間苯二酚還原制備1,3-環己二酮的連續流技術開發

陳劍力，李子雯，錢 廣

（1.嘉興南湖學院；2.嘉興學院：浙江 嘉興 314001）

1,3-環己二酮，分子式為C6H8O2，是一種重要的化學中間體，被廣泛應用于合成藥物和農藥，如高血壓特效藥卡維地洛，止吐藥蒽丹西酮，除草劑硝草酮和磺草酮等，具有重要的研究意義和商業價值[1-3]。

1,3-環己二酮的合成路線主要有γ-乙酰丁酸酯縮合法和間苯二酚還原法2種。γ-乙酰丁酸酯縮合法以γ-酰基羧酸酯為原料，強堿為縮合劑，縮合成環生成1,3-環己二酮[4-6]；間苯二酚還原法是以間苯二酚為原料，用氫、甲酸鹽和異丙醇等氫供體，以貴金屬或Ni 為催化劑，將原料還原為1,3-環己二酮[7-9]。γ-乙酰丁酸酯縮合法中的γ-乙酰丁酸甲酯不易得到且反應條件苛刻，而間苯二酚還原法具有方法簡單，產物收率高、易分離和質量穩定等特點，是目前生產1,3-環己二酮的主流方法。

在間苯二酚還原法中，以氫氣為還原劑毫無疑問是最經濟環保的選擇，但氫氣易燃易爆的危險性限制了催化加氫在工業生產中的應用，常規使用的Pd和Ni催化劑也具備易燃的危險性。除此之外，釜式反應器中嚴重的返混會導致過度還原副產物的出現，從而使產物收率降低。

筆者以間苯二酚為原料，將催化劑填充于固定床內，通過將間歇生產轉化為連續生產，提高催化加氫還原的安全性和選擇性，以期開發工業應用新工藝。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

間苯二酚，工業級，質量分數99.5%；氫氣，工業級，質量分數≥99.9%；氫氧化鈉，工業級，質量分數≥99.5%。

氣相色譜，型號GC9720，色譜條件：FID檢測器，HP-5毛細管柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm）；程序升溫，起始溫度150 ℃，保持1 min，以5 ℃/min升溫至160 ℃，再以10 ℃/min 升溫至270 ℃，維持3 min；汽化室溫度280 ℃，檢測器溫度250 ℃；分流比30∶1，進樣量1 μL。

1.2 釜式反應器中氫化

稱取25 g間苯二酚與9 g氫氧化鈉在100 mL純凈水中混合，并將混合液、催化劑和磁力攪拌子加入到高壓釜內膽中。組裝好高壓釜，檢查設備氣密性，如設備氣密性良好，則依次用0.5 MPa氮氣和0.5 MPa 氫氣各置換3 次，換氣完畢保持釜內壓力為0。將高壓釜放置在平臺上，并設置好反應溫度80 ℃和攪拌速度為0，開啟設備，達到設定溫度并保持不變后，將2.0 MPa氫氣充入釜內并設置好攪拌速度800 r/min 后開始反應并計時。反應期間觀察內部壓力變化，適時補充氫氣。反應結束后，打開反應釜取樣后用鹽酸調至樣品pH＝2，并用色譜級乙腈稀釋后進樣檢測。

1.3 固定床反應器中氫化

首先，將催化劑填充進反應柱內，并將其裝入連續流系統內。然后，在設置好背壓閥壓力的情況下，將預先配置好的氫氧化鈉和間苯二酚水溶液（以100 mL 規模為例，分別稱取12.5 g 間苯二酚和4.5 g氫氧化鈉，在100 mL純凈水中混合溶解），通過柱塞計量泵以0.2 mL/min 流量輸送至反應體系內并打開球閥通入氫氣，氫氣和反應液在T型三通處混合后經過預熱段進入反應柱內進行反應。當連續流系統運行至穩態（根據流量不同設定為30～60 min）后，由反應體系的出口直接取樣后用鹽酸調至pH＝2，并用色譜級乙腈稀釋后進樣檢測。

2 結果與討論

2.1 釜式反應器中催化劑性能考察

在釜式反應器分別考察了雷尼鎳（Raney Ni）、5%（質量分數，下同）Pd/C、5% Ru/Al2O3和5%Ru/C的催化性能，結果見表1。

表1 釜式反應器中催化劑性能考察Tab 1 Investigation of catalyst performance in tank reactor

由表1 可知，5%Pd/C 展現出了最好的催化活性，在6 h內可實現間苯二酚的完全氫化，但由于副產物的產生導致1,3-環己二酮的選擇性只有98%。5% Ru/Al2O3和5% Ru/C 的催化活性稍差，其中Ru/C 比起Ru/Al2O3能以更高的選擇性得到1,3-環己二酮。Raney Ni的催化活性最差，即使在更多的催化劑用量下也只能在17 h 實現42%的轉化。綜上所述，可以發現Pd和Ru作為催化劑具備很好的催化性能，但是過度還原副產物降低了產物選擇性，因此，嘗試將其轉移至固定床內，通過連續流技術中的層流和停留時間控制的特點抑制連續副產物的產生。

2.2 固定床中催化劑性能考察

將上述釜式反應器中催化性能較好的5%Pd/C和5% Ru/Al2O3粉末填充進固定床內進一步考察，同時還對5% Pd/C 和5% Pd/Al2O3顆粒進行觀察，以考察在固定床內不同催化劑的催化性能，結果見表2。

表2 固定床中催化劑性能考察Tab 2 Investigation of catalyst performance in fixed bed

由表2可知，當5%Pd/C粉末催化劑從釜式反應器轉移至固定床內時，選擇性得到了很好的提升，在保證完全轉化的同時能以高于99.9%選擇性得到1,3-環己二酮。這表明連續流技術對連續副反應有著很好的抑制作用。而5%Ru/Al2O3粉末催化劑則只能實現1.43%的轉化，分析其原因為催化劑的堆密度不同造成填充量不同，5%Ru/Al2O3粉末催化劑填充量僅為5%Pd/C粉末催化劑的一半，粉末狀催化劑在固定床內填充的很緊實，隨著流體沖刷在氫化過程中會更加緊實導致內部阻力增加，從而使氫氣進入量減少。將Pd/C 由粉末狀換為顆粒狀，由于粒徑的顯著增加和比表面積的顯著減少，其催化性能有所減弱，但體系運轉穩定，在更低的壓力條件下也不會出現內部阻力增加而排斥氫氣進入的情況發生。5%Pd/Al2O3顆粒催化劑比5%Pd/C顆粒催化劑在催化活性上有所增強。

2.3 5%Pd/C粉末催化劑穩定性考察

5% Pd/C 粉末催化劑在固定床中的穩定性考察，結果見表3。

表3 5%Pd/C粉末催化劑穩定性考察Table 3 Investigation of the stability of 5%Pd/C powder catalyst

由表3可知，雖然5%Pd/C粉末催化劑在固定床內展現出很好的轉化率和選擇性，但是無法滿足長時間生產操作。催化劑穩定性考察運行時間到達3.5 h 時，催化體系呈現出完全失活的狀態。重復實驗選擇將取樣間隔時間縮小為1 h，在2 h時取樣樣品仍是完全失活的狀態。因為呈現出突然失活的情況，故排除催化劑中毒而逐漸失活，分析原因可能是由于固定床內部出現溝流。

2.4 5%Pd/C顆粒催化劑穩定性考察

5% Pd/C 顆粒催化劑在固定床中的穩定性考察，結果如圖1所示。

圖1 5%Pd/C顆粒催化劑穩定性考察Fig 1 Investigation of the stability of 5%Pd/C particle catalyst

由圖1 可知，在運行的前190 min 催化劑活性呈現減弱的趨勢，但是比起5%Pd/C粉末催化劑在運行過程中顯得更加穩定。造成這種現象的原因可能有幾點：顆粒狀在固定床內填充位置固定，在反應液沖刷下保持穩定；在該堿性高濃度反應液中，催化劑表面的部分活性位點容易中毒失活。

2.5 5%Pd/Al2O3顆粒催化劑穩定性考察

5%Pd/Al2O3顆粒催化劑在固定床中的穩定性考察，在連續氫化過程中，選擇在運行415 min和800 min 時改用水代替反應液清洗體系并停止氫氣通入，清洗時間為4 h，保持流量和溫度不變。清洗完畢后，分別在重新運行的58 min 和91 min 后取樣，即得到第1次和第2次水洗后的結果。運行時間為氫化反應運行的時間，水洗時間不計入。考察結果如圖2所示。

圖2 5%Pd/Al2O3顆粒催化劑穩定性考察Fig 2 Investigation of the stability of 5%Pd/Al2O3 particle catalyst

由圖2 可知，5%Pd/Al2O3顆粒催化劑比起5%Pd/C 顆粒催化劑具備更強的活性，但起始失活狀況與Pd/C 類似，且同樣當下降至轉化率45%時趨于穩定。考慮到反應液為堿性水溶液，因此在該催化體系中嘗試加入催化劑水洗再生操作，結果表明第1 次水洗后催化劑活性有了很大幅度回升，但后續失活趨勢仍與之前的相似，且在之后的第2次水洗時則效果不再顯著。收集運行415 min的反應液進行檢測，在415 min 的運行時間內可得到1,3-環己二酮的質量分數為63.2%的氣體，副產物含量可忽略不計。

3 結 論

研究各類金屬催化劑在固定床中催化加氫還原間苯二酚制備1,3-環己二酮的催化性能和穩定性，獲得了較優的連續加氫工藝，主要結論為：

1）對于該催化體系，Pd 和Ru 金屬催化劑均展現出了較好的催化性能；通過固定床和連續流技術，可以實現更安全的加氫操作，同時對間苯二酚加氫過程中可能出現的過度還原副產物醇有很好的抑制作用，在固定床內填充5%Pd/C粉末催化劑可得到＞99.9%的反應選擇性。

2）通過對不同載體以及不同性狀的Pd金屬催化劑的穩定性進行考察，發現Pd/C 粉末催化劑不適合在固定床內進行高濃度底物的轉化，顆粒催化劑展現出了更好的穩定性，5%Pd/Al2O3顆粒催化劑在415 min 的運行時間內可得到1,3-環己二酮的質量分數為63.2%的氣體，且通過水洗可實現催化劑的再生。

該連續加氫工藝具有操作簡單、安全、高效等特點，為固定床內實現高濃度催化加氫的催化劑選擇提供參考。