H-beta分子篩催化苯胺縮合制備二苯胺

韓曉萌,李英霞,楊 曼,黃崇品

(北京化工大學,北京 100029)

二苯胺是一種重要的化工原料,主要用于橡膠防老劑、染料中間體、火藥穩(wěn)定劑及醫(yī)藥方面[1]。二苯胺的生產工藝復雜,生產成本較高,是制約其發(fā)展的主要因素[2-3]。二苯胺的合成路徑包括苯胺-苯酚縮合法[4]、環(huán)己胺法[5]、苯胺縮合法[6-7]等。苯胺連續(xù)縮合法具有反應條件溫和、生產成本較低且生產能力較大等優(yōu)點,是目前國內外廣泛采用的方法[8-9]。苯胺連續(xù)縮合合成二苯胺催化劑主要有三氯化鋁、三氟化硼等鹵化物[10-11]、活性氧化鋁[12]和改性沸石分子篩[13]等幾大類。其中改性沸石分子篩具有壽命長,轉化率和選擇性高,再生容易等優(yōu)點[14],是目前工業(yè)上主要使用的催化劑。H-beta沸石分子篩是一種具有三維十二元環(huán)孔道結構的高硅分子篩,其表面酸性質對催化劑活性和產物選擇性有重要影響[15-17]。

本文主要考察不同硅鋁比和鹵素改性對H-beta分子篩表面酸性和對苯胺縮合制備二苯胺催化性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原 料

H-beta分子篩原粉,n(SiO2)∶n(Al2O3)分別為25、40、60,南京分子篩催化劑廠；氟化銨,分析純,上海麥克林生化科技有限公司；苯胺,純度大于99.5%,天津市光復精細化工研究所；石英砂,純度大于99.0%,天津市光復精細化工研究所；氮氣,純度大于99.9%,北京海譜氣體有限公司。

1.2 催化劑制備

將硅鋁比分別為25、40、60的H-beta分子篩原粉置于馬弗爐中550 ℃焙燒4 h除去模板劑。取6 g焙燒后硅鋁比為25的H-beta分子篩分別加入到60 mL,濃度分別為0.125 mol·L-1、0.5 mol·L-1、1.0 mol·L-1的NH4F溶液中,在80 ℃下連續(xù)攪拌8 h,得到的固-液混合物經冷卻、過濾,用蒸餾水洗滌至中性,在100 ℃下干燥10 h,550 ℃焙燒5 h得到所需催化劑。

1.3 催化劑表征

采用美國麥克儀器公司AutoChem II 2920全自動程序升溫吸附儀進行NH3-TPD表征,測定催化劑酸性。稱取0.1 g分子篩樣品于反應管中,He氣氛下300 ℃預處理1 h,降溫至100 ℃,通入體積分數10.0%的NH3/He,吸附至飽和,用He吹掃移除物理吸附的NH3,逐漸升溫至700 ℃進行NH3脫附。

采用美國賽默飛世爾公司的Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀進行Py-IR表征。取約10 mg粉末樣品壓成薄片,固定在紅外池中,經真空(0.001 Pa,300 ℃)凈化2 h后,冷卻至100 ℃,在室溫下掃描譜圖作本底,吸附吡啶至飽和,再進行吹掃除去物理吸附,分別程序升溫到150 ℃、250 ℃、350 ℃進行抽真空脫附,然后冷卻至室溫,記錄紅外譜圖。

1.4 催化劑活性評價

采用常壓微型固定床反應器(長30 mm,內徑5 mm)進行催化性能評價,催化劑裝填量1.0 g,反應溫度320 ℃,苯胺質量空速0.2 h-1,純苯胺進料。采用LC-3000高效液相色譜儀分析產物組成。以二苯胺的產率來評價H-beta分子篩的催化性能。

2 結果與討論

2.1 表征結果

2.1.1 NH3-TPD

圖1為不同硅鋁比及改性處理后H-beta分子篩的NH3-TPD曲線,總酸量如圖1和表1所示。從圖1及表1可知,改變H-beta硅鋁比對總酸量沒有明顯影響,酸類型以弱酸為主。鹵素處理后,H-beta分子篩的總酸量下降,且H-beta分子篩表面酸強度增強。

圖1 不同硅鋁比及鹵素處理后H-beta分子篩的NH3-TPD曲線Figure 1 NH3-TPD curves of H-beta zeolite with different Si/Al ratio and halogen treatment

表1 不同硅鋁比及鹵素處理后H-beta分子篩的酸性數據Table 1 Acidic data of H-beta zeolite with different Si/Al ratio and halogen treatment

2.1.2 Py-IR

圖2為不同硅鋁比及改性處理后H-beta分子篩的Py-IR譜圖,由此得到不同類型酸量如表1所示。由圖2可知,1 450 cm-1附近的吸收峰歸屬為L酸,1 540 cm-1附近的吸收峰歸屬為B酸,1 490 cm-1附近的吸收峰是L酸與B酸疊加。結合NH3-TPD分析,硅鋁比升高,L酸含量增多,B酸含量下降。鹵素溶液處理后,L酸減少,B酸含量先升高,在溶液濃度為0.125 mol·L-1時達到最高值,之后下降。

圖2 不同硅鋁比及鹵素處理后H-beta分子篩的Py-IR譜圖Figure 2 Py-IR spectra of H-beta zeolite with different Si/Al ratio and halogen treatment

2.2 催化性能對比

不同硅鋁比及經鹵素處理后H-beta分子篩的苯胺轉化率如圖3所示。由圖3可知,硅鋁比增加,二苯胺收率降低,硅鋁比為25時催化效果最好,二苯胺收率為28.75%。結合表征數據分析,硅鋁比增加,總酸量變化不明顯,L酸酸量上升,B酸酸量明顯下降,與二苯胺產率變化趨勢一致。表明H-beta分子篩表面B酸含量對反應有較大影響,而總酸量和L酸含量對反應影響不大。由圖3還可知,鹵素改性處理后,隨著NH4F溶液濃度提高,二苯胺產率先升高,在NH4F溶液濃度為0.125 mol·L-1時達到最大,為34.68%,繼續(xù)升高溶液濃度,產率下降。結合表征數據,B酸酸量變化與二苯胺產率變化趨勢一致,而總酸量及L酸酸量隨NH4F溶液濃度增加逐漸降低。綜上,硅鋁比與鹵素改性處理結論一致,即H-beta分子篩表面B酸含量對反應有很大影響,而總酸量和L酸含量對反應影響不大。同時,弱酸即可催化反應的進行。

圖3 不同硅鋁比及鹵素處理后H-beta分子篩催化性能Figure 3 Catalytic properties of H-beta zeolite with different Si/Al ratio and halogen treatment

3 苯胺在H-beta分子篩上縮合反應機理

苯胺縮合制備二苯胺是典型的酸催化反應。據報道,兩分子的苯胺在催化劑作用下縮合并脫掉一分子的氨,生成一分子二苯胺[8],反應式如圖4所示。

圖4 苯胺縮合合成二苯胺 Figure 4 Synthesis of diphenylamine by aniline condensation

綜合不同硅鋁比及鹵素改性結果,苯胺縮合制備二苯胺與H-beta分子篩上的B酸酸量相關。氣質檢測結果顯示反應沒有中間產物生成,反應為一步反應。在此基礎上,提出如圖5所示的反應機理。1)兩分子苯胺吸附在H-beta分子篩上兩個鄰近的B酸酸性位點上,形成兩分子苯胺陽離子；2)苯胺陽離子發(fā)生縮合反應,生成一分子的二苯胺陽離子,同時生成銨根離子。3)二苯胺陽離子和銨根離子在B酸酸性位點上發(fā)生脫附,釋放出一分子的二苯胺和一分子的氨,同時空出兩個B酸酸性位點。4)多數酸性位點在反應條件下吸附苯胺,反應后二苯胺脫附,空出的酸性位點繼續(xù)吸附苯胺進行反應。少數酸性位點的酸強度過高導致反應物和產物與催化劑結合過牢,不易脫附,造成積炭,催化劑壽命降低。

圖5 H-beta分子篩催化苯胺縮合生成二苯胺反應機理Figure 5 Catalytic reaction mechanism of H-beta zeolite catalyzed condensation of aniline to diphenylamine

4 結 論

(1) 考察了硅鋁比、鹵素處理對H-beta分子篩酸性及催化苯胺縮合制備二苯胺性能的影響。0.125 mol·L-1的NH4F溶液處理硅鋁比為25的H-beta分子篩對反應具有良好的催化性能,二苯胺收率達到34.68%。

(2) 結合硅鋁比與鹵素處理的結果,苯胺縮合制備二苯胺的反應與H-beta分子篩表面B酸的酸量相關。

(3) 對比不同催化劑表面酸強度,H-beta分子篩表面弱酸即可對反應起催化作用。