CN101284230A - 一种多相不对称氢化的催化剂、制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于α－酮酸酯的不对称催化氢化反应的多相催化剂、制备及应用，属于化学催化剂及合成技术领域。催化剂的表示式为Pt/FDU－14，制备时以氯铂酸或二氯四氨合铂为活性组分前体，FDU－14为载体，经浸渍和干燥后，一部分催化剂前体在马弗炉中真空焙烧，最后催化剂前体在甲酸钠的水溶液中还原制得。其中活性组分铂在FDU－14表面的分散度为0.14～0.35，金属铂的担载量为5.0％，铂粒子的平均粒子大小为3.2～8.0nm。本发明提供的催化剂在室温、中等氢压力下用于丙酮酸乙酯的不对称催化氢化反应时在乙酸溶剂中可得到高活性和超过70％的光学选择性，且可以重复使用15次以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于α-酮酸酯的不对称催化氢化反应的多相催化剂，以及上述多相催化剂的制备方法及其应用，属于化学催化剂及合成技术领域。
背景技术
近十年来，人们对单一对映体手性化合物的需求巨大且呈逐年递增的趋势，这种需求主要体现在医药、农药和精细化学品等领域。以医药市场为例，2002年全球范围内的单一对映体的药物销售量已超过1,590亿美元(较2001年增加8％)。在所有获得单一对映体化合物的方法中不对称催化占据了重要的地位，该方法已经广泛地应用于许多类型的不对称合成反应中。多相不对称催化除了具备容易分离、催化剂容易再利用且产物容易纯化等优点之外，还有可能利用固体表面的不对称性和纳米孔中的立体选择性来提高光学选择性，因此近年来逐渐引起各国科学家的重视；此外，多相不对称催化与匀相不对称催化的交叉可能在有些体系中获得创新性结果。
Studer等人在中Adv.Synth.Catal.345(2003)45综述了用于α-酮酸酯多相不对称催化氢化反应的各种催化剂。用Engelhard公司生产的4759号催化剂和Johnson Matthey公司生产的5R 94催化剂(活性组分均为Pt/Al2O3)催化这一类型底物不对称催化氢化反应时得到了较好的活性和光学选择性。Wells等人在Appl.Catal.A 191(2000)193报道了商品化的Pt/SiO2催化剂上这一类型底物的不对称催化氢化反应，然而只得到了中等的催化活性和光学选择性。更为重要的是上述催化剂都是在有机溶剂如乙酸或甲苯溶剂中表现出较高的催化活性和光学选择性，而在环境友好的水溶剂中活性和光学选择性都很低。我国在利用多相不对称催化技术直接合成手性药物领域的研究工作才刚刚起步。中国科学院大连化物所李灿院士的研究小组在这方面进行了大量的基础研究工作，但主要集中在研究Pt/Al2O3催化剂的制备及表征上，他们所制备的Pt/Al2O3催化剂尽管在活性和光学选择性方面可以和商品化的Pt/Al2O3催化剂相媲美，然而其重复使用性能却并不尽如人意(见文献Top.Catal.25(2003)63和李晓红博士论文，中国科学院大连化学物理研究所，2004年)。
赵东元等人在J.Am.Chem.Soc.127(2005)13508和Angew.Chem.Int.Ed.44(2005)7053等文献中报道了苯酚和甲醛在两亲性表面活性剂存在时通过自组装合成酚醛树脂有序介孔材料(如FDU-14)。FDU-14是一类新型的有序介孔材料。和一般的无机介孔材料不同，FDU-14这一类有序介孔有机聚合物表面含有丰富的有机基团(如羟基和苯环等)，因而对有机反应物分子、溶剂分子等表现出不同于无机介孔材料的亲、疏水性质。另外，也可以通过其表面的有机基团，通过物理的或化学的手段再引入一些新的活性中心(如金属中心或其它具有催化性能的官能团)，因此这类材料在催化领域具有潜在的应用价值。吴鹏等人在Adv.Funct.Mater.17(2007)2455中报道了FDU-14表面引入磺酸基团后制备出的一种新型的固体酸催化剂，在环己酮肟的贝克曼重排反应和乙二醇与醛的缩合反应中表现出很高的催化活性。而FDU-14作为载体负载贵金属催化剂并用于多相不对称催化反应合成手性药物或手性药物前体的研究还未见相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于α-酮酸酯的不对称催化氢化的催化剂。
本发明的目的还在于提供上述催化剂的制备方法。
本发明的又一目的在于提供多相不对称氢化的催化剂的应用。
本发明提供的催化剂，其表示式为Pt/FDU-14，其中铂为活性组分(活性组分前体是氯铂酸或二氯四氨合铂)，有序介孔有机聚合物材料FDU-14为载体，该催化剂的活性组分铂在FDU-14表面的分散度为0.14～0.35，金属铂的担载量为5.0％(重量百分比)，铂粒子的平均粒子大小为3.2～8.0nm。
本发明的催化剂制备方法以氯铂酸或二氯四氨合铂为活性组分前体，FDU-14为载体，经浸渍和干燥后，一部分催化剂前体在马弗炉中真空焙烧，最后催化剂前体在甲酸钠的水溶液中还原制得。其主要步骤如下：
(1)往FDU-14中滴加一定浓度和一定体积的氯铂酸或二氯四氨合铂的水溶液，在电磁搅拌下浸渍4～6小时后在水浴中将多余的水份蒸干；
(2)将上述步骤1制得的催化剂前体在烘箱中80～120℃干燥约8～20小时；
(3)将上述步骤2得到的一部分铂催化剂前体在马弗炉中于200～400℃真空焙烧0.5～2小时，另一部分催化剂前体直接进行步骤(4)；
(4)将经过上述步骤(3)焙烧后的催化剂前体在甲酸钠的水溶液中还原后得到FDU-14负载的金属铂催化剂。
在上述制备方法中，其特征在于步骤(1)所用载体为FDU-14，金属铂的担载量为5.0％(重量百分比)。步骤(1)得到的催化剂前体要在烘箱中于80℃烘干约16小时。步骤(2)得到的一部分催化剂前体在马弗炉中200～400℃真空状态下焙烧，时间为0.5～4小时。步骤(2)或(3)得到的催化剂前体要在甲酸钠的水溶液中还原，其中甲酸钠的用量通常为所含铂的摩尔量的10倍，要求甲酸钠水溶液的温度保持在80～100℃左右，催化剂还原体系回流时间为0.5～2小时，还原后将催化剂过滤，用蒸馏水洗涤，最后在烘箱中于80～120℃烘干约15～30小时。
本发明提供的催化剂在室温、中等氢压力下用于丙酮酸乙酯(一种α-酮酸酯)的不对称催化氢化反应时在乙酸溶剂中可得到高活性和超过70％的光学选择性，且可以重复使用15次以上。更为重要的是本发明提供的催化剂在室温、中等氢压力下在环境友好的水溶剂中同样可以达到较高的活性和光学选择性。
附图说明
图1为不同催化剂的XRD谱图
图2为不同催化剂的TEM照片
图3为催化剂Cat-H2PtCl6在乙酸溶剂中的重复使用实验结果；丙酮酸乙酯转化率随催化剂Cat-H2PtCl6反应次数的变化曲线(Conversions against number ofruns in the asymmetric hydrogenation of ethyl pyruvate)
具体实施方式
为了进一步说明本发明，列举以下实施例，但它并不限制各附加权利要求所定义的发明范围。
实施例1：
以氯铂酸为例，说明Pt/FDU-14催化剂的制备方法。具体步骤如下：
(1)往1.406g FDU-14中先加入约20ml蒸馏水，然后在电磁搅拌下滴加5ml氯铂酸水溶液(浓度为14.8mg Pt/ml)，金属铂的担载量为5.0％(重量百分比)，继续搅拌下浸渍4-6h后，在水浴中将多余的水份蒸干，然后催化剂前体在烘箱中80℃烘干过夜(约16h)。
(2)将步骤1得到的催化剂前体在马弗炉中于350℃真空焙烧2小时。
(3)将步骤2得到的催化剂前体在甲酸钠溶液中(甲酸钠的用量约为催化剂所含铂的摩尔量的10倍，温度为90℃，回流1h后，将催化剂过滤，用大量的蒸馏水洗涤，于80℃烘干24h)还原得到催化剂。制得的催化剂编号为Cat-H2PtCl6-350。用CO化学吸附测得的金属铂在FDU-14表面的分散度和铂粒子的平均大小见表1。CO化学吸附测得的金属铂粒子大小及其分散度与XRD衍射及TEM表征结果一致。
实施例2
同实施例1，只是步骤(2)中所用温度为200℃，时间为0.5小时。制得的催化剂编号为Cat-H2PtCl6-200。用CO化学吸附测得的金属铂在FDU-14表面的分散度和铂粒子的平均大小见表1。
实施例3
同实施例1，只是步骤(2)中所用温度为400℃，时间为4小时。制得的催化剂编号为Cat-H2PtCl6-400。用CO化学吸附测得的金属铂在FDU-14表面的分散度和铂粒子的平均大小见表1。
实施例4
同实施例1，只是没有经过步骤2，即催化剂前体在浸渍、干燥和烘干后没有经过高温真空焙烧，直接将催化剂前体进行还原。制得的催化剂编号为Cat-H2PtCl6。用XRD和TEM估算的金属铂在FDU-14表面的分散度和铂粒子的平均大小见表1。
实施例5
同实施例1，只是步骤1中所用的催化剂前体为二氯四氨合铂的水溶液。制得的催化剂编号为Cat-Pt(NH3)4Cl2-350。用XRD和TEM估算的金属铂在FDU-14表面的分散度和铂粒子的平均大小见表1。
实施例6
同实施例4，只是步骤1中所用的催化剂前体为二氯四氨合铂的水溶液。制得的催化剂编号为Cat-Pt(NH3)4Cl2。用XRD和TEM估算的金属铂在FDU-14表面的分散度和铂粒子的平均大小见表1。
实施例7
以催化剂Cat-H2PtCl6-350、Cat-H2PtCl6、Cat-Pt(NH3)4Cl2-350和Cat-Pt(NH3)4Cl2为例说明Pt/FDU-14催化剂在乙酸溶剂中催化丙酮酸乙酯的不对称催化氢化反应的应用。
催化剂Cat-H2PtCl6-350、Cat-H2PtCl6、Cat-Pt(NH3)4Cl2-350和Cat-Pt(NH3)4Cl2用于丙酮酸乙酯的不对称催化氢化反应时各反应条件完全相同。
称取0.100克催化剂，在氢气中300℃预处理2小时后，迅速转移到含有10毫克手性分子辛可尼定的20毫升乙酸溶剂中，然后再将此混合物转移到100毫升的高压釜中，加入2毫升丙酮酸乙酯后将高压反应釜密封，通入约4.0兆帕高纯氢气，电磁搅拌下进行不对称催化氢化反应。室温下反应60分钟后停止，将催化剂和产物离心分离后用气相色谱对产物进行分析。结果见表2。
实施例8
以催化剂Cat-H2PtCl6-350、Cat-H2PtCl6、Cat-Pt(NH3)4Cl2-350和Cat-Pt(NH3)4Cl2为例说明Pt/FDU-14催化剂在乙醇溶剂中催化丙酮酸乙酯的不对称催化氢化反应的应用。
催化剂Cat-H2PtCl6-350、Cat-H2PtCl6、Cat-Pt(NH3)4Cl2-350和Cat-Pt(NH3)4Cl2用于丙酮酸乙酯的不对称催化氢化反应时各反应条件完全相同。
称取0.100克催化剂，在氢气中300℃预处理2小时后，迅速转移到含有10毫克手性分子辛可尼定的20毫升乙醇溶剂中，然后再将此混合物转移到100毫升的高压釜中，加入2毫升丙酮酸乙酯后将高压反应釜密封，通入约4.0兆帕高纯氢气，电磁搅拌下进行不对称催化氢化反应。室温下反应60分钟后停止，将催化剂和产物离心分离后用气相色谱对产物进行分析。结果见表2。
实施例9
以催化剂Cat-H2PtCl6-350、Cat-H2PtCl6、Cat-Pt(NH3)4Cl2-350和Cat-Pt(NH3)4Cl2为例说明Pt/FDU-14催化剂在环境友好的水溶剂中催化丙酮酸乙酯的不对称催化氢化反应中的应用。
催化剂Cat-H2PtCl6-350、Cat-H2PtCl6、Cat-Pt(NH3)4Cl2-350和Cat-Pt(NH3)4Cl2用于丙酮酸乙酯的不对称催化氢化反应时各反应条件完全相同。
称取0.100克催化剂，在氢气中300℃预处理2小时后，迅速转移到含有10毫克手性分子辛可尼定的20毫升水溶剂中，然后再将此混合物转移到100毫升的高压釜中，加入2毫升丙酮酸乙酯后将高压反应釜密封，通入约4.0兆帕高纯氢气，电磁搅拌下进行不对称催化氢化反应。室温下反应60分钟后停止，将催化剂和产物离心分离后用气相色谱对产物进行分析。结果见表2。
实施例10
以催化剂Cat-H2PtCl6为例说明Pt/FDU-14催化剂的重复使用情况。
实施例7中Cat-H2PtCl6催化剂催化的丙酮酸乙酯不对称氢化反应结束后，离心使催化剂从反应体系中分离出来后，用乙酸溶剂洗涤催化剂5次，将催化剂再次用于丙酮酸乙酯的不对称催化氢化反应。其它反应条件与实施例7一致。
表1.金属铂在FDU-14表面的分散度和铂粒子的平均大小
表2.不同催化剂在丙酮酸乙酯不对称氢化反应中的性能
Claims (4)
1.一种多相不对称氢化的催化剂，其特征在于表示式为Pt/FDU-14，其中铂为活性组分，有序介孔有机聚合物材料FDU-14为载体，活性组分铂在FDU-14表面的分散度为0.14～0.35，金属铂的担载量为5.0％(重量百分比)，铂粒子的平均粒子大小为3.2～8.0nm。
2.如权利要求1所述的多相不对称氢化的催化剂，其特征在于活性组分的前体是氯铂酸或二氯四氨合铂。
3.一种制备如权利要求1所述的多相不对称氢化的催化剂的制备方法，其特征在于步骤如下：往FDU-14中滴加氯铂酸或二氯四氨合铂水溶液，搅拌下浸渍4～6小时，蒸干水份，在烘箱中80℃～120℃干燥8～20小时；然后将催化剂前体于200℃～400℃下真空焙烧0.5～4小时；接着在甲酸钠的水溶液中还原，过滤、洗涤、烘干得到催化剂；其中，甲酸钠水溶液中的甲酸钠用量等于所含铂的摩尔量的10倍，甲酸钠水溶液的温度为80℃～100℃。
4.多相不对称氢化的催化剂Pt/FDU-14在α-酮酸酯的不对称催化氢化反应中的应用。
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