微膠囊化的催化劑的製作方法

2023-05-26 09:29:21 2

專利名稱：微膠囊化的催化劑的製作方法
技術領域：
本發明涉及催化劑體系。具體地，本發明涉及封裝於聚合物殼或基質中的金屬或合金形式的催化劑。更具體地，本發明針對的是在空氣中可自燃的或可反應的和/或易被氧化的反應性催化金屬。具體地，本發明涉及鎳基催化劑。
背景技術：
雷尼鎳或海綿鎳具有高度危險性自燃固體、燃燒時產生有害氣體、刺激呼吸道和鼻腔、如果吸入會導致肺纖維化、食入可導致驚厥和腸道疾病、刺激眼睛和皮膚、並且長期暴露可導致肺炎和致敏(「鎳癢症」)。本發明提供的金屬催化劑避免了這些問題並具有良好的貯藏壽命及使用壽命。最近歐洲法規規定新藥產品所含有的殘留金屬催化劑應當少於百萬分之五。因此，急需不以金屬殘留物汙染產品或廢物流的清潔催化劑體系。儘管海綿鎳的危害性造成了許多運作上的困難，但它仍然廣泛地用作各種有機合成的催化劑。最常見的是用於加氫反應，因為其能有效地實現特定的轉化。鎳作為催化劑所帶來的其它問題包括海綿鎳的危害性。這意味著該催化劑會給用戶帶來顯著的安全性和操作性問題。另外，最近波動的鎳價意味著這種催化劑不再是一個可靠的廉價選擇。微膠囊化的催化劑體系在現有技術中已有描述。WO 03/006151描述了膠囊化的催化劑體系及其生產方法。具體地，該公開描述了可用於偶聯反應的鈀基膠囊化催化劑。這些鈀基體系最常見的是通過乙酸鈀的微膠囊化衍生得到的。WO 2005/016510描述了一種在配體存在下將金屬催化劑微膠囊化的方法。該公開描述了配體的使用可以減少在膠囊化過程中催化劑的浸出。WO 2007/096592公開了一種製備微膠囊化的催化劑的方法。該公開具體地涉及鈀基催化劑的製備及其應用。在該方法中，可以分別將金屬源和配體源膠囊化以原位生產活性催化劑品種。該配體的例證是聚合物配體。該公開中的最終催化劑品種是金屬-配體絡合物或化合物。WO 2005/016510描述了一種生成多孔聚合物微球的方法，該多孔聚合物微球和非強制選擇地添加的配體一起用來包埋金屬催化劑。選擇該配體使其可以與金屬催化劑相互作用以形成新的金屬-配體催化劑品種。該微球是在連續相中通過分散的單體與待膠囊化的材料的界面聚合反應來形成的。US 3594666描述了一種用於微膠囊化非均相催化劑的體系。現有技術也論述了為便於金屬催化劑(如海綿鎳催化劑)的應用而改變其特性的可能性。GB 2052296描述了通過將微粒雷尼催化劑包封於固體蠟中，以製備非自燃性雷尼催化劑的方法。儘管這產生了包封於可緩和物質的自燃性的蠟、脂肪或有機聚合物的顆粒，但其覆蓋層並非是永久性的且在反應時必須去除。但是，在去除之前，該覆蓋層阻止了反應介質與催化劑接觸。此外，覆蓋層材料隨後會汙染反應混合物。由於經常地高負荷量地使用海綿鎳，該汙染可能會非常顯著。因為在最終產品中殘留大量微量鎳的可能性以及要去除相應大量的蠟或包封材料的問題，這種類型的催化劑對於製藥和精細化學應用是不可接受的。US 4895994描述了一種在固體聚合物載體中生成雷尼催化劑的方法。該聚合物粘合催化劑是通過將雷尼合金與高分子量的聚合物及非強制選擇的增塑劑混合、然後通過將混合物擠壓或切割成形而形成的。再次，鎳被包埋於固體聚合物中且在去除之前反應介質不能與該鎳接觸。然後可以使用氫氧化鈉溶液處理以活化該催化劑，從而得到聚合物粘合活性催化劑。或者，可通過鍛燒去除聚合物，再活化以便產出高度特定成形的雷尼鎳催化劑。該體系的一個問題是，因為聚合物是非交聯的，所以其可能會被某些反應溶劑溶解或軟化而可能過早地將鎳催化劑釋放至溶液中。該反應也可能受限於聚合物的低孔隙率，其會影響對催化劑的可接近性。另外，在成形的催化劑的表面不可避免的會存有一些金屬，而這增加了金屬浸出的風險或使反應過早地開始。在一種方法中，提供了市售的固體1/2立方體形式的非自燃的氨基包覆金屬催化劑。這些催化劑是經活化且其中的水分已經被脂肪胺所替換的海綿金屬膠囊化的催化劑。 將其加入至目標溶劑中後，會釋放出催化劑粉末。由於海綿金屬催化劑未與包覆層交聯，因此會將胺釋放至溶液中。一旦釋放曝露出海綿金屬，所述胺包覆層就會汙染反應混合物。在WO 2006/007007描述的不涉及Ni催化劑的相關技術中，用聚乙烯基吡啶來包覆鈦沸石催化劑。其為被聚合物薄層所包圍的固體沸石顆粒的懸浮液，所述聚合物薄層是通過凝聚方法或通過在顆粒周圍的原位界面聚合反應而形成的。這些催化劑用於烯烴環氧化。各種現有技術體系都有其自身的一系列問題。因此，需要一種方便、可靠、操作安全且經濟的催化劑體系。過渡金屬化合物或其它金屬的化合物並非能夠催化所有的反應。然而，反應活性和/或其它處理問題意味著先前沒有可能製備本發明所設想的適合類型的金屬催化劑。公知的催化劑可能具有各種尺寸和形狀的顆粒，這會導致催化性能的不一致性。這有多種原因，包括生產具有所需尺寸和形態一致的金屬顆粒較困難、且事實上，金屬不溶於任何常規的反應介質。這使得製備均勻一致的催化材料較困難。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種方便且危害性較小的催化劑體系。該催化劑應當易於製備和使用。另一個目的是提供一種降低了金屬相對量的催化劑體系。又一個目的是提供一種相對廉價且經濟的催化劑。再一個目的是生產一種能夠用於許多化學反應而不會導致在最終產品中出現過量殘留催化劑的催化劑體系。又一個目的是生產能夠容易地從反應中回收的催化劑。理想地，該催化劑體系能再利用和/或回收利用。本發明達到了上述一些或所有目的。一方面，本發明提供了一種微膠囊化的金屬催化劑體系，該催化劑體系包含至少一種金屬和/或至少一種金屬合金以及可使液體透過的聚合物微球，其中該或每種金屬和 /或金屬合金保持在聚合物微球內部，但通過流體與外部連通，並且其中該或每種金屬和/ 或金屬合金未與配體結合或鍵合。從而聚合物材料形成可透過(液體)的微球壁並且提供一個或多個用於保持催化劑材料的空腔。當首次微膠囊化時，金屬或金屬合金優選不是催化活性形式。金屬或金屬合金是使用適合的試劑通過體系的反應來活化的，從而形成應用於所選擇反應的最終催化劑。用來形成最終催化劑的試劑可以是例如酸或鹼。優選的活化劑為鹼。術語「微膠囊化」可以是指生成可具有非常不同特性產品的過程。「微膠囊」通常是指核-殼體系，其中膠囊化的核由薄的聚合物外殼所包圍。通常設計這些體系以便在殼破裂時用來釋放核心材料(香料、活性化合物等)。術語「微球」在本文中用於描述本發明的微膠囊化的金屬催化劑體系，其是用來描述這樣一種體系，其中連續的聚合物基質組成了包裝所述膠囊化的材料的顆粒。該或每種金屬和/或金屬合金未與配體結合，且存在於不含作為催化劑體系一部分的任何配體的聚合物微球的內部。因此，該催化劑品種中的金屬處於氧化態為零的狀態。 當存在金屬合金且用於催化劑品種時，其中的金屬組分也是處於氧化態為零的狀態。可以從金屬前體獲得所述金屬或金屬合金。其可以是合金混合物的形式。例如，所述金屬可以是雷尼鎳。所述金屬合金可以是雷尼鎳前體，例如鋁鎳合金。用來製備海綿金屬催化劑的最常用的金屬為鎳、銅、鈷和鐵。這些材料通常被稱為海綿或骨架金屬催化劑； Raney Nickel (雷尼鎳)是 W. R. Grace 的商標。因此，在一個實施方案中，封裝於微球中的金屬催化劑是海綿形式的。在另一個實施方案中，該催化劑是以離散顆粒的形式容納於微球中。現在我們公開一種用於生成含有鎳催化劑合金固體顆粒的微球的方法。通過其後對含有微球的催化劑的活化，生產出了活性海綿鎳催化劑。因此，該活性催化劑是原位生成的。這可在準備應用於反應中時來完成。本發明的催化劑的一個優勢在於膠囊化的反應性催化劑(如雷尼鎳)可以是以更易於處理、使用與處置更加安全的形式來提供。在沒有聚合物殘留物或蠟等汙染反應介質的情況下實現了前述目的。本發明的催化劑也克服了金屬浸出的問題，而這樣的問題在許多現有技術體系中普遍存在。因此，在本發明的一個實施方案中，封裝了作為金屬前體的金屬合金，例如細碎的鎳鋁合金。這可以通過下述的膠囊化步驟之一來實現。然後當使用強鹼處理膠囊化的合金時，就可以生產出活性鎳催化劑。這可以溶解鋁而留下細粉催化劑形式的鎳。所述鎳完全地被保留於多孔聚合物基質中。而該聚合物的固相中不含任何的鎳。在一個實施方案中， 由此產生的鎳在整個聚合物微球中具有均勻的顆粒分布。鎳合金是用於膠囊化特別優選的候選物。可供選擇地，在另一個實施方案中，通過封裝可容易分解的金屬化合物(即，金屬前體)，可以將金屬(如，鎳或其它反應性金屬)製備成為微膠囊化的形式。可以通過應用熱、光或其它光化輻射來分解金屬化合物或合金。其它適合的催化材料皆為那些從元素鈧、鐿及鑥為起始的三種「d區」過渡金屬系列元素。用於形成最終金屬或金屬合金催化劑的優選的元素包括鈷、銠、銥、鎳、鈀、鉬。特別地優選鎳、銅、鈷、鐵、鈀和鉬，而鎳是最為優選的。
在另一個供選擇地實施方案中，所述金屬已經是活性形式的或經簡單封裝的。在另一個實施方案中，所述金屬、金屬合金或前體金屬化合物都經過認真地挑選，以便由此生成的金屬具有較小的粒度範圍和/或均勻的粒度分布。公知的去活海綿金屬催化劑的途徑包括高度多孔海綿結構的塌縮。本發明催化劑的另一個優勢在於聚合物基質能夠支撐多孔金屬結構。這可防止多孔金屬結構的塌縮，從而減少了去活途徑。從而該催化劑相對於公知的海綿金屬催化劑具有延長的使用壽命。術語「微膠囊化的」是指包含於透過性聚合物基質中的催化劑。這是指含有催化劑的聚合物基質本身是微膠囊的形式，該微膠囊是例如由以下更加詳細描述的技術之一形成的。由此類技術形成的微膠囊一般呈球形或塌縮球形，並且其平均直徑為1 1000微米， 優選地為25 500微米，特別優選地為50 300微米。聚合物微膠囊基質的透過性程度為待催化的反應介質能夠接觸到所封裝的催化劑。可以使用各種工藝以將材料微膠囊化。這些工藝可以分為三大類(a)物理方法， (b)相分離法和(c)界面反應法。在物理方法大類中，將微膠囊壁材與核心顆粒實際上匯聚在一起，然後壁材環流在核心顆粒周圍形成微膠囊。在相分離法大類中，微膠囊是通過將核心材料乳化或分散在不互溶的連續相中形成的，其中溶解有壁材，並且通過例如凝聚使其實際上與連續相相分離並沉積在核心顆粒的周圍。在界面反應法大類中，將核心材料乳化或分散在不互溶的連續相中，然後使其在核心顆粒表面發生界面聚合反應，進而形成微膠
^ ο我們發現，在關於製備金屬-配體催化劑體系的現有技術中，描述的用於將金屬本身或金屬前體微膠囊化的步驟，也可以用於製備本發明的膠囊化的金屬催化劑。適合的微膠囊化技術的這些公開包括WO 2003/006151、WO 2005/016510和WO 2007/096592。這些體系構成本發明的一部分。為簡潔起見，這些公開的內容在此沒有完全複述。但是，具體的意圖為只要這些公開的內容涉及到微膠囊化工藝以及適當的聚合物材料，則皆以引用的方式納入此處。換言之，以上提及的這些文獻中所描述的微膠囊化技術及材料，其特別地構成本發明關於製備膠囊化的金屬催化劑的公開的一部分。有各種類型的界面聚合技術，但都涉及在乳化體系中在分散相與連續相的界面上的反應。典型地，分散相為油相，而連續相為水相，但是在連續油相和分散水相界面上的界面聚合反應也是可能的。從而，例如將油相或有機相分散於包含水及表面活性劑的連續水相中。通過乳化作用將有機相以離散液滴的形式分散於整個水相中，同時在離散有機相液滴和周圍的連續水相溶液間形成了界面。在該界面上的聚合反應形成圍繞分散相液滴的微膠囊殼。在一類界面縮合聚合微膠囊化過程中，分別包含於油相和水相中的單體集合在油 /水界面上，並在其上通過縮合反應形成微膠囊壁。在另一類聚合反應(原位界面縮合聚合反應)中，所有的成壁單體都包含於油相中。可以通過將乳化液加熱至約20°C 約100°C 的溫度和非強制選擇地調節PH，以引發成壁材料的原位縮合反應及有機-水相界面上的聚合物的固化。保持足夠長的加熱時間以使預聚合物的原位縮合反應基本完成，從而將有機液滴轉化為由固體滲透性聚合物基質組成的且截留有所述有機核心材料的膠囊。通過原位縮合製備的且本領域所公知的一類微膠囊例證於US 49561 和US 5332584。該公開只涉及膠囊化過程，也構成本發明的一部分。這些微膠囊，通常稱為「氨基塑料」微膠囊，是通過使用C4-Cltl醇(優選正丁醇)醚化了約50% 約98%羥甲基基團的醚化脲-甲醛樹脂或預聚合物的自縮合和/或交聯反應製備的。將預聚合物加入至或包含於油/水乳液的有機相中。在低PH以及非強制選擇地加熱下發生預聚合物的自縮合反應。 為形成微膠囊，將兩相乳液的溫度提高至約20°C 約90°C，優選地為約40°C 約90°C，最優選地為約40°C 約60°C。根據體系，可以將pH值調節至一個合適的水平。對於本發明的目的而言，合適的PH為約1.5 3。如US 4觀5720(同樣以引用的方式併入作為本發明的一部分)中所述，最適用於本發明的預聚合物是部分醚化且在有機相中溶解度很高而在水中溶解度較低的脲-甲醛預聚合物。市售醚化脲-甲醛預聚合物的乙醇溶液或它的乙醇與二甲苯混合物溶液。優選的市售預聚合物包括BIP生產的Beetle醚化脲醛樹脂(例如，BE607、BE610、BE660和 BE676)或 Dyno Cyanamid 生產的 Dynomin 正丁基化脲醛樹脂(如，Dynomin UB-24-BX, UB-90-BX 等)。可以將能夠有助於微膠囊形成的酸聚合催化劑放置於水相或有機相中。當核心材料疏水性過強時，通常需要使用酸聚合催化劑，因為它們能夠將質子引向有機相。任何對有機相具有高親和力的水溶性酸聚合催化劑都可以使用。特別有用的是羧酸和磺酸。另一類通過原位縮合製備的且本領域公知的微膠囊，如US 4285720(同樣以引用的方式併入作為本發明的一部分)中所例舉的聚脲微膠囊，其涉及至少一種聚異氰酸酯作為成壁材料，例如聚亞甲基聚苯基異氰酸酯(PMPPI)和/或甲苯二異氰酸酯(TDI)。在聚脲微膠囊的形成中，成壁反應一般是通過將乳化液加熱至高溫而引發的，在該高溫上一部分異氰酸酯基在界面上水解成胺，而所述胺轉而與未水解的異氰酸酯基反應形成聚脲微膠囊壁。在異氰酸單體的水解過程中，釋放出二氧化碳。一旦完成了在連續液相(即，水相)中建立有機相液滴的分散過程，就不需要添加其它任何反應物。此後，優選適度攪拌所述分散液，通過加熱連續液相或通過引入能夠增加異氰酸酯水解速率的聚合催化劑(例如，烷基錫或叔胺)，就可以引起聚脲微膠囊的形成。有機相的量可以是反應容器中水相體積的約 約75%。按體積計，優選的有機相量為約10% 約50%。在此過程中所使用的有機聚異氰酸酯包括芳香族和脂肪族單和多官能異氰酸酯。合適的芳香族二異氰酸酯和其它的聚異氰酸酯的實例包括如下 1-氯-2，4-亞苯基二異氰酸酯、間苯二異氰酸酯(及其氫化衍生物)、對苯二異氰酸酯(及其氫化衍生物)、4，4'-亞甲基雙(苯基異氰酸酯)、2，4_甲苯二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯(60<%2，4-異構體，40%2，6-異構體)、2，6-甲苯二異氰酸酯、3，3' -二甲基_4，4'-聯苯二異氰酸酯、4，4'-亞甲基雙O-甲基苯基異氰酸酯)、3，3' -二甲氧基_4，4'-聯苯二異氰酸酯、2，2' ,5,5'-四甲基-4，4'-聯苯二異氰酸酯、80% 2，4-和20% 2，6-甲苯二異氰酸酯的異構體混合物、聚亞甲基聚苯基異氰酸酯(PMPPI)、1，6_六亞甲基二異氰酸酯、異氟爾酮二異氰酸酯、四甲基二甲苯二異氰酸酯和1，5_萘二異氰酸酯、基於六亞甲基二異氰酸酯的親水性脂肪族聚異氰酸酯(例如，Bayhydur 3100,Bayhydur VP LS2319和 Bayhydur VP LS2336)以及基於異氟爾酮二異氰酸酯的親水性脂肪族聚異氰酸酯(例如， Bayhydur VP LS2150/1)。將上述聚異氰酸酯組合使用是可取的。優選的聚異氰酸酯是聚亞甲基聚苯基異氰酸酯(PMPPI)和聚亞甲基聚苯基異氰酸酯(PMPPI)與甲苯二異氰酸酯或其它雙官能芳香族或脂肪族異氰酸酯的混合物。另一類聚合物前體由主要為油溶性的組分和主要為水溶性的組分組成，二者在水 /油界面上一起經歷界面聚合反應。這類前體的代表是例如以上例舉的油溶性異氰酸酯和例如乙二胺和/或二亞乙基三胺的水溶性多胺，以確保擴鏈反應和/或交聯反應能夠發生。 可以通過增加胺的官能度來實現交聯變量。因而，例如，如果用多官能團的胺例如DETA(二亞乙基三胺)、TEPA (四亞乙基五胺)和其它確實的交聯胺來取代乙二胺，則交聯度增加。可以通過將單體異氰酸酯例如甲苯二異氰酸酯改變為PMPPI來改變異氰酸酯的官能度(並且從而改變了交聯度)。也可以使用異氰酸酯的混合物，例如甲苯二異氰酸酯與PMPPI的混合物。另外，其化學物質可以是芳香族異氰酸酯和脂肪族異氰酸酯，例如六亞甲基二異氰酸酯和異氟爾酮二異氰酸酯。可以通過將部分(多)異氰酸酯與多元醇反應以在異氰酸酯化學體系內生成適量的聚氨酯以實現進一步改性，從而使壁化學物質具有不同的性質。例如，適合的多元醇可包括簡單的低分子量脂肪族二元醇、三元醇或四元醇或高分子多元醇。所述高分子多元醇可以是任何類型的高分子多元醇，例如聚醚、聚四氫呋喃、聚碳酸酯、聚酯和聚酯醯胺。本領域技術人員知道許多其它可用於生產乳化液液滴聚合物壁的化學物質。除了所述確定的異氰酸酯/胺反應以生產聚脲壁化學物質之外，可以採用這項技術的改進， 包括例如其中的異氰酸酯的水解產生胺，而該胺可進一步進行內部反應以生成聚脲化學物質(例如，如USP 4觀5720中所述)。交聯度的變化可以通過改變單體異氰酸酯與高分子異氰酸酯的比例來達到。與以上所述的常規異氰酸酯技術一樣，本實施方案中可以使用任何可選擇的異氰酸酯。本領域技術人員知道前述用於生產聚脲微膠囊的各種方法通常會留下未反應的胺(通常為芳香族胺)基，這些未反應的胺基附著在聚合物基質上。在某些情況下，將這些胺基轉化為本質上惰性的管能團可能是有利的。優選的方法是，在有機溶劑中通過微膠囊的後期反應分別用單異氰酸酯、酸性氯化物或氯甲酸酯將這些胺基轉化為尿素、醯胺或尿焼基。US 6020066(轉讓給Bayer AG)公開了另一種微膠囊的形成方法，其中微膠囊壁具有聚脲和聚亞胺基脲，所述壁的特徵在於其由含有NH2基團的交聯劑與異氰酸酯的反應產物組成。成壁反應所需的交聯劑包括二元胺或多元胺、二元醇、多元醇、多官能氨基醇、 胍、胍鹽、以及由其衍生的化合物。這些試劑能夠在相界面上與異氰酸酯基發生反應從而形成壁。優選的微膠囊材料是如US似85720中所述形成的聚脲或如US 49561 所述的脲-甲醛聚合物。再次強調，這些文獻的教示只涉及適用於形成微膠囊的材料。聚脲是優選的，因為該微膠囊是在非常溫和的條件下形成的，並且不需要酸性PH值以促進聚合反應， 因而其適用於封裝酸敏感的催化劑。用於微膠囊的最優選的聚合物類型是US似85720中所述的聚脲，其單獨基於PMPPI聚異氰酸酯，或者PMPPI聚異氰酸酯與其他芳香族雙或多官能異氰酸酯的組合。以上所述的微膠囊技術最常見的包括將分散於水連續相中的油相微膠囊化，而對於這樣的體系，適合的催化劑能夠懸浮在微膠囊化的油相中，或更優選地可溶於適合在微膠囊化技術中用作分散相的水-不混溶有機溶劑中。但是，本發明的範圍不局限於水包油微膠囊化體系的使用，並且可以通過油包水乳化體系的界面微膠囊化來封裝水溶性催化劑。還可以通過水包油包水乳化體系的界面微膠囊化來封裝水溶性催化劑。優選地將金屬催化劑、溶劑和成壁材料作為單獨的有機相分散於連續水相中。微膠囊化的催化劑的填充量是可以變化的。典型的微膠囊化的催化劑的填充量為0. Olmmol/g 0. 8mmol/g，其中填充量基於金屬含量。優選的填充量為0. 2mmol/g 0. 6mmol/g。基於金屬質量與微膠囊的質量比，微膠囊化的金屬或金屬合金的填充量在本發明中相當高，其範圍為lwt% 40wt%。其優選的填充量為5wt% 30wt%。可用於促進乳化液的形成的表面活性劑的典型實例包括a)烷基(例如，辛基、壬基或多芳基)酚與環氧乙烷和非強制選擇的環氧丙烷及其陰離子衍生物(例如，相應的醚硫酸酯、醚羧酸酯和磷酸酯)的縮合物；聚環氧乙烷和聚環氧丙烷的嵌段共聚物，例如以PLUR0NIC商標市售的一系列表面活性劑(PLUR0NIC是BASF的商標)；b) TffEEN (吐溫)表面活性劑，包含一系列山梨醇酐酯與各種摩爾比例的環氧乙烷縮合而成的一系列乳化劑；c)C8 C3tl烷醇與2 80摩爾比的環氧乙烷和非強制選擇的環氧丙烷的縮合物； 和d)聚乙烯醇，包括其羧酸化及磺化的產品。另外，水相也可含有作為分散過程或反應過程的助劑的其它添加劑。例如，可以添加消泡劑以減少泡沫的產生，特別是由於氣體逸出產生的泡沫。本領域技術人員可以想到適用於油相的大量材料。實例包括柴油，異鏈烷烴，芳烴熔劑，特別是烷基取代的苯例如甲苯、二甲苯或丙苯組分，和混合的萘與烷基萘組分；礦物油，白油，蓖麻油，葵花籽油，煤油，脂肪酸的二烷基醯胺，尤其是脂肪酸如羊脂酸的二甲基醯胺；氯化脂肪烴和芳香烴，如1，1，1-三氯乙烷和氯苯；乙二醇衍生物的酯，例如正丁基、乙基或二甘醇的甲基醚的乙酸酯；二丙二醇甲基醚的醋酸酯；酮，例如甲乙酮、甲基異丁基酮、異佛爾酮和三甲基環己酮(二氫異佛爾酮)；醚，例如甲基叔丁基醚和環戊基甲基醚以及乙酸酯類產品如乙酸乙酯、乙酸己酯或乙酸庚酯。用於微膠囊化過程中的有機液體通常優選二甲苯、柴油、異鏈烷烴和烷基取代的苯。除了催化劑或催化劑前體，油相還可以包括非配位分散劑以協助通過油相均勻分布顆粒材料。典型的實例包括Solsperse 32000和EFKA-4401。微膠囊的成壁材料例如可以是單體、低聚物或預聚合物，且可在界面上通過原位聚合和/或固化成壁材料以發生聚合反應。或者，可以將通過連續相添加的第一成壁材料和非連續相中的第二成壁材料集合在一起以發生聚合反應。令人驚訝的是，我們還發現，儘管在聚合物基質內部的金屬上沒有配體或金屬沒有結合配體，所述金屬仍然可以保持在微球中，即在反應中和反應結束後保持微膠囊化，所述配體通常與聚合物基質相互作用以防止金屬催化劑的浸出。因此，使用本發明的催化劑在反應中很少或不會損失金屬。這與預料的正相反，因為相信在鎳與聚合物微球之間不存在化學鍵。這是一個重大的性能優勢，尤其是催化生產活性藥物或活性藥物中間體的反應。 從而，本發明催化的反應能夠達到目前在最終藥品中的金屬雜質水平的嚴格指標。為了不被理論所束縛，通常認為在微膠囊的聚合物基質中聚合物配體緊緊地結合在一起，從而使催化劑保留在微膠囊中。這種結合可以通過空間相互作用(例如鏈纏結或極大降低的較大分子的擴散速率)或通過化學鍵合形成，例如離子鍵、靜電鍵或通過與微膠囊殼或其構成(如單體或預聚合物)聚合形成的共價鍵。這種相互作用在本發明的催化劑中不存在。儘管如此，細碎的金屬保持在由聚合物基質所限定的空間中。從而，金屬顆粒不會像常規催化劑一樣汙染反應產物。令人驚訝的是，我們還發現，微膠囊的聚脲基質足以耐受強鹼環境，該環境用於在活化膠囊化的合金以形成在選擇的反應中具有催化劑功能的金屬或金屬合金中。此外，我們發現在經歷了活化步驟和在化學轉化中活化的膠囊化催化劑粒子的使用後，微球保留了它們的結構完整性。因而，相對於公知的催化劑，其壽命得以延長。所述催化劑的另一個技術優勢在於它們可以回收且(經過適當地洗滌後)能在隨後的反應中重複使用。在終末期，金屬可以被回收和循環利用。這相對於現有技術的催化劑是一個巨大的優勢。另一項優勢是改善了催化劑的安全性。初步危害性研究表明沒有自燃跡象。相對於常規催化劑，這是一個顯著的優勢，因而可以更安全的存貯、操作、回收和處置。在某些情況下，被封裝的金屬催化劑可提高界面聚合反應的速率。在這種情況下， 在分散有機相時，將該有機相和連續水相之一或兩者都冷卻可能是有利的，如此就可較大程度地防止界面聚合反應。只要達到所需的有機液滴粒度，就可以通過可控的方式加熱以引發反應。例如，在某些反應中，在加入油相之前可將水相冷卻至10°C以下，通常為5°C 10°C，當有機相分散完之後，可將水相溫度加熱提高至15°C以上以引發聚合反應。根據本發明的另一方面，提供了一種用於製備微膠囊化的催化劑的方法，其包含在金屬、金屬合金或金屬前體存在下通過界面聚合反應形成基質微球。在此方法中形成的膠囊化催化劑為如上所述的催化劑。因此，本發明的方法包含如下步驟(a)非強制選擇地在分散劑存在下，但在沒有任何結合或未結合配體存在下，將至少一種金屬和/或金屬合金分散至第一相，(b)將該第一相分散至第二連續相中以形成乳化液，(c)在該分散的第一相和該第二連續相的界面上，使一種或多種微膠囊成壁材料反應，從而形成封裝該分散的第一相核心的微膠囊聚合物殼，並且非強制選擇地(d)從該連續相中回收微膠囊。本發明的催化劑的另一個顯著的優勢在於，在金屬催化劑如鎳的活化中生成的金屬粒度具有均勻性。由於金屬顆粒物理包埋於聚合物基質中，因此其無法聚集、結合或熔結形成更大的顆粒，而在常規海綿鎳催化劑中可發生這種過程。這意味著，該催化劑以一致的且可預料的方式運作。使用本發明的催化劑進行的反應預期以更加均勻的速率進行。類似地，在反應中生成的放熱量更可控。對於在工業規模上進行的反應，這一點尤為重要。具有嚴格控制粒度的膠囊化鎳催化劑的優勢以前在本領域中並未認知。本發明的催化劑在各種反應中都很有用，尤其是在藥物活性成分和中間體的生產中。最近歐洲法規中規定新藥產品中所含的金屬催化劑殘留應當低於百萬分之五。同樣地，FDA對活性藥品中的金屬殘留水平提出了嚴格規定。因而，相對於公知的催化劑，本發明的催化劑提供了一個更加潔淨的催化體系， 其不會因金屬殘留而汙染產物或廢物流。
現對本發明的膠囊化鎳催化劑及其製備方法的概要進行以下描述。為便於引用， 催化劑在下文中稱為Ni EnCat。
具體實施例方式通用步驟使用Varian Saturn 2100T GC/MS 儀器和 FactorFour VF-5MS 30 mX 0.25mm 毛細柱進行GCMS分析。通過GCMS分析對產品進行鑑定及定量，使用峰面積比積以確定相對產率。使用Waters Alliance 2695 LC系統、紫外檢測器在190 400nm下進行HPLC分析。用Thermo-Jarrell-Ash Atom Scan 16進行ICP分析，用已知濃度的標準品進行校正以測定未知樣品的產品金屬含量。通用膠囊化方法將分散劑溶解在有機相中(例如氯仿)，基於待封裝金屬合金的目標質量，該有機相的填充量為1 20wt%。基於微球的目標聚合物含量，加入填充量為1 40wt%的金屬或金屬合金。將此懸浮液攪拌10 30分鐘。向懸浮液中加入所需量的多官能團異氰酸酯以在產品中生成期望的多孔性，通常為最終EnCat珠子中的聚合物含量的30%。單獨製備出由穩定劑/表面活性劑組成的水相。在高剪切速率下攪拌此溶液，並有幾分鐘內加入油相。然後降低剪切速率，將微球置於室溫下若干小時、隨後在45°C下至少一個小時以固化。傾析出水相，並用水通過傾析洗滌珠子兩次。通過過濾收集封裝的金屬或金屬合金並溼水存貯。實施例I-IKg規模鎳-鋁合金的膠囊化對於理論上的1. 33kg批量，需要以下原材料，於50%溼水條件下，其產出大約 2. Ig珠子。
權利要求
1.一種微膠囊化的金屬催化劑體系，該催化劑體系包含至少一種金屬和/或至少一種金屬合金以及可使液體透過的聚合物微球，其中該或每種金屬和/或金屬合金保持在聚合物微球內部，但通過流體與外部連通，並且其中該或每種金屬和/或金屬合金未與配體結合或鍵合。
2.如權利要求1所述的金屬催化劑體系，其中該或每種金屬或金屬合金不是催化活性形式。
3.如權利要求2所述的金屬催化劑體系，其中最終形成催化劑的該或每種金屬或金屬合金是通過試劑活化的，優選其中該試劑為酸或鹼。
4.根據前述權利要求任一項所述的金屬催化劑體系，其中存在的該或每種金屬或金屬合金處於氧化態為零的狀態。
5.根據前述權利要求任一項所述的金屬催化劑體系，其中該或每種金屬獨立地從包含鐵、釕、鋨、鈷、銠、銥、鎳、鈀和鉬的組中選出。
6.如權利要求5所述的金屬催化劑體系，其中該金屬為鎳，或其中該金屬合金包含鎳。
7.根據前述權利要求任一項所述的金屬催化劑體系，其中該金屬催化劑以海綿形式封裝於微球中。
8.根據前述權利要求任一項所述的金屬催化劑體系，其中該微膠囊化的金屬或金屬合金的填充量為 40wt%，其中填充量是基於金屬質量與微膠囊質量的比。
9.根據前述權利要求任一項所述的金屬催化劑體系，其中用於形成微球的壁的材料從包含單體、低聚物或預聚合物的組中選出。
10.根據前述權利要求任一項所述的金屬催化劑體系，其中該聚合物微球為聚脲或脲-甲醛聚合物。
11.如權利要求10所述的金屬催化劑體系，其中該聚合物微球是由聚亞甲基聚苯基異氰酸酯和/或甲苯二異氰酸酯形成的聚脲。
12.—種製備微膠囊化的催化劑的方法，包括在金屬、金屬合金或金屬前體存在下通過界面聚合反應形成基質微球。
13.如權利要求12所述的方法，包括如下步驟(a)非強制選擇地在分散劑存在下，但在沒有任何結合或未結合配體存在下，將至少一種金屬和/或金屬合金分散至第一相，(b)將該第一相分散至第二連續相中以形成乳化液，(c)在該分散的第一相和該第二連續相之間的界面上，使一種或多種微膠囊成壁材料反應，從而形成封裝該分散的第一相核心的微膠囊聚合物殼，並且非強制選擇地(d)從該連續相中回收微膠囊。
14.權利要求1 11任一項所述的金屬催化劑體系催化化學反應的應用。
全文摘要
本發明涉及一種催化劑體系。具體地，本發明涉及封裝於聚合物殼或基質中的金屬或合金形式的催化劑。更具體地，本發明針對的是在空氣中可自燃的或可反應的和/或易被氧化的反應性催化金屬。具體地，本發明涉及鎳基催化劑。雷尼鎳或海綿鎳具有高度危險性自燃固體、燃燒時產生有害氣體、刺激呼吸道和鼻腔、如果吸入會導致肺纖維化、食入可導致驚厥和腸道疾病、刺激眼睛和皮膚、並且長期暴露可導致肺炎和致敏(「鎳癢症」)。本發明提供的金屬催化劑避免了這些問題並具有良好的貯藏壽命及使用壽命。
文檔編號B01J25/02GK102316972SQ201080008241
公開日2012年1月11日 申請日期2010年2月12日 優先權日2009年2月18日
發明者M·尼薩爾, T·E·O·斯克林 申請人:裡艾克沙有限公司