13C-甲醇的制備

第25卷第4期司位素Vol. 25 No. 4Nov.20122012年11月.Journal of IsotopesB3C-甲醇的制備羅勇，杜曉寧,宋家龍，陸平曄，李美華(上?；ぱ芯吭?上海200062)摘要:采用自制的催化劑和自行設計的高效催化反應器,用催化加氫的方法,以Be"CO3為原料制備了C甲醇。所得甲醇水溶液在微型高效精餾反應器中進(jìn)一步提純后,得到的“C-甲醇化學(xué)純度>99.5%。實(shí)驗設計的合成路線(xiàn)反應條件溫和，同位素利用率>90%."C甲酶經(jīng)色質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)和核磁('H NMR)檢測,"C同位素豐度>97% ,"C甲醇的同位素豐度與原料相比降低<1%.以上結果表明,采用自制的催化劑和自行設計的高效催化反應器.成功地用催化加氫的方法制備得到了”C-甲醇。關(guān)鍵詞:"C標記;甲醇;催化加氫中圖分類(lèi)號: O628. 2文獻標志碼: A文章編號: 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穩定同位素*C標記甲醇(}C-甲醇)是合目前在工業(yè)上,甲醇的合成有許多成熟工成'C標記產(chǎn)品的基礎試劑，將其作為前體,可藝°,包括高壓、中壓和低壓工藝流程,這些合成以在化合物中引入C標記的甲基,進(jìn)而得到一工藝生產(chǎn)設備投資大,生產(chǎn)工藝復雜,產(chǎn)物甲醇的系列$C標記的化合物。單程轉化率低,不適合實(shí)驗室中C甲醇的合成。收稿日期: 2012-04-23;慘回日期: 2012-05-29基金項目:“+-五”國家科技支撐計劃(2009BAK61B04);科技部轉制院所專(zhuān)項(201E116066)作者簡(jiǎn)介:羅勇(1974 -),男,甘肅人,高級工程師(博士),主要從事精細有機合成及工業(yè)催化等研究215第4期羅勇等:"C甲醇的制備13C-甲醇的合成通?？梢苑譃橛袡C化學(xué)試18CO2 + 3H2Cu-Zn. 13CH,OH+H2O劑還原法和催化加氫法,其中前者采用氫化鋁鋰2.1 CO2 的發(fā)生等強還原劑，在高沸點(diǎn)溶劑如乙二醇二乙醚中，精確稱(chēng)取計算量的BaCO3置于500 mL玻將"CO2還原為C-甲醇。該方法需要消耗大量璃燒瓶中,用高純氮氣置換體系多次后,用分液昂貴的還原劑和高沸點(diǎn)溶劑,反應要求在嚴格的漏斗將稀硫酸緩慢滴人燒瓶中,發(fā)生的CO2隨無(wú)水無(wú)氧條件下進(jìn)行,反應進(jìn)程和收率受操作者氦氣緩慢帶出,經(jīng)液氮冷阱收集,轉移到氣袋，的經(jīng)驗和實(shí)驗技能影響很大,這些條件使得實(shí)驗備用。室制備甲醇的收率低于文獻報道[241。2.2 催化劑的制備[°0]-些研究者[5°]對工業(yè)合成甲醇的方法進(jìn)行將868 g(2. 94 mol)三水硝酸銅、312 g了改進(jìn),以適應實(shí)驗室中合成C甲醇。與CO(0. 35 mol)六水硝酸鋅和140 g(1. 05 mol)無(wú)水相比,以CO2作為原料進(jìn)行催化加氫具有如下硝酸鉻在劇烈攪拌下加人到10L85 C含547 g優(yōu)點(diǎn):反應可以在較低的壓力下進(jìn)行(低于碳酸鈉的水溶液中。將反應生成的沉淀過(guò)濾后，3. 0 MPa);CO2沸點(diǎn)較高(-78 C),易于轉移用去離子水徹底清洗，瀝干,于壓片機上擠壓成儲存和原料回收;使用CO2為原料可延長(cháng)催化約2 mm直徑的棒狀，110心烘箱中空氣干燥劑的壽命。24 h,同時(shí)溫度緩慢升高至250 C ,保持6 h.Ott等[0]采用Cu-Zn催化劑,在自制不銹鋼再將催化劑進(jìn)- -步破碎為1~2 mm的顆催化劑反應器中,獲得了粗收率超過(guò)90%的“C粒,放置于反應器的催化劑床層中,將體系減壓甲醇，產(chǎn)物進(jìn)-一步經(jīng)分子篩聯(lián)球減壓轉移,得到抽空后加人氦氣(大約0. 8 MPa)，加熱到無(wú)水甲醇。上述方法雖然可以獲得良好的甲醇230C。停止加熱,間歇通人高純氫氣(每次大收率,但需要增設高壓循環(huán)泵等附加設備,促進(jìn)約加7 kPa,讓溫度變化不超過(guò)10 C),體系壓反應器內氣體循環(huán)，以強化傳質(zhì)作用,縮短反應力最高不超過(guò)2.0 MPa,保持24 h。以上還原過(guò)時(shí)間，提高同位素收率。程共進(jìn)行3次。本工作擬采用自制的催化劑和自行設計的2.3 BC-甲醇的催化合成高效催化反應器,用催化加氫的方法，以Ba自制的CO2催化加氫反應器示意圖示于圖"CO3為原料制備"C-甲醇,以克服以上不足。1。將80g活化后的CO2加氫催化劑置于反應器的床層中,連接并安裝反應器,對體系抽真空，1主要儀器與試劑從進(jìn)氣口處將預先收集在氣袋中的CO2引人反1.1主要儀器應器,再切換至氫氣鋼瓶,向反應器內壓人一定Agilent 7890A氣質(zhì)聯(lián)用儀Agilent 1790F分壓的高純氫氣。待體系內壓力達到預定值時(shí)，氣相色譜儀:美國安捷倫公司;Nocolet6700傅關(guān)閉進(jìn)氣閥,迅速升溫到預定值。將收集器置于里葉紅外儀:美國尼高力公司;KF-1卡爾費休水干冰冷阱中,同時(shí)開(kāi)啟收集器上方的閥門(mén)，反應分測定儀:上?；ぱ芯吭?MAT-271氣體同位一段時(shí)間后,體系壓力不再發(fā)生變化,開(kāi)始降溫，素質(zhì)譜計:美國Finnigan公司;DLSB循環(huán)冷卻最后關(guān)閉收集器上方的閥門(mén),取下收集器,對收泵:河南鞏義英峪予華儀器廠(chǎng);微型高效精餾反集的甲醇水溶液稱(chēng)重并測量其化學(xué)純度。分別應器:配備TC-1微電腦回流比控制器，上?；疾旆磻獪囟群头磻獕毫?C-甲醇收率的影工研究院。響。實(shí)驗中還對與甲醇合成反應有關(guān)的其他參1.2主要試劑數如冷卻水溫度、冷阱收集器的溫度和收集時(shí)間Bal"CO3(8C豐度98%):美國CIL公司;等做了進(jìn)一步優(yōu)化。.Cu-Zn催化劑為自制;甲醇、硫酸、BaCO3等為市2.4 IC-甲醇水溶液的精餾提純售分析純試劑。甲醇水溶液精餾裝置示意圖示于圖2。在φ38 mmX 560 mm的玻璃塔中裝人φ8 mmX5402實(shí)驗方法mm填料塔,塔內裝填規整金屬絲波紋填料,玻I3C-甲醇的合成路線(xiàn)如下式所示:璃塔表面包繞金屬絲加熱帶。TC-1微電腦控制216同位素第25卷器調節回流比,將10~30 mL甲醇水溶液加人外的適 當距離處設有倒U字型氣體回流擋板;燒瓶中,電熱套和加熱帶控制全塔溫度和餾出速反應釜外設有循環(huán)水夾套;反應釜底部連接不銹度,低溫循環(huán)冷卻泵控制冷卻水的溫度和流量。鋼冷阱收集器;反應釜頂部配有反應氣入口。反全回流30min后開(kāi)始采出,塔頂餾分經(jīng)在應中生成的水和甲醇不斷被冷阱捕獲,使得反應線(xiàn)分析合格后直接進(jìn)入收集器。通過(guò)調節回流不斷向生成產(chǎn)物的方向移動(dòng)。反應結束后,關(guān)閉比、塔釜溫度和冷凝溫度控制采出的甲醇質(zhì)量分閥門(mén),目標產(chǎn)物甲醇收集于不銹鋼冷阱中。數，每隔30 min查看色譜分析結果。3.2反應床層 溫度對”C-甲醇收率的影響反應溫度對'C-甲醇收率的影響列于表1.十進(jìn)氣口其他反應條件如下:CO2加人量7.0 L(常溫常中巴P[排氣曰壓條件),再補加氫氣至反應器總壓為2. 0 MPa.反應時(shí)間維持6~8 h,待系統壓力保持1 h不再.冷凝水回變化即停止,冷卻循環(huán)水溫度20 C。區凝水進(jìn)回I1:加熱器占2:反應床層表1反應溫 度對”C-甲醇收率的影響3:進(jìn)氣孔收集器反應溫度/C產(chǎn)物中甲醇舊C-甲醇質(zhì)量分數/%收率/%圖1 CO2催化加氫制備甲醇裝置.2442.5IB.12055.264.716057.88.51:升降臺2:電熱煲1459.479.43:圓底燒瓶4:填料塔1260.480.3S:熱補償金屬絲6:冷凝水進(jìn)口10062. 1一961.668.8:塔頂產(chǎn)品收集器9:在線(xiàn)色譜分析10:蒸汽冷凝系統11:回流比控制器由表1可知,自制的低壓甲醇催化劑具有較好的反應活性,在較低的溫度下(100 C左右)即圖2 甲醇水溶液精餾裝置示意圍可獲得較高的甲醇收率。反應溫度對甲醇的收3結果與討論率影響顯著(zhù),隨著(zhù)反應溫度從240 C降低至140C,產(chǎn)物甲醇的收率有明顯提高;反應溫度3.1 1C-甲醇的催化合成采用催化加氫方法,在實(shí)驗室規模上制備穩.在100~140 C范圍內,均可獲得較高的甲醇定同位素'C標記甲醇的主要難點(diǎn)8-10]在于:由收率。于受化學(xué)反應平衡影響,產(chǎn)物甲醇的單程轉化率按照化學(xué)式計算得到甲醇水溶液中甲醇的低,通常僅為20%~30%。為了獲得較好的傳理論質(zhì)量分數為64.01%,在實(shí)驗中發(fā)現,產(chǎn)物質(zhì)作用,需要額外增加高壓循環(huán)泵等設備,以強中甲醇含量始終低于理論含量,這是由于在本反化反應器內氣體循環(huán),縮短反應時(shí)間,提高同位應體系中,除了生成甲醇的目標反應外,同時(shí)還素原料的收率。為了解決上述問(wèn)題,本實(shí)驗設計有生成甲烷等副產(chǎn)物的平行反應"1進(jìn)行,對反制造了一種新型的甲醇合成反應器,使其能夠突應余氣進(jìn)行分析時(shí),檢測到了微量的甲烷和乙烷破原有化學(xué)平衡,提高反應釜合成效率和°C同等副產(chǎn)物。對此，可通過(guò)降低反應溫度,適當抑位素利用率,反應條件相對溫和,操作簡(jiǎn)便,適用制平行副反應的進(jìn)行,從而獲得較高的“C甲醇于實(shí)驗室規模'C-甲醇的合成。該反應器為固定床反應釜(圖1),其結構特3.3反應 壓力對"C-甲醇收率的影響點(diǎn)為:反應簽內設催化劑固定床,內裝有催化劑，反應壓力對“C-甲醇收率的影響列于表2.形成可控的等溫反應床層;固定床催化劑反應器CO2加氫制甲醇的過(guò)程是個(gè)體積臧小的反應，第4期羅勇等:"C-甲醇的制備217理論上升高反應壓力和增加氫氣分壓都使化學(xué)精餾過(guò)程中,隨著(zhù)輕組分甲醇陸續蒸出,塔釜甲平衡向正方向移動(dòng),提高'C-甲醇收率。實(shí)驗中.醇濃度逐漸降低。與此同時(shí),為保證較高的甲醇考察了反應壓力對}C-甲醇合成的影響:反應溫收率,需要盡可能降低塔釜甲醇濃度,以及盡量度為100 C,通過(guò)調節氫氣用量來(lái)改變體系總壓降低精餾柱的高度和溶劑,減少床層的持液量。力,其他反應條件同3.2節。為此,本工作自行設計了微型甲醇精餾反應器,采用上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)的規整金屬絲波紋表2反應壓力對"C- 甲醇收率的影響高效填料,通過(guò)對塔釜、塔頂溫度控制、回流比、反應壓力/MPa .IC-甲醇收率/%精餾柱高度和直徑以及精餾時(shí)間等多種參數的1.6077. 8考察,得到了比較理想的精餾條件，在最優(yōu)化條1. 8079.件下,以20 mL 64%甲醇水溶液為原料,最終可2. 0082.5獲得超過(guò)90%的甲醇精餾收率(純度大于3.499.5%);與此同時(shí),塔釜得到少量甲醇含量為5% ~7%的水溶液,可收集后繼續使用。在甲醇由表2可見(jiàn),在實(shí)驗范圍內,升高反應壓力精餾過(guò)程中揮發(fā)或持液損失量小于3%,微型精對于"C-甲醇合成的收率影響較小,在1. 6~餾裝置總體效果良好。2.4 MPa范圍內均可得到較高的甲醇收率。這3.5 "C-甲醇的合 成與表征主要是由于所用催化劑本身是低壓催化劑,對壓在優(yōu)化各步條件后,在多次模擬實(shí)驗的基礎力的要求并不高;本工作所設計的反應器,在很上,以Bal"CO,(98. 5% "C)為原料,進(jìn)行"C-甲大程度上克服了化學(xué)平衡的限制。在實(shí)際操作醇的豐度合成實(shí)驗。結果列于表3。中,出于安全考慮，通常反應壓力控制在表3 "C-甲醇豐度合成實(shí)驗2. 0 MPa以?xún)?。此?實(shí)驗中還對與甲醇合成反應有關(guān)的其甲醇粗精餾步驟化學(xué)實(shí)驗編號豐度/%他參數如冷卻水溫度、冷阱收集器的溫度和收集收率/%純度/%時(shí)間等做了進(jìn)一步優(yōu)化。在最優(yōu)條件下,"C甲82.488.799.591.1醇的單程收率一般均可穩定為85% ~ 90% ,最79.789. 499. 697.3高可大于94%.注:實(shí)驗1未對催化劑進(jìn)行更換,該催化劑已使用數十次;3.4 "C甲醇水溶液的精餾提純實(shí)驗2采用新鮮催化劑:表中豐度值為H NMR測得按照化學(xué)反應式,CO2催化加氫反應產(chǎn)物為摩爾比1 : 1的甲醇水溶液，甲醇理論含量為由表3可知,在多次使用過(guò)的催化劑上進(jìn)行64.01%。在實(shí)驗中,由于存在包括生成甲烷等的"C-甲醇合成實(shí)驗,產(chǎn)物發(fā)生明顯的同位素稀在內的平行副反應同時(shí)進(jìn)行，因此產(chǎn)物中甲醇含釋效應,這主要是催化劑在使用過(guò)程中,沉積了量通常在60%~63%范圍內,低于理論值;在探包括甲酸鹽在內的副產(chǎn)物。在豐度實(shí)驗中,甲酸索實(shí)驗中,先后嘗試了包括分子篩、無(wú)水硫酸鈉鹽發(fā)生分解，導致部分天然豐度的COr進(jìn)入反和無(wú)水硫酸銅等在內的多種吸附劑。結果表明，應體系,造成了同位素豐度下降。采用新鮮制備上述吸附劑雖然都對甲醇水溶液的提純具有一的催化劑后,雖然初次使用的催化活性略有下降定的效果,但吸附劑在吸取水分的同時(shí)，也會(huì )吸(表現為甲醇粗收率有所降低),但產(chǎn)物"C豐度附一部分甲醇,同時(shí)在轉移操作中也會(huì )造成一-部得以保證，與使用的原料相比,同位素稀釋低分甲醇的損失,因此吸附劑方法不適合”C-甲醇于1%。水溶液的提純。"C-甲醇的GC-MS譜圖示于圖3。由圖3甲醇常壓下沸點(diǎn)為64.5 C,甲醇與水具有可以看出,天然豐度甲醇的特征峰m/z =31的一定的相對分離度,且甲醇不與水生成共沸物，峰值接近于零,"C-甲醇的特征峰m/z = 32在因此精餾方法適宜用于甲醇的提純。圖譜中成為基峰(強度為100)。 計算可得,自本實(shí)驗屬于間歇精餾,與常規的穩態(tài)精餾有制"C甲醇的豐度為99.1 %。很大區別。將甲醇水溶液- -次性加人到塔釜,在BC-甲醇的' H NMR圖譜示于圖4。由圖4218同位素第25卷可見(jiàn),自旋量子數I = 1/2的原子核之間存在耦的產(chǎn)品,產(chǎn)品經(jīng)色質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)和核磁('H合作用,在氫譜上會(huì )有'H'H和'H-I3C耦合裂NMR)檢測, "8C同位素豐度>97% ,產(chǎn)物的同位峰的出現。譜圖上,化學(xué)位移83. 21處為' Hs-素豐度與原料相比降低<1%。BC-OH中-2CH3氫原子峰，積分面積為0.054 8,由于'H3-I3C-OH中H-C存在異核參考文獻:耦合作用,J('H-2C)= 141.0 Hz[12],與譜圖中[1] 司航.有機化工原料[M].化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)位移3.38和3.03兩個(gè)峰之間的耦合常數1999: 63-64.相符,故判定這兩個(gè)峰為H.-I*C-0H中-13 CH[2] CoxJ, Turner H, Warne R. Syntheses with iso-topic tracer elements Part l: The preparation of氫原子峰,積分面積為1.997 3。通過(guò)與"C和methanol and sodium acetate labeled with isotopes"C相連的甲基峰面積比,即可得到化合物中'C[J]. J chem Soc, 1950; 3 167-3 176.同位素的豐度。計算可得:"C甲醇中13C的豐.[3] Pomerantz M，Fink R. Synthesis of diethyl 1-度為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裝45+Chem Soc, 1948, 70: 441-442.鴨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.圍3自制'C甲醇的GC-MS圖譜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，陳立芳，戴維林，等.沉淀還原法制備高性能CO2加氫合成甲醇Cu/ZnO/Al2Oz催化劑[J].2003，24: 1 296-1 298.9] 郭曉明，毛東森，盧冠忠，等. CO2加氫合成催化劑的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)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] 黃樹(shù)鸝，張永春，陳紹云，等.助劑對CuO ZnO-圖4自制"C-甲 醇的' H NMR圉譜Al2Os催化劑在CO2加氫制甲醇反應中性能的影響[J].石油化工，2001, 38: 482-485.4結論11] OttD, Kerr N, Sanchez G, et al. Synthesis with以Bal'CO3為原料,開(kāi)發(fā)了適合"C甲醇的stable isotopes: sodium cyanide-"C, methane "C,合成工藝。采用自制的催化劑和自行設計的高methane IC-d,，and methane d, [J]. J Label Com效催化反應器,成功地用催化加氫的方法,制備Rad, 1979, 17: 255-262.得到"C甲醇。產(chǎn)物在自制微型高效精餾反應[12]鄧芹英.波譜分析教程[M].北京:科學(xué)出版社,器中經(jīng)進(jìn)- -步提純后,可得到化學(xué)純度高于99. 5%2003: 182