RU2783129C1 - Катализатор для селективного гидрирования пиридина и его производных и процесс гидрирования пиридина и его производных с использованием катализатора - Google Patents

Катализатор для селективного гидрирования пиридина и его производных и процесс гидрирования пиридина и его производных с использованием катализатора Download PDF

Info

Publication number
RU2783129C1
RU2783129C1 RU2021139793A RU2021139793A RU2783129C1 RU 2783129 C1 RU2783129 C1 RU 2783129C1 RU 2021139793 A RU2021139793 A RU 2021139793A RU 2021139793 A RU2021139793 A RU 2021139793A RU 2783129 C1 RU2783129 C1 RU 2783129C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogenation
catalyst
pyridine
derivatives
catalysts
Prior art date
Application number
RU2021139793A
Other languages
English (en)
Inventor
Леонид Модестович Кустов
Ирина Петровна Белецкая
Александр Леонидович Кустов
Петр Вадимович Прибытков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2783129C1 publication Critical patent/RU2783129C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области каталитических технологий переработки сырья, содержащего азотистые гетероциклические соединения, и касается, в частности, катализаторов и способа переработки пиридина и его производных в ценные продукты - гидрированные гетероциклические соединения. Заявляемый катализатор для гидрирования пиридина и его производных содержит наночастицы палладия и меди или серебра со средним размером 2-3 нм на носителе - оксиде алюминия. Заявляемый катализатор позволяет повысить селективность процесса при сохранении высокой конверсии гетероциклического соединения, а также повысить стабильность катализатора в последовательных циклах гидрирования. 2 пр., 2 табл.

Description

Область техники
Изобретение относится к области каталитических технологий переработки сырья, содержащего азотистые гетероциклические соединения, и касается, в частности, катализаторов и способа переработки пиридина и его производных в ценные продукты - гидрированные гетероциклические соединения. Пиперидин как продукт гидрирования пиридина и его производные востребованы в производстве лекарств и других ценных продуктов. Пиридин и его производные являются доступными соединениями, получаемыми при переработке каменного угля и нефтепродуктов, например, циклизацией ацетиленовых соединений в присутствии аммиака.
Уровень техники
Для гидрирования пиридина и его производных используют гомогенные катализаторы и металлокомплексы на основе благородных металлов, однако, их существенным недостатком является трудность отделения от реакционной среды (продукта) и невозможность повторного использования. Известен способ гидрирования пиридина и его производных с использованием катализаторов, содержащих наночастицы кобальта, это единственный пример использования неблагородных металлов в каталитическом гидрировании пиридина и его производных [Chen F., Li W., Sahoo B., Kreyenschulte C., Agostini G., Lund H., Junge K., Beller M., Hydrogenation of Pyridines Using a Nitrogen-Modified Titania-Supported Cobalt Catalyst, Angewandte Chemie - International Edition, 2018, 57(44), pp. 14488-14492]. Недостатком указанного способа является недостаточно высокая стабильность катализатора, который теряет свою активность в нескольких последовательных циклах вследствие спекания и укрупнения наночастиц кобальта.
Гетерогенно-каталитическое гидрирование пиридина и его производных преимущественно проводится с использованием катализаторов на основе благородных металлов [Reshma Kokane, Yann Corre, Erhard Kemnitz, Mohan K. Dongare, Francine Agbossou-Niedercorn, Christophe Michon, Shubhangi B. Umbarkar, New J. Chem., 2021, 45, 19572-19583]. Например, в работе [Yu, X., Nie, R., Zhang, H., et al., Microporous and Mesoporous Materials, 2018, 256, pp. 10-17] описаны катализаторы на основе рутения (2,5 вес. %) на мезопористом углеродном носителе, допированном азотом, которые исследованы в гидрировании хинолина при 40°C и 10 атм H2. Частота оборотов для этого катализатора (TOF) составила 71.0 ч−1.
Rh- и Ru-катализаторы показали высокую активность лишь при содержании благородного металла 10 вес. % [Hattori, T., Ida, T., Tsubone, A., et al. Facile arene hydrogenation under flow conditions catalyzed by rhodium or ruthenium on carbon, European Journal of Organic Chemistry, 2015, 2015(11), pp. 2492-2497].
72 различных моно-, би- и триметаллических катализатора на оксидных носителях были испытаны в гидрировании пиридина и хинолина [Beckers, N.A., Huynh, S., Zhang, X., Luber, E.J., Buriak, J.M. Screening of heterogeneous multimetallic nanoparticle catalysts supported on metal oxides for mono-, poly-, and heteroaromatic hydrogenation activity, ACS Catalysis, 2012, 2(8), pp. 1524-1534].
Наночастицы родия размером около 1,5 нм, нанесенные на оксид алюминия, также активны в гидрировании пиридина [Buil, M.L., Esteruelas, M.A., Niembro, S. et al. Dehalogenation and hydrogenation of aromatic compounds catalyzed by nanoparticles generated from rhodium bis(imino)pyridine complexes. 2010, Organometallics, 29(19), pp. 4375-4383; Maegawa, T., Akashi, A., Yaguchi, K. et al. Efficient and Practical Arene Hydrogenation by Heterogeneous Catalysts under Mild Conditions. Chemistry - A European Journal, 2009, 15(28), pp. 6953-6963].
Pd/C, Pt/C, и Rh/C катализаторы с высоким содержанием металлов были изучены в гидрировании пиридинов водородом, выделяющимся через мембрану при in-situ электролизе воды (30-80 атм, 60-80°С) [Irfan, M., Petricci, E., Glasnov, T.N., Taddei, M., Kappe, C.O. Continuous flow hydrogenation of functionalized pyridines. European Journal of Organic Chemistry, 2009, (9), pp. 1327-1334]. Однако, производительность системы была очень низкой, поскольку скорость гидрирования определялась скоростью доставки водорода к катализатору, который был размещен на поверхности картриджа.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является палладиевый катализатор на углеродном носителе для гидрирования пиридинов, свойства которого изучены в гидрировании арилпиридинов различного строения [Barwinski, B., Migowski, P., Gallou, F., Franciò, G., Leitner, W. Continuous-flow hydrogenation of 4-phenylpyridine to 4-phenylpiperidine with integrated product isolation using a CO2 switchable system, Journal of Flow Chemistry, 2017, 7(2), pp. 41-45]. Катализатор представляет собой палладий нанесенный на уголь состава 10 мас.% Pd/C (Evonik AG). Максимальная селективность по фенилпиперидину в гидрировании фенилпиридина составила 96% при конверсии последнего 87%. Катализатор стабильно работал в течение 4 часов.
Все перечисленные катализаторы легко отравляются соединениями азота и дорогостоящие, поскольку содержат значительные количества дорогостоящих металлов (от 2 до 10 вес. %).
Технической проблемой решаемой заявляемым изобретением является создание эффективного катализатора для гидрирования пиридина и его производных, позволяющего повысить селективность процесса при сохранении высокой конверсии гетероциклического соединения, а также повысить стабильность катализатора в последовательных циклах гидрирования пиридина и его производных.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение катализатора для гидрирования пиридина и его производных, с селективностью по полностью гидрированному соединению 96-99% при конверсии гетероциклического соединения 97-99% и стабильностью катализатора не менее 5 часов с использованием последовательных циклов гидрирования.
Технический результат достигается катализатором для гидрирования пиридина и его производных, содержащим биметаллические наночастицы палладия-меди или палладия-серебра со средним размером 2-3 нм на носителе - оксиде алюминия. Содержание палладия составляет 0,5 вес. %. В литературе и патентах отсутствуют примеры, иллюстрирующие применение биметаллических наночастиц, нанесенных на оксид алюминия, для гидрирования пиридина и его производных.
Медь или серебро (1 вес. %) наносят методом пропитки по влагоемкости водным раствором нитрата меди или серебра с последующей сушкой при 100°С в течение 2 часов и прокалкой при 300°С в течение 2 часов. Палладий (0,5 вес. %) наносят методом осаждения с использованием водного раствора PdCl2 с добавлением мочевины, с последующей сушкой при 100°С в течение 2 часов и обработкой водородом при 200°C.
Селективное гидрирование пиридина и его производных проводили в изотермическом режиме во встряхивающем реакторе при 60°C на катализаторах, содержащих наночастицы Pd (катализатор сравнения), Pd-Ag и Pd-Cu, нанесенных на оксид алюминия.
Синтезированные биметаллические катализаторы, нанесенные на оксид алюминия, характеризуются более высокой активностью в селективном гидрировании пиридина и его производных молекулярным водородом по сравнению с монометаллическим катализатором, нанесенным на оксид алюминия. Металлические частицы палладия ответственны за активацию пиридина и его производных и активацию водорода. Таким образом, частицы Pd-Cu и Pd-Ag проявляют синергетический эффект при селективном гидрировании пиридина и его производных.
Осуществление изобретения
Пример 1.
Предварительно измельченные 2 г Al2O3 фракции 0.25-0.5 мм пропитали 1,5 мл водного раствора Cu(NO3)2 (1,42 мл H2O + 0,08 г Cu(NO3)2·3H2O), с последующей сушкой при 100°С в течение 2 часов и прокалкой при 300°С в течение 2 часов. Полученный 1%Cu/Al2O3 пропитали 1,5 мл водного раствора PdCl2 с добавлением мочевины (1,4 мл H2O + 0,01 г PdCl2 + 0,09 г мочевины), с последующей сушкой при 100°С в течение 2 часов и обработкой водородом при 200°C в течение 2 часов. Таким образом был получен образец катализатора 0,5%Pd-1%Cu/Al2O3 (0,5 вес. % палладия и 1 вес. % меди).
Пример 2.
Предварительно измельченные 2 г Al2O3 фракции 0.25-0.5 мм пропитали 1,5 мл водного раствора AgNO3 (1,48 мл H2O + 0,02 г AgNO3), с последующей сушкой при 100°С в течение 2 часов и прокалкой при 300°С в течение 2 часов. Полученный 1%Ag/Al2O3 пропитали 1,5 мл водного раствора PdCl2 с добавлением мочевины (1,4 мл H2O + 0,01 г PdCl2 + 0,09 г мочевины), с последующей сушкой при 100°С в течение 2 часов и обработкой водородом при 200°C в течение 2 часов. Таким образом был получен образец катализатора 0,5%Pd-1%Ag/Al2O3 (0,5 вес. % палладия и 1 вес. % серебра).
Максимальная активность в жидкофазном гидрировании пиридина и его производных (60°С, давление H2 70 атм) наблюдалась для катализатора с размером нанесенных биметаллических наночастиц 2-3 нм. Эта взаимосвязь объяснена наличием низкокоординированных атомов палладия, которые являются активными центрами для активации водорода и адсорбции гетероциклического соединения. Более высокая активность катализаторов, модифицированных серебром и медью объясняется также более высокой дисперсностью и более малым размером частиц палладия, что подтверждается данными XRD и ТЕМ: размеры частиц 2-3 нм для модифицированных катализаторов и 5-10 нм для немодифицированных катализаторов.
Таблица 1. Результаты испытаний катализаторов в реакции гидрирования пиридина в присутствии катализаторов в течение 5 часов, представляющих собой наночастицы Pd, Pd-Ag и Pd-Cu, нанесенные на оксид алюминия (60°С, давление H2 70 атм).
№ п/п Катализатор Конверсия гетероциклического соединения, % Селективность по полностью гидрированному соединению, %
1 1%Pd/Al2O3 (образец сравнения) 85 87
2 0,5%Pd-1%Ag/Al2O3 99 99
3 0,5%Pd-1%Cu/Al2O3 97 99
Таблица 2. Результаты испытаний катализаторов в реакции гидрирования гетероциклических соединений в присутствии катализаторов в течение 5 часов, представляющих собой наночастицы Pd-Ag, нанесенные на оксид алюминия (60°С, давление H2 70 атм).
№ п/п Гетероциклическое соединение Конверсия гетероциклического соединения, % Селективность по полностью гидрированному соединению, %
4 2-Гидроксиэтилпиридин 98 97
5 2,4-Лутидин 99 99
6 2-Метилхинолин 99 99
7 1-Пирролидиноциклопентен-2 98 98
8 н-Изопропилиндол 97 96
9 Индол 99 99

Claims (1)

  1. Катализатор для селективного гидрирования пиридина и его производных, отличающийся тем, что представляет собой нанесенные на оксид алюминия биметаллические наночастицы палладия-меди или палладия-серебра со средним размером 2-3 нм при следующем содержании компонентов: палладия 0,5 вес.%, меди или серебра 1 вес.%, оксид алюминия – остальное.
RU2021139793A 2021-12-29 Катализатор для селективного гидрирования пиридина и его производных и процесс гидрирования пиридина и его производных с использованием катализатора RU2783129C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2783129C1 true RU2783129C1 (ru) 2022-11-09

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2035139A1 (de) * 2006-05-30 2009-03-18 Süd-Chemie Ag Geträgerter nanometallkatalysator und verfahren zu seiner herstellung
RU2532659C1 (ru) * 2013-05-16 2014-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева)" Способ получения катализатора селективного гидрирования органических соединений
US20210253496A1 (en) * 2018-06-07 2021-08-19 Bp P.L.C. Selective Hydrogenation of Polyunsaturates

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2035139A1 (de) * 2006-05-30 2009-03-18 Süd-Chemie Ag Geträgerter nanometallkatalysator und verfahren zu seiner herstellung
RU2532659C1 (ru) * 2013-05-16 2014-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева)" Способ получения катализатора селективного гидрирования органических соединений
US20210253496A1 (en) * 2018-06-07 2021-08-19 Bp P.L.C. Selective Hydrogenation of Polyunsaturates

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Barwinski, B., Migowski, P., Gallou, F., Franciò, G., Leitner, W. Continuous-flow hydrogenation of 4-phenylpyridine to 4-phenylpiperidine with integrated product isolation using a CO2 switchable system, Journal of Flow Chemistry, 2017, 7(2), pp. 41-45. Irfan, M., Petricci, E., Glasnov, T.N., Taddei, M., Kappe, C.O. Continuous flow hydrogenation of functionalized pyridines. European Journal of Organic Chemistry, 2009, (9), pp. 1327-1334. Buil, M.L., Esteruelas, M.A., Niembro, S. et al. Dehalogenation and hydrogenation of aromatic compounds catalyzed by nanoparticles generated from rhodium bis(imino)pyridine complexes. 2010, Organometallics, 29(19), pp. 4375-4383. Maegawa, T., Akashi, A., Yaguchi, K. et al. Efficient and Practical Arene Hydrogenation by Heterogeneous Catalysts under Mild Conditions. Chemistry - A European Journal, 2009, 15(28), pp. 6953-6963. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Metal catalysts for heterogeneous catalysis: from single atoms to nanoclusters and nanoparticles
Haruta Gold as a novel catalyst in the 21st century: Preparation, working mechanism and applications
Epron et al. Catalytic reduction of nitrate and nitrite on Pt–Cu/Al2O3 catalysts in aqueous solution: role of the interaction between copper and platinum in the reaction
Sun et al. Effective control of particle size and electron density of Pd/C and Sn-Pd/C nanocatalysts for vanillin production via base-free oxidation
Bond et al. Catalysis by gold
US7985706B2 (en) Uniformly, highly dispersed metal catalyst and process for producing the same
Calvo et al. Denitrification of water with activated carbon-supported metallic catalysts
EP3322526B1 (en) Improved copper-containing multimetallic catalysts, and method for using the same to make biobased 1,2-propanediol
US11820725B2 (en) Process for catalytic hydrogenation of halonitroaromatics
CN102513104A (zh) 一种苯甲醛类化合物的制备方法及其用新型介孔碳担载的双金属催化剂
EP0091165A1 (en) A silver catalyst and a method for the preparation thereof
NO313622B1 (no) Fremgangsmåte for fremstilling av en Fischer-Tropsch- katalysator
CA2470945A1 (en) Regeneration of catalysts for carbon monoxide hydrogenation
JP7368813B2 (ja) アミド化合物の水素化に用いる水素添加反応用触媒およびこれを用いたアミン化合物の製造方法
US4021374A (en) Selective hydrogenating catalysts and a process for the preparation thereof
Mahdavi-Shakib et al. Hydrogen adsorption at the Au/TiO2 interface: quantitative determination and spectroscopic signature of the reactive interface hydroxyl groups at the active site
JP3363205B2 (ja) ハロゲンニトロ芳香族化合物の選択的水素化のための担体付変性貴金属触媒およびその製造方法
KR100966947B1 (ko) 시클로올레핀의 제조 방법
Álvarez-Rodríguez et al. Modifications of the citral hydrogenation selectivities over Ru/KL-zeolite catalysts induced by the metal precursors
RU2783129C1 (ru) Катализатор для селективного гидрирования пиридина и его производных и процесс гидрирования пиридина и его производных с использованием катализатора
RU2783193C1 (ru) Катализатор, модифицированный хитозаном, для селективного гидрирования пиридина и его производных и процесс гидрирования пиридина и его производных с использованием катализатора, модифицированного хитозаном
Geng et al. Influence of the defects on selective hydrogenation of cinnamaldehyde to cinnamyl alcohol over UiO-66 supported Pt catalysts
CA2409018A1 (en) Method for the epoxidation of hydrocarbons
CN104549254A (zh) 己二酸直接还原制1,6-己二醇的催化剂
RU2294240C2 (ru) Способ приготовления нанесенных полиметаллических катализаторов (варианты)