CN103894190B

CN103894190B - 一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法

Info

Publication number: CN103894190B
Application number: CN201410178163.9A
Authority: CN
Inventors: 李岳锋; 曾永康; 曾利辉; 田勤奋
Original assignee: Kaili Catalyst New Materials Co Ltd
Current assignee: Kaili Catalyst New Materials Co Ltd
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: CN103894190A

Abstract

本发明公开了一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，该方法为：一、将木质炭置于沸腾的碱性化合物水溶液中回流处理，纯水洗涤，烘干，得到活性炭载体；二、制备活性组分溶液，调节pH值；三、将活性炭载体打浆，在搅拌条件下稳定，得到活性炭浆液；四、将调节pH值后的活性组分溶液加入活性炭浆液中，搅拌，得到催化剂前体；五、将催化剂前体陈化后用还原剂还原，得到成品催化剂。本发明采用低含量的碱性化合物处理载体，得到表面化学结构合理的适当载体，减少了试剂消耗；同时通过调节活性组分溶液的pH值，制备出一定大小的螯合钯离子，从而达到控制催化剂活性和选择性的目的，该方法无特殊控制点，工艺简单，利于工业放大生产。

Description

一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法。

背景技术

碳青霉烯类抗生素主要包括美罗培南，亚胺培南，帕尼培南，比阿培南，厄他培南，法罗培南，多尼培南等，其中美罗培南市场需求最大，应用也最为广泛。在其化学合成中的最后一步，需要用到钯炭催化剂进行氢解反应，如以下反应式所示，同时脱去保护基团PNB(对硝基苄基)和PNZ(对硝基苄氧羰基)，市场上生产该产品用到的钯炭规格一般是5％～7％钯炭，催化剂投料量一般为底物质量的20％左右，产品收率在48％左右。该产品所使用的钯炭催化剂投料量该产品催化氢解步骤涉及多种潜在的副反应，其中有双键加氢，羰基加氢，侧链硫键的氢解，PNB及PNZ基团的选择性脱除。

目前，有关美罗培南的专利文献(如CN102153554A、CN102702203A、CN102731504A、CN102372715A、CN101348486等)的报道大部分涉及其合成工艺和美罗培南三水化合物的精制工艺，关系到贵金属钯炭催化剂的制备方法较少。

专利CN102133527A提到了一种用于美罗培南合成的钯锡炭催化剂及其制备方法。该催化剂为以粉状活性炭为载体，负载活性组分金属钯和活性组分锡。制备过程经活性炭酸处理、钯和锡化合物负载得催化剂前体，催化剂前体经陈化后还原得催化剂产品。该催化剂制备工艺的特点是利用亚锡的弱还原性制备一定粒径范围的金属钯胶体，然后负载于活性炭上，但是该工艺对操作的环境温度要求苛刻，限制在0℃～5℃，给工业化生产造成了一定的不便。

专利CN103041805A涉及到一种培南类抗生素合成用的高活性钯炭催化剂的制备方法。该催化剂以氯亚钯酸及其盐为活性组分钯的前驱化合物，以粉状活性炭为载体，钯浸渍液中添加柠檬酸钠等添加剂，然后将钯浸渍液分段吸附于活性炭上，经湿化学还原而得到的钯炭催化剂。该催化剂贵金属钯含量较高增加了催化剂的使用成本。

目前现有的体系收率一般在49％左右，因为钯炭本身的吸附效应，选择性，及混合溶剂的溶解等原因，目标产品收率的提高非常困难；同时该产品附加值较高，粗品价格为2万/Kg，每提高1个百分点，可增加纯利润200元，催化剂性能的高低，直接关系到产品的生产成本及竞争力。因此，筛选性能优良的催化剂一直是催化剂厂家及使用客户追求共同目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法。该方法采用低含量的碱性化合物处理载体，得到表面化学结构合理的适当载体，减少了试剂消耗；同时通过调节活性组分溶液的pH值，制备出一定大小的螯合钯离子，从而达到控制催化剂活性和选择性的目的；该方法无特殊控制点，工艺简单，对操作环境的要求较低，利于工业放大生产。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述钯炭催化剂包括活性炭载体，和以非晶态的纳米颗粒分散在活性炭载体上的钯，所述钯的负载量为钯炭催化剂质量的3.5％～4.5％；

所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为800m²/g～1700m²/g的木质炭置于沸腾的质量浓度为1％～10％的碱性化合物水溶液中回流处理1h～3h，然后用纯水洗涤回流处理后的木质炭至洗涤液的pH值为7～8，烘干，得到活性炭载体；

步骤二、将氯化钯用质量浓度为5％～10％的稀盐酸溶解，然后加水稀释，得到活性组分溶液，调节活性组分溶液的pH值为1.0～6.0；所述活性组分溶液中钯的质量浓度为1％～3％；

步骤三、将步骤一中所述活性炭载体用碱性化合物水溶液打浆，在搅拌条件下稳定1h～3h，得到活性炭浆液；所述碱性化合物水溶液的用量为：每克活性炭载体用5mL～10mL碱性化合物水溶液；

步骤四、将步骤二中调节pH值后的活性组分溶液加入步骤三中所述活性炭浆液中，搅拌3h～6h，得到催化剂前体；

步骤五、将步骤四中所述催化剂前体陈化6h～12h后用还原剂还原，得到成品催化剂。

上述的一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，步骤一中所述碱性化合物水溶液中碱性化合物的质量浓度为1％～5％，碱性化合物为KOH、NaOH、KHCO₃、NaHCO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃中的一种或几种。

上述的一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，步骤二中所述pH值为2.0～6.0。

上述的一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，步骤三中所述碱性化合物水溶液中碱性化合物的质量浓度为5％～15％，碱性化合物为KOH、NaOH、KHCO₃、NaHCO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃中的一种或几种。

上述的一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，步骤五中所述还原剂为氢气、甲醛、甲酸或甲酸钠。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明钯炭催化剂载体处理选用低含量的碱性化合物得到表面化学结构合理的适当载体，减少了试剂消耗；同时通过调节活性组分溶液的pH值，制备出一定大小的螯合钯离子，从而达到控制催化剂活性和选择性的目的；该方法无特殊控制点，工艺简单，对操作环境的要求较低，利于工业放大生产。

2、本发明通过调节活性组分溶液的pH值，控制活性组分钯在活性炭载体上的垂直分布，尤其适用于美罗培南合成中要求催化剂活性适中的特点，具有催化剂钯含量小，选择性高的优点。

3、本发明采用比表面积为800m²/g～1700m²/g，粒度为200～300目的木质炭作为载体，不仅保证了催化剂的活性和选择性，同时能够保证固液分离的速度，保证产品的收率。

4、载体的预处理不仅可以减少活性炭中的灰分，而且对活性炭的比表面积、孔结构、表面基团都将产生一定的影响，尤其是表面活性基团决定着活性组分在载体表面的分散。目前对活性炭载体的处理主要以硝酸为主，因为硝酸处理能够大幅度改变载体表面的化学结构，生成大量的羧基(-COOH)。羧基有助于金属Pd在活性炭表面的分散，但过量的羧基对金属Pd的锚定作用过强，使Pd金属微粒聚集，不利于金属钯的分散。另外硝酸的强氧化性容易破坏活性炭载体的微观结构，造成孔径坍塌。本发明采用碱性化合物水溶液对活性炭载体进行处理，一方面能够除去活性炭生产过程中未炭化的部分有机物，达到洁净载体的目的，另外能够在载体表面生成适量的羧基，非常有利于低含量钯活性组分在载体表面的分散。

5、活性组分的pH影响Pd²⁺与OH^-和Cl^-螯合离子结构的大小，pH较低时，Pd²⁺主要以螯合体积较小的[PdCl₄]^2-存在，较小的体积容易扩散进入载体的内表面，随着pH的升高，Pd²⁺逐渐以[Pd₂OH₂Cl₄]^2-，[Pd₂OH₂Cl₄]^2-等螯合离子存在，钯以螯合离子存在的形式随着pH的升高而变大，大体积的离子更容易负载在载体的外表面，钯含量过低时为了提高活性组分在反应中的利用率，更希望其负载在载体的外表面。本发明利用活性组分的pH来控制钯螯合离子的大小，从而达到控制钯在载体上的负载方式，制备出适合美罗培南氢解反应的高选择性负载钯催化剂。

下面通过实施例，对本发明技术方案做进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例的用于美罗培南合成的钯炭催化剂，包括活性炭载体，和以非晶态的纳米颗粒分散在活性炭载体上的钯，所述钯的负载量为钯炭催化剂质量的4％；

本实施例的钯炭催化剂的制备方法如下：

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为800m²/g～1000m²/g的木质炭置于沸腾的质量浓度为2％的Na₂CO₃水溶液中回流处理3h，然后用纯水洗涤回流处理后的木质炭至洗涤液的pH值为7，烘干，得到活性炭载体；

步骤二、将含钯0.8g的氯化钯用质量浓度为10％的稀盐酸溶解，然后加水稀释，得到活性组分溶液，调节活性组分溶液的pH值为1.0；所述活性组分溶液中钯的质量浓度为1％；

步骤三、将19.2g步骤一中所述活性炭载体用100mL质量浓度为5％的Na₂CO₃水溶液打浆，在搅拌条件下稳定1h，得到活性炭浆液；

步骤四、将步骤二中调节pH值后的活性组分溶液加入步骤三中所述活性炭浆液中，搅拌3h，得到催化剂前体；

步骤五、将步骤四中所述催化剂前体在常温下陈化12h，然后在搅拌条件下向陈化后的催化剂前体中通入0.02mL/min的氢气30min进行还原，再将还原后的催化剂前体过滤后用纯水洗涤至无氯离子(酸性硝酸银溶液检验)，得到成品催化剂。

对比例

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为800m²/g～1000m²/g的木质炭置于沸腾的纯水中回流处理3h，过滤后烘干，得到活性炭载体；

实施例2

本实施例的用于美罗培南合成的钯炭催化剂，包括活性炭载体，和以非晶态的纳米颗粒分散在活性炭载体上的钯，所述钯的负载量为钯炭催化剂质量的3.5％；

本实施例的钯炭催化剂的制备方法如下：

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为1000m²/g～1200m²/g的木质炭置于沸腾的质量浓度为5％的KHCO₃水溶液中回流处理1h，然后用纯水洗涤回流处理后的木质炭至洗涤液的pH值为8，烘干，得到活性炭载体；

步骤二、将含钯0.7g的氯化钯用质量浓度为5％的稀盐酸溶解，然后加水稀释，得到活性组分溶液，调节活性组分溶液的pH值为6.0；所述活性组分溶液中钯的质量浓度为3％；

步骤三、将19.3g步骤一中所述活性炭载体用193mL质量浓度为15％的K₂CO₃水溶液打浆，在搅拌条件下稳定3h，得到活性炭浆液；

步骤四、将步骤二中调节pH值后的活性组分溶液加入步骤三中所述活性炭浆液中，搅拌6h，得到催化剂前体；

步骤五、将步骤四中所述催化剂前体在常温下陈化6h，然后在温度为55℃～60℃的搅拌条件下向陈化后的催化剂前体中加入5mL甲醛，还原处理30min，冷却至常温后将还原后的催化剂前体过滤，用纯水洗涤至无氯离子(酸性硝酸银溶液检验)，得到成品催化剂。

实施例3

本实施例的用于美罗培南合成的钯炭催化剂，包括活性炭载体，和以非晶态的纳米颗粒分散在活性炭载体上的钯，所述钯的负载量为钯炭催化剂质量的4.5％；

本实施例的钯炭催化剂的制备方法如下：

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为1500m²/g～1700m²/g的木质炭置于沸腾的溶质质量浓度为10％的Na₂CO₃和K₂CO₃的混合水溶液中回流处理2h，混合水溶液中Na₂CO₃和K₂CO₃的质量比为1:3，然后用纯水洗涤回流处理后的木质炭至洗涤液的pH值为7.5，烘干，得到活性炭载体；

步骤二、将含钯0.9g的氯化钯用质量浓度为8％的稀盐酸溶解，然后加水稀释，得到活性组分溶液，调节活性组分溶液的pH值为2.0；所述活性组分溶液中钯的质量浓度为2％；

步骤三、将19.1g步骤一中所述活性炭载体用95.5mL质量浓度为10％的NaOH水溶液打浆，在搅拌条件下稳定2h，得到活性炭浆液；

步骤四、将步骤二中调节pH值后的活性组分溶液加入步骤三中所述活性炭浆液中，搅拌5h，得到催化剂前体；

步骤五、将步骤四中所述催化剂前体在常温下陈化10h，然后在温度为55℃～60℃的搅拌条件下向陈化后的催化剂前体中加入60mL质量浓度为5％的甲酸钠溶液，还原处理30min，冷却至常温后将还原后的催化剂前体过滤，用纯水洗涤至无氯离子(酸性硝酸银溶液检验)，得到成品催化剂。

实施例4

本实施例的用于美罗培南合成的钯炭催化剂，包括活性炭载体，和以非晶态的纳米颗粒分散在活性炭载体上的钯，所述钯的负载量为钯炭催化剂质量的3.8％；

本实施例的钯炭催化剂的制备方法如下：

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为1200m²/g～1500m²/g的木质炭置于沸腾的溶质质量浓度为1％的KOH和NaHCO₃的混合水溶液中回流处理1.5h，混合水溶液中KOH和NaHCO₃的质量比为2:1，然后用纯水洗涤回流处理后的木质炭至洗涤液的pH值为7，烘干，得到活性炭载体；

步骤二、将含钯0.76g的氯化钯用质量浓度为7％的稀盐酸溶解，然后加水稀释，得到活性组分溶液，调节活性组分溶液的pH值为3.0；所述活性组分溶液中钯的质量浓度为2.5％；

步骤三、将19.24g步骤一中所述活性炭载体用150mL溶质质量浓度为12％的KHCO₃、NaHCO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃的混合水溶液打浆，混合水溶液中KHCO₃、NaHCO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃的质量比为1:2:2:3，在搅拌条件下稳定1.5h，得到活性炭浆液；

步骤四、将步骤二中调节pH值后的活性组分溶液加入步骤三中所述活性炭浆液中，搅拌4h，得到催化剂前体；

步骤五、将步骤四中所述催化剂前体在常温下陈化8h，然后在温度为5℃～10℃的搅拌条件下向陈化后的催化剂前体中加入5mL甲酸，静置60min还原，分层后过滤，用纯水洗涤至无氯离子(酸性硝酸银溶液检验)，得到成品催化剂。

实施例5

本实施例的用于美罗培南合成的钯炭催化剂，包括活性炭载体，和以非晶态的纳米颗粒分散在活性炭载体上的钯，所述钯的负载量为钯炭催化剂质量的4.2％；

本实施例的钯炭催化剂的制备方法如下：

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为1000m²/g～1500m²/g的木质炭置于沸腾的质量浓度为3％的KOH、NaOH、KHCO₃、NaHCO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃的混合水溶液中回流处理2.5h，混合水溶液中KOH、NaOH、KHCO₃、NaHCO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃的质量比为1:1:1:2:1:2，然后用纯水洗涤回流处理后的木质炭至洗涤液的pH值为8，烘干，得到活性炭载体；

步骤二、将含钯0.84g的氯化钯用质量浓度为6％的稀盐酸溶解，然后加水稀释，得到活性组分溶液，调节活性组分溶液的pH值为5.0；所述活性组分溶液中钯的质量浓度为1.5％；

步骤三、将19.16g步骤一中所述活性炭载体用150mL溶质质量浓度为10％的NaOH、KHCO₃和Na₂CO₃的混合水溶液打浆，混合水溶液中NaOH、KHCO₃和Na₂CO₃的质量比为1:1:1，在搅拌条件下稳定2h，得到活性炭浆液；

步骤五、将步骤四中所述催化剂前体在常温下陈化10h，然后在搅拌条件下向陈化后的催化剂前体中通入0.02mL/min的氢气30min进行还原，再将还原后的催化剂前体过滤后用纯水洗涤至无氯离子(酸性硝酸银溶液检验)，得到成品催化剂。

实施例6

本实施例的钯炭催化剂的制备方法如下：

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为1000m²/g～1500m²/g的木质炭置于沸腾的质量浓度为2％的Na₂CO₃水溶液中回流处理2.5h，然后用纯水洗涤回流处理后的木质炭至洗涤液的pH值为7，烘干，得到活性炭载体；

步骤二、将含钯0.8g的氯化钯用质量浓度为6％的稀盐酸溶解，然后加水稀释，得到活性组分溶液，调节活性组分溶液的pH值为3.0；所述活性组分溶液中钯的质量浓度为2％；

步骤三、将19.2g步骤一中所述活性炭载体用150mL溶质质量浓度为10％的KHCO₃的混合水溶液打浆，在搅拌条件下稳定2h，得到活性炭浆液；

对本发明实施例1至6和对比例制备的催化剂的性能进行评价：

评价体系：300mL的不锈钢高压反应釜中，依次加入保护美罗培南5g；四氢呋喃：174mL；纯水250g；2，6-二甲基吡啶：7.4g；催化剂0.5g；依次用氮气和氢气冲洗釜三次，保持氢气压力为1.8MPa恒压不变，温度控制在38℃，反应时间为1.5h；反应结束后，滤除催化剂，滤液在冰浴中用丙酮结晶，过滤出晶体，在真空干燥箱中40℃至恒重，计算产品质量收率，粗品应用外标法以色谱峰面积计算产品的摩尔收率，结果见下表。

表1本发明催化剂与对比例催化剂的催化性能

从表1中可以看出，载体经过一定浓度的碱性化合物水溶液处理后，能够提高该类催化剂的选择性；另外活性组分溶液的pH对催化剂的选择性也有一定影响，当选择合适的活性组分溶液pH时，催化剂的选择性也会有所提高；在催化剂的制备过程中，上述两种方式的结合，能够有效提高该催化剂的选择性，提高目标产物的收率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述钯炭催化剂包括活性炭载体，和以非晶态的纳米颗粒分散在活性炭载体上的钯，所述钯的负载量为钯炭催化剂质量的3.5％～4.5％；

所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、将粒度为200～300目，比表面积为800m²/g～1700m²/g的木质炭置于沸腾的质量浓度为1％～5％的碱性化合物水溶液中回流处理1h～3h，然后用纯水洗涤回流处理后的木质炭至洗涤液的pH值为7～8，烘干，得到活性炭载体；所述碱性化合物为KOH、NaOH、KHCO₃、NaHCO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃中的一种或几种；

2.根据权利要求1所述的一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，其特征在于，步骤二中所述pH值为2.0～6.0。

3.根据权利要求1所述的一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，其特征在于，步骤三中所述碱性化合物水溶液中碱性化合物的质量浓度为5％～15％，碱性化合物为KOH、NaOH、KHCO₃、NaHCO₃、K₂CO₃和Na₂CO₃中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种用于美罗培南合成的钯炭催化剂的制备方法，其特征在于，步骤五中所述还原剂为氢气、甲醛、甲酸或甲酸钠。