[发明专利]一种酸性离子液体催化合成低碳多醚类化合物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成低碳多醚类化合物的方法，更详细地涉及一种以酸性离子液体为催化剂，催化缩醛化合物与多聚甲醛反应合成低碳多醚类化合物的方法。

背景技术

低碳多醚类化合物是一类以亚甲氧基为主链的低分子量缩醛聚合物，通式为R(OCH₂)_nOR，其中n为>1的整数，R可以是C1～C10的烷基。这类化合物具有沸点较高，闪点高且密度较大，并且低毒的特点，可以替代甲醇用于燃料电池电解液（WO2006/084993A1，Journal of Power Sources,2008,175:82）。当R为异丁基时，是价值很高的高稳定性、高沸点溶剂。另外，这类多醚化合物分子含氧量高，而且十六烷值高。其中分子式为CH₃(OCH₂)_3～8OCH₃的低碳多醚称为聚甲氧基二甲醚，具有与柴油相近的化学性质，与柴油互溶性好，且比较稳定。研究表明，在柴油中调合10%～20%，能显著降低柴油凝点，改善柴油的燃烧特性，提高热效率，烟度最高可降低80%，氮氧化物可以降低50%，可整体提升柴油性能。

低碳多醚化合物的合成原料主要包括两部分，一部分是提供低聚甲醛的化合物，包括甲醛水溶液、三聚甲醛、多聚甲醛等；另一部分是提供封端烷基的化合物，包括低碳醇、二烷基醚、缩醛等。低碳多醚化合物的合成方法有多种，从原料上讲以低碳醇和甲醛为原料较为廉价易得。但是甲醛通常都以水溶液的形式存在，含有大量的水，带来诸多不利影响，如降低单程转化率，增加产物分离的困难和能耗。另外，由于反应使用了酸性催化剂，生成的多醚产物会发生水解，形成不稳定的半缩醛，将在一定程度上降低柴油混合物的闪点，进而损害其品质。由于半缩醛与聚甲氧基二甲醚具有相近的沸点，半缩醛一旦生成，将很难从产品中分离出来。

根据报道，US6392102的方法通过二甲醚氧化制备甲醛，虽然在一定程度上减少了水含量（甲醛浓度>60%），但是整个工艺比较复杂，包括反应蒸馏、多个非均相反应器、蒸馏塔、吸收塔和喷雾塔，这需要高的开发和投资成本，以及操作过程中的养护费用。此外，以二甲醚代替甲醇生产甲醛，原料成本也相对较高。

EP1505049描述了一个以三氟甲磺酸为催化剂，甲醇和低聚甲醛合成聚甲氧基二甲醚的例子，产物中n=3～8的选择性为17.3%。三聚甲醛和多聚甲醛是固体，作为甲醛的代用品，使用安全，后处理简单。

US2449269描述了一种甲缩醛与多聚甲醛或浓缩的甲醛溶液在硫酸存在下加热的方法，这样获得了每分子具有2～4个甲醛单元的聚甲氧基二甲醚。

US5746785描述了以摩尔比为1:5的甲缩醛与多聚甲醛，或者摩尔比为1:3的甲醇与多聚甲醛为原料，以不超过原料总质量的0.1%的甲酸作为催化剂，在温度区间为150℃～240℃下的反应，制备出分子量约为80～350，相当于n=1～10的聚甲氧基二甲醚。

EP1070755B1（EP1505049A1、US6534685）公开了甲缩醛和多聚甲醛经三氟甲磺酸催化制备分子中具有2～6个甲醛单元的聚甲氧基二甲醚的方法。这种方法得到的产物中主要以二聚体为主，n=2的产物选择性约为49.6%，n为2～5的产率为51.2%。由于二聚体会降低柴油的闪点，因此不适合作为柴油添加剂。

以上报道中采用硫酸等液体酸作为催化剂，腐蚀性很强，对设备损害很大，且反应结束后其与产物处于同一相，对产物的分离极为不利。

CN101182367（US7560599）描述了一种以甲醇、三聚甲醛为原料，采用离子液体作为催化剂的方法。离子液体催化剂用量占总反应物质量的0.01%-10%，反应温度60℃～130℃，压力0.5MPa～4MPa，三聚甲醛的转化率最高可达90.3%，n=3～8的产物选择性达到43.7%。

CN101665414A则公开了一种离子液体催化甲缩醛与三聚甲醛反应制备聚甲氧基二甲醚的方法。在三聚甲醛与甲缩醛摩尔比为0.1～3.0，催化剂用量为总投料质量的0.5%～8.0%，反应温度为110℃～120℃，反应压力为1.5MPa～3.0MPa的条件下，三聚甲醛的转化率最高可达95%，n=3～8的产物选择性>50%。离子液体作为催化剂，催化效率高、选择性好，且对设备的腐蚀性低，易于与产物分离。