CN111036306B - 一种钴-膦催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种钴-膦催化剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钴‑膦催化剂及其制备方法与应用。所述钴‑膦催化剂的制备方法包括：在还原性气氛中，使包含有钴源、膦配体和溶剂的第一均匀混合反应体系于70～140℃反应1～6h，再经后处理制得钴‑膦催化剂。本发明还提供了一种合成β‑羟基羧酸酯的方法，其包括：在CO气氛中，使包含有环氧化合物、甲醇、钴‑膦催化剂的第二均匀混合反应体系于压力为2～8MPa、温度为30～110℃的条件下反应5～60h，制得β‑羟基羧酸酯。本发明的钴‑膦催化剂的制备方法简单，成本低，收率高，同时所获催化剂可将环氧化合物高效转化为β‑羟基羧酸酯，且催化剂稳定性好，便于保存、运输、使用和回收再利用。

Description

一种钴-膦催化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种钴-膦催化剂及其制备方法，以及该催化剂在以环氧化合物为原料合成β-羟基羧酸酯的方法中的应用。
背景技术
具有双官能团的β-羟基羧酸酯类化合物在有机化学和聚合物化学领域有着广泛的用途。例如：具有光学活性的β-羟基羧酸酯用于合成许多医药、农用化学品、和天然产物等；还可以作为高分子聚β-羟基羧酸酯的单体，该塑料具有良好生物兼容性、可降解、无刺激和无免疫原性，在医用材料、包装材料、生物降解薄膜、药物缓释控释材料、骨科及医用手术缝合线等领域有广泛的应用。目前，β-羟基羧酸酯可通过羰基化法、adol反应、瑞氏(reformatsky)反应及生物法等路线合成，其中通过环氧化合物经催化开环的羰基化法(氢酯基化法)因简便、高效且成本较低，并且可选择性获得清洁的目标酯产品而受到重视。
早在1961年，Eisenmann等首次报道了Co2(CO)8催化环氧丙烷氢酯化合成β-羟基丁酸甲酯，当时反应条件较为苛刻，反应温度和压力分别达到130℃和24MPa，所以导致目标产物的收率仅为40％[J.Org.Chem.1961,26,2102-2104]。经历数十年的发展，催化剂体系得到不断改进，主要体现在含氮化合物对催化剂的促进方面，包括咪唑[US 6348632]、吡唑[J.Mol.Catal.A:Chem.2007,269,97-103]、3-羟基吡啶[EP 0577206 B1]及离子液[DaltonTrans.,2007,4262-4267]等；反应条件也变得更为简单，其中反应温度降至75-80℃，压力降至约6MPa。甚至有研究将催化剂体系多相化，以实现将催化剂分离回收并重复使用[Chem.Asian J.2016,11,3159-3164]。尽管以上报道的催化剂体系将反应条件更为简化，反应效率也大大提高。尤其与离子液组合后的催化剂在一定程度上提升了的反应稳定性，但上述催化剂体系仍面临一些不足。如：1、催化剂自身的抗氧化性能并没有实质性的提高，导致其使用过程需要惰性保护气氛；2、助剂的添加将反应体系的复杂化，不利于后续产物分离。
Shell公司在1966年就报道了钴-膦催化剂和苯基二甲胺助催化剂的混合体系，在反应温度为80℃，压力为10MPa的条件下实现了环氧乙烷氢酯基化反应，并获得了70％的收率[US 3260738]。但体系中仍引入了复杂的助催化剂，且反应压力偏高。尽管以钴-膦配合物为催化剂在烯烃的氢甲酰化反应中早有研究[分子催化，1977,11,180-184；催化学报,1984,5,355-362]，但仅是基于将钴源与膦配体、溶剂等组成的混合体系经活化后才能进行氢甲酰化反应，目前尚未见任何关于直接以合成的钴-膦配合物为催化剂进行羰基化反应的研究报道。根据文献[Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Develop.,1970,9,347-350]报道化合物Co2(CO)7·2P(C4H9)3在固态时具有良好的空气稳定性，可在空气中保存半年以上，非常便于保存、运输和使用。由于该化合物是在不稳定化合物Co2(CO)8中引入了富电子的膦配体，其热稳定性也得以显著改善[分子催化,1977,11,180-184]。同时该化合物具有离子型的结构[Co(CO)3(PBu3)2]+[Co(CO)4]–，其阳离子部分被认为是可活化环氧化合物的Lewis酸[Chem.Commun.,2007,657-674]。因此，该化合物很可能在环氧化合物氢酯基化反应中表现出高活性。据资料显示，钴-膦催化剂目前均采用Co2(CO)8与膦配体发生配体交换反应获得[Organometallics,1984,3,174-177]，其不足之处在于原料Co2(CO)8价格高昂且易被空气氧化，从而导致目标催化剂产率下降。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种钴-膦催化剂及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种钴-膦催化剂的制备方法，其包括：
在还原性气氛中，使包含有钴源、膦配体和溶剂的第一均匀混合反应体系于70～140℃反应1～6h，再经后处理制得钴-膦催化剂。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的钴-膦催化剂。
本发明实施例还提供了由前述钴-膦催化剂于合成β-羟基羧酸酯中的应用。
本发明实施例还提供了一种合成β-羟基羧酸酯的方法，其包括：
提供前述钴-膦催化剂；
在CO气氛中，使包含有环氧化合物、甲醇、钴-膦催化剂的第二均匀混合反应体系于压力为2～8MPa、温度为30～110℃的条件下反应5～60h，制得β-羟基羧酸酯。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明提供的钴-膦催化剂比传统的羰基钴催化剂具有更佳的抗空气氧化能力，在保存和使用过程中可直接在空气气氛中实施，省去了繁琐的惰性气氛保护工艺；
2)在使用催化剂合成β-羟基羧酸酯的反应中，避免了助催化剂的引入，简化了反应体系的组成，更利于后续组分分离。同时催化剂的抗氧化性能将更利于促进其反应稳定性，适合长周期运转；
3)催化剂生产原料为有机羧酸钴，相比于传统羰基钴原料成本显著降低，且产率高。获得的固体催化剂直接采用过滤并洗涤的方式与溶剂和杂质分离，生产工艺简单，更适合工业放大应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1所得催化剂的红外光谱表征图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明实施例的一个方面提供了一种钴-膦催化剂的制备方法，其包括：
在还原性气氛中，使包含有钴源、膦配体和溶剂的第一均匀混合反应体系于70～140℃反应1～6h，再经后处理制得钴-膦催化剂。
在一些实施方案中，所述制备方法包括：将钴源、膦配体和溶剂加入反应容器中混合均匀，形成所述第一均匀混合反应体系，并向所述反应容器中通入还原性气体，保持所述反应容器内的压力为2～8MPa，之后于70～140℃反应1～6h，再经后处理制得所述钴-膦催化剂。
进一步的，所述钴源包括异辛酸钴和/或环烷酸钴，且不限于此。
进一步的，所述钴源来源于钴源溶液。
进一步的，所述钴源溶液中Co2+离子的浓度为0.5～2.0mol/L。
进一步的，所述膦配体包括三苯基膦和/或三正丁基膦，且不限于此。
进一步的，所述溶剂包括正己烷、石油醚和甲苯中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步的，溶剂优选为石油醚。
进一步的，所述的钴源与膦配体的摩尔比例为0.5～1.5:1。
进一步的，所述反应温度为80～130℃。
进一步的，所述反应体系压力为3～7MPa。
进一步的，所述还原性气氛包括H2/CO混合气氛。
在一些实施方案中，所述后处理包括：在所述反应完成后，对所获混合物进行过滤、洗涤、干燥处理，获得所述钴-膦催化剂。
进一步的，所述洗涤采用的洗涤液包括石油醚，且不限于此。
进一步的，所述干燥处理的温度为30～40℃，时间为16～30h。
本发明实施例的一个方面还提供了由前述方法制备的钴-膦催化剂。
本发明实施例的一个方面还提供了前述钴-膦催化剂于合成β-羟基羧酸酯中的应用。
进一步的，所述合成β-羟基羧酸酯中的应用包括：所述钴-膦催化剂于环氧化合物发生氢酯基化反应制备β-羟基羧酸酯中的应用。
本发明实施例的一个方面还提供了一种合成β-羟基羧酸酯的方法，其包括：
提供前述钴-膦催化剂；
在CO气氛中，使包含有环氧化合物、甲醇、钴-膦催化剂的第二均匀混合反应体系于压力为2～8MPa、温度为30～110℃的条件下反应5～60h，制得β-羟基羧酸酯。
在一些实施方案中，所述方法具体包括：在CO气氛中，将包含有环氧化合物、甲醇、所述钴-膦催化剂的混合反应体系投入高压反应釜中，于压力2～8MPa、温度30～110℃的条件下反应5～60h，分别收集钴-膦催化剂和β-羟基羧酸酯。
进一步的，所述合成β-羟基羧酸酯的反应中甲醇可以被其它醇类替代，所述其它醇类包括乙醇、丙醇、丁醇，且不限于此。
进一步的，所述反应温度为50～90℃，时间为10～40h。
进一步的，所述反应体系中CO压力为3～7MPa。
进一步的，所述环氧化合物包括环氧乙烷和/或环氧丙烷，且不限于此。
进一步的，所述钴-膦催化剂与所述环氧化合物的摩尔比为0.8～10:100；优选为2～8:100。
进一步的，所述环氧化合物与甲醇的摩尔比为0.02～1:1；优选为0.02～0.2:1。
在一些实施方案中，所述方法还包括：所述反应结束后，对所获混合物中的钴-膦催化剂进行分离回收处理。
进一步的，所述方法包括：采用减压蒸馏的方式进行所述的分离回收处理。
藉由上述技术方案，本发明的钴-膦催化剂结构及性质稳定，反应稳定性高，可重复使用；且具有制备方法简单、反应后催化剂可分离回收和再利用等优点，更适合工业放大应用。
下面结合若干优选实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
本实施例的钴-膦催化剂的制备方法如下：
向300mL的不锈钢高压釜中分别加入40g甲苯，60g异辛酸钴(钴含量10％)和18.9g三丁基膦，用1MPa H2/CO(1:1)置换4次后，向其中充入H2/CO(1:1)2MPa，补加CO至总压力3MPa，缓慢升温至120℃并保持2h，期间反应一直通入3MPa的CO以保持反应过呈恒压。反应结束后降温，卸压后将浆料过滤，用甲苯洗涤至滤液澄清。将滤饼转入真空干燥箱中40℃干燥20h，称重后计算钴-膦催化剂(1)的产率约65.1％。
图1为本实施例所得催化剂(1)的红外光谱，其中，a为实施例1制得的催化剂的红外图谱；b为实施例1制得的催化剂溶于甲醇溶剂的红外图谱；c为本案发明人采用Co2(CO)8为钴源制得的催化剂的红外图谱，结果表明：膦配体与钴中心发生结合配位，从羰基吸收峰位置判断，催化剂(1)呈离子型[Co(CO)3(PBu3)2]+[Co(CO)4]–的结构。
实施例2
本实施例的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：将实施例1中甲苯改为石油醚40g，补加CO至总压力5MPa，缓慢升温至100℃并保持1.5h。本实施例制得钴-膦催化剂(1)的产率约73.7％。
实施例3
本实施例的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：将实施例1中甲苯改为正己烷40g，补加CO至总压力7MPa，缓慢升温至80℃并保持5h。本实施例制得钴-膦催化剂(1)的产率约79.3％。
实施例4
向300mL的不锈钢高压釜中分别加入40g甲苯，环烷酸钴75g(钴含量8％)和三苯基膦24.5g，用1MPa H2/CO(1:1)置换4次后，向其中充入H2/CO(1:1)2MPa，补加CO至总压力3MPa，缓慢升温至130℃并保持6h，期间反应一直通入3MPa的CO以保持反应过程恒压。反应结束后降温，卸压后将浆料过滤，用甲苯洗涤至滤液澄清。将滤饼转入真空干燥箱中40℃干燥20h，称重后计算钴-膦催化剂(2)的产率约96.1％。
实施例5
本实施例的制备方法与实施例4基本一致，不同之处在于：将实施例4中甲苯改为石油醚40g，补加CO至总压力5MPa，缓慢升温至110℃并保持4h。本实施例制得钴-膦催化剂(2)的产率约93.9％。
实施例6
本实施例的制备方法与实施例4基本一致，不同之处在于：将实施例4中甲苯改为正己烷40g，补加CO至总压力7MPa，缓慢升温至90℃并保持2h。本实施例制得钴-膦催化剂(2)的产率约92.0％。
催化剂性能测试
一、本案发明人分别以实施例所获催化剂(1)和(2)作为催化剂，催化环氧丙烷(PO)氢酯基化制备β-羟基羧酸酯(β-MHB)：
催化反应在100mL高压釜式反应器中进行，所有反应准备步骤都在空气中进行，分别将0.64g(11mmol)环氧丙烷、特定比例的钴-膦催化剂、20mL甲醇加入到反应釜中，用一氧化碳置换三次。分别对反应压力、反应温度、催化剂摩尔百分用量(S/C)和反应时间进行考察。反应结束后进行GC分析。用十二烷作内标分别计算环氧丙烷转化率和β-羟基丁酸甲酯的选择性(结果见表1)。
表1催化剂(1)在不同反应条件下的催化性能
Figure BDA0002287435750000061
此外，本案发明人还在温度50～90℃内，压力3～7MPa，分别反应时间5h、20h、40h、60h，分别以所述钴-膦催化剂中钴的含量与所述环氧化合物的摩尔比为0.8:100、2.0:100、5.0:100、10:100进行反应，均制得了β-羟基丁酸甲酯，且所述环氧丙烷转化率和β-羟基丁酸甲酯的选择性也基本与上述实施例一致。
二、将反应后的催化剂(1)通过减压蒸馏的方式进行回收，干燥后再次加入高压反应釜中，并加入0.64g环氧丙烷和20mL甲醇CO置换后充至压力为6MPa，70℃下反应20小时。重复使用5次后能保持较高的催化活性和产物选择性，表明催化剂(1)具有较好的重复使用性能。
三、采用相同条件对催化剂(2)的催化性能和重复使用性能进行了考察，均获得与催化剂(1)相近的反应效果。
对照例1
本案发明人还采用现有技术中的Co2(CO)8与各种含氮配体(3-羟基吡啶、吡唑、咪唑等)组成的催化剂体系、离子液负载的羰基钴催化剂以及烷基吡啶羰基钴催化剂等来合成β-羟基丁酸甲酯，但是环氧丙烷转化率和β-羟基丁酸甲酯的选择性、产率、和回收再利用性能均不如本发明。
综上所述，本发明的钴-膦催化剂结构及性质稳定，反应稳定性高，可重复使用；且具有制备方法简单、反应后催化剂容易分离回收和循环使用、且多次重复不降低其催化性能等优点，更适合工业放大应用。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (25)

1.钴-膦催化剂于合成β-羟基羧酸酯中的应用，所述钴-膦催化剂的制备方法包括：在还原性气氛中，使包含有钴源、膦配体和溶剂的第一均匀混合反应体系于70~140℃反应1~6h，再经后处理制得钴-膦催化剂。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述钴-膦催化剂的制备方法具体包括：
将钴源、膦配体和溶剂加入反应容器中混合均匀，形成所述第一均匀混合反应体系，并向所述反应容器中通入还原性气体，保持所述反应容器内的压力为2~8MPa，之后于70~140℃反应1~6h，再经后处理制得所述钴-膦催化剂。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述钴源选自异辛酸钴和/或环烷酸钴。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述钴源来源于钴源溶液，所述钴源溶液中Co2+离子的浓度为0.5~2.0mol/L。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述膦配体选自三苯基膦和/或三正丁基膦。
6.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述溶剂选自正己烷、石油醚和甲苯中的任意一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述溶剂为石油醚。
8.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述钴源与膦配体的摩尔比为0.5~1.5:1。
9.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述反应的温度为80~130℃。
10.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述反应容器内的压力为3~7MPa。
11.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述还原性气氛选自H2/CO混合气氛。
12.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述后处理包括：在所述反应完成后，对所获混合物进行过滤、洗涤、干燥处理，获得所述钴-膦催化剂。
13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于：所述洗涤采用的洗涤液选自石油醚。
14.根据权利要求12所述的应用，其特征在于：所述干燥处理的温度为30~40℃，时间为16~30h。
15.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述应用包括：所述钴-膦催化剂于环氧化合物发生氢酯基化反应制备β-羟基羧酸酯中的应用。
16.一种合成β-羟基羧酸酯的方法，其特征在于包括：
提供权利要求1-15中任一项所述的钴-膦催化剂；
在CO气氛中，使包含有环氧化合物、甲醇、钴-膦催化剂的第二均匀混合反应体系于压力为2~8MPa、温度为30~110℃的条件下反应5~60h，制得β-羟基羧酸酯。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述反应的温度为50~90℃，时间为10~40h。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述第二均匀混合反应体系中CO压力为3~7MPa。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述环氧化合物选自环氧乙烷和/或环氧丙烷。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述钴-膦催化剂与环氧化合物的摩尔比为0.8~10:100。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所述钴-膦催化剂与环氧化合物的摩尔比为2~8:100。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述环氧化合物与甲醇的摩尔比为0.02~1:1。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：所述环氧化合物与甲醇的摩尔比为0.02~0.2:1。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于还包括：所述反应结束后，对所获混合物中的钴-膦催化剂进行分离回收处理。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：采用减压蒸馏的方式进行所述的分离回收处理。
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