方向移动,提高'C-甲醇收率。实验中.醇浓度逐渐降低。与此同时,为保证较高的甲醇考察了反应压力对}C-甲醇合成的影响:反应温收率,需要尽可能降低塔釜甲醇浓度,以及尽量度为100 C,通过调节氢气用量来改变体系总压降低精馏柱的高度和溶剂,减少床层的持液量。力,其他反应条件同3.2节。为此,本工作自行设计了微型甲醇精馏反应器,采用上海化工研究院生产的规整金属丝波纹表2反应压力对"C- 甲醇收率的影响高效填料,通过对塔釜、塔顶温度控制、回流比、反应压力/MPa .IC-甲醇收率/%精馏柱高度和直径以及精馏时间等多种参数的1.6077. 8考察,得到了比较理想的精馏条件，在最优化条1. 8079.件下,以20 mL 64%甲醇水溶液为原料,最终可2. 0082.5获得超过90%的甲醇精馏收率(纯度大于3.499.5%);与此同时,塔釜得到少量甲醇含量为5% ~7%的水溶液,可收集后继续使用。在甲醇由表2可见,在实验范围内,升高反应压力精馏过程中挥发或持液损失量小于3%,微型精对于"C-甲醇合成的收率影响较小,在1. 6~馏装置总体效果良好。2.4 MPa范围内均可得到较高的甲醇收率。这3.5 "C-甲醇的合 成与表征主要是由于所用催化剂本身是低压催化剂,对压在优化各步条件后,在多次模拟实验的基础力的要求并不高;本工作所设计的反应器,在很上,以Bal"CO,(98. 5% "C)为原料,进行"C-甲大程度上克服了化学平衡的限制。在实际操作醇的丰度合成实验。结果列于表3。中,出于安全考虑，通常反应压力控制在表3 "C-甲醇丰度合成实验2. 0 MPa以内。此外,实验中还对与甲醇合成反应有关的其甲醇粗精馏步骤化学实验编号丰度/%他参数如冷却水温度、冷阱收集器的温度和收集收率/%纯度/%时间等做了进一步优化。在最优条件下,"C甲82.488.799.591.1醇的单程收率一般均可稳定为85% ~ 90% ,最79.789. 499. 697.3高可大于94%.注:实验1未对催化剂进行更换,该催化剂已使用数十次;3.4 "C甲醇水溶液的精馏提纯实验2采用新鲜催化剂:表中丰度值为H NMR测得按照化学反应式,CO2催化加氢反应产物为摩尔比1 : 1的甲醇水溶液，甲醇理论含量为由表3可知,在多次使用过的催化剂上进行64.01%。在实验中,由于存在包括生成甲烷等的"C-甲醇合成实验,产物发生明显的同位素稀在内的平行副反应同时进行，因此产物中甲醇含释效应,这主要是催化剂在使用过程中,沉积了量通常在60%~63%范围内,低于理论值;在探包括甲酸盐在内的副产物。在丰度实验中,甲酸索实验中,先后尝试了包括分子筛、无水硫酸钠盐发生分解，导致部分天然丰度的COr进入反和无水硫酸铜等在内的多种吸附剂。结果表明，应体系,造成了同位素丰度下降。采用新鲜制备上述吸附剂虽然都对甲醇水溶液的提纯具有一的催化剂后,虽然初次使用的催化活性略有下降定的效果,但吸附剂在吸取水分的同时，也会吸(表现为甲醇粗收率有所降低),但产物"C丰度附一部分甲醇,同时在转移操作中也会造成一-部得以保证，与使用的原料相比,同位素稀释低分甲醇的损失,因此吸附剂方法不适合”C-甲醇于1%。水溶液的提纯。"C-甲醇的GC-MS谱图示于图3。由图3甲醇常压下沸点为64.5 C,甲醇与水具有可以看出,天然丰度甲醇的特征峰m/z =31的一定的相对分离度,且甲醇不与水生成共沸物，峰值接近于零,"C-甲醇的特征峰m/z = 32在因此精馏方法适宜用于甲醇的提纯。图谱中成为基峰(强度为100)。 计算可得,自本实验属于间歇精馏,与常规的稳态精馏有制"C甲醇的丰度为99.1 %。很大区别。将甲醇水溶液- -次性加人到塔釜,在BC-甲醇的' H NMR图谱示于图4。由图4218同位素第25卷可见,自旋量子数I = 1/2的原子核之间存在耦的产品,产品经色质联用(GC-MS)和核磁('H合作用,在氢谱上会有'H'H和'H-I3C耦合裂NMR)检测, "8C同位素丰度>97% ,产物的同位峰的出现。谱图上,化学位移83. 21处为' Hs-素丰度与原料相比降低<1%。BC-OH中-2CH3氢原子峰，积分面积为0.054 8,由于'H3-I3C-OH中H-C存在异核参考文献:耦合作用,J('H-2C)= 141.0 Hz[12],与谱图中[1] 司航.有机化工原料[M].化学工业出版社，化学位移3.38和3.03两个峰之间的耦合常数1999: 63-64.相符,故判定这两个峰为H.-I*C-0H中-13 CH[2] CoxJ, Turner H, Warne R. Syntheses with iso-topic tracer elements Part l: The preparation of氢原子峰,积分面积为1.997 3。通过与"C和methanol and sodium acetate labeled with isotopes"C相连的甲基峰面积比,即可得到化合物中'C[J]. J chem Soc, 1950; 3 167-3 176.同位素的丰度。计算可得:"C甲醇中13C的丰.[3] Pomerantz M，Fink R. Synthesis of diethyl 1-度为97. 3%。[("C)mehyl]-3-phenyl (1, 3-1 Cr ) bicycle[1.1.o]-butane-exo, exo-2 ,4- dicarboxylate[J]. J LabelCom Rad, 1978, 16: 275-286. .324290[4] Nystrom R, Yanko W，Brown W. Reduction ofcarbon dioxide to methanol by LiAlH4[J]. J Am二60装45+Chem Soc, 1948, 70: 441-442.鸭30-5] Tolbert B, Christenson F, Chang F, et al. Syn-25635.3. ,"L 129724thesis of ethanol-1-I C, ethanol-2-C, ethy-bro-81420263238 44mide-1-4 C, ethyl-bromide-2-I4 C and “C-labeledmethadone[J]. J Org Chem, 1949， 14: 525-529.围3自制'C甲醇的GC-MS图谱6] OttD, Kerr N, Whaley T, et al. Synthesis withstable isotopes: methanol- C, methanol-" C-D4and methanol-2C[J]. J Label Com Rad, 1974:315- 324.7] Tolbert B. Synthesis of carbon radioactive methyl靠纂薯iodide and methanol from carbon dioxide[J]. J AmChem Soc, 1947, 69: 1 529-1 531.8] 曹勇，陈立芳，戴维林，等.沉淀还原法制备高性能CO2加氢合成甲醇Cu/ZnO/Al2Oz催化剂[J].2003，24: 1 296-1 298.9] 郭晓明，毛东森，卢冠忠，等. CO2加氢合成催化剂的研究进展[J].化工进展，2012, 31: 477-488.3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7[10] 黄树鸝，张永春，陈绍云，等.助剂对CuO ZnO-图4自制"C-甲 醇的' H NMR圉谱Al2Os催化剂在CO2加氢制甲醇反应中性能的影响[J].石油化工，2001, 38: 482-485.4结论11] OttD, Kerr N, Sanchez G, et al. Synthesis with以Bal'CO3为原料,开发了适合"C甲醇的stable isotopes: sodium cyanide-"C, methane "C,合成工艺。采用自制的催化剂和自行设计的高methane IC-d,，and methane d, [J]. J Label Com效催化反应器,成功地用催化加氢的方法,制备Rad, 1979, 17: 255-262.得到"C甲醇。产物在自制微型高效精馏反应[12]邓芹英.波谱分析教程[M].北京:科学出版社,器中经进- -步提纯后,可得到化学纯度高于99. 5%2003: 182