碳纖維負(fù)載的鈀基催化劑催化苯甲酸加氫制備環(huán)己基甲酸

邵建華 寧劍波 徐 威

（1.江蘇清泉化學(xué)有限公司，江蘇 濱海224500；2.浙江臺州清泉醫(yī)藥化工有限公司，浙江省中高壓催化加氫工程技術(shù)研究中心，浙江 仙居318000)

環(huán)己基甲酸及其衍生物是重要的有機(jī)化工原料和藥物的中間體，在藥物合成及新材料研發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用價值。如環(huán)己基甲酸可用于治療血吸蟲病藥物吡喹酮的合成，同時還可用于制備光固化劑1-羥基環(huán)己基苯基甲酮[1-2]。它是一種高效、耐黃變的自由基型固體光引發(fā)劑，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)最重要的自由基光引發(fā)劑之一，具有儲存時間長、引發(fā)效率高、紫外吸收范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于紙張、金屬、塑料、建筑材料、涂料等領(lǐng)域[3-6]。其衍生物，如反式4-異丙基環(huán)己甲酸則是合成治療糖尿病藥物那格列奈的重要中間體[7]。

綠色化學(xué)已成為當(dāng)今科研和生產(chǎn)的潮流。催化加氫反應(yīng)通常生成產(chǎn)物和水，控制得當(dāng)則很少生成其他副產(chǎn)物，因此符合高原子性及綠色化學(xué)的要求。目前，環(huán)己基甲酸的生產(chǎn)就是通過金屬選擇性催化氫化苯甲酸制得。苯甲酸選擇性加氫制取環(huán)己基甲酸是SNIA公司甲苯法制備己內(nèi)酰胺工藝的重要步驟之一，常用的催化劑有Pd/C、Ru/C、Rh-Pt、Ni/SiO2等，使用最多的是Pd/C[7]。但是由于該類催化劑為粉末狀，與反應(yīng)原料及產(chǎn)物較難分離。為了保證產(chǎn)物與催化劑的分離效率，通常要求將苯甲酸完全轉(zhuǎn)化，以減少后續(xù)處理步驟，因此需采用多釜串聯(lián)進(jìn)行反應(yīng)，不僅工藝復(fù)雜，而且會導(dǎo)致副反應(yīng)增多，選擇性下降；同時催化劑在過濾分離、再生過程中的損失也較大，貴金屬流失較嚴(yán)重，成本上處于劣勢。

另據(jù)文獻(xiàn)報道，如圖1所示，Pd/C催化苯甲酸加氫的主產(chǎn)物為環(huán)己基甲酸，副反應(yīng)主要為環(huán)己基甲醇以及環(huán)己基甲酸脫羧后產(chǎn)生的環(huán)己烷、一氧化碳等[8]，副產(chǎn)的一氧化碳是導(dǎo)致催化劑失活的重要原因：

根據(jù)現(xiàn)有方法中存在的問題，本研究以環(huán)己基甲酸為溶劑，以自制的碳纖維負(fù)載型鈀基（Pd/ACF）為催化劑、硅藻土負(fù)載的鎳錫銀金屬為助劑，考察了苯甲酸催化加氫合成環(huán)己基甲酸的工藝，以期實(shí)現(xiàn)了催化劑的連續(xù)使用和工業(yè)化生產(chǎn)，克服了“三廢”處理難等問題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Bruker 400兆核磁共振儀，6890氣相色譜儀，高壓氫化釜（1 L）。

苯甲酸，工業(yè)品；氫氣，自制；碳纖維負(fù)載型鈀基催化劑（A），自制；硅藻土負(fù)載的鎳錫銀金屬助劑（B），自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

加氫反應(yīng)在1 L的高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行，將一定比例的反應(yīng)物和催化劑（套用時適當(dāng)補(bǔ)充新鮮催化劑）加入到反應(yīng)釜中，封口后氫氣置換3次，開攪拌升溫，開氫氣閥加氫，當(dāng)釜內(nèi)不再吸氫時結(jié)束反應(yīng)，取出反應(yīng)液，過濾后減壓精餾得環(huán)己基甲酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.6%。

色譜條件：SE-54（30 m×0.25 mm×0.50μm）色譜柱。柱溫150℃（2min）→20℃/min→250℃（10 min）；汽化溫度250℃，檢測溫度250℃，柱前壓0.1 MPa，分流體積比20:1，進(jìn)樣量0.5μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑對反應(yīng)收率和純度的影響

苯甲酸氫化還原成環(huán)己甲酸（C7H12O2）時，對催化劑進(jìn)行了篩選。將300 g苯甲酸和300 g環(huán)己基甲酸混合后加入到1 L高壓反應(yīng)釜中，再加入催化劑，在其他條件不變的情況下進(jìn)行加氫，結(jié)果如表1。

表1 催化劑對反應(yīng)收率和純度的影響Tab 1 The effects of catalysts on the reaction yield and purity

表1表明，由苯甲酸催化氫化得到環(huán)己甲酸的反應(yīng)中，以自制催化劑A與自制助劑B的組合，反應(yīng)具有良好的轉(zhuǎn)化率和選擇性，有效的抑制了副反應(yīng)的生成。

2.2 溶劑對反應(yīng)收率和純度的影響

反應(yīng)溶劑對反應(yīng)結(jié)果有較大的影響。將300 g苯甲酸加入等量不同溶劑混合后加入到1 L反應(yīng)釜，加入自制組合型催化劑，在其他條件不變的情況下進(jìn)行加氫，結(jié)果如表2。

表2表明，由苯甲酸催化氫化得到環(huán)己甲酸的反應(yīng)中，選用二氧六環(huán)作溶劑時，反應(yīng)時間最快，但苯甲酸轉(zhuǎn)化率和環(huán)己甲酸選擇性都不理想；選用甲醇、乙醇、水作溶劑時，其轉(zhuǎn)化率都有所升高，但選擇性較差；而選用環(huán)己基甲酸為溶劑時，轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.9%，選擇性高達(dá)99.5%，且無需對溶劑進(jìn)行回收處理，因此選用環(huán)己基甲酸作為溶劑。

表2 溶劑對反應(yīng)收率和純度的影響Tab 2 The effects of solvent on the reaction yield and purity

2.3 溫度對反應(yīng)收率和純度的影響

改變反應(yīng)溫度，而其他條件不變的情況下進(jìn)行加氫（實(shí)驗(yàn)方法同2.1節(jié)），結(jié)果如表3。

表3 溫度對反應(yīng)收率和純度的影響Tab 3 The effectsof temperature on the reaction yield and purity

表3表明，隨著反應(yīng)溫度的提高，反應(yīng)的速度加快，當(dāng)溫度在80～160℃時，溫度的變化對反應(yīng)結(jié)果影響不大；但溫度高于160℃，苯甲酸轉(zhuǎn)化率和環(huán)己甲酸的選擇性都有所降低。原因是高溫下反應(yīng)會產(chǎn)生一部分副產(chǎn)物環(huán)己甲醇和CO，從而降低了催化劑的活性。溫度過低則反應(yīng)時間加長，從而影響了工業(yè)生產(chǎn)能力，因此反應(yīng)溫度選擇130～150℃為佳。

2.4 壓力對反應(yīng)收率和純度的影響

改變反應(yīng)壓力，而其他條件不變的情況下進(jìn)行加氫（實(shí)驗(yàn)方法同2.1節(jié)），結(jié)果如表4。

表4表明，隨著反應(yīng)壓力的提高，反應(yīng)的速度加快。當(dāng)反應(yīng)壓力小于2 MPa時，反應(yīng)時間過長，副反應(yīng)增加，選擇性差；當(dāng)壓力高于2.5 MPa時，反應(yīng)壓力對反應(yīng)結(jié)果影響不大。介于生產(chǎn)安全考慮，選擇2.5～3.5MPa的氫化壓力比較適宜。

2.5 催化劑套用對反應(yīng)收率和純度的影響

在上述優(yōu)化工藝條件下（苯甲酸300 g，環(huán)己甲酸300 g，反應(yīng)溫度140℃，系統(tǒng)壓力3 MPa，組合催化劑首釜20 g，從第2釜開始每釜補(bǔ)加1 g），連續(xù)反應(yīng)5批次，結(jié)果如表5。

表4 壓力對反應(yīng)收率和純度的影響Tab 4 The effect of presure on the reaction yield and purity

表5 催化劑套用對反應(yīng)收率和純度的影響Tab 5 The effect of recycles of the catalysts on the reaction yield and purity

表5表明，產(chǎn)品摩爾收率均在97%以上，純度都高于99.9%。表明選用新型組合催化劑催化加氫苯甲酸，可制備出高收率高純度的環(huán)己甲酸。

3 結(jié)論

通過對苯甲酸催化加氫合成環(huán)己甲酸的工藝研究，獲得了較佳的工藝條件，即以自制催化劑A與助劑B組成催化體系，以環(huán)己甲酸為溶劑，反應(yīng)溫度130～150℃，氫氣壓力2.5～3.5MPa。在此條件下，制備的環(huán)己基甲酸的純度高達(dá)99.8%以上，摩爾收率97%以上，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。該工藝具有操作簡單、安全性好、產(chǎn)品收率高、產(chǎn)能高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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