КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ ГИДРОАМИНИРОВАНИЯ АЦЕТИЛЕНОВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ И СПОСОБ ГИДРОАМИНИРОВАНИЯ АЦЕТИЛЕНОВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТОГО КАТАЛИЗАТОРА
CATALYST FOR HYDROAMINATION OF ACETYLENE HYDROCARBONS AND METHOD OF HYDROAMINATION OF ACETYLENE HYDROCARBONS WITH THEREOF APPLICATION

Изобретение относится к области каталитических технологий переработки углеводородного сырья и касается, в частности, катализатора для гидроаминирования ацетиленовых углеводородов и способа гидроаминирования ацетиленовых углеводородов с использованием этого катализатора. Способ основан на проведении реакции гидроаминирования ацетиленовых углеводородов аминами для получения ценных продуктов.
Ацетиленовые углеводороды (у/в) являются побочным продуктом производства олефиновых мономеров, получаемых, в основном, пиролизом широкой фракции легких углеводородов в трубчатых печах. Производители полимеров предъявляют высокие требования к степени очистки олефинов от ацетиленовых углеводородов. Последние, таким образом, не находят адекватного применения.
2
3
Стирол, также как и этилен, является ценным промышленным сырьем - исходным мономером для синтеза полистирола и каучуков. Стирол получают каталитическим дегидрированием этилбензола, при этом вместе с целевым олефиновым мономером неизбежно образуется определенное количество фенилацетилена - его содержание в сыром стироле составляет порядка 2-3% [N.A. Khan, S. Shaikhutdinov, H.-J. Freund // Acetylene and ethylene hydrogenation over supported Pd-Ag model catalysts // Catalysis Letters, 2006, v.108, №.3-4, p.159-164; B.A. Wilhite, M.J. McCready, A. Varma // Kinetics of phenylacetylene hydrogenation over Pt/Al0 catalyst // Ind. Eng. Chem. Res., 2002, v.41, p.3345-3350]. В ходе полимеризации стирола даже такое “примесное” содержание ацетиленового углеводорода быстро отравляет катализаторы и резко снижает качество образующихся полимеров. В связи с этим содержание ацетиленовых примесей в сырьевом мономере полимеризации должно быть снижено до минимально допустимого значения.
Одним из эффективных способов утилизации ацетиленовых углеводородов является реакция гидроаминирования, приводящая к получению ценных продуктов - иминов, которые при дальнейшем гидролизе приводят к образованию ценных кетонов. Из литературных источников известно [C W. Kruse, R.F. Kleinschmidt // Ethylidenimines by the Reaction of Acetylene with Primary Aliphatic Amines // J. Am. Chem. Soc, 83, 213, 1961], что из ацетилена и первичных ароматических аминов, например анилина, в ходе реакции гидроаминирования в присутствии ацетата цинка или кадмия под давлением при 120-140° образуются этилиденимины.
2
3
R-NH+CH≡CH→CHCH=NR
Однако, в связи с тем, что ацетаты цинка и кадмия легкорастворимы в анилине, этот способ относится к гомогенному каталитическому процессу. Кроме того, в этом случае, как и в любом гомогенном каталитическом процессе, возникает проблема отделения катализатора от реакционной смеси.
Согласно литературным данным, трудности, возникающие при практическом осуществлении гидроаминирования, в первую очередь связаны с тем, что прямое нуклеофильное присоединение аминов по C-C-кратной связи осложнено целым рядом кинетических и термодинамических факторов [F. Pohlki, S. Doye // The catalytic hydroamination of alkynes // Chem. Soc. Rev. 32 (2003) 104]. При этом гидроаминирование алкинов является термодинамически более предпочтительным процессом [М. Beller, J. Seayad, A. Tillack, H. Jiao, Angew. Chemie, 43 (2004), 3368].
+
2+
2+
2+
За последние несколько лет интенсивно развивались исследования, связанные с использованием комплексов и наночастиц золота как катализаторов реакции гидроаминирования не активированных алкенов, алкинов, алленов и 1,3-диенов [Е. Genin, P.-Y. Toullec, S. Antoniotti, С. Brancour, J.-P. Genet, V. Michelte // Catalytic Markovnikov and anti-Markovnikov Functionalization of Alkenes and Alkynes: Recent Developments and Trends // J. Am. Chem. Soc. 128 (2006) 3112]. Гидроаминирование алкинов осуществляется в присутствии гетерогенных каталитических систем, содержащих катионы металлов (e.g., Ag, Cu, Zn Pd), нанесенных на носители, содержащие кислотные центры [N. Lingaiah, N. Seshu Babu, К. Mohan Reddy, P.S. Sai Prasad, I. Suryanarayana // Room Temperature Au(I)-Catalyzed exo-Selective Cycloisomerization of Acetylenic Acid // Chem. Commun. 3 (2007) 278].
Недостатком всех описанных каталитических систем для реакций гидроаминирования является их недостаточно высокая активность, процесс требует значительного времени для достижения конверсии алкина не ниже 90%.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по составу является катализатор, описанный в работе [A. Corma, P. Concepción, I. Domínguez, V. Fornés, M.J. Sabater // Gold supported on a biopolymer (chitosan) catalyzes the regioselective hydroamination of alkynes Journal of Catalysis, 251 (2007) 39]. Катализатор содержит наночастицы золота, нанесенные на модифицированный хитозаном силикагель, и проявляет высокую активность в межмолекулярном гидроаминировании ряда алкинов с использованием анилина. Однако, для достижения этой конверсии требуется время выдерживания реакционной смеси не менее 20 час. Процесс гидроаминирования ведут в условиях термического нагрева при T=100°C при соотношении ацетиленовый углеводород : анилин, равном 1:1. Конверсия ацетиленовых у/в, близкая к 100%, достигается только за 22 часа проведения реакции в статическом реакторе с перемешиванием (как примеры, конверсия октина-1 составила 92%, а фенилацетилена - 96%. Расчетное значение TON (в ммоль превращенного фенилацетилена на ммоль Au в час) составило 58.
Существенным недостатком известного катализатора является его недостаточно высокая активность, при этом для достижения высокой конверсии ацетиленовых углеводородов требуется очень большое время выдерживания реакционной смеси (не менее 20 час). Кроме того, образование тяжелых продуктов конденсации снижает выход целевых продуктов.
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного катализатора для гидроаминирования ацетиленовых углеводородов аминами и разработка способа гидроаминирования ацетиленовых углеводородов аминами с использованием предлагаемого катализатора, позволяющего сократить время реакции и, как следствие, повысить производительность процесса при сохранении высокой степени конверсии ацетиленовых углеводородов.
Для достижения поставленной задачи предлагается катализатор для гидроаминирования жидких ацетиленовых углеводородов амином, включающий наночастицы металлического золота на носителе, отличающийся тем, что в качестве носителя он содержит мезопористый цеолитоподобный силикат МСМ-41, модифицированный ионной жидкостью (ИЖ), при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Au
1-5
ионная жидкость
5-20
носитель
остальное
2
3
Катализатор содержит наночастицы металлического золота со средним размером 2-60 нм на мезопористом цеолитоподобном силикате МСМ-41 с удельной поверхностью около 1000-1200 м/г и объемом мезопор около 1,2-2,0 см/г.
6
4
В качестве ионной жидкости катализатор содержит 1-н-бутил-3-метилимидазолий гексафторфосфат - [BMIM]PF (ИЖ-1) или 1-н-бутил-3-метилимидазолий тетрафторборат - [BMIM]BF (ИЖ-2).
Предлагается также способ гидроаминирования жидких ацетиленовых углеводородов амином с использованием предлагаемого катализатора, при этом процесс ведут в условиях СВЧ-нагрева (активации) катализатора в среде органического растворителя при температуре 100-150°C и мольном соотношении амин : ацетиленовый углеводород, равном 1-2:1.
В качестве органического растворителя используют толуол, стирол, диметилформамид или ионную жидкость, преимущественно, 1-н-бутил-3-метилимидазолий гексафторфосфат либо 1-н-бутил-3-метилимидазолий тетрафторборат.
В качестве амина используют, например, анилин или морфолин.
-1
Процесс гидроаминирования ацетиленовых углеводородов аминами можно проводить как в статическом реакторе при массовом соотношении ацетиленовый углеводород : предлагаемый катализатор, равном 1-4:1, так и в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора при массовой скорости подачи жидкого сырья в диапазоне 0,5-1 ч, при этом сырьевая смесь содержит растворенные в растворителе ацетиленовый углеводород и амин при их концентрации в растворителе до 80%.
Процесс гидроаминирования осуществляют в присутствии золотосодержащих катализаторов, самостоятельно греющихся под воздействием СВЧ-излучения, в виде трехкомпонентных катализаторов Au/ИЖ/МСМ-41, где мезопористый цеолитоподобный силикат МСМ-41 предварительно обработан и содержит на поверхности ионные жидкости. Возможность нагрева таких катализаторов в условиях СВЧ-излучения обусловлена тем, что нанесенные на носитель ионные жидкости являются полярными молекулами. Кроме того, ионные жидкости предварительно вводятся в катализатор еще и для стабилизации наночастиц золота на поверхности МСМ-41.
В качестве растворителя возможно использовать неполярные органические растворители, например, углеводороды ароматического ряда, типа толуола, стирола и др.
С целью повышения эффективности процесса его проводят в среде полярного органического растворителя, самостоятельно греющегося под воздействием СВЧ-излучения до температур 100-150°C. В этом случае используют полярные органические растворители, например, диметилформамид (ДМФА) или другие, а также различные ионные жидкости. При использовании Au/ИЖ/МСМ-41 катализаторов и полярных органических растворителей подвод тепла реакции возможен как к катализатору, так и к растворителю, поскольку они одновременно способны аккумулировать тепловую энергию СВЧ-излучения.
В качестве ацетиленовых углеводородов используют линейные углеводороды типа гексина, гептина, октина, или ароматические ацетиленовые углеводороды типа фенилацетилена (ФА), дифенилацетилена (ДФА) и др.
Для нагрева катализатора и реакционной смеси используется СВЧ-установка резонаторного типа с рабочей частотой 2-8,3 ГГц, предпочтительно 5,7 ГГц с регулируемой мощностью в диапазоне 1-10 Вт, подбором которой можно обеспечить заданную температуру процесса. Также для нагрева могут использоваться бытовые СВЧ-печи с частотой 2,45 ГГц.
Ионные жидкости представляют собой низкотемпературные расплавы органических солей, содержащих органический катион с кватернизованным атомом азота (алкилпиридиний, алкилимидазолий, алкилпирролидиний, алкиламмоний) и неорганический анион типа , ,  и др., и широко используются в органическом синтезе и катализе как растворители, однако, в открытой и патентной литературе отсутствуют примеры использования ионных жидкостей в сочетании с гетерогенными катализаторами в процессах гидроаминирования алкинов.
СВЧ-нагрев реакционной смеси используют в органическом синтезе и катализе [В. Toukoniitty, J.P. Mikkola, D.Yu. Murzin, T. Salmi // Utilisation of electromagnetic and acoustic irradiation in enhancing heterogeneous catalytic reactions // Applied Catal. A. Gen., 2005, v.279, p.1-22]. Однако в открытой и патентной литературе отсутствуют примеры использования СВЧ-активации гетерогенных катализаторов в процессах гидроаминирования алкинов.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1. Приготовление Au/ИЖ-1/МСМ-41 катализатора
2
3
Катализатор готовят следующим образом. На носитель (МСМ-41 с удельной поверхностью по БЭТ 1200 м/г, объемом мезоропор 1,3 см/г с диаметром пор ≤50 нм) предварительно наносят ионную жидкость - 1-бутил-3-метилимидазолий гексафторфосфат (ИЖ-1). Для этого 12 г предварительно вакуумированного носителя (80°C, 5 ч) обрабатывали 2,4 г ионной жидкости, растворенной в абсолютированном метаноле (20 мл), при перемешивании в течение 0,5 ч. Затем растворитель отгоняли на водоструйном насосе (80°C, 4 ч).
4
2
4
4
4
4
-3
-3
Наночастицы золота наносят на обработанный ионной жидкостью носитель (12 г) из раствора прекурсора HauCl×4HO (0,13 г) в метаноле (20 мл) методом пропитки носителя по влагоемкости при 20°C. После нанесения золота в виде комплексного соединения катализатор сушат на воздухе при постоянном перемешивании, а затем при пониженном давлении (10 Торр) при 100°C в течение 4 часов. Восстановление прекурсора HauCl до наночастиц золота осуществляется путем обработки HauCl/ИЖ/МСМ-41 натрийборгидридом (NaBH) в среде метанола при 20°C. К катализатору, содержащему комплекс золота, при 20°C добавляют 30 мл метанола и затем медленно (по каплям) добавляют раствор NaBH (0,14 г в 30 мл метанола). Полученную смесь перемешивают на магнитной мешалке при 20°C в течение 0,5 ч, фильтруют и затем сушат катализатор при пониженном давлении с использованием водоструйного насоса при 90°C в течение 6 часов. Далее золотосодержащий катализатор Au/ИЖ/МСМ-41 вакуумируют на масляном насосе (10 Торр, 150°C, 8 ч).
Содержание золота в катализаторе составило 5 мас.%. Содержание нанесенной ионной жидкости - 20 мас.%.
4
2
Пример 2. Катализатор готовят по примеру 1, за исключением того, что берутся другие количества прекурсора HauCl×4HO и ионной жидкости. Содержание золота и ИЖ-1 в катализаторе составили - 1 и 5 мас.%, соответственно.
Пример 3. Приготовление Au/ИЖ-2/МСМ-41 катализатора
4
2
Катализатор готовят по примеру 1, за исключением того, что на носитель - МСМ-41 предварительно наносят другую ионную жидкость - 1-бутил-3-метилимидазолий тетрафторборат (ИЖ-2), и количество прекурсора HauCl×4HO берется меньше.
Содержание золота и ИЖ-2 в катализаторе составили - 2 и 10 мас.%, соответственно.
Примеры 4-8. Гидроаминирование в статических условиях
Реакцию гидроаминирования ацетиленовых у/в проводили при температуре в диапазоне 100-150°C в статическом реакторе (стеклянная пробирка диаметром 1 см и объемом 10 мл). Загрузка катализатора составляла 0,2 г, а общий объем реакционной смеси (вместе с растворителем и катализатором) составлял 2 мл. Перемешивание реакционной массы осуществлялось за счет конвективного движения жидкости в условиях ее нагрева. Термопара, контролирующая температуру реакции, размещалась непосредственно в реакционной массе.
Условия проведения процесса в статических условиях (температура, используемый растворитель и время процесса), а также мольные и массовые соотношения реагентов и катализаторов представлены в таблице 1.
Пример 9-10. Гидроаминирование в условиях проточного реактора
-1
Реакцию гидроаминирования ацетиленовых у/в проводили при температуре в диапазоне 100-110°C в проточном реакторе (кварцевая трубка диаметром 1 см) при массовой скорости подачи сырья в диапазоне 0,5-1 ч (до 80 мас.% реагентов с соотношением амин : ацетиленовый углеводород 1-2:1 в растворителе). Загрузка катализатора составляла 1 г.
Нагрев катализатора и/или реакционной среды до температуры реакции при осуществлении процесса по примерам №4-10 осуществляли после помещения статического или проточного реакторов в резонатор экспериментальной СВЧ-установки с рабочей частотой 5,7 ГГц и регулируемой мощностью в диапазоне 1-10 Вт. Подбором мощности СВЧ задавали необходимую температуру процесса. Условия проведения процесса в проточном реакторе представлены в таблице 2.
Пример 11 (сравнительный). Гидроаминирование проводили по примеру 9, за исключением того, что катализатор в проточном реакторе нагревали до температуры реакции с помощью печи с электрообогревом.
Результаты испытаний катализаторов по примерам 1-3 приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Результаты гидроаминирования ацетиленовых у/в в присутствии Au-содержащих катализаторов в условиях СВЧ-активации (нагрева) в статическом реакторе
№
Кат-р по примеру №
Раст-ль (среда)
Реагенты (мольн. Соотн.)
Ацет./к-р (мас.%)
T, °C
Время реакции, час
Конверсия ацетиленов, %
Производительность, мас.%-ацет /ммо ль-Au
4
1
Толуол
анилин/октин-1 (1:1)
3/1
100
8
95,6
108
5
1
Толуол
анилин/ФА (1:1)
4/1
100
6
90,3
134
6
1
ДМФА
морфолин/октин-1 (2:1)
2,5/1
130
10
85,7
80
7
2
[BMIM]PF<sub>6</sub>
анилин/ФА (2:1)
1/1
150
6
98,5
183
8
3
стирол
анилин/ФА (2:1)
3/1
130
10
75,4
210
Таблица 2
Результаты гидроаминирования ацетиленовых у/в в присутствии Au-содержащих катализаторов в условиях СВЧ-активации (нагрева) в проточном реакторе
№
Кат-р по примеру №
Раств-ль (среда)
Реагенты (мольн. соотн.)
T, °C
Массовая скорость, ч<sup>-1</sup>
Конверсия ацетиленов, %
Производительность, ммоль-ацет/моль-Au час
9
1
Толуол
анилин/ФА (2:1)
100
1
98,6
12
10
3
ДМФА
анилин/ФА (1:1)
110
0,5
75,5
11
11*
1
Толуол
анилин/ФА (2:1)
100
1
49,0
6
* - сравнительный пример
Сравнение превращения ацетиленовых углеводородов в ходе реакции гидроаминирования на предлагаемых в настоящем изобретении трехкомпонентных Au/ИЖ/МСМ-41 катализаторах предлагаемым способом с использованием СВЧ-активации и использованием ионных жидкостей (в качестве растворителя или нанесенной на носитель), с одной стороны, и известных из литературы Au/МСМ-41 катализаторов гидроаминирования в термическом режиме осуществления реакции, с другой стороны, показывает, что предлагаемый способ с использованием трехкомпонентных катализаторов и СВЧ-нагрева позволяет достигать высокой конверсии процесса при значительном сокращении времени реакции. Так, при проведении реакции в режиме СВЧ-активации с использованием октина-1 и анилина при прочих одинаковых условиях осуществления процесса (температура, соотношение реагентов) время достижения конверсии, близкой к 100%, сократилось с 22 часов (см. прототип) до 8 часов (см. пример 4). В случае гидроаминирования фенилацетилена анилином при прочих одинаковых условиях осуществления процесса (см. пример 5) производительность процесса за 6 часов в расчете на активное металлическое золото в катализаторе (в прототипе обозначена как TON в ммолях-ФА/ммоль-Au) составила 134, в то время как в прототипе получено значение 58 за 22 часа реакции.
Кроме этого, значение часовой производительности процесса (12 ммоль-ФА/ммоль-Au час) на предлагаемом в настоящем изобретении трехкомпонентном Au/ИЖ/МСМ-41 катализаторе в условиях проточного реактора при 100°C (пример №9) сопоставима с производительностью за 22 часа работы (58 ммоль-ФА/ммоль-Au) в статическом реакторе при той же температуре на катализаторе Au/МСМ-41 по изобретению-прототипу без добавок ионной жидкости.
Сопоставление результатов примеров №9 и 11 (сравнительный) показывает, что конверсия фенилацетилена и соответственно производительность процесса гидроаминирования в условиях СВЧ-нагрева в 2 раза выше, чем в условиях традиционного термического нагрева.
6
Следует отметить, что в примере №7 при использовании низкопроцентного катализатора (1% Au) по примеру №2 и растворителя - ионной жидкости [BMIM]PF, которые одновременно способны аккумулировать тепловую энергию СВЧ-излучения, наблюдается синергетический эффект, при котором зафиксировано высокое значение производительности процесса гидроаминирования (183 ммоль ФА в расчете на ммоль активного золота) при конверсии ФА, равной 98,5%.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является сокращение времени реакции гидроаминирования в результате использования предлагаемого трехкомпонентного Au/ИЖ/МСМ-41 катализатора и, как следствие, повышение производительности процесса при сохранении высокой степени конверсии ацетиленовых углеводородов. Кроме этого, во всех примерах по настоящему изобретению вместо термического нагрева реактора используется СВЧ-излучение с очень низкой мощностью (до 10 Вт), что приводит к снижению энергетических затрат. Дополнительно, пример №8 иллюстрирует возможность эффективной очистки стирола от примесей фенилацетилена, что актуально в плане очистки мономера, используемого в производстве полистирола.