ES2318602T3 - Metodo para fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona. - Google Patents

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Abstract

Un método para fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona en el que el cicloalcano se oxida con oxígeno en presencia de un catalizador en el que el cobalto se ha soportado sobre silicato laminar en el que el silicato laminar tiene pilares formados en la intercapa del mismo.

Description

Método para fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona.
La presente invención se refiere a un método para fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona oxidando cicloalcano con oxígeno.
El uso de un catalizador de cobalto es eficaz para fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona oxidando cicloalcano con oxígeno y generalmente se ha sabido convencionalmente que la oxidación mencionada anteriormente se realiza en un sistema homogéneo usando un compuesto de cobalto soluble en cicloalcano tal como carboxilato de cobalto, para un catalizador. Además, se han propuesto diversos catalizadores heterogéneos, por ejemplo, la oxidación mencionada anteriormente usando un compuesto de tamiz molecular que contiene cobalto en una red cristalina para un catalizador se describe en el documento EP 0 519 569 A. También, la oxidación mencionada anteriormente usando un compuesto que contiene cobalto preparado mediante un método sol-gel para una catalizador se describe en el documento WO99/40055. En el documento JP-A-63 303 936, se producen ciclohexanol y ciclohexanona por oxidación de la ciclohexanona con oxígeno molecular usando un catalizador de filosilicato que contiene cobalto. Adicionalmente, la oxidación mencionada anteriormente usando un compuesto de heteropoliácido que contiene cobalto como elemento estructural para un catalizador se describe en el documento JP-A-2000-319211.
Los métodos convencionales mencionados anteriormente incluyen puntos insatisfactorios en vista de la selectividad de un catalizador, en concreto el grado de conversión de cicloalcano y el coeficiente de selectividad de cicloalcanol y/o cicloalcanona. El objeto de la presente invención es proporcionar un método de fabricación capaz de fabricar cicloalcanol y cicloalcanona con un coeficiente de selectividad favorable oxidando cicloalcano con un grado favorable de conversión mediante la oxidación de cicloalcano usando un catalizador de cobalto, particularmente un catalizador de cobalto heterogéneo.
Ahora se ha descubierto sorprendentemente que la adopción de cobalto soportado sobre un silicato laminar en el que el silicato laminar tiene pilares formados en la intercapa del mismo como el catalizador para oxidar el cicloalcano permite conseguir el objeto mencionado anteriormente. Es decir, la presente invención proporciona un método para fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona oxidando cicloalcano con oxígeno en presencia de un catalizador en el que el cobalto está soportado sobre un silicato laminar en el que el silicato laminar tiene pilares formados en la intercapa del mismo.
La presente invención permite fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona con un coeficiente de selectividad favorable oxidando cicloalcano con un grado de conversión favorable.
La Figura 1 es un patrón de difracción de rayos X de kenyaíta que soporta cobalto preparada de acuerdo con el Ejemplo de Referencia 1 que tenía pilares formados en la intercapa de la misma.
La Figura 2 es un espectro de absorción infrarroja de kenyaíta que soporta cobalto preparada de acuerdo con el Ejemplo de Referencia 1 que tenía pilares formados en la intercapa de la misma.
La presente invención se describe a continuación en este documento con detalle. En la presente invención, el cicloalcanol y/o cicloalcanona correspondiente se fabrican usando cicloalcano como materia prima y oxidando este con oxígeno (oxígeno molecular) en presencia de un catalizador.
Los ejemplos de cicloalcano para materias primas incluyen, por ejemplo, cicloalcano monocíclico que no tiene sustituyentes en un anillo tal como ciclopropano o ciclobutano, ciclopentano o ciclohexano, cicloheptano, ciclooctano, ciclodecano y ciclooctadecano, cicloalcano policíclico tal como decalina y adamantano y cicloalcano que tiene sustituyentes en un anillo tal como metilciclopentano y metilciclohexano y también dos clases o más de los mismos pueden usarse según se requiera.
El gas que contiene oxígeno típicamente se usa como fuente de oxígeno. Este gas que contiene oxígeno puede ser, por ejemplo, aire, oxígeno puro o aire u oxígeno puro diluidos con un gas inerte tal como nitrógeno, argón y helio. Puede usarse también aire enriquecido con oxígeno en el que el oxígeno puro se añade al aire.
Con respecto a la presente invención, el cobalto soportado sobre el silicato laminar en el que el silicato laminar tiene pilares formados en la intercapa del mismo (en lo sucesivo en este documento denominado ocasionalmente "silicato laminar que soporta cobalto que tiene pilares") se usa como catalizador para oxidar cicloalcano con oxígeno. El uso de dicho catalizador permite fabricar cicloalcano y/o cicloalcanona con un coeficiente de selectividad favorable oxidando el cicloalcano X con un grado favorable de conversión.
Los ejemplos de silicato laminar como soporte incluyen silicatos laminares derivadas de minerales tales como makatita, kanemita, magadiíta y kenyaíta y silicatos laminares de manera que un hueco en la intercapa se amplia formando un soporte columnar (pilar) de silicato de sílice en su intercapa. Puede usarse también un silicato laminar compuesto tal como un soporte columnar de silicato formado en la intercapa, por ejemplo, MCM-36. Para formar pilares en la intercapa, es preferible que el silicato laminar esté en contacto con compuestos de sílice tales como éster de silicato y después hidrolizarlo.
El porcentaje de soporte de cobalto es típicamente del 0,01 al 20% en peso con respecto al catalizador, en concreto el silicato laminar de soporte de cobalto que tiene pilares, preferiblemente del 0,05 al 10% y más preferiblemente del 0,1 al 5%.
Los ejemplos de un método para soportar cobalto sobre un silicato laminar incluyen, por ejemplo, un método tal como impregnar un silicato laminar con una solución acuosa de compuestos de cobalto tales como haluro de cobalto y carboxilato y una sal de oxoácido del mismo, un método tal como sumergir el silicato laminar en una solución acuosa de compuesto de cobalto y absorber compuesto de cobalto. El silicato laminar de soporte de cobalto puede prepararse también mezclando compuestos de cobalto con compuestos de silicio que pueden ser materias primas para el silicato laminar, para someter a una reacción de síntesis hidrotérmica.
La reacción de oxidación de cicloalcano puede realizarse poniendo en contacto cicloalcano con oxígeno en presencia del silicato laminar de soporte de cobalto como catalizador. La cantidad usada de catalizador es típicamente de 0,01 a 50 partes en peso con respecto a 100 partes en peso de cicloalcano, preferiblemente de 0,1 a 10 partes en
peso.
Para mejorar el grado de conversión de cicloalcano y el coeficiente de selectividad de cicloalcanol y/o cicloalcanona, el es eficaz uso de lo que se denomina co-catalizador y las clases de los mismos se seleccionan apropiadamente, siendo ventajoso el uso de un compuesto heteropoliácido. Este compuesto heteropoliácido puede ser un heteropoliácido libre o una sal de ácido o una sal normal de heteropoliácido. La estructura de un compuesto heteropoliácido puede ser, por ejemplo, una estructura de Keggin tal como una proporción atómica del elemento central (el hetero elemento)/elemento estructural (poli elemento) de 1/12, una estructura de Anderson, tal como la proporción atómica 1/6 o una estructura de Dawson, tal como la proporción atómica 2/18.
Los ejemplos preferibles de un compuesto heteropoliácido incluyen un compuesto heteropoliácido que contiene cobalto como elemento central y/o un elemento estructural, preferiblemente un compuesto heteropoliácido que particularmente contiene cobalto como elemento central y un elemento estructural específicamente tal como un heteropolianión es [CoW_{11}CoO_{39}] o [CoMo_{11}CoO_{39}]. Dicho compuesto de heteropoliácido puede prepararse de acuerdo con un método descrito por ejemplo en la página 6025 del Volumen 112 en Journal of American Chemical Society, 1990.
Un compuesto de heteropoliácido puede moldearse para usar o soportarlo en un soporte, si se requiere. Este soporte se selecciona apropiadamente y un compuesto denominado de tipo hidrotalcita se usa preferiblemente. Aquí, un compuesto de tipo hidrotalcita es un compuesto laminar similar a hidrotalcita [Mg_{6}Al_{2}(OH)_{16}(CO_{3})\cdot4H_{2}O], de manera que existe un anión entre las capas cargadas positivamente compuestas por metal divalente y metal trivalente. En el caso de que un compuesto de heteropoliácido esté soportado en un soporte, el porcentaje de soporte del mismo es típicamente del 0,01 al 4% en peso del porcentaje con respecto al total de un compuesto de heteropoliácido y un soporte, preferiblemente del 0,1 al 2%.
En el caso de usar un compuesto de heteropoliácido sin que esté soportado en un soporte, la cantidad del mismo es típicamente de 0,001 a 10 partes en peso con respecto a 100 partes en peso de cicloalcano, preferiblemente de 0,01 a 5 partes en peso. En el caso de usar un compuesto de heteropoliácido soportado en un soporte, la cantidad usada del mismo es típicamente de 0,01 a 50 partes en peso con respecto a 100 partes en peso de cicloalcano en el total de un compuesto de heteropoliácido y un soporte, preferiblemente de 0,1 a 10 partes en peso.
La temperatura de reacción es típicamente de 0 a 200ºC, preferiblemente de 50 a 170ºC y la presión de reacción es típicamente de 0,01 a 10 MPa, preferiblemente de 0,1 a 2 MPa. El disolvente de reacción puede usarse según se requiera, por ejemplo incluyendo disolventes de nitrilo tales como acetonitrilo y benzonitrilo, y disolventes de ácido carboxílico tales como ácido acético y ácido propiónico.
El post-tratamiento tras la reacción de oxidación no está particularmente limitado, incluyendo por ejemplo un proceso tal como filtrar la mezcla de reacción para separar un catalizador de la misma, lavándose dicha mezcla posteriormente con agua y destilando después. En el caso de que un cicloalquilhidroperóxido correspondiente a la materia prima de cicloalcano esté contenido la mezcla de reacción, el cicloalquilhidroperóxido puede convertirse en el cicloalcanol y cicloalcanona pretendidos por tratamiento con álcali y tratamiento de reducción.
Ejemplos
Los ejemplos de la presente invención se describen a continuación en este documento y la presente invención no se limita a los mismos. El análisis de ciclohexano, ciclohexanona, ciclohexanol y ciclohexil hidroxiperóxido en el líquido de reacción se realizó por cromatografía de gases; y el grado de conversión de ciclohexano así como cada coeficiente de selectividad de ciclohexanona, ciclohexanol y ciclohexil hidroperóxido se calcularon a partir de los resultados de este análisis.
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Ejemplo de Referencia 1
Preparación de una kenyaíta de soporte de cobalto que tiene pilares formados en su intercapa (A) Preparación de una kenyaíta de soporte de cobalto
A una solución acuosa de hidróxido sódico (0,13) en agua (1,9 g) en un vaso de precipitados, se añadieron tiramina (1,17 g) y sílice coloidal (LUDOX AS-40 fabricada por Aldrich, es decir, una suspensión acuosa del 40% en peso de sílice) (2,5 g) y la mezcla se agitó. Después, una solución acuosa de acetato de cobalto (II) tetrahidrato (0,14 g) en agua (1,0 g) se añadió y la mezcla se agitó durante 4 horas. Esta mezcla se ajustó en un autoclave y se agitó a 150ºC durante 10 días. Después de esto, la mezcla se filtró y el residuo sólido resultante se lavó con agua y se secó en un horno a 100ºC durante todo un día y una noche. De esta manera, se obtuvo una kenyaíta de soporte de cobalto
(1,1 g).
(B) Formación de pilares en la intercapa de la kenyaíta de soporte de cobalto
La kenyaíta de soporte de cobalto (1,0 g) obtenida en la preparación anterior (A), agua (4,1 g), una solución acuosa (20,1 g) de hidróxido de cetiltrimetilamonio al 40% en peso y una solución acuosa (6,1 g) de tetrapropil-amonio al 30% en peso se cargaron en un matraz y la mezcla se agitó y se calentó a 80ºC durante 16 horas y después se filtró. El residuo sólido resultante se lavó con agua y se secó en un horno a 100ºC durante todo un día y una noche. Este sólido se cargó en un matraz y se añadió ortosilicato de tetraetilo (5,0 g) al mismo en una atmósfera de nitrógeno. La mezcla se calentó a 90ºC durante 16 horas y después se filtró. El residuo sólido resultante se lavó con etanol y después se lavó con agua y se secó en un horno a 100ºC durante todo un día y una noche. Este sólido y agua (100 g) se cargaron en un matraz y la mezcla se agitó a temperatura ambiente durante 7 horas y se filtró. El residuo sólido resultante se lavó con agua y se secó en un horno al 100ºC durante todo un día y una noche. Después, el sólido se horneó a 540ºC durante 7 horas para obtener una kenyaíta de soporte de cobalto que tenía pilares formados en la intercapa de la misma. Esta kenyaíta de soporte de cobalto se sometió a un análisis por difracción de rayos X (rayos de cobre K\alpha; véase la Figura 1) y un análisis elemental. Como resultado, se confirmó que la altura de la intercapa no era menor de 37 \ring{A}; el contenido de cobalto, 2,9% en peso; el contenido de silicio 44,8% en peso; y el contenido de sodio 0,04% en peso. La kenyaíta de soporte de cobalto se sometió adicionalmente a un análisis espectroscópico de infrarrojo por transformada de Fourier. Los resultados se muestran en la Figura 2.
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Ejemplo de Referencia 2
Preparación de un compuesto de tipo hidrotalcita que soporta una sal de heteropoliácido (a) Preparación de una sal de heteropoliácido
Se cargaron tungstato sódico dihidrato (19,8 g, 0,06 mol) y agua (40 g) en un matraz de fondo redondo de 500 ml y se agitaron a temperatura ambiente para formar una solución acuosa. A esta solución acuosa, se le añadió ácido acético (4,1 g) para ajustar el pH de la misma a 7. Después, la solución se calentó a reflujo. A esta solución, se le añadió gota a gota una solución acuosa de acetato de cobalto (II) tetrahidrato (2,5 g) en agua (13 g) durante 20 minutos y la mezcla se calentó adicionalmente a reflujo durante 15 minutos. La mezcla se enfrió a temperatura ambiente y el precipitado sólido se retiró por filtración. Después, el filtrado resultante se calentó a reflujo. A este filtrado, se le añadió una solución acuosa de cloruro potásico (13 g) en agua (25 g) y la mezcla se calentó adicionalmente a reflujo durante 15 minutos. La mezcla resultante se enfrió a temperatura ambiente y después se dejó reposar a 5ºC durante todo un día y una noche para que cristalizara. Los cristales resultantes (16,8 g) se separaron por filtración y se sometieron a un análisis elemental, un análisis de difracción de rayos X, un análisis de espectroscopía infrarroja y un análisis de espectroscopía UV-visible. Como resultado, se encontró que este cristal era una sal de potasio de un heteropoliácido de tipo Keggin, es decir, K_{7}H[CO^{II}W_{11}Co^{II}(H_{2}O)O_{39}].14H_{2}O), que contenía cobalto como elemento principal y tungsteno y cobalto como elementos estructurales.
(b) Purificación de la sal de heteropoliácido
A una solución acuosa (10 ml) de ácido acético (0,05 g) en agua, se le añadieron los cristales de la sal de heteropoliácido (3,0 g) obtenida en la preparación anterior (a) y la mezcla se calentó a 100ºC y después las sustancias insolubles se retiraron por filtración. El filtrado resultante se enfrió a temperatura ambiente y se mezcló con una solución acuosa saturada (10 ml) de cloruro potásico y se dejó reposar a 5ºC durante todo un día y una noche para cristalización. Los cristales resultantes (1,68 g) se separaron por filtración. Los cristales se sometieron a un análisis elemental, un análisis de difracción por rayos X, un análisis de espectroscopía infrarroja y un análisis de espectroscopía UV-visible. Como resultado, se encontró que estos cristales eran una sal de potasio de un heteropoliácido de tipo Keggin, es decir, K_{7}H[CO^{II}W_{11}Co^{II}(H_{2}O)O_{39}].14H_{2}O), que contenía cobalto como elemento principal y tungsteno y cobalto como elementos estructurales. De esta manera, se confirmó que se mantenía la composición y estructura de la sal de heteropoliácido obtenido en la preparación anterior (a).
(c) Preparación de un compuesto de tipo hidrotalcita
Se cargaron nitrato sódico (18,9 g), hidróxido sódico (10,6 g) y agua (82 g) en un matraz de fondo redondo de 500 ml y la mezcla se agitó a temperatura ambiente para formar una solución acuosa. A esta solución acuosa, se le añadió gota a gota una solución acuosa de nitrato de cinc tetrahidrato (32,7 g) y nitrato de aluminio (15,6 g) en agua (63 g) a una velocidad de 60 ml/hora. Después, el agua se retiró por destilación de esta mezcla a 60ºC durante 18 horas. Después de esto, el sólido resultante se separó por filtración y se lavó repetidamente con agua hasta que el pH del agua usada para al lavado alcanzó un valor de 7. Después del lavado, el sólido se secó a 60ºC durante todo un día y una noche para obtener un sólido (16,5 g) que se encontró que era un compuesto de tipo hidrotalcita como resultado del análisis de difracción por rayos X.
(d) Soporte de la sal de heteropoliácido sobre el compuesto de tipo hidrotalcita
En una atmósfera de nitrógeno, los cristales (2,0 g) de la sal de heteropoliácido obtenida repitiendo la purificación anterior (b) varias veces, se añadieron y se disolvieron en agua (74 g) calentando a 60ºC. En una atmósfera de nitrógeno, a esta solución, se le añadió el compuesto de tipo hidrotalcita (3,9 g) obtenido de la preparación anterior (c), y la mezcla se agitó a 60ºC durante 22 horas. El sólido se separó de esta mezcla por filtración y se lavó con agua (27,1 g) a 60ºC y se secó para obtener un sólido (3,8 g). El sólido obtenido se sometió a un análisis elemental, un análisis de difracción por rayos X, un análisis de espectroscopía infrarroja y un análisis de espectroscopía UV visible. Como resultado, se confirmó que la sal anterior de heteropoliácido estaba soportada sobre el compuesto de tipo hidrotalcita anterior en este sólido.
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Ejemplo 1
34 g (0,40 mol) de ciclohexano y 0,2 g de la kenyaíta de soporte de cobalto mencionada anteriormente se pusieron en un autoclave de 50 ml y el interior del sistema se presurizó hasta 0,5 MPa con oxígeno a temperatura ambiente y posteriormente se calentó hasta una temperatura de 130ºC y se hizo reaccionar bajo un flujo de oxígeno durante 24 horas.
En un punto en el tiempo de 5,5 horas después del inicio de la reacción, el grado de conversión de ciclohexano era del 3,5%, el coeficiente de selectividad del ciclohexano era de 44,3%, el coeficiente de selectividad de ciclohexano era de 52,1% y el coeficiente de selectividad de hidroperóxido de ciclohexilo era de 0,1%. En un punto (el final) del tiempo de 24 horas después del inicio de la reacción, el grado de conversión de ciclohexano era de 5,4%, el coeficiente de selectividad de ciclohexanona era del 63,7%, el coeficiente de selectividad de ciclohexanol era del 24,3% y el coeficiente de selectividad de hidroperóxido de ciclohexilo era del 0,2%.
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Ejemplo 2
34 g (0,40 mol) de ciclohexano y 0,1 g de la kenyaíta de soporte de cobalto obtenida de acuerdo con el Ejemplo de Referencia 1 que tenía pilares formados en la intercapa de la misma y 0,1 g del compuesto de tipo hidrotalcita de soporte de la sal de heteropoliácido mencionado anteriormente obtenido de acuerdo con el Ejemplo de Referencia 2 se pusieron en un autoclave de 50 ml y el interior del sistema se presurizó hasta 0,5 MPa con oxígeno a temperatura ambiente y posteriormente se calentó a esta una temperatura de 130ºC y se hizo reaccionar bajo el flujo de oxígeno durante 24 horas.
En un punto en el tiempo de 6 horas después del inicio de la reacción, el grado de conversión de ciclohexano era del 5,5%, el coeficiente de selectividad del ciclohexano era de 52,0%, el coeficiente de selectividad de ciclohexano era de 40,7% y el coeficiente de selectividad de hidroperóxido de ciclohexilo era del 1,3%. En un punto (el final) en el tiempo de 24 horas después del inicio de la reacción, el grado de conversión de ciclohexano era de 9,8%, el coeficiente de selectividad de ciclohexanona era del 67,2%, el coeficiente de selectividad de ciclohexanol era del 18,1% y el coeficiente de selectividad de hidroperóxido de ciclohexilo era del 0,4%.
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Ejemplo Comparativo 1
34 g (0,40 mol) de ciclohexano y 0,2 g del compuesto de tipo hidrotalcita de soporte de la sal de heteropoliácido mencionado anteriormente obtenido de acuerdo con el Ejemplo de Referencia 2 se pusieron en un autoclave de 50 ml y el interior del sistema se presurizó hasta 0,5 MPa con oxígeno a temperatura ambiente y posteriormente se calentó a esta una temperatura de 130ºC y se hizo reaccionar bajo el flujo de oxígeno durante 24 horas.
En un punto en el tiempo de 6 horas después del inicio de la reacción, el grado de conversión de ciclohexano era del 0,2%, el coeficiente de selectividad del ciclohexano era de 25,6%, el coeficiente de selectividad de ciclohexano era de 21,8% y el coeficiente de selectividad de hidroperóxido de ciclohexilo era del 52,6%. En un punto (el final) en el tiempo de 24 horas después del inicio de la reacción, el grado de conversión de ciclohexano era del 5,4%, el coeficiente de selectividad de ciclohexanona era del 58,6%, el coeficiente de selectividad de ciclohexanol era del 32,9% y el coeficiente de selectividad de hidroperóxido de ciclohexilo era del 0,2%.
A continuación se muestran las realizaciones principales y las realizaciones preferidas de la presente invención:
[1] Un método para fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona en el que el cicloalcano se oxida con oxígeno en presencia de un catalizador en el que el cobalto se ha soportado sobre silicato laminar en el que el silicato laminar tiene pilares formados en la intercapa del mismo.
[2] El método de acuerdo con [1], en el que el silicato laminar se selecciona entre el grupo que consiste en makatita, kanemita, magadiíta y kenyaíta.
[3] El método de acuerdo con [2], en el que el silicato laminar es kenyaíta.
[4] El método de acuerdo con una cualquiera de [1] a [3], en el que dicha oxidación se realiza en presencia de un compuesto de heteropoliácido.
[5] El método de acuerdo con [4], en el que el compuesto de heteropoliácido contiene cobalto como elemento central y/o un elemento estructural.
[6] El método de acuerdo con una cualquiera de [4] y [5], en el que el compuesto de heteropoliácido está soportado sobre un soporte.
[7] El método de acuerdo con [6] en el que el soporte es un compuesto de tipo hidrotalcita.
[8] El método de acuerdo con una cualquiera de [1] a [7] en el que el cicloalcano es ciclohexano.
La presente solicitud se ha presentado reivindicando la prioridad de la convención de Paris basándose en la Solicitud de Patente Japonesa Nº 2005-101690 (presentada el 31 de marzo de 2005, titulada "Method for Manufacturing Cycloalkanol and/or Cycloalkanone").

Claims (8)

1. Un método para fabricar cicloalcanol y/o cicloalcanona en el que el cicloalcano se oxida con oxígeno en presencia de un catalizador en el que el cobalto se ha soportado sobre silicato laminar en el que el silicato laminar tiene pilares formados en la intercapa del mismo.
2. Los métodos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el silicato laminar se selecciona entre el grupo que consiste en makatita, kanemita, magadiíta y kenyaíta.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el silicato laminar es kenyaíta.
4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha oxidación se realiza en presencia de un compuesto de heteropoliácido.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el compuesto de heteropoliácido contiene cobalto como elemento central y/o un elemento estructural.
6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5 en el que el compuesto de heteropoliácido está soportado sobre un soporte.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el soporte es un compuesto de tipo hidrotalcita.
8. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el cicloalcano es ciclohexano.
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