СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПЛАТИНОВОГО КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНОГО ГИДРИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ АЛЬФА-КЕТОКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
METHOD OF PREPARING MODIFIED PLATINUM CATALYST FOR ENANTIOSELECTIVE HYDRATION OF ESTERS OF ALFA-KETOCARBOXYLIC ACIDS

Изобретение относится к производству катализаторов и может быть использовано в химической промышленности и в производстве лекарственных препаратов.
Известен способ приготовления катализатора для химических процессов энантиоселективного гидрирования эфиров α-кетокарбоновых кислот. В способе соединения благородных металлов (Pt, Pd, Rh) импрегнируются в поры носителя в течение 12-24 часов, после чего катализатор отфильтровывают и сушат. Перед использованием катализатор восстанавливают в токе водорода при высоких температурах и промывают потоком газообразного азота или гелия для предотвращения воспламенения. Массовое содержание благородного металла в катализаторе 5% [М.А.Frago, M.J.Mendes, E.Jordao / J. of Molecular Catalysis A: Chemical - 2002 г. - Vol.179 - P.243-251; K.Balazsik, M.Bartok / J. of Catalysis - 2004 г. - Vol. 224 - P.463-472].
К недостаткам способа следует отнести необходимость предварительного восстановления катализаторов в токе водорода при высоких температурах и их последующего охлаждения в токе азота или гелия для предотвращения воспламенения, а также необходимость применения высоких давлений или повышенных температур.
II
Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления модифицированного платинового катализатора для энантиоселективного гидрирования сложных эфиров α-кетокарбоновых кислот, включающий импрегнацию гексахлороплатиновой кислоты из раствора в поры подготовленного носителя, выдерживание смеси в растворе, восстановление гексахлрплатиновой кислоты, фильтрование, промывку и сушку катализатора, модификацию раствором цинхонидина. В качестве носителя использовали К-10 монтморилонит (К-10М). Импрегнацию гексахлороплатиновой кислоты в поры К-10М проводили из водного раствора. Эту смесь выдерживали 12 часов при 25°С, после чего выпаривали воду. Импрегнированную гексахлрплатиновую кислоту восстанавливали в 6:1 смеси этанол/этиленгликоль в течение 4 часов. После восстановления катализатор фильтровали и 3 раза промывали этанолом и сушили. Модификация катализатора раствором цинхонидина осуществляли суспендированием катализатора в 75% водном растворе этанола при непрерывном перемешивании при 25°С в течение 24 часов. После чего, катализатор Pt/K-10(CD) был отфильтрован, трижды промыт толуолом и высушен [Статья: K.Balazsik, B.Török, G.Szakonyi, M.Bartok / Applied Catalysis A:General - 1999 г. - Vol.182 - P.53-63]. Процесс гидрирования в толуоле длится от 22 до 48 часов с достижением 74% энантиомерного избытка.
Недостатками этого способа являются долгий технологический цикл производства катализатора, долгое время модификации катализатора. Получаемый катализатор представляет собой корку платины на поверхности носителя и его приповерхностном слое, что уменьшает эффективность использования платины. Указанные недостатки приводят к снижению технологичности и лишним энергозатратам. Низкая активность.
Задачей изобретения является повышение технологичности приготовления активного катализатора, позволяющего проводить энантиоселективное гидрирование эфиров α-кетокарбоновых кислот с высоким содержанием целевого энантиомера, повышение его активности и энантиоселективности.
Технический результат изобретения - сокращение времени приготовления катализатора, повышение активности, энантиоселективности и стабильности каталитической системы.
2
3
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в способе приготовления Pt катализатора для энантиоселективного гидрирования эфиров α-кетокарбоновых кислот, включающем импрегнацию гексахлороплатиновой кислоты из раствора в поры подготовленного носителя, выдерживание смеси в растворе, восстановление гексахлорплатиновой кислоты, фильтрование, промывку и сушку катализатора, модификацию раствором цинхонидина, согласно изобретению, в качестве носителя используют сверхсшитый полистирол, перед восстановлением катализатор дополнительно промывают раствором NaCO и затем водой, импрегнацию гексахлороплатиновой кислоты проводят по влагоемкости из раствора тетрагидрофуран: метанол: вода в соотношении 4:1:1, смесь раствора гексахлороплатиновой кислоты и носитель выдерживают в течение 10÷15 минут при перемешивании, после чего дополнительно проводят сушку при 70÷75°С, восстановление гексахлрплатиновой кислоты осуществляют тетрагидридоборатом(III) натрия в течение 1÷2 часов, промывают водой, сушат при 70÷75°С, после чего осуществляют промывку смесью состава 4:1:1 тетрагидрофуран: метанол: вода. Модификацию катализатора раствором цинхонидина проводят в трехкомпонентном растворителе тетрагидрофуран: метанол: вода 4:1:1 по влагоемкости, после чего катализатор сушат при температуре 70÷75°С. Подготовку носителя осуществляют промывкой носителя ацетоном, фильтрованием и последующей сушкой носителя при температуре 60÷70°С.
2
2
3
Использование полимерной сетки - сверхсшитого полистирола - в качестве носителя позволяет распределить платину не на поверхности гранул носителя, а в его объеме, что в сочетании со свойствами сверхсшитого полистирола, обеспечивает высокую доступность частиц платины в процессе реакции. Применение сверхсшитого полистирола в качестве носителя обеспечивает долговечность работы катализатора по сравнению с катализаторами на основе С, SiO, АlO, кроме того позволяет повысить активность и стабильность каталитической системы. Предварительная обработка сверхсшитого полистирола ацетоном позволяет очистить полимерную матрицу от остатков сшивающего агента, используемого во время приготовления полимерной сетки, и других балластных веществ, а сушка при 60-70°С позволяет эффективно удалять остатки ацетона.
2
3
Дополнительная промывка катализатора перед восстановлением раствором NaCO и затем водой необходима для удаления НСl, которая образуется в процессе формирования катализатора.
Импрегнация гексахлороплатиновой кислоты по влагоемкости из раствора тетрагидрофуран: метанол: вода в соотношении 4:1:1 позволяет более эффективно вводить гексахлороплатиновую кислоту в объем полимера, вследствие большей набухаемости СПС в этом трехкомпонентном растворе. Проведение пропитки в течение 10÷15 минут обусловлено скоростью поглощения раствора полимерным носителем, уменьшение времени пропитки приводит к неполному поглощению раствора, а увеличение не дает никаких преимуществ вследствие его полного поглощения. Непрерывное перемешивание необходимо для равномерного впитывания раствора по всему объему полимерного носителя.
Восстановление гексахлорплатиновой кислоты тетрагидридоборатом(III) натрия проводили в течение 1÷2 часов, т.к. восстановление менее 1 часа приводит к неполному восстановлению платины, а увеличение времени восстановления не дает преимуществ, вследствие полного восстановления платины.
Промывку восстановленного катализатора водой осуществляли для удаления остатков восстановителя и продуктов восстановления с поверхности катализатора, а промывку смесью состава 4:1:1 тетрагидрофуран: метанол: вода для удаления возможных остатков продуктов восстановления в объеме СПС.
Модификацию катализатора раствором цинхонидина проводили в трехкомпонентном растворителе тетрагидрофуран: метанол: вода 4:1:1 вследствие лучшей набухаемости полимера в данной смеси, что позволяет равномерно распределить модификатор по объему гранул полимера и достичь всех частиц платины, распределенных в нем. Время модификации пропиткой по влагоемкости обусловлено скоростью впитывания раствора в гранулы полимера.
Сушка при температуре 70-75°С обеспечивает эффективное удаление компонентов трехкомпонентного растворителя тетрагидрофуран: метанол: вода. Уменьшение температуры сушки увеличивает время удаления компонентов, а увеличение снижает активность и энантиоселективность катализатора.
2
3
Процесс приготовления катализатора осуществляют следующим образом. В колбу помещают носитель, заполняют колбу ацетоном и перемешивают 1÷2 часа, после чего полученную суспензию отфильтровывают на воронке Бюхнера и сушат под вакуумом в шкафу при температуре 60÷70°С. В подготовленный таким образом носитель вносят раствор гексахлороплатиновой кислоты в смеси тетрагидрофуран:метанол:вода в соотношении 4:1:1 и перемешивают в течение 10÷15 мин. Затем носитель, пропитанный гексахлорплатиновой кислотой, сушат в шкафу при температуре 70÷75°С в течение 2÷5 часов. Затем обрабатывают водным раствором NaCO в течение 10÷15 минут, после чего катализатор отфильтровывают на воронке Бюхнера и сушат в шкафу при температуре 70÷75°С в течение 2÷5 часов. Восстановление катализатора осуществляют раствором тетрагидридобората(III) натрия при перемешивании в течение 1÷2 часов, затем отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают водой, сушат при температуре 70÷75°С в течении 2÷5 часов, затем промывают смесью тетрагидрофуран: метанол: вода в соотношении 4:1:1 и сушат в шкафу при температуре 70-75°C в течение 2-5 часов. Восстановленный катализатор пропитывают раствором модификатора (цинхонидин) тетрагидрофуран: метанол: вода в соотношении 4:1:1 при перемешивании в течение 10÷15 мин. Затем сушат при температуре 70÷75°С и используют в энантиоселективном гидрировании эфиров α-кетокарбоновых кислот.
Пример 1
Процесс приготовления катализатора осуществляли следующим образом.
2
3
Подготовку СПС осуществляли следующим образом: на первой стадии в колбу помещали 1 г СПС, заполняли колбу ацетоном и перемешивали 2 часа, после чего полученную суспензию отфильтровывали на воронке Бюхнера и сушили под вакуумом в шкафу при температуре 65°С. Подготовленный таким образом носитель переносили в колбу. В емкости готовили 0.1 моль/л раствор гексахлороплатиновой кислоты в 3 мл смеси тетрагидрофуран: метанол: вода в соотношении 4:1:1. Полученный раствор переносили в колбу и перемешивали в течение 10 мин. Затем носитель, пропитанный гексахлорплатиновой кислотой, сушили в шкафу при температуре 70°С в течение 4 часов и переносили в колбу. В емкости готовили раствор 1.3 моль/л NaCO в 12 мл воды и переносили его в колбу с пропитанным гексахлорплатиновой кислотой СПС. Содержимое перемешивали 12 минут, после чего катализатор отфильтровывали на воронке Бюхнера и сушили в шкафу при температуре 70°С в течение 4 часов. Затем катализатор помещали в колбу. В емкости готовили раствор тетрагидридобората(III) натрия и переносили его в колбу. Полученную суспензию перемешивали в течение 1 часа, затем отфильтровывали на воронке Бюхнера, промывали водой, сушили при температуре 70°С в течение 2 часов, промывали смесью тетрагидрофуран: метанол: вода в соотношении 4:1:1, приготовленной в отдельной емкости, и сушили в шкафу при температуре 70°С в течение 4 часов. Восстановленный катализатор переносили в колбу. В отдельной емкости готовили раствор модификатора в смеси тетрагидрофуран:метанол:вода в соотношении 4:1:1, переносили его в колбу и перемешивали в течение 10 мин. Затем, содержимое колбы сушили в шкафу при температуре 70°С и использовали в энантиоселективном гидрировании эфиров α-кетокарбоновых кислот. Готовый катализатор использовали в гидрировании этилпирувата в толуоле в термостатируемом реакторе при 25°С и избыточном давлении водорода 1.5 МПа. При 100% конверсии субстрата энантиоселективность составила 75%.
Пример 2
Проводили аналогично примеру 1, отличаясь тем, что температура сушки полимера 60°С, температура сушки в процессе приготовления катализатора 75°С.
Готовый катализатор использовали в гидрировании этилпирувата в толуоле в термостатируемом реакторе при 25°С и избыточном давлении водорода 1.5 МПа. При 100% конверсии субстрата энантиоселективность составила 73%.
Пример 3
Проводили аналогично примеру 1, отличаясь тем, что температура сушки в процессе приготовления катализатора составляла 72°С.
Готовый катализатор использовали в гидрировании этилпирувата в толуоле в термостатируемом реакторе при 25°С и избыточном давлении водорода 1.5 МПа. При 100% конверсии субстрата энантиоселективность составила 74%.
Получаемый катализатор не требует довосстановления перед применением и сохраняет свою активность и энантиоселективность в повторных циклах.
Представленный способ приготовления катализатора позволяет сократить временные затраты на приготовление катализатора и повысить его активность и энантиоселективность и стабильность в повторных циклах. Получаемый катализатор характеризуется равномерным распределением и доступностью платины по всему зерну катализатора, в отличие от прототипа, который является катализатором коркового типа, и позволяет более эффективно использовать активную фазу катализатора.
Синтез катализатора прототипа осуществляется около 40 часов, в то время как полученный катализатор может быть синтезирован менее чем за 20 часов.
Более чем на порядок меньшее время достижения 100% конверсии в одинаковых условиях по сравнению с прототипом показывает, что полученный катализатор более активен, чем прототип.
Предлагаемый способ можно широко применять для синтеза катализаторов, пригодных для процессов тонкого органического синтеза.
Сравнительная характеристика активности и энантиоселективности
Катализатор
Pt, мас.%
Время, с
Конверсия, %
Энантиомерный избыток, %
Pt/K-10(CD)<sub>II</sub> <sup>a)</sup>
5
79200
100
75
прототип
Pt/СПС(CD)<sup>б)</sup>
5
1200
100
75
пример 1
Pt/СПС(CD)<sup>б)</sup>
5
1200
100
73
пример 2
Pt/СПС(CD)<sup>б)</sup>
5
1200
100
74
пример 3
а) Условия проведения опыта Р(Н<sub>2</sub>) 20 атм, Т 25°С, толуол 5 мл, катализатор - 0,100 г, модификатор входит в состав катализатора; субстрат этилпируват - 0,25 мл.
б) Условия проведения опыта Р(Н<sub>2</sub>) 15 атм, Т 25°С, толуол 20 мл, катализатор - 0,100 г, модификатор входит в состав катализатора, субстрат этилпируват - 0,25 мл.
Данное изобретение находится на стадии лабораторных исследований.