可調控金屬粒度的催化劑及其在控制立體構型中的應用的製作方法

2023-05-26 23:29:46 1

專利名稱：：可調控金屬粒度的催化劑及其在控制立體構型中的應用的製作方法
技術領域：
：本發明涉及碳碳雙鍵潛手性底物(如異佛爾酮)不對稱催化氫化反應，具體地說是一種可調控活性金屬粒度的催化劑及其在控制產物立體構型中的應用。
背景技術：
：隨著科學技術的發展和人類生活水平的提高，人類對生命的重視和對藥物的要求亦越來越高。近年來，特別是最近10年來手性藥物的合成已經成為世界各國十分重視的一個領域。對手性化合物的迫切需要，是不對稱催化研究的強大動力。不對稱催化是將潛手性底物選擇性地轉化為手性產物的最有效手段，需要極少的手性催化劑就可得到大量的手性化合物，成為合成光學活性化合物最為有效的手段之一。不對稱催化體系包括均相不對稱催化和多相不對稱催化。多相不對稱催化除了具備反應體系易於分離、催化劑易回收使用等優點外，還可以利用催化劑顆粒表面的不對稱性和微孔中的立體選擇性來控制光學選擇性，近年來在基礎研究和工業應用方面均獲得重大的進展。異佛爾酮用作油類、樹膠、樹脂、漆、硝基纖維的溶劑及化學合成中間體。由於其分子中同時存在碳碳雙鍵和碳氧雙鍵，近年來，異佛爾酮的催化選擇加氫[JP2005112774-A]，[EP1318130-A]和多相不對稱手性加氫([DE2537060-A])得到廣泛關注。在已經報導的文獻中，以異佛爾酮為潛手性底物的多相不對稱加氫反應通常在高壓反應釜中進行；常用溶劑為乙醇或者甲醇；催化劑主要為是擔載型貴金屬鈀催化劑；手性助劑主要有以下三種(1)(S)-脯氨酸(J.Mol.Catal.A:Chem.，102(1995)41;212(2004)245;React.Kinet.Catal.Lett，80(2003)365;Chem.Comm.,2004,984)，(2)DPPM(Catal丄ett.，79(2003)101;J.Mol.Catal.A.，212(2004)245)以及(3)DHVIN(J.Mol.Catal.A.，138(1999)123;179(2002)107)。在鈀基催化劑上，只能得到S構型的產物，R構型的產物只在Ni基催化劑上得到過(J.Mol.Catal.，61(1990)259)，立體選擇性和轉化率均低於5%。在鈀基催化劑上，以(S)-脯氨酸為手性助劑對異佛爾酮的潛手性碳碳雙鍵不對稱加氫是近年的研究熱點。儘管S構型產物的立體選擇性和轉化率均達到100%(J.Am.Chem.Soc.，128(2006)7329;Langmuir，23(2007):6113;Catal.Comm.，8(2007)1239)，但無法控制競爭反應加氫速率，進行選擇性的手性加氫得到R構型產物。只能通過改變手性助劑的構型來得到R構型產物(J.Catal.，238(2006)441)。
發明內容本發明的目的在於提供一種可調控金屬粒度的催化劑及其在控制立體構型中的應用，其通過調控催化劑活性金屬的粒度，即可簡單有效的控制碳碳雙鍵多相不對稱催化加氫產物立體構型。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為一種可調控金屬粒度的催化劑，其組成為Pd/MgO，其以鈀為加氫活性組分，氧化鎂為載體，該催化劑的活性組分鈀在氧化鎂表面的分散度為1-80%,金屬鈀的擔載量按重量百分比計為1-10%，鈀粒子的大小從2-100nm;本發明的催化劑製備方法以氧化鎂和鈀鹽溶液，經浸漬和乾燥後，在馬福爐中經不同溫度焙燒。最後催化劑前體在氫氣中以不同溫度還原製得。其可按如下過程製備，調控活性金屬粒度a)將氧化鎂和可溶性活性組分前體置於有機溶液中，浸漬攪拌2-24小時；b)將步驟a)製得的混合溶液在20-80度蒸乾，得催化劑前體；c)將步驟b)得到的催化劑前體於200-900度焙燒1-10小時；d)將步驟c)得到的催化劑於200-卯0度氫氣還原lh-10小時。所述活性組分前體為醋酸鈀、硝酸鈀和/或氯化鈀；所述液為甲醇、乙醇、丙酮、乙氰或水；載體氧化鎂的表面積為10-100m2/g。所述催化劑可用於含有碳碳雙鍵潛手性底物的C-C不對稱催化氫化反應中，可控制產物的立體構型；在室溫，中等壓力下用於異佛爾酮不對稱催化氫化時可得到的產物立體構型可控，並且具有較高的立體選擇性。以異佛爾酮為原料，(S)-脯氨酸為手性助劑，甲醇或乙醇為溶劑，於高壓反應釜中攪拌，反應釜中氫氣的壓力l-5MPa，反應溫度為20-8(TC，反應時間l-96h;(S)-脯氨酸與異佛爾酮的摩爾比為0.2-2，異佛爾酮於溶劑中的濃度為0.01-0.5mol/L，其特徵在於其以權利要求l所述Pd/MgO為反應催化劑，每0.01-0.5摩爾異佛爾酮所需催化劑的質量為1克，採用活性組分鈀的粒度S5nm、鈀在氧化鎂表面的分散度為>20-80%的催化劑時，產物3,3,5-三甲基環己酮的立體構型為S;採用活性組分鈀的粒度〉5nm、鈀在氧化鎂表面的分散度為1-20%的催化劑時，產物3,3,5-三甲基環己酮的立體構型為R。本發明的Pd/MgO催化劑在室溫下，高壓反應釜中，催化氫化異佛爾酮的不對稱氫化反應，可得到(S)或(R)-3.3.5-三甲基環己酮，異佛爾酮轉化率在30-100%、立體選擇性在30-100%之間均可控。本發明的優點為使用擔載型貴金屬催化劑，通過調控活性金屬的粒度，控制碳碳雙鍵化學加氫和手性加氫反應的速率，得到產物的立體構型和轉化率均可控。在高分散和小粒度活性金屬上，異佛爾酮的碳碳雙鍵立刻加氫，生成外消旋產物，動力學拆分是優勢反應，得到S構型的產物。在低分散和大粒度活性金屬上，異佛爾酮和手性助劑利於生成中間物，不對稱加氫反應是優勢反應，得到R構型的產物。該方法最大的優點就是不用改變手性助劑，在鈀基催化劑上可以得到立體構型可控的產物，產品所含組分簡單易分離，活性和選擇性明顯提高，廉價易行。本發明所達到的有益效果1.設計、製備的催化劑具有可控的活性金屬粒度和分散度。2.調控催化劑活性金屬的大小和分散，可控制碳碳雙鍵化學選擇加氫和手性加氫反應的競爭反應速率。3.調控活性金屬粒度的方法應用於異佛爾酮碳碳雙鍵的多相不對稱氫化反應時可得到產物3.3.5-三甲基環己酮。(S)或(R)立體選擇性和轉化率均可控。該方法可以運用於其他含有碳碳雙鍵的不對稱加氫反應中。具體實施例方式為了進一步說明本發明，例舉以下實例，但它並不限制各附加權利要求所定義的發明範圍。在下列實施例和比較實施例中，轉化率及產率，立體選擇性(e.e.%)由下式所定義。轉化率(％)=100x[TMCHflnal]/[ISOinitial-ISOfinal]產率(％)=100x[TMCHfmal]/[TMCHinitial]e.e.(%)=100x([S]-[R])/([S]+[R]).其中，TMCH:3，3,5-三甲基環己酮;ISO:異佛爾酮。分析儀器為Agilent6890N氣相色譜儀，手性柱為Chirasil-DexCB，Varian。實施例l(1)將20g氧化鎂和0.842g醋酸鈀置於400ml丙酮中，金屬鈀的擔載量為2%(重量百分比)。電磁攪拌下浸漬24小時後，在旋轉蒸發儀中將丙酮蒸乾。(2)將步驟1得到的催化劑前體在馬福爐中於80(TC焙燒5小時，標記為M8。(3)將步驟2得到的催化劑前體M8在氫氣中在80(TC還原1小時,得到的催化劑標為M88。用CO化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為1.3%，鈀粒子的平均大小87nm，見表l。實施例2同實施例l，只是步驟3中的氫氣還原溫度為60(TC，得到的催化劑標為M86。用CO化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為5.4M，鈀粒子的平均大小為21nm，見表l。實施例3同實施例l，只是步驟3中的氫氣還原溫度為40(TC，得到的催化劑標為M84。用(30化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為6.8%，鈀粒子的平均大小為17nm，見表l。實施例4同實施例l，只是步驟3中的氫氣還原溫度為20(TC，得到的催化劑標為M82。用CO化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為9.4Q/。，鈀粒子的平均大小為12nm，見表l。實施例5同實施例l，只是步驟2中的焙燒溫度為60(TC，標記為M6;步驟3中的催化劑前體M6在氫氣中60(TC還原1小時,得到的催化劑標為M66。用CO化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為18.5%，鈀粒子的平均大小為6nm，見表l。實施例6同實施例5，只是步驟3中的還原溫度為40(TC,得到的催化劑標為M64。用CO化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為24.5M，鈀粒子的平均大小為5nm，見表l。實施例7同實施例5，只是步驟3中的還原溫度為20(TC，得到的催化劑標為M62。用CO化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為29.2M，鈀粒子的平均大小為4nm，見表l。實施例8同實施例l，只是步驟2中的焙燒溫度為40(TC，標記為M4;步驟3中的催化劑前體M4在氫氣中40(TC還原1小時,得到的催化劑標為M44。用CO化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為54.8%，鈀粒子的平均大小為2腿，見表l。實施例9同實施例8，只是步驟3中的還原溫度為20(TC，得到的催化劑標為M42。用(:0化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為51.5%，鈀粒子的平均大小2nm，見表l。實施例IO同實施例l，只是歩驟2中的焙燒溫度為20(TC，標記為M2;步驟3中的催化劑前體M2在氫氣中20(TC還原1小時，得到的催化劑標為M22。用CO化學吸附測得的金屬鈀在氧化鎂表面的分散度為59.7%，鈀粒子的平均大小為2謹，見表l。實施例llPd/MgO催化劑用於異佛爾酮不對稱催化氫化反應將實施例1-實施例10中涉及的催化劑用於異佛爾酮的不對稱催化氫化反應，各反應條件完全相同。秤取32mgPd/MgO催化劑，110mg(S)-脯氨酸，轉移到含有1.18mmo1異佛爾酮的8.8ml乙醇溶液中，將此混合物轉移到50ml不鏽鋼高壓反應釜中密封，氫氣置換3次以排除空氣，通入高純氫氣至3.0MPa，電磁攪拌下進行不對稱催化氫化反應。4(TC下反應24h，將催化劑和產物離心分離後用氣相色譜分析。反應結果如表2。由表2可以看出，控制鈀的粒子小於5nm，可得到S型產物，而當鈀的粒子大於6nm則得到R型產物。實施例12選取M82催化劑用於異佛爾酮不對稱催化氫化反應，其他反應條件同實例I-IO，只是改變反應溫度為30。C,結果見表3。實施例13選取M82催化劑用於異佛爾酮不對稱催化氫化反應，其他反應條件同實例12，只是改變反應時間為12小時，結果見表3。總之，該系列催化劑的特點在於(1)具有可控的活性金屬粒度。(2)在室溫，中等氫壓力下催化異佛爾酮的不對稱氫化反應時得到的產物為3，3，5-三甲基環己酮。調控催化劑活性金屬粒度可控制產物立體構型，直接應用於異佛爾酮手性加氫製備(S)或(R)-3.3.5-三甲基環己酮，具有催化劑活性高、收率高、產物構型可控的特點。表l金屬鈀在氧化鎂表面的分散度和鈀粒子的平均大小tableseeoriginaldocumentpage7表2不同催化劑在異佛爾tableseeoriginaldocumentpage8表33(TCM82催化劑在異佛爾酮不對稱催化氫化反應中的性能(其餘的各反應條件均與實施例11完全相同,只是反應溫度為3(TC)tableseeoriginaldocumentpage8權利要求1.一種可調控金屬粒度的催化劑，其特徵在於其組成為Pd/MgO，其以鈀為活性組分，氧化鎂為載體，該催化劑的活性組分鈀在氧化鎂表面的分散度為1-80％，金屬鈀的擔載量按重量百分比計為1-10％，鈀粒子的大小從2-100nm；其可按如下過程製備，調控活性金屬粒度a)將氧化鎂和可溶性活性組分前體置於有機溶液中，浸漬攪拌2-24小時；b)將步驟a)製得的混合溶液在20-80度蒸乾，得催化劑前體；c)將步驟b)得到的催化劑前體於200-900度焙燒1-10小時；d)將步驟c)得到的催化劑於200-900度氫氣還原1h-10小時。2.按照權利要求1所述的催化劑，其特徵在於所述活性組分前體為醋酸鈀、硝酸鈀和/或氯化鈀；所述液為甲醇、乙醇、丙酮、乙氰或水。3.按照權利要求1所述的催化劑，其特徵在於所述載體氧化鎂的表面積為10-100m2/g。4.一種權利要求1所述催化劑在不對稱催化氫化反應中的應用，其特徵在於所述催化劑可用於含有碳碳雙鍵潛手性底物的C=C不對稱催化氫化反應中，可控制產物的立體構型。5.按照權利要求4所述催化劑的應用，以異佛爾酮為原料，(S)-脯氨酸為手性助劑，甲醇或乙醇為溶劑，於高壓反應釜中攪拌，反應釜中氫氣的壓力l-5MPa，反應溫度為20-80。C，反應時間l-96h;(S)-脯氨酸與異佛爾酮的摩爾比為0.2-2，異佛爾酮於溶劑中的濃度為0.01-0.5mol/L，其特徵在於其以權利要求l所述Pd/MgO為反應催化劑，每0.01-0.5摩爾異佛爾酮所需催化劑的質量為l克，採用活性組分鈀的粒度S5nm、鈀在氧化鎂表面的分散度為>20-80%的催化劑時，產物3，3，5-三甲基環己酮的立體構型為S;採用活性組分鈀的粒度〉5nm、鈀在氧化鎂表面的分散度為1-20%的催化劑時，產物3,3,5-三甲基環己酮的立體構型為R。全文摘要可調控金屬粒度的催化劑及其在控制立體構型中的應用，組成為Pd/MgO，活性組分鈀在氧化鎂表面的分散度為10-80％，其載量為1-10％，鈀粒子的大小從2-100nm；將氧化鎂浸漬活性組分前驅體，乾燥後，在馬福爐中經不同溫度焙燒，最後催化劑前體在氫氣中經不同溫度還原。該系列催化劑的特徵在於(1)具有可控的活性金屬粒度。(2)在室溫，中等氫壓力下催化異佛爾酮的不對稱氫化反應時得到的產物為3，3，5-三甲基環己酮。調控催化劑活性金屬粒度可控制產物立體構型，直接應用於異佛爾酮手性加氫製備(S)或(R)-3.3.5-三甲基環己酮，具有催化劑活性高、收率高、產物構型可控的特點。文檔編號B01J23/44GK101543777SQ20081001079公開日2009年9月30日申請日期2008年3月28日優先權日2008年3月28日發明者展恩勝,爽李,申文杰,陳春輝,黃秀敏申請人:中國科學院大連化學物理研究所