加氢催化剂

姜恒等发现在少量碱的存在下,PVC-PdCl2(PVC,聚乙烯吡咯烷酮负载)对硝基化合物显示了较多的催化加氢活性。PVC-PdCl2进一步负载到γ-Al2O3上,得到双重负载的钯催化剂。这种双重负载的钯催化剂对硝基化合物的加氢,在常温常压下对硝基苯的催化加氢,即有很高的活性和选择性,又容易从反应体系中分离,实验结果表明,催化剂的制备方法对活性有很大的影响。PVC-Pd/γ-Al2O3对硝基苯和p-甲基硝基苯加氢的TOF max(maximum

turnover frequent (H2)/(n(Pd),t)),分别为256/min和234/min,多次累计转化数可达60000以上,说明催化剂的制备方法对活性有很大的影响。

高分子负载钯和高分子络合钯

自从Holy首次报道用改进性聚苯乙烯负载钯催化剂催化硝基苯加氢以来,此领域一直受到研究工作者的重视。负载型催化剂中的载体作为一个复杂的大配体,它对负载型催化剂的活性及选择性具有很大的影响,特别是有机高分子载体,由于其链结构交联度及饶性的不同,常会引起催化剂活性中心的结构和配体环境的变化,从而影响到催化剂的活性和选择性。不同主链的高分子载体对催化剂的活性及选择性也有较大的影响。如高汗荣等报导了几种以聚2, 6-二甲基1, 4-苯醚(PPO)和聚砜(PSu)为主链的负载钯催化剂对1-辛稀和条件下的催化加氢活性与选择性。官能团化的PPO负载钯对1-辛稀催化加氢活性大于官能团化的PSu负载钯催化剂的活性,但前者在加氢过程中的活性下降比后者快的多,官能团化的PPO负载钯催化剂在1-辛稀加氢过程中活性很快下降的原因与其强的异构化性能和异构化产物有关。相同配体的两种负直载钯催化剂对环戊二烯的催化加氢表现在活性上,PPO低于PSu,而选择性PPO高于PSu。表明除了按预计与钯直接配位的配体外,载体主链结构对负载钯催化剂的加氢性能也有显著影响。另外,还有以高分子作为配体的金属钯络合物催化剂。以高分子为配体的金属络合物催化剂具有高活性,高选择性和可重复使用的特点,在以往的研究中

发现,二氧化硅负载聚-γ-氨丙基烷-钯、二氧化硅负载聚硅氨烷-钯络合物等在催化加氢反应中显示了优良的性能,这些配体都是合成高分子,还有以天然高分子作为配体的,如唐黎则等研究一种新型天然高分子催化剂,二氧化硅负载羧甲基纤维素钯络合物(5,-CMC-Pd)的催化加氢性能。结果表明。络合物中COO/Pd摩尔比、溶剂及PH值对催化性能有很大的影响。该催化剂在30 ℃,常压下硝基苯,各种稀烃化合物,苯甲醇和苯乙酮具有很高的加氢活性和选择性。同时,该催化剂还具有优良的稳定性和重复使用性能。

钯基金属膜催化剂

致密钯金属膜是一类重要的无机催化膜,已成为脱氢或选择加氢反应的重要材料。

Gryaznov等用致密的钯金属管式膜反应器进行选择加氢,一步合成了维生素K4,产率95%。目前,致密钯基膜的商用仅限于氢的纯化,其原因之一是上述的钯膜较厚,氢的渗透速度降低,膜组件的成本高。近年来,有关工作主要集中在钯基金属复合膜的制备及应用研究上。 人们通常把钯基金属层担载在机械稳定的多孔衬底,目的是通过降低膜的厚度来提高氢的渗透速率。可用此种方法制备钯基金属复合膜,如物理气相沉积、化学气相沉积、热喷和化学镀饰等。物理气相沉积适合制备多组分的钯合金膜,易控制膜的厚度,制备过程较快,膜材料纯度高,但金属与衬底结合力较差。化学气相沉积可在复杂的衬底上制得多组合钯合金膜,金属与衬底结合好,但过程优化复杂。

6/19页

钯基双金属催化剂

金属Pd被公认为是最出色的快键和双烯键选择加氢催化剂活性组分,但仍存在许多缺点,如齐聚副反应的发生,易被炔键络合,易中毒,稳定性差等等。针对单Pd催化剂的缺点,研究人员从活性组分Pd与反应产物和载体之间,在具体的空间结构与物理化学微环境的相互作用关系上进行了分析,通过添加第二金属助催化组分来进一步改善催化剂功能。Pd基双金属催化剂对炔/双烯加氢的选择性、活性、稳定性和寿命比单Pd催化剂有很大的提高,在6~4烯烃的选择加氢催化剂中形成了一个优势,可视为该领域的第三代催化剂。

如黄小军等。选择金属铅作为修饰剂制得铅修饰Pd/Al2O3催化剂,对环戊火烯的选择性大大提高,催化剂稳定,不易流失;吴琼等合成了均相Pd-Fe负载催化剂,研究了对卤代艿番硝基化合物的催化氢化性能,发现该催化剂的活性和选择性高,寿命较长,减少脱卤。赵维君等合成均相Pd-Mo双核络合物催化剂考察了对1,5,9-环十二碳三烯的选择加氢性能,发现加氢选择性与转化率是很高。

络合钯

PdCl2或其它钯类络合物遇氢不稳定,故很少用作均相催化剂,但若Sn2+存在下,钯络合物就有加氢活性,如(ph3P)2PdCl在SnCl2.2H2O或GeCl2作助剂时,对大豆油脂加氢有活性。不过,最近发现(ph2PCH2Pph2)3Pd2对端烯、环烯烃、共扼双烯和炔有加氢活性,端烯加氢速率随碳链增长而降低。

钌作为加氢反应的催化剂用的较多,在F-T合成,芳烃化合物(特别是芳香族胺类)的加氢等反应中,均发现有良好的活性和选择性。在钌催化剂上进行的液相加氢中,水的存在显著地促进反应。它对醛酮的加氢也有较高的活性,与其他铂系催化剂相比,常能表现某些特异性质。

RuO2

将用碱熔法制得的钌酸盐溶于水中,加以酸化后,所得沉淀用过氧化氢处理,并在空气中强热,便得到在有机化合物的加氢中显示高活性的RuO2。

Ru(OH)4

用盐酸将氯化钌水溶液略加酸化后加热至85-90℃,在激烈搅拌下逐次少量地假加入超过当量的浓度为10%NaOH溶液。将生成的黑色沉淀滤集在滤纸上,用蒸馏水反复洗涤,直至洗液PH值到7.8-8.0为止。然后在室温下真空干燥。Ru(OH)4中含钌量为65%,用该法容易得到碱残留量少的催化剂,这种催化剂可以用于芳烃化合物的加氢,比RuO2的活性高得多。

负载钌

7/19页

使氯化钌溶液渗透到载体中在加氢还原,或使钌的氧化物或氢氧化物在载体上析出后,再用氢还原,均可制成钌的负载催化剂。Naghara等详细论述了其不同的制备方法,以及选择某些金属氧化物和沸石等多种物质作载体时的钌催化剂的加氢性能。实验证明了疏水物质不宜作载体,而亲水物质则是很好的载体。因此载体的主要作用是提高催化剂的表面亲水性,增大催化剂的有效表面积和防止催化剂的表面积碳。具体载体有SiO2、Al2O3、沸石、锌和镧的复合氧化物,BaSO4,分子筛等,对苯的部分加氢有不同的活性。

在负载钌催化剂中加入K、Fe、Co、Cu、Ag等金属元素作催化剂,可以显著提高催化剂的活性和选择性。另外,水的含量对催化活性也有影响。

氯化钌

自从1960年Halpern等证实RuCl2水溶液对烯烃加氢有活性以来,Adamson系统地研究了RuCl2,RuCl3,RuCl4的活性,认为其中的活性物种是Ru(H2O)2Cl4-,Ru(H2O)Cl52-,RuCl63-,他们认为可能机理如下图所示:

RuCl(ph2P)3是端烯加氢很好的催化剂,能保留90%的立体结构,RuCl2(Pph3)3催化还原查尔酮,C=C选择性100%,且反应极为迅速。RuCl2(BINAP)/[CHPh(NH2)]2氢化不对称α,β-不饱和环酮得手性烯丙酮具有极高的立体选择性。还有利用金属钌,铑络合手性膦、手性碳等配体制成手性催化剂对某些烯酮等化合物进行均相加氢,可以选择性地得到带有光学活性的物质,光学产率几近理论值。当然其中手性膦配体的设计对钌铑的立体选择加氢十分重要,这方面已有详细综述。

另外,均相络合加氢的一个核心问题是过渡金属催化剂的分离和循环使用。为解决该问题普遍采用的均相催化多相化方法,原则上分为2类:一是将钌、铑等催化剂静态固定在高分子或无机载体上的固载均相催化,另一类是采用水溶性膦的配体,将均相催化剂动态负载在与产物互不相溶的水相而实现水/有机两相催化。两者在这方面都已有很大的进展,实现立体均相催化工业化应是指日可待。

铑(Rh)、铱(Ir)、锇(Os)

三种金属催化剂类型差不多,都有氧化物、氢氧化物、负载型、络合型金属催化剂,其制备方法同钌、铂相似。铑的产量和少,极贵重对芳烃加氢具有较高活性和选择性。胶体铑催化剂相当稳定,放置数月活性不下降。常见负载催化剂是Rh/Al2O3,Rh/CeO2,Rh/SiO2等多用于CO加氢成醇,芳烃和硝基加氢;铱的固体催化剂、均相催化剂形式、活性与铑相近。尤其在均相催化加氢中,也许是三价阳离子d6电子分配相似的原因,但铑加氢活性比铱要高得多,如RhCl(Pph3)3是有效的加氢催化剂,而IrCl(Pph3)3则不是。但RhCl(CO)(Pph2)3、和IrCl(CO)(Pph3)2都具有良好的加氢活性。催化剂活性还取决于实验条件、溶剂极性等。

锇的氧化物易挥发,有刺激性和毒性,不用作催化剂,常用作环氧化物氢解成伯醇的反应,其负载型催化剂有Os-石棉、Os/Al2O3、Os/C等,其络合加氢催化剂研究不多,有报道OsHCl(CO)(Pph3)3、OsHCl2(Pph3)3对烯烃加氢有活性。

8/19页

Rh、Ir的均相加氢研究与Ru很相近,尤其是`Rh,广泛由于不对称加氢,Ir相对少些,Os则更不常见。

2.加氢催化反应

随着改革开放,国民经济迅速发展,医药、燃料、农药、日用化工等精细化工行业在规模数量上已跻身世界大国行列,但技术水平与发达国家尚有较大的差距,产品质量不高,物耗与能耗较高,特别是三废治理不完善,严重制约了精细化工的进一步发展。

进几年我国催化加氢技术在技术开发与推广使用上都有了重大脱破,催化加氢技术已不仅仅在石油化工、石油炼制上得到广泛的应用,在精细化工上也得到了不断开发和应用。目前,我国许多企业仍普遍采用五、六十年代的铁粉、硫化碱、水合阱等还原方法组织生产,这与发达国家主要采用催化加氢法生产相比,技术上至少落后20年。因此,用先进的催化加氢技术来来改造传统落后的技术,是化工科技界一项十分迫切的任务。现就催化加氢反应的应用范围、加氢催化剂、加氢催化反应工艺及动力学和机理四个方面作一一阐述。

1.加氢催化反应的应用

1.1硝基化合物加氢

硝基烷烃的加氢活稍逊于烯键。在骨架镍上的加氢活性和铂催化剂相似,甚至稍高一些。在骨架镍上,共扼的硝基烯烃如CH3CH2C(NO2)=CH2的加氢不是选择性的,而非共扼的硝基烯烃可先还原硝基。硝基烷烃的加氢在骨架镍上的活化能比亚当斯铂低,而指前因子却小于后者。这表示在镍上较易活化,在铂上却有较多的吸附氢与之作用。脂肪烃硝基化合物甚至在室温时亦可与产物胺缓缓作用产生复杂的缩聚物,这方面有点似醛。所以要想得到高收率的胺,必须选用低温度加氢的活性催化剂。与芳烃硝基化合物不同,在一定条件下,它先还原成肟:

相对于硝基烷烃,在科研和工业上研究最多的是芳烃的硝基化合物。我国自50年代开始对催化加氢进行研究,1978年成功地自行开发了硝基气相催化加氢制苯技术,催化加氢技术便有了长足的进展,用催化加氢工艺生产了许多产品,如苯胺、邻苯二胺、间苯二胺、对氨基苯酚、3,3`-二氯苯胺、2,4-二氨基甲苯、邻氯苯胺等等,其中3,3`-二氯苯胺、对氨基苯酚、邻氯苯胺由于以前没有生产技术或生产技术落后,导致质量不过关而国内十分紧缺,在近年来却在催化加氢工艺研究上取得了可喜的突破。以上芳胺具体的研究情况如下: 对氨基苯酚

催化加氢制对氨基苯酚方法的研究始于本世纪二十年代。Bamberger提出机理为:

1979年英国的Hartington公司率先将该工艺工业化,目前该方法在美国、日本均已工业化,国内对此工艺也进行了一些研究。北京医科大学的研究已有专利的报道,天津大学等也进行了该工艺的研究开发,但还未见有成功的工业化生产的报道。其合成方法为:由硝基苯在稀硫酸介质中加氢使硝基苯还原成苯基羟胺,同时发生Bamberger重排,制得对氨基苯酚,主催化剂为5%Pd/C,贵金属与硝基苯质量比为:0.0005-0.005:1,三甲基十二烷氯化胺为助催化剂,反应温度维持80℃左右,压力11-12MPa,采用过氧化氢处理后10%的稀硫酸作为

9/19页

反应介质。收率比传统方法提高5%左右,后处理操作时间及三废大大减少,最为关键的是产品质量明显提高,满足医药生产的要求。

苯胺

苯胺是制造染料、农药、医药、橡胶助剂、聚氨酯等的主要中间体,主要工业化国家其年产量都达到几十万吨。苯胺的耗用于聚氨酯有巨大的潜力。发达工业国家苯胺用于聚氨酯方面要占70%以上,而我国目前还不是1/3。因此,我国的苯胺前景是宽广的。合成方法: 将H2预热至350-400℃,进入蒸发器,同时硝基苯流入蒸发器内与热氢气接触汽化,并过热至180-223℃,混合气体从硫化床底部进入,与装于床内的载于硅胶上的单铜催化剂接触反应。反应产物由床顶排泄后,经冷凝、分离、精馏得成品苯胺。

2, 4-二氨基苯胺

2, 4-二氨基苯胺是制造聚氨酯泡沫塑料、涂料、弹性体、黏合剂的原料,市场需求量大,目前,在国内,加氢还原中试已获得成功,但尚未见工业化大生产的报道。

邻氯苯胺

由邻硝基苯加氢还原生成邻氯苯胺。主要催化剂为0.8%Pa/C,贵金属与硝基苯质量比为0.0001~0.0005︰1,亚磷酸钠为助催化剂,甲苯作为溶剂,反应温度60-80℃,氢压0.6-2MPa,邻氯苯胺纯度为99.7%,收率92%,比传统方法三废量大大减少,其中犹为关键的是加入亚磷酸钠具有抑制脱氯效果,使硝基苯在加氢是避免脱氯现象发生。另外,R-Ni加氢制备邻氯苯胺,收率为93%,产品纯度达99%。

邻苯二胺:是农药、染料中间体,其催化加氢法由湖北省化工研究院开发,经小试、中试、扩试最后获得成功,产品各项质量指标达到了32 BG24001-87标准。工艺以邻硝基苯胺为原料,以软水为溶剂,R-Ni为催化剂,在一定温度、压力下,把邻硝基苯胺还原成邻苯二胺: 该工艺适用于大规模连续生产,后处理简单,三废少,生产能力强,成本低。

间苯二胺

以间二硝基苯为原料,以苯为溶剂,以氢气作为还原剂,在R-Ni作用下,在一定温度和压力下,把间二硝基苯还原成间苯二胺,收率大于96%。反应式如下:

该工艺适用于大规模连续生产,后处理简单,三废少,生产能力强,成本低。

3, 3'-二氯联苯胺

由邻硝基苯在碱性条件下液相加氢制备2, 2'-二氯氢化偶氮苯,它是固-液-气三相反应。主催化剂为0.5%-10%Pt/C,贵金属与硝基物质量比为0.00002-0.001:1,萘醌类为助催化剂,甲苯、二甲苯等为溶剂,反应温度为40-100℃,氢气压275.6KPa,反应时间为10h,碱溶液浓度10%左右。生成2,2'-二氯氢化偶氮苯在稀硫酸介质中,发生分子内重排后得3,3'

10/19页

姜恒等发现在少量碱的存在下,PVC-PdCl2(PVC,聚乙烯吡咯烷酮负载)对硝基化合物显示了较多的催化加氢活性。PVC-PdCl2进一步负载到γ-Al2O3上,得到双重负载的钯催化剂。这种双重负载的钯催化剂对硝基化合物的加氢,在常温常压下对硝基苯的催化加氢,即有很高的活性和选择性,又容易从反应体系中分离,实验结果表明,催化剂的制备方法对活性有很大的影响。PVC-Pd/γ-Al2O3对硝基苯和p-甲基硝基苯加氢的TOF max(maximum

turnover frequent (H2)/(n(Pd),t)),分别为256/min和234/min,多次累计转化数可达60000以上,说明催化剂的制备方法对活性有很大的影响。

高分子负载钯和高分子络合钯

自从Holy首次报道用改进性聚苯乙烯负载钯催化剂催化硝基苯加氢以来,此领域一直受到研究工作者的重视。负载型催化剂中的载体作为一个复杂的大配体,它对负载型催化剂的活性及选择性具有很大的影响,特别是有机高分子载体,由于其链结构交联度及饶性的不同,常会引起催化剂活性中心的结构和配体环境的变化,从而影响到催化剂的活性和选择性。不同主链的高分子载体对催化剂的活性及选择性也有较大的影响。如高汗荣等报导了几种以聚2, 6-二甲基1, 4-苯醚(PPO)和聚砜(PSu)为主链的负载钯催化剂对1-辛稀和条件下的催化加氢活性与选择性。官能团化的PPO负载钯对1-辛稀催化加氢活性大于官能团化的PSu负载钯催化剂的活性,但前者在加氢过程中的活性下降比后者快的多,官能团化的PPO负载钯催化剂在1-辛稀加氢过程中活性很快下降的原因与其强的异构化性能和异构化产物有关。相同配体的两种负直载钯催化剂对环戊二烯的催化加氢表现在活性上,PPO低于PSu,而选择性PPO高于PSu。表明除了按预计与钯直接配位的配体外,载体主链结构对负载钯催化剂的加氢性能也有显著影响。另外,还有以高分子作为配体的金属钯络合物催化剂。以高分子为配体的金属络合物催化剂具有高活性,高选择性和可重复使用的特点,在以往的研究中

发现,二氧化硅负载聚-γ-氨丙基烷-钯、二氧化硅负载聚硅氨烷-钯络合物等在催化加氢反应中显示了优良的性能,这些配体都是合成高分子,还有以天然高分子作为配体的,如唐黎则等研究一种新型天然高分子催化剂,二氧化硅负载羧甲基纤维素钯络合物(5,-CMC-Pd)的催化加氢性能。结果表明。络合物中COO/Pd摩尔比、溶剂及PH值对催化性能有很大的影响。该催化剂在30 ℃,常压下硝基苯,各种稀烃化合物,苯甲醇和苯乙酮具有很高的加氢活性和选择性。同时,该催化剂还具有优良的稳定性和重复使用性能。

钯基金属膜催化剂

致密钯金属膜是一类重要的无机催化膜,已成为脱氢或选择加氢反应的重要材料。

Gryaznov等用致密的钯金属管式膜反应器进行选择加氢,一步合成了维生素K4,产率95%。目前,致密钯基膜的商用仅限于氢的纯化,其原因之一是上述的钯膜较厚,氢的渗透速度降低,膜组件的成本高。近年来,有关工作主要集中在钯基金属复合膜的制备及应用研究上。 人们通常把钯基金属层担载在机械稳定的多孔衬底,目的是通过降低膜的厚度来提高氢的渗透速率。可用此种方法制备钯基金属复合膜,如物理气相沉积、化学气相沉积、热喷和化学镀饰等。物理气相沉积适合制备多组分的钯合金膜,易控制膜的厚度,制备过程较快,膜材料纯度高,但金属与衬底结合力较差。化学气相沉积可在复杂的衬底上制得多组合钯合金膜,金属与衬底结合好,但过程优化复杂。

6/19页

钯基双金属催化剂

金属Pd被公认为是最出色的快键和双烯键选择加氢催化剂活性组分,但仍存在许多缺点,如齐聚副反应的发生,易被炔键络合,易中毒,稳定性差等等。针对单Pd催化剂的缺点,研究人员从活性组分Pd与反应产物和载体之间,在具体的空间结构与物理化学微环境的相互作用关系上进行了分析,通过添加第二金属助催化组分来进一步改善催化剂功能。Pd基双金属催化剂对炔/双烯加氢的选择性、活性、稳定性和寿命比单Pd催化剂有很大的提高,在6~4烯烃的选择加氢催化剂中形成了一个优势,可视为该领域的第三代催化剂。

如黄小军等。选择金属铅作为修饰剂制得铅修饰Pd/Al2O3催化剂,对环戊火烯的选择性大大提高,催化剂稳定,不易流失;吴琼等合成了均相Pd-Fe负载催化剂,研究了对卤代艿番硝基化合物的催化氢化性能,发现该催化剂的活性和选择性高,寿命较长,减少脱卤。赵维君等合成均相Pd-Mo双核络合物催化剂考察了对1,5,9-环十二碳三烯的选择加氢性能,发现加氢选择性与转化率是很高。

络合钯

PdCl2或其它钯类络合物遇氢不稳定,故很少用作均相催化剂,但若Sn2+存在下,钯络合物就有加氢活性,如(ph3P)2PdCl在SnCl2.2H2O或GeCl2作助剂时,对大豆油脂加氢有活性。不过,最近发现(ph2PCH2Pph2)3Pd2对端烯、环烯烃、共扼双烯和炔有加氢活性,端烯加氢速率随碳链增长而降低。

钌作为加氢反应的催化剂用的较多,在F-T合成,芳烃化合物(特别是芳香族胺类)的加氢等反应中,均发现有良好的活性和选择性。在钌催化剂上进行的液相加氢中,水的存在显著地促进反应。它对醛酮的加氢也有较高的活性,与其他铂系催化剂相比,常能表现某些特异性质。

RuO2

将用碱熔法制得的钌酸盐溶于水中,加以酸化后,所得沉淀用过氧化氢处理,并在空气中强热,便得到在有机化合物的加氢中显示高活性的RuO2。

Ru(OH)4

用盐酸将氯化钌水溶液略加酸化后加热至85-90℃,在激烈搅拌下逐次少量地假加入超过当量的浓度为10%NaOH溶液。将生成的黑色沉淀滤集在滤纸上,用蒸馏水反复洗涤,直至洗液PH值到7.8-8.0为止。然后在室温下真空干燥。Ru(OH)4中含钌量为65%,用该法容易得到碱残留量少的催化剂,这种催化剂可以用于芳烃化合物的加氢,比RuO2的活性高得多。

负载钌

7/19页

使氯化钌溶液渗透到载体中在加氢还原,或使钌的氧化物或氢氧化物在载体上析出后,再用氢还原,均可制成钌的负载催化剂。Naghara等详细论述了其不同的制备方法,以及选择某些金属氧化物和沸石等多种物质作载体时的钌催化剂的加氢性能。实验证明了疏水物质不宜作载体,而亲水物质则是很好的载体。因此载体的主要作用是提高催化剂的表面亲水性,增大催化剂的有效表面积和防止催化剂的表面积碳。具体载体有SiO2、Al2O3、沸石、锌和镧的复合氧化物,BaSO4,分子筛等,对苯的部分加氢有不同的活性。

在负载钌催化剂中加入K、Fe、Co、Cu、Ag等金属元素作催化剂,可以显著提高催化剂的活性和选择性。另外,水的含量对催化活性也有影响。

氯化钌

自从1960年Halpern等证实RuCl2水溶液对烯烃加氢有活性以来,Adamson系统地研究了RuCl2,RuCl3,RuCl4的活性,认为其中的活性物种是Ru(H2O)2Cl4-,Ru(H2O)Cl52-,RuCl63-,他们认为可能机理如下图所示:

RuCl(ph2P)3是端烯加氢很好的催化剂,能保留90%的立体结构,RuCl2(Pph3)3催化还原查尔酮,C=C选择性100%,且反应极为迅速。RuCl2(BINAP)/[CHPh(NH2)]2氢化不对称α,β-不饱和环酮得手性烯丙酮具有极高的立体选择性。还有利用金属钌,铑络合手性膦、手性碳等配体制成手性催化剂对某些烯酮等化合物进行均相加氢,可以选择性地得到带有光学活性的物质,光学产率几近理论值。当然其中手性膦配体的设计对钌铑的立体选择加氢十分重要,这方面已有详细综述。

另外,均相络合加氢的一个核心问题是过渡金属催化剂的分离和循环使用。为解决该问题普遍采用的均相催化多相化方法,原则上分为2类:一是将钌、铑等催化剂静态固定在高分子或无机载体上的固载均相催化,另一类是采用水溶性膦的配体,将均相催化剂动态负载在与产物互不相溶的水相而实现水/有机两相催化。两者在这方面都已有很大的进展,实现立体均相催化工业化应是指日可待。

铑(Rh)、铱(Ir)、锇(Os)

三种金属催化剂类型差不多,都有氧化物、氢氧化物、负载型、络合型金属催化剂,其制备方法同钌、铂相似。铑的产量和少,极贵重对芳烃加氢具有较高活性和选择性。胶体铑催化剂相当稳定,放置数月活性不下降。常见负载催化剂是Rh/Al2O3,Rh/CeO2,Rh/SiO2等多用于CO加氢成醇,芳烃和硝基加氢;铱的固体催化剂、均相催化剂形式、活性与铑相近。尤其在均相催化加氢中,也许是三价阳离子d6电子分配相似的原因,但铑加氢活性比铱要高得多,如RhCl(Pph3)3是有效的加氢催化剂,而IrCl(Pph3)3则不是。但RhCl(CO)(Pph2)3、和IrCl(CO)(Pph3)2都具有良好的加氢活性。催化剂活性还取决于实验条件、溶剂极性等。

锇的氧化物易挥发,有刺激性和毒性,不用作催化剂,常用作环氧化物氢解成伯醇的反应,其负载型催化剂有Os-石棉、Os/Al2O3、Os/C等,其络合加氢催化剂研究不多,有报道OsHCl(CO)(Pph3)3、OsHCl2(Pph3)3对烯烃加氢有活性。

8/19页

Rh、Ir的均相加氢研究与Ru很相近,尤其是`Rh,广泛由于不对称加氢,Ir相对少些,Os则更不常见。

2.加氢催化反应

随着改革开放,国民经济迅速发展,医药、燃料、农药、日用化工等精细化工行业在规模数量上已跻身世界大国行列,但技术水平与发达国家尚有较大的差距,产品质量不高,物耗与能耗较高,特别是三废治理不完善,严重制约了精细化工的进一步发展。

进几年我国催化加氢技术在技术开发与推广使用上都有了重大脱破,催化加氢技术已不仅仅在石油化工、石油炼制上得到广泛的应用,在精细化工上也得到了不断开发和应用。目前,我国许多企业仍普遍采用五、六十年代的铁粉、硫化碱、水合阱等还原方法组织生产,这与发达国家主要采用催化加氢法生产相比,技术上至少落后20年。因此,用先进的催化加氢技术来来改造传统落后的技术,是化工科技界一项十分迫切的任务。现就催化加氢反应的应用范围、加氢催化剂、加氢催化反应工艺及动力学和机理四个方面作一一阐述。

1.加氢催化反应的应用

1.1硝基化合物加氢

硝基烷烃的加氢活稍逊于烯键。在骨架镍上的加氢活性和铂催化剂相似,甚至稍高一些。在骨架镍上,共扼的硝基烯烃如CH3CH2C(NO2)=CH2的加氢不是选择性的,而非共扼的硝基烯烃可先还原硝基。硝基烷烃的加氢在骨架镍上的活化能比亚当斯铂低,而指前因子却小于后者。这表示在镍上较易活化,在铂上却有较多的吸附氢与之作用。脂肪烃硝基化合物甚至在室温时亦可与产物胺缓缓作用产生复杂的缩聚物,这方面有点似醛。所以要想得到高收率的胺,必须选用低温度加氢的活性催化剂。与芳烃硝基化合物不同,在一定条件下,它先还原成肟:

相对于硝基烷烃,在科研和工业上研究最多的是芳烃的硝基化合物。我国自50年代开始对催化加氢进行研究,1978年成功地自行开发了硝基气相催化加氢制苯技术,催化加氢技术便有了长足的进展,用催化加氢工艺生产了许多产品,如苯胺、邻苯二胺、间苯二胺、对氨基苯酚、3,3`-二氯苯胺、2,4-二氨基甲苯、邻氯苯胺等等,其中3,3`-二氯苯胺、对氨基苯酚、邻氯苯胺由于以前没有生产技术或生产技术落后,导致质量不过关而国内十分紧缺,在近年来却在催化加氢工艺研究上取得了可喜的突破。以上芳胺具体的研究情况如下: 对氨基苯酚

催化加氢制对氨基苯酚方法的研究始于本世纪二十年代。Bamberger提出机理为:

1979年英国的Hartington公司率先将该工艺工业化,目前该方法在美国、日本均已工业化,国内对此工艺也进行了一些研究。北京医科大学的研究已有专利的报道,天津大学等也进行了该工艺的研究开发,但还未见有成功的工业化生产的报道。其合成方法为:由硝基苯在稀硫酸介质中加氢使硝基苯还原成苯基羟胺,同时发生Bamberger重排,制得对氨基苯酚,主催化剂为5%Pd/C,贵金属与硝基苯质量比为:0.0005-0.005:1,三甲基十二烷氯化胺为助催化剂,反应温度维持80℃左右,压力11-12MPa,采用过氧化氢处理后10%的稀硫酸作为

9/19页

反应介质。收率比传统方法提高5%左右,后处理操作时间及三废大大减少,最为关键的是产品质量明显提高,满足医药生产的要求。

苯胺

苯胺是制造染料、农药、医药、橡胶助剂、聚氨酯等的主要中间体,主要工业化国家其年产量都达到几十万吨。苯胺的耗用于聚氨酯有巨大的潜力。发达工业国家苯胺用于聚氨酯方面要占70%以上,而我国目前还不是1/3。因此,我国的苯胺前景是宽广的。合成方法: 将H2预热至350-400℃,进入蒸发器,同时硝基苯流入蒸发器内与热氢气接触汽化,并过热至180-223℃,混合气体从硫化床底部进入,与装于床内的载于硅胶上的单铜催化剂接触反应。反应产物由床顶排泄后,经冷凝、分离、精馏得成品苯胺。

2, 4-二氨基苯胺

2, 4-二氨基苯胺是制造聚氨酯泡沫塑料、涂料、弹性体、黏合剂的原料,市场需求量大,目前,在国内,加氢还原中试已获得成功,但尚未见工业化大生产的报道。

邻氯苯胺

由邻硝基苯加氢还原生成邻氯苯胺。主要催化剂为0.8%Pa/C,贵金属与硝基苯质量比为0.0001~0.0005︰1,亚磷酸钠为助催化剂,甲苯作为溶剂,反应温度60-80℃,氢压0.6-2MPa,邻氯苯胺纯度为99.7%,收率92%,比传统方法三废量大大减少,其中犹为关键的是加入亚磷酸钠具有抑制脱氯效果,使硝基苯在加氢是避免脱氯现象发生。另外,R-Ni加氢制备邻氯苯胺,收率为93%,产品纯度达99%。

邻苯二胺:是农药、染料中间体,其催化加氢法由湖北省化工研究院开发,经小试、中试、扩试最后获得成功,产品各项质量指标达到了32 BG24001-87标准。工艺以邻硝基苯胺为原料,以软水为溶剂,R-Ni为催化剂,在一定温度、压力下,把邻硝基苯胺还原成邻苯二胺: 该工艺适用于大规模连续生产,后处理简单,三废少,生产能力强,成本低。

间苯二胺

以间二硝基苯为原料,以苯为溶剂,以氢气作为还原剂,在R-Ni作用下,在一定温度和压力下,把间二硝基苯还原成间苯二胺,收率大于96%。反应式如下:

该工艺适用于大规模连续生产,后处理简单,三废少,生产能力强,成本低。

3, 3'-二氯联苯胺

由邻硝基苯在碱性条件下液相加氢制备2, 2'-二氯氢化偶氮苯,它是固-液-气三相反应。主催化剂为0.5%-10%Pt/C,贵金属与硝基物质量比为0.00002-0.001:1,萘醌类为助催化剂,甲苯、二甲苯等为溶剂,反应温度为40-100℃,氢气压275.6KPa,反应时间为10h,碱溶液浓度10%左右。生成2,2'-二氯氢化偶氮苯在稀硫酸介质中,发生分子内重排后得3,3'

10/19页


相关内容

  • 铂系与镍系苯加氢催化剂催化性能对比
  • 生产技术 化工科技,2007,15(6) :42-45 SCIENCE &TECHNOLO GY IN CH EMICAL INDUSTR Y 铂系与镍系苯加氢催化剂催化性能对比 吴永忠1, 张英辉2 (1. 南京化工职业技术学院应化系, 江苏南京210048;2. 中国石油吉林吉化建修有限 ...

  • 石油炼制中的加氢催化剂和技术
  • 石油学报(石油加工) 2010年10月 ACTA PETR()I.El SINICA(PETRf)I,EUMPRO(1ESSINGSECTION) 增刊 文章编号:1001-8719(2010)增刊一0077-05 石油炼制中的加氢催化剂和技术 聂 红,李明丰,高晓冬,李大东 (中国石化石油化工科学 ...

  • 乙炔加氢脱乙烷工艺
  • 裂解气中含有少量的炔烃,例如乙炔.丙炔以及丙二烯等.在裂解气中乙炔含量一般为2000-7000ppm ,丙炔含量一般为1000-1500ppm ,丙二烯含量一般为600-1000ppm .它们是在裂解过程中生成的. 聚合用的乙烯,应严格限制乙烯中乙炔的含量.乙炔会造成聚合催化剂的中毒,会降低乙烯的分 ...

  • 催化裂化汽油的选择性催化加氢脱硫技术
  • 炼 油 设 计 2002年10月 PETRO LE UM REFI NERY E NGI NEERI NG 第32卷第10期 催化裂化汽油的选择性催化加氢脱硫技术 孙爱国 汪道明 中国石油化工股份有限公司安庆分公司(安徽省安庆市246001) 摘要:论述了催化裂化汽油选择性加氢脱硫技术的现状和发展趋 ...

  • 润滑油基础油的特点及生产工艺
  • 齐鲁石油化工,2010,38(1):23-28 QILU PETROCHEMICAL TECHNOLOGY 工业技术 润滑油基础油的特点及生产工艺 宋宁宁 康 茵 (中国石化石油化工科学研究院,北京,100083) 摘要 介绍了不同润滑油基础油的特点及相关工艺.传统工艺生产的I类基础油不能满足高档润 ...

  • NCG_98H新型苯加氢催化剂的工业应用_孙书田
  • NCG 98H 新型苯加氢催化剂的工业应用 孙书田 (山东方明化工有限公司, 山东东明 274500) 摘要:介绍了N CG 98H 新型苯加氢催化剂在环己烷装置中的应用情况.应用结果表明, 新型苯加氢催化剂具有催化活性及选择性高.热稳定性好.副产蒸汽压力高.工业装填方便等特点, 经济效益显著, 值 ...

  • 柴油加氢精制催化剂制备技术
  • 第19卷第2/3期2007年3月 化学进展 PROGRESSINCHEMISTRY VoI.19No.2/3Mar.,2007 柴油加氢精制催化剂制备技术! 安高军 柳云骐!! 柴永明 刘晨光 东营257061) (中国石油大学重质油国家重点实验室CNPC催化重点实验室 摘 要 柴油加氢精制催化剂制 ...

  • 柴油加氢精制装置工艺技术路线的选择及其先进性分析
  • 科技创新导报2010 NO.21 Technology Innovation Herald 工 业 技 术 柴油加氢精制装置工艺技术路线的选择及其先进性分析 李继勋 (抚顺石化公司工程建设指挥部 辽宁抚顺 113008) 摘 要:抚顺石化公司180万t/年柴油加氢精制装置设计以常减压蒸馏装置的直馏柴 ...

  • 粗苯加氢精制技术比较
  • 粗苯加氢精制技术比较 生产芳香烃-苯.甲苯.二甲苯的主要原料是石油催化重整的重整油.石油裂化的高温裂解汽油和焦化粗苯.这3种原料占总原料量的比例依次为:70%.27%.3%.以石油为原料生产芳香烃的工艺都采用加氢工艺,以焦化粗苯为原料 生产芳香烃的工艺有酸洗精制法和加氢精制法. 酸洗法仍在发展中国家 ...