CN1422693A - 负载到碳上的钌/铁催化剂的制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳负载的搀杂铁的钌催化剂的制备方法及其在选择性液相氢化羰基化合物以生成相应的醇、特别是氢化柠檬醛以生成香叶醇或橙花醇、或者是氢化香茅醛以生成香茅醇中的用途。

Description

负载到碳上的钌/铁催化剂的制备
本发明涉及负载到碳上的搀杂铁的钌催化剂的制备方法及其在羰基化合物选择性液相氢化生成相应的醇、特别是氢化柠檬醛生成香叶醇或橙花醇、或者是氢化香茅醛生成香茅醇中的用途。
现有技术公开了多种制备催化剂的方法。这些方法主要因活性成分所用的前面步骤或者活性成分沉淀到碳载体上的方法而不同。
EP 071 787公开了钌/铁/碳氢化催化剂、其制备方法以及其在选择性氢化不饱和羰基化合物中的用途。所用的Ru/Fe/碳催化剂的制备通过用氯化钌溶液饱和活性炭粉末、干燥、然后与氧化铁混合来进行。催化剂在500℃用氢气还原。
但是，氯化物的使用提出了技术性的问题，因为氯化物具有很强的腐蚀性。因此，活性成分的饱和和干燥必须在昂贵的耐腐蚀装置中进行。还原导致HCl的形成，HCl损害还原炉，并且氯化物残留在催化剂上，当将催化剂用于氢化时，该氯化物腐蚀反应器。
如果使用钌的硝酸盐而不是氯化物，则导致安全问题，因为硝酸盐/碳混合物具有爆炸性。所述的方法另外的缺点在于随后用Fe2O3搀杂，这需要更多的加工处理步骤。
现有技术还公开了α，β-不饱和羰基化合物的多种氢化方法。但是，难于通过所述的方法和所用的催化剂来得到相应的醇的高选择性。例如，氢化柠檬醛会引起烯属双键以及醛基的氢化，或者仅仅氢化与醛基共轭的双键，所以能够形成不饱和的醇(香叶醇和橙花醇)和诸如香茅醇或香茅醛之类的副产物。
M.M.Paulose等人，J.Oil Technol.Assoc.India 1974，6，88-91描述了选择性氢化柠檬醛的连续式固定床方法，其中使用铜/铬/镉催化剂。为了充分转化柠檬醛，反应必须在170至250℃的高温下进行。在225至235℃得到香叶醇/橙花醇的最大产率为66.4％，柠檬醛几乎完全转化。香茅醇的产率为14.8％。即使在约44％的低转化率下，不需要的香茅醇的产率仍为7.6％，因此，香茅醇的选择性约为17％。Paulose等人所报道的香茅醇的选择性对于氢化柠檬醛的经济方法显得太高。
本发明的目的是提供一种制备负载到碳上的钌/铁催化剂的改进方法，特别是将该催化剂用于选择性氢化烯属不饱和的羰基化合物生成相应的不饱和醇而没有上述缺点。
该催化剂应该具有改进的催化剂活性和长期的稳定性，特别是，当用于氢化柠檬醛生成香叶醇/橙花醇时，该催化剂应该具有较高的柠檬醛转化率，同时对香茅醇的选择性低。
催化剂的制备应该避免使用腐蚀性成分(例如，氯化物盐)和爆炸性的中间体(例如，硝酸盐饱和的碳)。
本发明的发明人已发现该目的通过制备负载到碳上的钌催化剂得到实现，该催化剂除了碳载体上的0.1至10重量％的钌外，还包含0.1至5重量％的铁，所述的方法包括：
a)  将载体在水中形成悬浮液，
b)  以其金属盐溶液的形式同时加入催化活性成分，
c)  通过加入碱将催化活性成分同时沉淀到载体上，
d)  将催化剂与载体悬浮液的水相相分离，
e)  干燥催化剂，
f)  在400至600℃在氢气流中还原催化剂，然后
g)  在低可燃性条件老化催化剂，或者是用氧气钝化催化剂。
在本发明的方法中，步骤(b)和(c)或者顺序进行或者同时进行。
本发明还提供了通过本发明的方法制备的负载到碳上的钌/铁催化剂的用途，用于通式I的羰基化合物的选择性液相氢化。
其中
R1和R2是相同的或不同的，两者彼此独立地是氢或饱和的或单-或多不饱和的直链或支链的取代或未取代的C1-C20烷基、未取代的或取代的芳基或者未取代的或取代的杂环基团，
生成通式II的相应的不饱和醇。
其中R1和R2如上述定义。
所用的羰基化合物或者是饱和的，或者是烯属不饱和的羰基化合物。
除非另有说明，饱和的或单-或多不饱和的直链或支链的C1-C20烷基是甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、1-丙烯基、2-丙烯基、2-甲基-2-丙烯基、1-戊烯基、1-甲基-2-戊烯基、异丙烯基、1-丁烯基、己烯基、庚烯基、辛烯基、壬烯基或癸烯基，或者是如下所列的对应于所用成分的基团。
芳基是苄基、苯基或萘基。
例如，杂环基团是吡啶、嘧啶、哒嗪、吡嗪、哌嗪、咪唑、呋喃、噁唑、异噻唑、异噁唑、1，2，3-三唑或1，2，4-三唑、噻唑、噻吩或吲哚环。
取代基可以是甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、叔丁基、氟、氯、溴、碘、硝基或氨基。
例如，所用的饱和羰基化合物是3，7-二甲基辛烷-1-醛及其异构体、四氢香叶基丙酮、六氢法尼基丙酮、6-甲基庚酮或异戊醛。
例如，所用的烯属不饱和羰基化合物可以是香茅醛、H-香叶基丙酮、H-橙花叔醇、甲基乙烯基酮、4-甲基-3-戊烯-2-酮、假紫罗酮、二氢法尼基丙酮、lysmeral(铃兰醛)、甲基己烯酮，特别优选香茅醛或α，β-不饱和羰基化合物，例如，丙烯醛、异丁烯醛、巴豆醛、3-甲基-2-丁烯醛、法尼醛或柠檬醛，特别优选柠檬醛。
在本发明的(g)部分提到的低可燃性的液体是闪点大于80℃、优选大于100℃的液体，例如，水、香叶醇、戊二醇、乙二醇或橙花醇或其混合物，特别优选香叶醇或橙花醇或其混合物。
出人意料地是，活性成分钌和铁的金属盐的同时沉淀提高了催化剂的活性、选择性和工作寿命。金属以其氢氧化物的形式沉淀析出避免了现有技术中所述的腐蚀问题或爆炸的危险。
所用的活性成分钌和铁的金属盐包括氯化物、硝酸盐、亚硝酰基硝酸盐、乙酸盐、氧化物、氢氧化物和乙酰基丙酮酸盐，优选氯化物和硝酸盐。
通过本发明的方法可以制备作为固定床和悬浮床催化剂的催化剂。
碳负载物料例如是石墨、炭黑或活性炭，但优选活性炭，例如，NORITSX PlusR。根据是否将催化剂制备成悬浮床或固定床催化剂，可以以粉末形式或以挤出物、球体、碎片等的形式使用碳负载物料。将碳载体预先处理，然后用硝酸、氧气、过氧化氢、盐酸等通过氧化将其掺杂。
下面详细描述本发明的催化剂的制备：
悬浮床催化剂的制备通过将碳载体在水中形成悬浮液(步骤(a))来进行，然后可将载体悬浮液用于后面的过程而没有进一步预先处理，也就是，不确定特殊的pH，或者是用酸(例如，HNO3)调节pH至小于6，或者是用碱(例如，NaOH)调节pH至大于8。
在步骤(b)中，将活性成分钌和铁以其金属盐溶液的形式同时加入。加入优选在升高的悬浮液温度、特别优选在50至95℃、更优选在70至90℃进行。然后缓慢加入碱(例如，Na2CO3、NaHCO3、(NH4)2CO3、NH3、脲、NaOH、KOH或LiOH，优选NaOH)以将催化活性成分沉淀到载体上，并将pH增加至6至14，优选8至12，特别优选达到9((c))。碱的加入宜在升高的温度、优选在50至95℃、特别优选70至90℃进行。还可以将碱与金属盐的悬浮液同时加入，以便例如将悬浮液的pH维持在恒定水平、优选维持在8至14、更优选pH维持在9。由于钌和铁在沉淀析出后基本上以其氢氧化物的形式的存在，所以在催化剂与沉淀后的水相相分离和洗涤的过程中将氯化物和硝酸盐阴离子洗涤至非常低的含量((d))。
然后，在减压下或惰性气体中干燥滤饼(e)，将该催化剂于400℃至600℃在氢气流中(可用诸如氮气之类的惰性气体稀释)还原(f)。最后，冷却至低于40℃后，或者在水或低可燃性的液体中老化催化剂，或者用稀氧气流(在诸如氮气的惰性气体中含有约1％的氧气)钝化催化剂(g)。
作为与利用气相还原的上述方法的不同的另一方案，可在沉淀析出催化活性成分后(c)，通过加入诸如肼、硼氢化钠、甲酸钠、磷酸氢钠或甲醛之类的还原剂来进行催化剂的湿化学还原。在湿化学还原后，滤出催化剂，洗涤，然后保存在水分中。
固定床催化剂按照与所述的悬浮床催化剂相类似的方式制备，所不同的是在步骤(a)中用挤出物、球体、碎片等代替粉末状的载体物料。这些形状的特征尺寸(直径、长度等)通常大于1mm。前述的湿化学还原在此也能代替气相还原。当将挤出物分散于水中时，为了将磨损减小至最小，必须注意将其所接触的机械应力减小至最小。为了分离微弱粘结的细小碳颗粒，有利是用水洗涤挤出物，然后用于催化剂合成。
本发明的催化剂大多在碳载体上、优选在活性炭上包含0.1至10重量％的钌。
催化剂的BET表面积与其制备中所用的碳载体相对应，约为100至1500、优选约800至1200m2/g。钌微晶的粒度通常小于10nm，因此，与钌/碳催化剂的文献值相一致。
此处关于催化剂含有的钌和铁的重量％的信息总是基于催化剂的干燥质量。
本发明制备的催化剂对选择性氢化羰基化合物、优选选择性氢化不饱和的羰基化合物、特别优选氢化柠檬醛生成香叶醇或橙花醇或氢化香茅醛生成香茅醇具有特殊的重要性。
本发明制备的催化剂对氢化羰基化合物的醛基具有非常高的选择性。
氢化过程可以在悬浮床或固定床中连续地或间歇地进行。连续过程特别有利。
如按照Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，Sixth Edition，2000 Electronic Release中的描述，可以用常见的反应器设计进行悬浮床或固定床的操作。
可按照例如分别在EP 947 943和US 5,939,589中的描述进行连续式或间歇式的悬浮过程。在间歇式和连续式悬浮过程中，催化剂以微粉的形式使用，其中，催化剂的粒度小于1mm、优选1至100μm。
固定床方案包括以固定床催化剂的常见形式使用催化剂，例如，以挤出物、碎片、颗粒或球体的形式。典型挤出物的直径为1至5mm，挤出物的长度为1至20mm。可用滴流式或液相方法操作反应。
反应以悬浮床和固定床的方法在常压或在1至200巴、优选10至100巴、特别优选20至50巴的压力下进行。温度为25至200℃，优选60至100℃。反应在溶剂中或不在溶剂中进行。适当的溶剂包括诸如甲醇、乙醇或异丙醇之类的低级醇。而且，如果需要，可以使用诸如三甲基胺之类的有机碱。
利用本发明制备的催化剂氢化羰基化合物优选在叔胺存在下进行。
原则上，所有的叔胺是适用的，所以叔胺的化学性质并不重要，只要叔胺不以其它方式与反应物的官能团发生反应。
例如，在EP 071 787中所列的胺是适用的。
胺的量优选是所用的羰基化合物量的1至5重量％。
下面的实施例对本发明进行说明。
悬浮床催化剂的制备
实施例1
A)在1升烧瓶中将100g活性炭与500ml浓HNO3混合，并在80℃搅拌6小时。冷却后，过滤悬浮液，然后用10升蒸馏水洗涤滤饼。
将湿炭再次加入到搅拌槽反应器中，在2.5升水中形成悬浮液，然后在回流冷却下加热至80℃。然后在120分钟内在搅拌下滴加13.11g氯化钌和5.15g氯化铁的375ml水溶液。悬浮液的pH在加入金属盐溶液后为1.4。通过缓慢滴加1M氢氧化钠将pH增加至9；这需要约400mlNaOH。继续搅拌1小时，然后冷却悬浮液。将催化剂转移到吸滤器，总共用40升水洗涤，然后在真空干燥橱中在80℃干燥6小时。然后将干燥的粉末在旋转式球形炉中在由70％H2和30％N2组成的气流中于500℃还原3小时。还原结束后，在氮气中冷却，然后将催化剂用氮气中含有1％氧气的气体混合物钝化。生成的催化剂的氯化物含量小于0.05重量％。此外还确定了如下含量(重量％)：Na：2.8，Ru：5.2，Fe：1.1。
B)该方法按照在A中的描述进行，所不同的是用亚硝酰基硝酸钌和硝酸铁(III)代替氯化钌和氯化铁。生成的催化剂的钌含量为5.1重量％，铁含量为1.1重量％，硝酸盐含量小于0.01重量％，Na含量为2.1重量％。
C)该方法按照在A中的描述进行，所不同的是将更小含量的钌和铁施于活性炭上。生成的催化剂的钌含量为2.8重量％，铁含量为0.54重量％，氯化物含量为0.02重量％，Na含量为3.8重量％。
D)将没有进一步预先处理的110g活性炭Norit SX PlusR引入搅拌中的盛有2升水的烧瓶中，形成悬浮液，然后在回流条件下加热至80℃。然后通过加入NaOH水溶液(1mol/l)将pH增加到9。在1小时内，在80℃滴加300ml亚硝酰基硝酸钌和硝酸铁的溶液(浓度对应于5.85g Ru和1.17g Fe)，同时，通过同时加入NaOH水溶液将pH维持在约为9。继续在80℃搅拌1小时，然后将该混合物冷却。过滤冷却的悬浮液，用40升水洗涤，然后在真空干燥橱中在80℃干燥16小时，然后按照在A中的描述进行还原并钝化。该催化剂的Ru含量为5.0重量％，Fe含量为1.0重量％，Na含量为0.036重量％。
E)对比例：按照EP 0071787中给出的方法通过用氯化钌溶液饱和活性炭、干燥、与氧化铁(III)混合、在500℃还原以及在水中老化来制备催化剂。
通过方法A至D所制备的催化剂的测试
a)连续式悬浮氢化
连续式悬浮氢化在带有产物再循环和循环氢气的填充气泡塔的反应器中进行(对应于EP 947 493)。
将70体积％柠檬醛(E/Z≈1)、27体积％甲醇和3体积％三甲基胺的液体混合物进行氢化。液体和气体都以通过率约120升/h经过填充气泡塔(填充体积：143ml，填充直径：27mm)。通过改变压力、温度或反应物的引入速率调整柠檬醛的转化。压力的变化范围为20至40巴，温度的变化范围为80至100℃。
b)间歇式氢化
在Medimex制造的高压釜中进行间歇式氢化。将液体反应物(70体积％柠檬醛(E/Z≈1)、27体积％甲醇和3体积％三甲基胺的250ml混合物)和催化剂(2.5g)加入到高压釜中，然后开始反应。然后将高压釜在常压下用氮气吹扫。完全除去反应室中的空气后，终止加入氮气并将高压釜卸压。然后将氢气引入高压釜中，将压力调整至所需的反应压力。同时，将温度调整至所需的反应温度。达到所需的温度和所需的压力后，启动搅拌器开始反应。在反应过程中，利用上升管从反应室取出样品。氢化在100℃在50巴的氢气压力下进行。结果
表1中的结果表明本发明的催化剂A至D比对比催化剂具有更高的活性和选择性。特别是在转化率高的条件下，形成显著多的香叶醇/橙花醇以及显著少的香茅醇。与对比催化剂相比，为得到高转化率，需要更少的干燥质量的催化剂(实施例A和B)，或者可使用更少负载量的贵金属(实施例C)。而且，本发明的催化剂的失活比对比催化剂更缓慢。
表2表示进行间歇式氢化实验的本发明的催化剂A与对比催化剂的比较。50分钟后，催化剂A已经实现几乎完全转化，然而对比催化剂仅转化了50％柠檬醛。
F)将实施例1A)制备的催化剂用于连续式悬浮氢化香茅醛(3，7-二甲基辛-7-烯-1-醛)生成香茅醇(3，7-二甲基辛-7-烯-1-醇)。必须尽量避免形成完全氢化产物3，7-二甲基辛烷-1-醇。反应中处理了70％香茅醛、27％甲醇和3％三甲基胺的混合物。在反应温度80℃、压力20巴、反应进料速率为2.2ml/分钟、催化剂浓缩物为40g/(干燥的)的条件下，反应142小时后，得到香茅醛的转化率为94％，香茅醇的选择性为97.3％，3，7-二甲基辛烷-1-醇的选择性仅为1.4％。催化剂因其高选择性、长期的稳定性及其甚至在较高的香茅醛转化率条件下生成香茅醇的高选择性而十分出色。
                                                  表1
催化剂 干燥质量g 时间h   温度℃ 压力巴   反应物加入ml/分钟 转化率％                     选择性
  香叶醇/橙花醇％ 香茅醇％ 残余物％
    A     40   150     80     20     2.2     92.4     96.8     1.2     2.0
  225     80     40     2.2     96.1     97.6     1.6     0.7
  280     90     40     2.2     98.6     94.6     4.3     1.1
  400     80     20     0.7     98.6     95.2     3.0     1.8
  440     80     20     2.2     89.8     98.1     1.3     0.6
    B     40   170     80     20     2.2     91.1     97.2     1.7     1.1
  240     80     40     2.2     95.8     96.5     2.1     1.4
  310     90     40     2.2     96.6     96.0     2.3     1.7
  350     80     20     2.2     88.8     97.0     1.7     1.3
    C     40   260     80     20     2.2     81.1     97.5     1.2     1.3
  330     90     40     2.2     92.4     96.7     1.3     2.0
  430     100     40     2.2     95.5     95.6     3.0     1.4
    D     40   167     80     20     2.2     90.9     96.1     1.4     2.5
  210     80     40     2.2     95.7     95.7     2.5     1.8
    E     40   140     80     20     1.5     84.4     94.6     2.8     2.6
  170     80     40     1.5     93.2     94.1     4.3     1.6
  815     80     40     2.3     75.5     96.3     1.8     1.9
                     表2
时间/分钟            转化率％
    对比催化剂E     催化剂A
    0     0     0
    30     50     98
    60     76     100
    90     90     100
    120     97     100
    150     100     100
    180     100     100
固体床催化剂的制备
实施例2
将62g活性炭的挤出物(购自Lurgi的Supersorbon SX 30，其直径为3mm，表面积约为1000m2 g-1)加入到盛有400ml去离子水的搅拌槽反应器中，然后加热至80℃，同时轻度搅拌并回流冷却。在80℃在60分钟内滴加8.13g氯化钌和3.19g氯化铁的溶液。然后通过加入1M氢氧化钠将pH值增加至9，继续搅拌1小时。将该催化剂转移到玻璃吸滤器，用10升去离子水洗涤，然后在80℃在真空干燥橱中干燥6小时。然后将该催化剂在氢气和氮气的气体混合物(50/4)中在还原炉中于500℃还原3小时，然后冷却至室温，并用氮气中含有1％氧气的气体混合物进行钝化。催化剂测试还可参见图1在图1中的各标号的含义为：
1  氢进料
2  柠檬醛进料
3  TMA/甲醇进料
4  反应器
5  分离器
6  循环
7  排出物实验参数：    压力40巴
          温度50至70℃反应器的数据：    长度：      470mm
              直径：      20mm
              体积：      150ml
              催化剂体积  100ml说明
利用具有平衡控制器的活塞泵分别泵入柠檬醛和甲醇/三甲基胺溶液。柠檬醛与甲醇与三甲基胺的比率约为70∶27∶3。利用质量流调节器控制氢气进料。通过液相法在50至70℃操作反应器。利用活塞泵在浮体流量表控制下将80％的反应器排出物从分离器的液相进行再循环。残留产物通过保压阀排放。一般步骤
将催化剂装入反应器，然后进行还原。在常压下通过加热至120℃用13升/h(标准压力)氢气进行还原步骤。1小时后，将反应器冷却。然后将柠檬醛和三甲基胺/甲醇的混合物分别加入到反应器中。每一次运行分别给出参数。用30m的DBWAX 0.32mm 0.25μm填料塔(80℃-3℃/分钟-230℃-20分钟)进行分析。
实施例3
将实施例2的固体床催化剂进行再循环：将100ml(41.1g)催化剂装入反应器，然后按照一般方法活化。在40巴的氢气压力(24升/h，标准压力)下，将加入速率确定如下：柠檬醛(2，60g/h，纯度98％)，甲醇+10％TMA(3，25.5g/h)，回流(6，240g/h)。在反应器的温度为75℃、转化率为95.61％(反应时间：713小时)时，得到香叶醇/橙花醇的选择性为95.22％(香叶醇/橙花醇的比率为1.20)。副产物：香茅醇的选择性为1.80％，橙花醇异构体的选择性为1.70％。

Claims (14)

1、一种制备负载到碳上的钌/铁催化剂的方法，该催化剂除了碳载体上的0.1至10重量％的钌外，还包含0.1至5重量％的铁，所述的方法包括：
a)将载体在水中形成悬浮液，
b)以其金属盐溶液的形式同时加入催化活性成分钌和铁，
c)通过加入碱将催化活性成分同时沉淀到载体上，
d)将催化剂与载体悬浮液的水相相分离，
e)将催化剂干燥，
f)在氢气流中在400至600℃还原催化剂，
g)在低可燃性液体中老化催化剂，或者是用稀氧气流钝化催化剂。
2、一种制备负载到碳上的钌/铁催化剂的方法，该催化剂除了碳载体上的0.1至10重量％的钌外，还包含0.1至5重量％的铁，所述的方法包括：
a)将载体在水中形成悬浮液，
b)以其金属盐溶液的形式同时加入催化活性成分钌和铁，
c)通过加入碱将催化活性成分同时沉淀到载体上，
d)通过加入水性还原剂还原催化剂，
e)将催化剂与载体悬浮液的水相相分离，然后
f)用水洗涤催化剂。
3、根据权利要求1或2所要求的方法，其中，制备的催化剂是悬浮床催化剂。
4、根据权利要求1或2所要求的方法，其中，制备的催化剂是固定广床催化剂。
5、根据权利要求1至4中的任何一项所要求的方法，其中，步骤(b)和(c)都在温度50至95℃进行。
6、根据权利要求1至5中的任何一项所要求的方法，其中，步骤(b)和(c)或者同时进行或者顺序进行。
7、根据权利要求1至6中的任何一项所要求的方法，其中，以其氯化物、硝酸盐、亚硝酰基硝酸盐、乙酸盐、氧化物、氢氧化物或乙酰基丙酮酸盐的形式使用催化活性成分。
8、根据权利要求1至7中的任何一项所要求的方法，其中，用HNO3、氧、过氧化氢或盐酸通过氧化预处理碳载体。
9、根据权利要求1至8中的任何一项所要求的方法，其中，用于将催化活性成分沉淀到载体上的碱是Na2CO3、NaHCO3、(NH4)2CO3、NH3、脲、NaOH、KOH或LiOH。
10、根据权利要求1至9中的任何一项所要求的方法，其中，将NaOH用于沉淀析出催化活性成分。
11、通过权利要求1至10中的任何一项所要求的方法制备的催化剂的用途，将该催化剂用于选择性液相氢化通式I的羰基化合物，
其中
R1和R2是相同的或不同的，两者彼此独立地是氢或饱和的或单-或多不饱和的直链或支链的取代或未取代的C1-C20烷基、未取代的或取代的芳基或未取代的或取代的杂环基团，
以生成通式II的相应不饱和醇，
其中R1和R2如上定义。
12、根据权利要求11所要求的用途，其中所述羰基化合物是α，β-不饱和的羰基化合物。
13、根据权利要求11或12所要求的用途，其中所述羰基化合物是柠檬醛。
14、根据权利要求11至13中的任何一项所要求的用途，其中所述羰基化合物是香茅醛。
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