专利名称：：制备喹啉碱类的方法
技术领域：
：本发明一般性涉及喹啉碱类，特别是通过苯胺碱类和醛类在固体酸催化剂存在下反应制备喹啉碱类的汽相反应。作为进一步的背景，喹啉碱如8-甲基喹啉是用作合成农用化学品和其它化学品的中间体的已知化合物。例如，已知8-甲基喹啉可用臭氧氧化形成2-乙酰基烟酸(参见C.O’Murchu，《合成》(Synthesis)1989，第880-882页)，其本身可作为农用化学品的中间体(参见EP464315，1995年4月5日)。以高产率和选择性合成8-甲基喹啉和其它喹啉类的商业方法至今还有一些困难。喹啉类一般是用“Skraup合成”制备，即将含有至少一个邻位未被取代(相对氨基)的芳基胺与甘油在硫酸和氧化剂存在下进行间歇式液相环缩合反应，(参见R.H.F.Manske和M.Kulka，《有机反应》(Org.React.)1953，第59-98页)。已知Skraup合成是一种特别剧烈的反应，必须通过控制甘油和硫酸的添加速率来特别小心调节反应温度。为此，Skraup反应最好以间歇式小规模进行，或当制备较大量的喹啉类时，用针对试剂添加的失控和反应混合物的突然回流/蒸汽化设有安全保护的设备进行。当反应条件最佳时，Skraup合成可以高产率得到喹啉类，例如，8-甲基喹啉产率可达到90％(参见《合成》(Synthesis)1989，880-82)。即使如此，Skraup合成还有处理后产生大量副产物硫酸钠并且中和反应混合物的主要缺点。副产物硫酸钠的重量一般超过回收喹啉化合物重量的3-6倍。因此，当喹啉化合物以数吨规模生产时，除去和安全处理污染的硫酸钠成为关注的问题。因此，仍需要以方便的途径，高产率、高选择性和高转化率得到喹啉类，并且优选以相对高的纯度生产所需产物。另外，有利的方法应当生产可被焚化的有机副产物，而不是生产出必须填埋或处理的无机副产物。本发明满足了这些需求。发明概述本发明一个目的是提供通过方便的汽相反应以高产率和高转化率制备喹啉类的方法。本发明另一个目的是提供用许多易得的固体酸催化剂可方便地制备喹啉类的方法。本发明另一个目的是提供制备喹啉类的方法，该方法使能干扰产品回收或需要大量资金进行处理的副产物的生成减到最少。本发明再一个目的是提供方便和有效地采用固定床或流化床反应系统进行连续操作制备喹啉类的方法。本发明这些目的以及其它目的和优点均通过本发明方法提供，其中，喹啉碱的制备方法是，使含有醛类和苯胺碱相应摩尔比例至少为2∶1的蒸汽流，在温度约350℃以上经过固体酸催化剂床，以形成喹啉碱，其中醛类包括甲醛和C2-C4醛。本发明更优选的方法是通过烷基取代的苯胺与甲醛和C2-C4醛反应制备烷基取代的喹啉碱。本发明最优选的方法提供制备8-甲基喹啉的方法，其中2-甲基苯胺(也称为邻-甲苯胺)，甲醛和乙醛如上反应形成8-甲基喹啉。已经发现可以使用这种方法以出乎意料的高产率得到喹啉类，同时反应物也达到高转化率。而且，还发现在反应中使用过量的醛类将增加所形成反应混合物中的所需喹啉的纯度。例如，在生产8-甲基喹啉时，增加醛类2-甲基苯胺的摩尔比，相对于2，8-二甲基喹啉(在与所需产物相似温度下沸腾的化合物)，将增加形成的8-甲基喹啉的量。因此，使用明显过量的醛类将会改进处理过程，即通过蒸馏以高纯度回收喹啉产物。本发明另一个优选实施方案是提供制备8-甲基喹啉的方法，该方法包括使甲醛，乙醛和2-甲基苯胺通过温度至少约为350℃的固体酸催化剂床以便形成8-甲基喹啉。该方法更优选的条件类似在上述相关本发明实施方案中讨论的那些条件。本发明这些目的和其它目的，特征和优点将在下面阐明。优选实施方案的描述为了进一步理解本发明主题，现在对于某些实施方案给出一些参考用语并且使用特定语言描述这些实施方案。但是这并不意味着对本发明范围的限制，对于本发明相关领域技术人员而言，如上所述对这些实施方案某些变化和修改，涉及本发明原理的其它应用都是可以预料的。如上所述，本发明一个优选实施方案涉及1摩尔苯胺碱与2摩尔或多摩尔醛类在蒸汽相中的反应以形成喹啉碱。申请人已经发现该反应获得反应物的高转化率，同时以高产率和高纯度及选择性得到喹啉碱产物。由此，本发明方法的起始原料非常容易得到，并且可以从商业来源中获得或者用本领域和文献中非常熟悉的方法制备。因此，这里所用术语“苯胺碱”指取代的和未取代的苯胺碱，包括苯胺本身和其经过必要反应可得到喹啉碱的取代的衍生物。当使用取代的苯胺时，尽管本领域普通技术人员将认识到不干扰形成喹啉的蒸汽相反应的其它取代基均为适宜的，但是优选单-，或多-烷基取代基，其中烷基或基团包含1-约5个碳原子(即C1-C5烷基)。醛反应物将包括甲醛和C2-C4醛，例如乙醛，丙醛或丁醛，而且这些醛类一起使用时，与苯胺碱的摩尔比至少为2∶1，通常其范围为2∶1至约10∶1。已经发现使用这种醛∶苯胺碱的高摩尔比不仅提供优异的苯胺碱转化率，而且可使制备所需喹啉产物的方法的选择性增加。在更优选的本发明方法中，2-甲基苯胺(邻-甲苯胺)，乙醛和甲醛将被分别或一起蒸汽化，并且连续通过催化床得到所需8-甲基喹啉产物。在一个本发明实施方式中，乙醛和甲醛被一起蒸汽化并且送入催化床，并将2-甲基苯胺蒸汽化并以单独分开的蒸汽流送入。尽管本领域技术人员可以理解并使用许多其它适宜的程序，但是这种安排提供了将反应物引入至催化床的方便途径。如上所述，生产8-甲基喹啉的过程中，醛类(乙醛和甲醛)与2-甲基苯胺至少以2∶1摩尔比提供给反应。醛类和2-甲基苯胺的更优选的摩尔比至少为3∶1。如上所述和下面表2说明的，这种摩尔过量的醛会使得该方法中的苯胺反应物转化率高，容易超过80％甚至90％和接近100％。而且，增加醛2-甲基喹啉的摩尔比导致形成的反应混合物中相对于主要副产物-2，8-二甲基喹啉，8-甲基喹啉的纯度增加，8-甲基喹啉2，8-二甲基喹啉摩尔比在形成的反应混合物中很容易超过10。当然，这改进了反应混合物的处理，特别是其中涉及的蒸馏方法。甲醛可以从含甲醇的原料产生。因为，申请人发现，如下面表3结果所示，增加送入反应的甲醇量导致所需8-甲基喹啉产物的生产率，选择性，产率和纯度的降低。因此，由于上述原因，优选这种原料甲醛和甲醇的摩尔比至少为约1∶1。而且，在优选的方法中，送入反应中的C1组分(即甲醛加存在的任何甲醇的摩尔数)与乙醛的摩尔比至少约为1。在基本不影响本发明优选方法进行时，在一个或多个反应物原料中可以包括水，如下面表4所示，其中将双倍的水送入反应中基本上没有使产物的产率变化。这将有利于流化床反应，其中共同使用蒸汽以有助于保持床的流化。因此，如上所述，这些流化床和固定床反应系统均适合用于本发明。这些得到所需喹啉类产物的两种催化床系统的设计和操作，及保持将在本领域技术人员的能力之内。在迄今申请人的工作中，流化床反应已经取得了良好结果。本发明反应将在足够高的温度下进行以形成所需喹啉碱产物。优选温度超过约350℃，例如在约350℃至约550℃范围内。进行本发明方法更优选的温度约为450℃至约500℃。在本发明公开中，给定反应的最佳温度以得到高的8-甲基喹啉生产率，同时使催化剂寿命最长是本领域普通技术人员的可以实现的。一般而言，本发明中所用催化剂是能促进本反应中喹啉产物形成的固体催化剂。优选能提供布郎斯台德或路易斯酸性的固体酸催化剂，其中提供布郎斯台德酸性的催化剂是优选的。因此更优选的催化剂包括无定形二氧化硅-氧化铝催化剂以及沸石催化剂。因为，许多无定形二氧化硅-氧化铝催化剂是已知的并且容易从商品源中得到。类似地，还有多种沸石催化剂是已知的并且易得到，包括，例如中孔沸石如强制指数为1-12范围的硅酸盐和ZSM-5，以及大孔沸石如沸石-β，沸石-Y(包括超稳定的-Y)，和强制指数在1以下的丝光沸石。根据本发明，沸石或无定形二氧化硅-氧化铝催化剂可以其H-形式使用，也可以通过金属，例如锌和锡改性以改变其在反应中的性质。为了在本发明中使用，优选将固体酸催化剂制成粘结剂或基体，然后粒化或挤压(用固定床催化剂)或研磨或喷雾干燥(用流化床催化剂)，产生具有商业用途的形式。这种粘结剂是常规的并且具体包括，例如，天然或合成材料如粘土(例如高岭土或蒙脱土)，二氧化硅，氧化铝，二氧化硅-氧化铝，二氧化硅-氧化镁，二氧化硅-氧化锆，和三种物质的组合物如二氧化硅-氧化铝-氧化钍，二氧化硅-氧化铝-氧化锆，二氧化硅-氧化铝-氧化镁，二氧化硅-氧化镁-氧化锆等等。粘结剂(如果使用)在制成的催化剂中的用量相对于沸石或无定形二氧化硅-氧化铝催化剂通常最高达约80％w/w。特别是对于流化床操作，所得催化剂的优选粒径约为5-500μm，平均粒径60-100μm是优选的。喹啉产物可从形成的反应混合物中回收，并且用常规技术如蒸馏等纯化。喹啉产物适于农业和其它领域的许多应用。例如8-甲基喹啉可用臭氧氧化形成2-乙酰基烟酸。在该方法中，8-甲基喹啉与臭氧接触，接着在有效提供2-乙酰基烟酸的条件下用过氧化氢氧化。这种方法是已知的，例如在《合成》(Synthesis)，1989，第880-882页中公开的方法。下列具体实施例用于更好地理解和领会本发明及其特征和优点。应当理解这些实施例为了说明而非限制本发明。实施例1催化剂的制备多数催化剂以粉末形式提供的，并且与25-50％w/w二氧化硅结合(LudoxAs-40，DuPontChemical)。干燥和煅烧(550℃6小时)后，将所得饼状物粉碎并过筛，分离和使用0.5-1.0mm粒径的物质。粘结处理将铵盐形式的沸石转化为质子的或酸的形式(H-形式)。以颗粒形式(直径约1/4英寸)提供Al2O3(AlcoaH-151)和4％w/wAl2O396％SiO2(Akzo)，并将其粉碎和过筛，得到0.5-1.0mm粒径范围的部分。通过浸渍和沉淀方法用ZnO和SnO2，改性无定形二氧化硅-氧化铝催化剂(13％w/wAl2O387％SiO2，Grace)。将硝酸锌水溶液加到上述催化剂中干燥和煅烧后得到8％w/wZnO12％Al2O380％SiO2。在氨水和上述二氧化硅-氧化铝催化剂存在下从硫酸锡(II)制备锡催化剂。回收浆状物，干燥并煅烧得到15％w/wSnO211％Al2O374％SiO2。将锌和锡改性的催化剂与SiO2和如上述方法制备的适当大小的级分粘结。下表1列出了在这些实施例中使用的催化剂。表1实施例2-34固定床操作根据本发明不同条件进行的一系列实施例用以说明8-甲基喹啉(8-MeQ)的生产。每个实施例使用8mL粒径范围为0.5-1.0mm的催化剂。催化床被固定在有两个氧化硅毛塞的石英管中。在操作之前，在流动空气和550℃将催化剂活化(或再生用过的催化剂)过夜(18小时)。然后将催化床的温度降至470℃。用氮气代替空气流吹洗系统约10分钟，然后调节达到反应所选择接触时间。由两个注射泵提供液体原料。第一个泵装有纯净的邻-甲苯胺，第二个泵装有甲醛∶乙醛溶液。大部分操作使用含有45％w/w甲醛11％甲醇44％水或52％w/w甲醛2％甲醇46％水的甲醛溶液。为了得到所选操作的所需原料组合物，要将乙醛(MeCHO)，甲醇和水加到甲醛溶液中。将反应器流出的蒸汽直接通过冷凝器并且在方便时称重回收的液体。一般将开始20分钟操作得到的液体弃去。取3个1小时试验期，各试验期中点值表示0.8，1.8和2.8操作时间(HOS)。在加入作为标准的4-叔丁基吡啶之前用乙醇均化粗反应物。然后用常规技术通过GC分析样品。报道的8-甲基喹啉的选择性和产率是以邻-甲苯胺摩尔数为基础的。8-甲基喹啉的纯度是以8-甲基喹啉/2，8-二甲基喹啉(2，8-Me2Q)重量比为基础的。完成操作后，用氮气冲洗反应器单元。将沸石催化剂先在500℃在20％空气/80％氮气中再生30分钟。然后将温度升至550℃，并且分阶段提高空气与氮气的比例直到达到催化剂处于100％的空气中。将无定形催化剂用相同的温度程序处理，只是始终使用100％的空气。在第一批实施例中，醛类和邻-甲苯胺(oTOL)的摩尔比是变化的。在这些实施例中，在床温度470℃和接触时间为3.1-3.6秒的情况下使用LA催化剂以产生8-甲基喹啉(调节N2载体气流的速率以保持接触时间)。第一液体有机原料包括2-甲基苯胺(纯度99.5％)，以速率1.0mL/h提供。第二液体原料包括C1组分(甲醛∶甲醇摩尔比为4.4∶1)和乙醛。在第二原料中C1组分与乙醛的摩尔比为1.1∶1。结果示于下面表2。表2</tables>表2中数据表明增加乙醛/邻甲苯胺的摩尔比有利于8-甲基喹啉的选择性，产率和生产率。另外，乙醛/邻甲苯胺的摩尔比≥2时得到邻甲苯胺非常高的转化率，并且如8-甲基喹啉/2，8-Me2Q重量比所显示，它提高了8-甲基喹啉产物的纯度。2，8-Me2Q(b.pt＝255℃)是蒸馏8-甲基喹啉(b.pt＝248℃)时最需要减到最少的主要杂质。在另一批进行的操作中，在类似条件下使用LA催化剂，只是接触时间为3.6-4.2秒，乙醛与邻-甲苯胺的摩尔比保持约为3∶1，并且甲醛与甲醇的摩尔比是变化的。结果示于下面表3。表3</tables>表3说明，52％CH2O/2％CH3OH/46％H2O混合物使邻-甲苯胺转化率、8-甲基喹啉的产率和纯度结果最好。用甲醇部分替代甲醛(CH2O/CH3OH＝1.0-4.4)得到中等的8-甲基喹啉的选择性，产率，生产率和纯度。用甲醇完全替代甲醛(CH2O/CH3OH＝0.0)也能得到产物，但是其产率和纯度相当低。进行另一批操作以证明加入水对反应的影响。类似于上述实施例7所述那些条件(MeCHO/oTOL＝3.0)，只是以表4中所示的量加入水。表4</tables>可以看出，双倍的H2O/邻-甲苯胺比例是可能的，没有影响产率，并且似乎在某种程度上改进了纯度。在另一批实验中，用几种C3原料组分代替甲醛∶乙醛原料(C3/oTOL摩尔比＝1)进行研究。除另有注明外，条件与上述第一批操作(实施例2-8)相同。结果示于表5。表5</tables>*MeCHO/oTOL＝1.0可以看出，加入C3组分的确可以得到一定量8-甲基喹啉，但与使用甲醛/乙醛原料的反应相比整个方法水平相对降低。在另一些基本如上述的操作中，使用多种催化剂代替LA催化剂，MeCHO/oTOL和C1/MeCHO摩尔比分别为3.0和1.1，接触时间为3.6秒。结果示于下面表6，结果表明多种固体酸催化剂在制备喹啉产物中的效果。表6</tables>表6(续)实施例35流化床反应将收到的LA催化剂粉末(440g)装入内径为1.6"的流化床反应器中。经过在反应器底部的分配盘通入氮气使催化床开始流化。然后将反应器温度升至470℃。将甲醛/乙醛(C1/C2摩尔比＝1.1)溶液和邻甲苯胺分别地泵入反应器。在经过喷射管进入反应器前将甲醛/乙醛溶液通过汽化器。也将邻-甲苯胺汽化并与氮气通过分配盘一起送入。通过反应器的表面速度为1英尺/秒，同时乙醛/邻-甲苯胺和N2/(oTOL+MeCHO+CH2O+MeOH)的摩尔比分别为3.65和1.0。让反应器流出物在收集器冷凝和收集之前通过一个过滤头。将前15分钟操作回收的液体弃去。然后收集粗液体反应物105分钟。操作结束时，在用空气在550℃再生催化剂前将反应器用氮气吹洗。用上述固定床催化试验中相同的方式分析回收的粗液体反应物。分析表明邻-甲苯胺的转化率为99.7％，8-甲基喹啉的产率为67.8％。用甲苯萃取从反应湿粗产物中回收含其它喹啉碱的8-甲基喹啉，从萃取液中蒸馏甲苯得到干粗产物，再将其减压蒸馏。在143℃和34mmHg收集8-甲基喹啉馏分。分析收集的8-甲基喹啉馏分表明，得到回收率超过85％。分析8-甲基喹啉的中间馏分为96％。实施例36-56其它喹啉类的合成这些操作给出了固定床微型反应器反应进行3-甲基喹啉(3-MeQ)，3-乙基喹啉(3-EtQ)，3，8-二甲基喹啉(3，8-Me2Q)，含有3，7-二甲基喹啉(3，7-Me2Q)和3，5-二甲基喹啉(3，5-Me2Q)的混合物，含有7-甲基喹啉和5-甲基喹啉的混合物，6，8-二甲基喹啉，和8-异丙基喹啉(8-IPQ)合成的结果。如下面表所示，将混合的C1/RCH2CHO原料(R＝Me，Et)与芳基胺原料(以1.0mL/hr速率加入芳基胺)反应形成这些产物。所用芳基胺包括苯胺(PhNH2)，邻-甲苯胺(oTOL)，间-甲苯胺(mTOL)，2，4-二甲基苯胺(2，4-Me2A)，和2-异丙基苯胺(2-IPA)。所有操作数据是在床体积为8mL，粒径为0.5-1.0mm和床温度为470℃时得到的。RCH2CHO/芳基胺和C1/RCH2CHO的摩尔比分别为3.0和1.1，所用C1原料的CH2O/CH3OH摩尔比为4.4。使用氮气作载气以保持接触时间在3.0-4.0秒之间。在这些操作中使用的催化剂基本与在上述实施例中的催化剂相同，并且列在下面表7中。不同的SiO2/Al2O3比例被用于ZSM5(MFI)和沸石-BETA(BEA)催化剂。二氧化硅粘结，干燥，煅烧和过筛步骤与上述实施例中报导的相同。表7表83-甲基喹啉的生产接触时间＝3.4-3.7秒液体原料1PhNH2液体原料2C1/EtCHO表93-乙基喹啉的生产接触时间＝3.4-3.6秒液体原料1PhNH2液体原料2C1/PrCHO</tables>表103，3，7-和3，5-二甲基喹啉的生产接触时间＝3.8-3.9秒液体原料1mTOL液体原料2C1/EtCHO</tables></tables>表11用LA生产几种喹啉接触时间＝3.2-4.0秒液体原料1ArNH2液体原料2C1/RCH2CHO</tables>上述数据表明根据本发明使用几种固体酸催化剂可得到3-烷基喹啉好的产率和选择性。另外，在另两个操作中，使用本发明方法分别用MOR(100)(实施例55)和H-Y(实施例56)作催化剂制备3，8-二甲基喹啉。特别是在表10所示的具体条件下，除了用邻-甲苯胺代替间甲苯胺外，用这两种催化剂制备3，8-二甲基喹啉可得到高的反应物转化率，选择性，产率和生产率。权利要求1.一种制备喹啉碱的方法，该方法包括将含有相应摩尔比至少为2∶1的醛类和苯胺碱的蒸汽流通过固体酸催化剂床，在约350℃以上温度形成喹啉碱，所述醛类包括甲醛和C2-C4醛。2.权利要求1的方法，其中蒸汽流中还包括甲醇，其中甲醛加甲醇与C2-C4醛的摩尔比至少约为1。3.权利要求2的方法，其中蒸汽流中含有烷基取代的苯胺，还包括回收作为所述反应产物的烷基取代的喹啉的步骤。4.权利要求3的方法，其中烷基取代的苯胺是2-烷基苯胺。5.权利要求3的方法，其中烷基取代的苯胺是甲基苯胺。6.权利要求5的方法，其中甲基苯胺是2-甲基苯胺。7.一种制备8-甲基喹啉的方法，该方法包括将含有2-甲基苯胺，甲醛和乙醛的蒸汽流通过约为350℃以上温度固体酸催化剂床，形成8-甲基喹啉，其中甲醛和乙醛一起对2-甲基苯胺的摩尔比至少为2∶1。8.权利要求7的方法，其中所述温度约为400℃-500℃之间。9.权利要求8的方法，其中所述蒸汽流还含有水。10.权利要求9的方法，其中所述蒸汽流还含有甲醇，其中甲醛和甲醇一起对乙醛的摩尔比至少约为1。11.权利要求10的方法，其中所述固体酸催化床含有无定形二氧化硅-氧化铝催化剂或沸石催化剂。12.权利要求11的方法，其中所述催化床是固定床。13.权利要求11的方法，其中所述催化床是流化床。14.权利要求11的方法，其中8-甲基喹啉以至少约50％产率生产。15.权利要求14的方法，其中形成8-甲基喹啉与2，8-二甲基喹啉的摩尔比至少为10∶1。16.权利要求15的方法，其中所述甲醛和乙醛一起对2-甲基苯胺的摩尔比至少为3∶1。全文摘要本发明提供了通过取代的或为取代的苯胺碱,甲醛和C文档编号C07D215/06GK1194637SQ96196637公开日1998年9月30日申请日期1996年7月11日优先权日1996年7月11日发明者C·H·麦阿特尔,R·D·达维斯,J·R·卡尔文申请人:莱利工业公司