一种利用塔设备生产氘代化合物的方法与流程

1.本发明涉及氘代化合物生产技术领域，特别涉及一种利用塔设备生产氘代化合物的方法。


背景技术：

2.随着对含氘有机物认识的增加，含氘有机物变得越来越重要。在核磁检测中，氘代试剂如cdcl3，氘代dmso，氘代甲醇，氘代丙酮等可以用于避免普通溶剂的氢原子的干扰，从而可以准确地分析出有机分子的氢原子的数量，化学环境，空间关系等结构信息；由于氘的质量相对较大，碳氘键比碳氢键更为稳定，所以在药物以及功能材料等方面的氘代研究逐渐发展起来。
3.单氘代甲醇、乙醇是一种相对重要的氘代产品，经常作为氘源对其他物质进行氘代反应；而氘代丙酮除了可以作为氘源之外，更是作为核磁检测的常规氘代溶剂的一种。
4.目前单氘代的甲醇、乙醇、氘代丙酮及氘代二甲基亚砜，基本采用反应釜间歇式迭代的方法进行制备，常需要10~20级迭代反应才能实现有效氘代，整个系统较为繁杂，且每级迭代都需要分离，效率极其低下。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种利用塔设备生产氘代化合物的方法，该方法以活泼性氘试剂为氘源，在没有催化剂或合适的碱作为催化剂的基础上，完成产物中氘含量的连续提升，最终生成合格的氘代产物，具有氘同位素利用度高、氘代效果好、能效高的优点。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用塔设备生产氘代化合物的方法，以精馏塔作为反应器，在惰性气氛保护下，将有机试剂原料经蒸汽发生器以蒸汽形式从精馏塔下部进入精馏塔，将氘源试剂或含催化剂的氘源试剂经预热后从精馏塔上部进入精馏塔，自上而下的氘源试剂或含催化剂的氘源试剂与自下而上的有机试剂原料蒸汽在塔内发生氢氘交换反应，并在塔顶进行产物分离，从而获得氘代产物；或以精馏塔作为反应器，在惰性气氛保护下，将氘源试剂经蒸汽发生器以蒸汽形式从精馏塔下部进入精馏塔，将有机试剂原料或含催化剂的有机试剂原料经预热后从精馏塔上部进入精馏塔，自上而下的有机试剂原料或含催化剂的有机试剂原料与自下而上的氘源试剂蒸汽在塔内发生氢氘交换反应，并在塔底进行产物分离，从而获得氘代产物。
7.当氘源试剂的沸点高于有机试剂原料时，则氘源试剂自上而下以液体进入，有机试剂原料自下而上以蒸汽进入；当氘源试剂的沸点低于有机试剂原料时，则有机试剂原料自上而下以液体进入，氘源试剂有机试剂原料自下而上以蒸汽进入。
8.本发明利用塔式设备使得实际工艺中有效的规避了多次分离的过程，且把多次迭代的工艺回归至塔内各气液相界面上进行，其方法具有较好的可操作性和稳定性，氢氘交换效率高、氘利用率高、产物分离简易等特点。
9.含催化剂的有机试剂原料中催化剂的质量浓度为0.005-1%。
10.精馏塔的塔身温度一般为60-100℃，塔顶的温度略高于（高1-5℃）氘代产品沸点。
11.作为优选，所述氘源试剂选自重水、单氘代甲醇、单氘代乙醇、氘代丙酮、氘代乙腈、氘代二甲基亚砜中一种或两种。氘源试剂最优选为重水。
12.作为优选，所述惰性气氛为由氮气或氩气所构成的气体环境。
13.作为优选，所述催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、碳酸钠、碳酸钾、碳酸铯中的一种或多种。所述催化剂先干燥后再使用，催化剂干燥的参数为：200℃下真空干燥2hr；干燥后在惰性环境中与氘源试剂配置成要求浓度的溶液。
14.作为优选，含催化剂的氘源试剂中催化剂的质量浓度为0.005-1%。
15.作为优选，氘源试剂或含催化剂的氘源试剂经预热后的温度控制为在氘源试剂的沸点以下0~3℃。比如，重水做氘源试剂时，温度控制为98-101℃。
16.作为优选，所述精馏塔的塔底再沸器的温度为产物沸点以上10-20℃，塔底出料的同位素丰度下降后的氘源试剂含量控制在85-98%，氘代度控制在10-60%。比如，重水做氘源试剂时，塔底再沸器的温度为110-120℃，塔底出料的水含量控制在85-98%，出料水氘代度控制在10~60%。塔底再沸器的出料速度实际根据液位高低进行调整，可选的一种出料速度为1300~1800g/hr。
17.作为优选，氘源试剂或含催化剂的氘源试剂的进料流量为1300-1800g/hr。
18.作为优选，所述有机试剂原料选自甲醇、乙醇、丙酮、dmso中的一种。蒸汽发生器补充溶剂的速度需要根据其液位进行调整，一般需要跟蒸汽蒸发量同步。蒸汽发生器输出的丙酮蒸汽流量为400-500 l/h。蒸汽发生器输出的甲醇和乙醇的蒸汽流量为2000-3500 l/h。
19.作为优选，控制塔顶全凝器的回流比，使得塔顶出料的氘代产物的含水量低于6wt%。塔顶出料的产物氘代度大于98%。塔顶全凝器的回流比为0.5左右。
20.本发明的有益效果是：利用塔式设备使得实际工艺中有效的规避了多次分离的过程，且把多次迭代的工艺回归至塔内各气液相界面上进行，其方法具有较好的可操作性和稳定性，氢氘交换效率高、氘转化率高、产物分离简易等特点。
附图说明
21.图1是本发明的一种结构示意图。
具体实施方式
22.下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
23.本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
24.本发明的生产设备如图1所示，包括精馏塔1，有机试剂原料储罐2通过管路连接至蒸汽发生器4，蒸汽发生器4的出口通过管路连接至精馏塔1下部的进料口；含催化剂的氘源试剂储罐3通过管路连接至加热器5，加热器5的出口通过管路连接至精馏塔1上部的进料口；精馏塔1底部设有塔底再沸器6，精馏塔1顶部设有塔顶全凝器7，塔顶全凝器旁设置氘代产物储罐8，氘代产物储罐8与塔顶全凝器连接。塔底再沸器6和氘代产物储罐8上均装有液
位控制器9和温度显示器10，液位控制器用于检测并控制液位，自上而下的氘源试剂与自下而上的有机试剂原料蒸汽在塔内发生氘代反应。
25.部分氘代反应式：。
26.总实施方案：一种利用塔设备生产氘代化合物的方法，以精馏塔作为反应器，在惰性气氛保护下，将有机试剂原料经蒸汽发生器以蒸汽形式从精馏塔下部进入精馏塔，将氘源试剂或含催化剂的氘源试剂经预热后从精馏塔上部进入精馏塔，自上而下的氘源试剂或含催化剂的氘源试剂与自下而上的有机试剂原料蒸汽在塔内发生氘代反应，并在塔顶进行产物分离，从而获得氘代产物。
27.所述氘源试剂选自重水、单氘代甲醇中一种或两种。所述惰性气氛为由氮气或氩气所构成的气体环境。氘源试剂或含催化剂的氘源试剂经预热后的温度控制为在氘源试剂的沸点以下0~3℃。所述精馏塔的塔底再沸器的温度为110-120℃，塔底出料的水含量控制在85-98%；出料水氘代度控制在10-60%。氘源试剂或含催化剂的氘源试剂的进料流量为1300-1800g/hr。所述有机试剂原料选自甲醇、乙醇、丙酮、dmso 中的一种。控制塔顶全凝器的回流比，使得塔顶出料的氘代产物的含水量低于6%。
28.所述催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、碳酸钠、碳酸钾、碳酸铯中的一种或多种。含催化剂的氘源试剂中催化剂的质量浓度为0.05-1%。蒸汽发生器输出的丙酮蒸汽流量为400-500 l/h。蒸汽发生器输出的甲醇和乙醇的蒸汽流量为2000-3500 l/h。
29.实施例1 单氘代甲醇的合成：于蒸汽发生器4中加入100kg的甲醇，加热升温，控制其蒸汽流量大约3100l/hr（约4000g/hr），开启溶剂补充泵，维持甲醇溶剂的液位基本保持不变；开启重水加料及加热，加热器5加热并维持在98-101℃，控制其流量为1500g/hr；系统运行1hr后，开启塔底再沸器6，控制温度110℃；随着时间的推进，塔顶慢慢有成品馏出，检测其氘代度及水分，通过控制重水进料量来控制其氘代度，通过控制回流比来控制其水分含量（每次调整需要2hr稳定系统）；直到塔顶出口物料氘代度大于99%，水分小于5%；则判定系统稳定，整个系统需要调整的参数如下：1、重水进料流量，用于调节产品氘代度；2、回流比，用于调节水分含量；3、再沸器温度，用于综合调节。
30.合成的单氘代甲醇，其核磁氢谱表征为：1h nmr (399 mhz, methanol-d1) δ 4.80 (s, 0.01h), 3.27 (s, 3h)。
31.实施例2 单氘代乙醇的合成
于蒸汽发生器4中加入100kg的乙醇，加热升温，控制其蒸汽流量大约3180l/hr（约5520g/hr），开启溶剂补充泵，维持溶剂的液位基本保持不变；开启重水加料及加热，加热器5加热并维持在98-100℃，控制其流量为1500g/hr；系统运行1hr后，开启塔底再沸器6，控制温度110℃；随着时间的推进，塔顶慢慢有成品馏出，检测其氘代度及水分，通过控制重水进料量来控制其氘代度，通过控制回流比来控制其水分含量（每次调整需要2hr稳定系统）；直到塔顶出口物料氘代度大于99%，水分小于5%；则判定系统稳定，整个系统需要调整的参数如下：1、重水进料流量，用于调节产品氘代度；2、回流比，用于调节水分含量；3、再沸器温度，用于综合调节。
32.合成的单氘代乙醇，其核磁氢谱表征为：1h nmr (399 mhz, ethenol-d1) δ 4.35 (t, 0.01h), 3.51 (q, 2h), 1.10 (t, 3h)。
33.实施例3 氘代丙酮的合成：于蒸汽发生器4中加入100kg的丙酮，加热升温，控制其蒸汽流量大约450l/hr(约1160g/hr)，开启溶剂补充泵，维持溶剂的液位基本保持不变；开启含催化剂的氘源试剂加料及加热（含催化剂的重水，催化剂碳酸钾，含量0.01%），加热器5加热并维持在98-101℃，控制其流量为1500g/hr；系统运行1hr后，开启塔底再沸器6，控制温度110℃；随着时间的推进，塔顶慢慢有成品馏出，检测其氘代度及水分，通过控制重水进料量来控制其氘代度，通过控制回流比来控制其水分含量（每次调整需要2hr稳定系统）；直到塔顶出口物料氘代度大于99%，水分小于5%；则判定系统稳定，整个系统需要调整的参数如下：1、重水进料流量，用于调节产品氘代度；2、回流比，用于调节水分含量；3、再沸器温度，用于综合调节。
34.合成的氘代丙酮，其核磁氢谱表征为：1h nmr (399 mhz, acetone-d6) δ 2.05 (m, 0.05h)，以二氧六环作为定量内标。
35.实施例4 氘代二甲基亚砜的合成：于蒸汽发生器4中加入100kg的重水（氘代度99.9%），加热升温，控制其蒸汽流量大约2100l/hr(约1500g/hr)，开启溶剂补充泵，维持重水的液位基本保持不变；开启塔底再沸器6，控制温度120℃；开启含催化剂的有机试剂预热（含催化剂的二甲基亚砜，催化剂为50%氢氧化钠水溶液，含量1%），加热器5加热并维持在98-101℃，在蒸汽到达塔顶后开始加料，控制其流量为1560g/hr；随着时间的推进，塔顶慢慢有成品馏出，检测其氘代度及水分，通过控制重水进料量来控制其氘代度，通过控制回流比来控制其水分含量（每次调整需要2hr稳定系统）；直到塔顶出口物料氘代度大于99%，水分小于5%；则判定系统稳定，整个系统需要调整的参数如下：
1、重水进料流量，用于调节产品氘代度；2、回流比，用于调节水分含量；3、再沸器温度，用于综合调节。
36.合成的氘代二甲基亚砜，其核磁氢谱表征为：1h nmr (399 mhz, dmso-d6) δ 2.50 (m, 0.05h) ，以二氧六环作为定量内标。
37.用重水为氘源，制备氘代二甲基亚砜，因为氘源试剂沸点低于产物，重水从塔底以蒸汽进料，塔顶进二甲基亚砜，最后在塔底收集dmso-d6。
38.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。