CN112354537A - 一种改性钯碳催化剂的制备及其应用,一种维生素a顺反异构体的转化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改性钯碳催化剂的制备方法及其应用,特别描述了其维生素A异构体转化中的应用。所述催化剂以活性炭为初始模板,经过氧化、深度还原、活性炭改性后进行钯金属的吸附,经干燥焙烧后制成异构催化剂。使用该催化剂催化维生素A顺式异构体向全反式异构体转化反应,可以有效减少反应过程中金属流失,且套用催化剂对反应有极好耐受性,催化剂套用20次后活性没有明显变化。
Description
技术领域
本发明属于催化剂和化合物制备技术领域,具体涉及一种改性钯碳催化剂的制备方法及其催化维生素A异构体双键异构转化的方法。
背景技术
维生素A(VA)是人体和动物必需维生素之一,是机体生长发育、生殖和视觉所需的基本物质,影响细胞增殖和分化的调节功能。除在临床上用于治疗夜盲症、结膜软化症、角膜干燥症外,其也作为食品营养强化剂和动物饲料添加剂,结构式如下。
VA具有多烯结构,侧链上有四个共轭双键,其中以全反式异构体生物活性最高。但是目前工业上合成维生素A的过程中不可避免的会产生大量的顺式异构体,其中最主要的有9-顺式异构体、11-顺式异构体和13-顺式异构体。为了提高全反式维生素A的回收率,降低路线成本,将反应过程中产生的顺式异构体转化为全反式异构体一直是维生素A生产厂家研究的重要方向。
目前工业上最常用的维生素A异构体转化的方法是以非均相的Pd催化剂作为异构催化剂的方案,以专利US04051174为例,反应使用Pd催化剂,可以高效率转化11-顺式异构体到全反式异构体,但反应过程中会伴随着9-顺式异构体的生成,且该方法无法转化13-顺式异构体,而且反应过程中会伴随着Pd金属的流失,从而导致后续的催化剂套用效果逐渐降低,增加了工业化成本,而且Pd在产品VA晶体中的残留在后续VA在食品、饲料应用过程中是一个极大的隐患。
因此,针对异构过程中催化剂流失,套用活性下降的问题,需要开发一种新型催化剂进行替代,用于节约工业化成本,提高产品质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性钯碳催化剂的制备方法及其应用,解决本领域Pd催化异构过程后Pd金属流失,催化剂套用活性降低的问题,使制成的催化剂不仅对多种顺式异构体都同时具有反应活性,而且有效解决反应过程Pd流失的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种维生素A顺反异构体的转化方法,使用改性的钯碳催化剂不仅可以转化常规钯催化剂可以实现的11-顺式异构体向全反式异构体的转化,而且可以实现常规钯催化剂难以实现的9-顺式异构体向全反式异构体得转化,反应平衡全反异构体:9-顺式异构体>12:1。
为实现上述发明目的和达到上述技术效果,本发明的技术方案如下:
一种改性钯碳催化剂的制备方法,包含以下步骤:
S1:活性炭氧化:使用硝酸对活性炭进行氧化改性,得氧化处理后的活性炭;氧化后的活性炭表面羧基、内酯基和羟基官能团数量大量增加;
S2:深度还原:氧化后的活性炭使用氢化锂铝还原处理,得深度还原的活性炭;氧化后的活性炭使用氢化锂铝进一步还原处理,其中内酯基和羧基官能团被深度还原,活性炭表面羟基官能团数量进一步增加;
S3:活性炭改性:深度还原后的活性炭与改性试剂发生化学反应,形成N-O化学键,得到改性后的活性炭;深度还原后的活性炭与改性试剂发生化学反应,羟基官能团和改性试剂发生化学反应,形成N-O化学键,从而在活性炭上引入改性官能团,得到改性后的活性炭;
S4:金属吸附:改性后的活性炭进行钯金属吸附,经干燥焙烧后制得改性钯碳催化剂。
作为一种具体的实施方式,一种上述改性钯碳催化剂的制备方法,包含以下步骤:
S1:将一定量的活性炭加入一定量的硝酸水溶液中,加热回流一段时间后,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中干燥,得氧化后的活性炭;
S2:将S1得到的氧化后的活性炭加入到有机溶剂中,降温至一定温度,加入氢化锂铝,指定温度下反应一段时间,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中干燥,得深度还原的活性炭;
S3:将S2得到的活性炭加入有机溶剂中,随后加入改性试剂,加热搅拌反应一段时间后反应液减压抽滤,将活性炭使用有机溶剂洗涤多次,然后送至烘箱中干燥;
S4:将S3得到的活性炭作为载体,使用溶解性钯盐作为Pd源,溶解性钯盐可以是行业内常用的所有钯化合物,优选PdCl2,采用体积浸渍法进行钯碳催化剂的制备,所得催化剂然后送至烘箱中干燥,再经焙烧后即得改性钯碳催化剂。
本发明中,S1中使用的活性炭选自果壳活性碳、椰壳活性炭和木质活性炭中的一种或多种,优选木质活性炭。
本发明中,S1中所述硝酸为浓度为0.5-4mol/L的硝酸水溶液,优选2-3mol/L。
本发明中,S1中所述硝酸和活性炭用量比例(10-50)mL:1g,优选(20-30)mL:1g。
本发明中,S1中所述活性炭需要在硝酸水溶液中回流2-10h,优选4-6h。
本发明中,S1中所得活性炭在100-150℃干燥5-15h,优选10-12h,冷却后用于后续反应。
本发明中,S2中所述还原反应需要使用氢化锂铝,氢化锂铝和氧化后的活性炭的质量比为(0.2-1):1,优选(0.3-0.8):1。
本发明中,S2中所述溶剂选自水、乙酸、乙腈、甲苯、乙醇、二氯乙烷中的一种或多种,优选乙酸。
本发明中,S2中所述溶剂和氧化后的活性炭的用量比为(5-30)mL:1g,优选(10-20)ml:1g。
本发明中,S2中所述还原反应温度为-20-10℃,优选-10-0℃。
本发明中,S2中所述还原反应反应时间为2-8h,优选3-5h。
本发明中,S2中所得活性炭在100-150℃干燥5-15h,优选10-12h,冷却后用于后续反应。
本发明中,S3中所述改性试剂为一种腺嘌呤,包括腺嘌呤、带有官能团的腺嘌呤和8-氮杂腺嘌呤中的一种或多种,所述的官能团包括甲基,氟、氯、苄基,优选腺嘌呤。
本发明中,S3中所述改性试剂和深度还原的活性炭的质量比(0.5-2):1,优选(0.8-1.5):1。
本发明中,S3中所述改性反应需要在有机溶剂中进行,有机溶剂选自乙腈、正己烷、甲苯、二氯乙烷中的一种或多种,优选乙腈。
本发明中,S3中所述有机溶剂和活性炭的用量比为(10-50)mL:1g,优选(20-30)mL:1g。
本发明中,S3中所述改性反应的反应温度为30-100℃,优选50-80℃;反应时间为5-20h,优选8-12h。
本发明中,S3中所得活性炭在100-150℃干燥5-15h,优选10-12h,冷却后用于后续反应。
本发明中,S4中所述金属吸附步骤使用S3制备的改性活性炭作为载体,使用溶解性钯盐作为Pd源,溶解性钯盐可以是行业内常用的所有钯化合物,优选PdCl2,采用体积浸渍法进行催化剂制备。改性活性炭和钯盐的用量和需要制备的催化剂剂型有关,本催化剂制作方法可以制备Pd含量在1-10%的钯碳催化剂,钯盐用量和其中钯含量有关,保证钯金属质量和活性炭质量比为1-10%,对应Pd含量在1-10%的钯碳催化剂。
本发明中,钯碳催化剂中Pd的负载需要在溶剂中进行,溶剂选自丙酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、二氧六环、四氢呋喃、乙腈、乙醇中的一种或多种,优选乙醇;溶剂与改性活性炭用量比为(10-50)mL:1g,优选(20-30)mL:1g。
本发明中,钯碳催化剂中Pd的负载温度为20-120℃,优选40-60℃;反应时间12-48h,优选24-36h。
本发明中,Pd负载结束后,钯碳催化剂需要在100-150℃干燥5-15h,优选10-12h;随后在400-600℃焙烧5-10h,优选6-8h,冷却后得成品催化剂。
本发明的改性钯碳催化剂可以用于催化C=C双键或C=N双键顺反异构反应,特别地,用于催化维生素A顺式异构体向全反式异构体的转化。
本发明的另一目的在于提供一种维生素A的顺反异构体的转化方法。
一种维生素A的顺反异构体转化方法,采用所述的改性钯碳催化剂,催化顺式维生素A异构体发生异构反应转化为全反式维生素A异构体。
本转化方法中,所述反应底物为各种顺式维生素A异构体和全反式维生素A异构体中的一种或多种,且不只含全反式维生素A异构体或单一顺式异构体作为底物。
优选的,所述反应底物中全反式异构体含量为0-10%,11-顺式异构体含量为0-100%,9-顺式异构体含量为0-100%,以维生素A粗油总质量计。
本转化方法中,所述异构反应在有机溶剂存在下进行,有机溶剂选自乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、己烷、戊烷、庚烷、苯、甲苯、甲基叔丁基醚、四氢呋喃、乙醇、甲醇、异丙醇、正丙醇和丁醇中的一种或多种,优选乙腈。
本转化方法中,所述有机溶剂和反应底物的用量比为(1-4)L:1kg,优选(2-3)L:1kg。
本转化方法中,所述异构反应中异构催化剂的用量为反应底物质量的0.1-10%,优选1-5%。
本转化方法中,异构反应的温度为30-120℃,优选40-90℃;反应时间为5-20h,优选8-10h;
本转化方法中,异构反应在惰性气体下进行,优选氮气和/或氩气。
本转化方法中,异构反应结束后,将反应液温度降至25℃,反应液过滤、洗涤,回收催化剂。
与现有公开技术相比,本发明具有如下显著优点:
1、提供了一种新型改性钯碳催化剂的制备方法,所述改性钯碳催化剂对维生素A顺式异构体向全反式异构体转化有较高活性。
2、经过改性的钯碳催化剂有效避免了异构反应过程中的Pd流失,催化剂经过多次套用后,活性无明显降低(催化剂套用25次,催化剂活性无明显下降,催化剂Pd含量无变化),大大降低了异构反应成本。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
液相色谱分析:安捷伦1260型液相色谱仪,色谱柱Sphersorb C18柱(φ4.6×250mm),紫外可见分光检测器Hitachi L7420,色谱工作站数据处理系统Chomatopac C-RIA,固定相Zorbax-SIL。色谱条件:流动相为甲醇/乙腈=9/1(v/v)混合物,检测温度40℃,流速1mL/min,波长455nm。对产品组成进行定性、定量分析。
催化剂Pd元素分析:使用电感耦合等离子体发射光谱仪,相关参数为:
功率/kW | 1.20 |
等离子气流量/L/min | 15.0 |
辅助气流量/L/min | 1.50 |
雾化气流量/L/min | 0.80 |
一次读数时间/s | 5.00 |
仪器稳定时间/s | 15 |
进样延时/s | 50 |
泵速/rpm | 15 |
清洗时间/s | 50 |
读数次数 | 3 |
表1实施例和对比例中部分试剂规格及来源
实施例1
改性催化剂的制备:
活性炭氧化:500mL三口烧瓶中加入10g木质活性炭,随后加入2mol/L硝酸水溶液200mL,100℃加热回流6h后,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥10h,得氧化后的活性炭;
活性炭还原:500mL三口烧瓶中加入10g氧化后活性炭和100mL乙酸,降温至-10℃,加入3g氢化锂铝,-10℃反应5h,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥10h,得深度还原的活性炭;
活性炭改性:500mL三口烧瓶中加入10g深度还原活性炭,8g腺嘌呤和200mL乙腈,50℃反应12h,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥10h,得改性活性炭;
Pd负载:500mL三口烧瓶中加入200mL乙醇,10g改性活性炭和0.84gPdCl2,60℃搅拌24h,过滤,催化剂使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥10h,随后在500℃焙烧6h,冷却后得成品催化剂,催化剂Pd含量5.0wt%。
异构反应:
2000mL反应瓶装上机械搅拌,回流冷凝管,氮气置换三次,氮气保护下依次加入异构催化剂10g、1000mL乙腈和VA粗油原料(1000g,11-顺式含量100wt%,万华化学集团股份有限公司),搅拌使溶液混匀,随后反应液在90℃下反应8h,反应结束后液相色谱分析,得到组成为全反式含量94.02wt%,9-顺式含量5.20wt%,11-顺式含量0.78wt%的反应液,反应液中Pd含量未检出。
催化剂套用:
将反应液降至20℃后,在800rpm的转速下搅拌3h,再减压过滤,用新鲜正己烷对催化剂进行洗涤,干燥后得到的固体催化剂进行下一批次异构实验,反应条件与上述异构反应相同,催化剂共套用20批次,套用产品的结果列于表2:
表2催化剂套用结果
实施例2
改性催化剂的制备:
活性炭氧化:500mL三口烧瓶中加入10g木质活性炭,随后加入3mol/L硝酸水溶液300mL,100℃加热回流4h后,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥5h,得氧化后的活性炭;
活性炭还原:500mL三口烧瓶中加入10g氧化后活性炭和200mL乙酸,降温至0℃,加入8g氢化锂铝,0℃反应3h,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥5h,得深度还原的活性炭;
活性炭改性:500mL三口烧瓶中加入10g深度还原活性炭,15g 2-氟腺嘌呤和300mL甲苯,80℃反应8h,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥5h,得改性活性炭;
Pd负载:500mL三口烧瓶中加入300mL丙酮,10g改性活性炭和0.84gPdCl2,40℃搅拌36h,过滤,催化剂使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥5h,随后在500℃焙烧8h,冷却后得成品催化剂,催化剂Pd含量5.0wt%。
异构反应:
5000mL反应瓶装上机械搅拌,回流冷凝管,氮气置换三次,氮气保护下依次加入异构催化剂50g、2000mL正己烷和VA粗油原料(1000g,9-顺式含量100wt%),搅拌使溶液混匀,随后反应液在40℃下反应10h,反应结束后液相色谱分析,得到组成为全反式含量95.12wt%,9-顺式含量4.20wt%,11-顺式含量0.68wt%的反应液。
实施例3
改性催化剂的制备:
活性炭氧化:1000mL三口烧瓶中加入10g木质活性炭,随后加入4mol/L硝酸水溶液500mL,100℃加热回流10h后,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥15h,得氧化后的活性炭;
活性炭还原:500mL三口烧瓶中加入10g氧化后活性炭和50mL乙腈,降温至10℃,加入10g氢化锂铝,10℃反应8h,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥15h,得深度还原的活性炭;
活性炭改性:500mL三口烧瓶中加入10g深度还原活性炭,5g 9-甲基腺嘌呤和100mL正己烷,100℃反应5h,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥15h,得改性活性炭;
Pd负载:500mL三口烧瓶中加入100mL乙醇,10g改性活性炭和0.84gPdCl2,20℃搅拌48h,过滤,催化剂使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥15h,随后在500℃焙烧5h,冷却后得成品催化剂,催化剂Pd含量5.0wt%。
异构反应:
5000mL反应瓶装上机械搅拌,回流冷凝管,氮气置换三次,氮气保护下依次加入异构催化剂100g、3000mL甲苯和VA粗油原料(1000g,全反式异构体含量为10%,11-顺式异构体含量为40%,9-顺式异构体含量为50wt%),搅拌使溶液混匀,随后反应液在120℃下反应5h,反应结束后液相色谱分析,得到组成为全反式含量96.11wt%,9-顺式含量3.28wt%,11-顺式含量0.61wt%的反应液。
实施例4
改性催化剂的制备:
活性炭氧化:500mL三口烧瓶中加入10g木质活性炭,随后加入0.5mol/L硝酸水溶液100mL,100℃加热回流2h后,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥12h,得氧化后的活性炭;
活性炭还原:500mL三口烧瓶中加入10g氧化后活性炭和100mL乙酸,降温至-20℃,加入2g氢化锂铝,-20℃反应2h,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥12h,得深度还原的活性炭;
活性炭改性:1000mL三口烧瓶中加入10g深度还原活性炭,20g腺嘌呤和500mL乙腈,30℃反应20h,过滤,活性炭使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥12h,得改性活性炭;
Pd负载:1000mL三口烧瓶中加入500mL二甲基亚砜,10g改性活性炭和0.84gPdCl2,120℃搅拌12h,过滤,催化剂使用蒸馏水洗涤至中性,然后送入烘箱中120℃干燥12h,随后在500℃焙烧10h,冷却后得成品催化剂,催化剂Pd含量5.0wt%。
异构反应:
10L反应瓶装上机械搅拌,回流冷凝管,氮气置换三次,氮气保护下依次加入异构催化剂1.0g、4000mL乙腈和VA粗油原料(1000g,全反式异构体含量为5wt%,11-顺式异构体含量为20wt%,9-顺式异构体含量为75wt%),搅拌使溶液混匀,随后反应液在30℃下反应20h,反应结束后液相色谱分析,得到组成为全反式含量95.33wt%,9-顺式含量4.10wt%,11-顺式含量0.57wt%的反应液。
对比例1
与实施例1作对比,使用购自西安凯立5%Pd/C作为催化剂进行VA异构反应。
2000mL反应瓶装上机械搅拌,回流冷凝管,氮气置换三次,氮气保护下依次加入Pd/C催化剂10g、1000mL乙腈和VA粗油原料(1000g,11-顺式含量100wt%),搅拌使溶液混匀,随后反应液在90℃下反应8h,反应结束后液相色谱分析,得到组成为全反式含量39.0%,11-顺式含量35.2wt%,9-顺式含量25.8wt%的反应液,反应液中Pd含量20ppm,Pd流失率7.2wt%。
通过对比例1可以看到,使用底物1%质量分数的无改性Pd/C催化剂进行异构反应时,相同条件下,11-顺式异构体转化速率慢,且全反式选择性差,并伴随有7.2wt%的Pd流失。
本领域技术人员可以理解,在本说明书的教导之下,可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。
Claims (12)
1.一种改性钯碳催化剂的制备方法,其特征在于,包含以下步骤:
S1:活性炭氧化:使用硝酸对活性炭进行氧化改性,得氧化处理后的活性炭;
S2:深度还原:氧化后的活性炭使用氢化锂铝进一步还原处理,;
S3:活性炭改性:深度还原后的活性炭与改性试剂发生化学反应,形成N-O化学键,得到改性后的活性炭;
S4:金属吸附:改性后的活性炭进行钯金属吸附,经干燥焙烧后得改性钯碳催化剂。
2.根据权利要求1所述的催化剂制备方法,其特征在于,S1中使用的活性炭选自果壳活性碳、椰壳活性炭和木质活性炭中的一种或多种,优选木质活性炭;
和/或,S1中所述硝酸为浓度为0.5-4mol/L的硝酸水溶液,优选2-3mol/L;
和/或,所述硝酸和活性炭用量比例为(10-50)mL:1g,优选(20-30)mL:1g。
3.根据权利要求2所述的催化剂制备方法,其特征在于,S1中所述活性炭需要在硝酸水溶液中回流2-10h,优选4-6h。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的催化剂制备方法,其特征在于,S2中氢化锂铝和氧化后的活性炭的质量比为(0.2-1):1;和/或,S2中所述还原反应在溶剂中进行,溶剂选自水、乙酸、乙腈、甲苯、乙醇、二氯乙烷中的一种或多种,优选乙酸;
和/或,溶剂和氧化后的活性炭的用量比为(5-30)mL:1g,优选(10-20)ml:1g;
和/或,S2中所述还原反应温度为-20-10℃,优选-10-0℃;
和/或,反应时间为2-8h,优选3-5h。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的催化剂制备方法,其特征在于,S3中所述改性试剂为腺嘌呤、带有官能团的腺嘌呤、8-氮杂腺嘌呤中的一种或多种,所述的官能团包括甲基,氟、氯、苄基,优选腺嘌呤。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的催化剂制备方法,其特征在于,S3中所述改性反应需要在有机溶剂中进行,有机溶剂选自乙腈、正己烷、甲苯、二氯乙烷中的一种或多种,优选乙腈;
和/或,所述有机溶剂和深度还原的活性炭的用量比为(10-50)mL:1g,优选(20-30)mL:1g;
和/或,所述改性试剂和深度还原的活性炭的质量比(0.5-2):1,优选(0.8-1.5):1;
和/或,S3中所述改性反应的反应温度为30-100℃,优选50-80℃;反应时间为5-20h,优选8-12h。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的催化剂制备方法,其特征在于,S4中所述金属吸附步骤使用S3制备的改性活性炭作为载体,使用溶解性钯盐作为Pd源,优选PdCl2,采用体积浸渍法进行催化剂制备,优选制备Pd含量在1-10%的改性钯碳催化剂。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的催化剂制备方法制得的改性钯碳催化剂用于催化C=C双键或C=N双键顺反异构反应,特别地,用于催化维生素A顺式异构体向全反式异构体的转化。
9.一种维生素A顺反异构体的转化方法,其特征在于,采用权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备的改性钯碳催化剂,催化顺式维生素A异构体发生异构化反应转化为全反式维生素A异构体。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,反应底物为11-顺式维生素A异构体、9-顺式异构体和全反式维生素A异构体的混合物或单一顺式异构体作为底物;
优选的,所述反应底物中全反式异构体含量为0-10%,11-顺式异构体含量为0-100%,9-顺式异构体含量为0-100%,以维生素A粗油总质量计。
11.根据权利要求9或10所述的制备方法,其特征在于,所述的异构化反应在有机溶剂存在下进行,所述有机溶剂选自乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、己烷、戊烷、庚烷、苯、甲苯、甲基叔丁基醚、四氢呋喃、乙醇、甲醇、异丙醇、正丙醇和丁醇中的一种或多种,优选乙腈;
和/或,所述有机溶剂和反应底物的用量比为(1-4)L:1kg,优选(2-3)L:1kg。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述异构化反应中钯碳催化剂的用量为反应底物质量的0.1-10%,优选1-5%;
和/或,所述异构化反应的温度为30-120℃,优选40-90℃;反应时间为5-20h,优选8-10h;
和/或,所述异构化反应在惰性气体下避光进行,惰性气体优选氮气和/或氩气。
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