生物素合成套用Pd-Ni/C催化劑的制備研究

顏攀敦，陳 丹，張潔蘭，李岳鋒，曾永康

(西安凱立新材料股份有限公司，陜西省貴金屬催化劑工程研究中心，陜西 西安 710201)

生物素又稱維生素H、輔酶R，屬于維生素B族，主要應用于營養增補劑，醫藥衛生，食物強化劑，蛋白、抗原、核酸等的標記[1]。

劉美星[2]及竺亞慶[3]提出了D-生物素中間體用鈀炭催化加氫制備D-生物素。生物素合成路線如圖一所示，在生物素中間體順-2-氧代-1,3-二芐基-4-(4-羧丁-1-烯)六氫-1H-噻吩并[3,4-d]咪唑加氫反應中，由于中間體為含硫化合物，催化劑中的鈀易與硫形成穩定的結構，從而造成催化劑永久性中毒，致使鈀炭催化劑失活，無法進行套用。王柳楓[4]，賈洪濤[5]，李岳鋒[6]等公開了一種加氫鈀炭催化劑再活化的方法，此法雖對催化劑有一定的穩定活化作用，但均為對催化劑的后處理，步驟過程繁瑣，且在實際工業生產中不易操作。

圖1 生物素合成路線

本文通過在鈀前驅體中添加鎳鹽制備出改性鈀鎳炭催化劑，對其進行生物素合成套用測試。對套用前后的催化劑的比表面積和活性組分鈀的分散度及表面狀態等進行了表征，研究了改性催化劑在生物素合成套用催化性能的影響因素。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

活性炭，氯亞鈀酸鈉(西安凱立新材料股份有限公司，Pd≥36%)，硝酸鎳，碳酸鈉，硝酸，雙氧水，氫氧化鈉，甲醇，順-2-氧代-1,3-二芐基-4-(4-羧丁-1-烯)六氫-1H-噻吩并[3,4-d]咪唑，均為市售分析純，國藥集團上海化學試劑有限公司。

美國麥克儀器公司ASAP2010，美國麥克儀器公司AutoChemⅡ2920化學吸附儀，電感耦合等離子體光譜發生儀，島津型液相色譜儀，高壓反應釜。

1.2 載體篩選及預處理

選擇A煤質炭、B椰殼炭、C木質炭各兩種為研究對象，分別記為A-1，A-2，B-1，B-2，C-1，C-2。對其中的優選載體進行HNO3、NaOH、H2O2處理。將50g優選載體加入至500mL 10%質量濃度的HNO3、NaOH、H2O2溶液中，于水浴鍋中加熱60℃回流3h，冷卻至室溫后過濾、用純水洗滌直至中性，轉移至150℃烘箱烘干至恒重，備用。

1.3 催化劑制備

稱取9.0g活性炭加入200mL純水攪拌30min，稱取2.78g氯亞鈀酸鈉及計量比的硝酸鎳溶液用純水稀釋至一定體積，攪拌條件下將活性組分混合溶液緩慢滴加至活性炭漿中，再用碳酸鈉水溶液調節pH=7，穩定30min后過濾、洗滌，濾餅于80℃烘箱內烘干過夜，最后于氫氣氣氛中5℃/min升至300℃還原1h，即得到 10%Pd-Ni/C催化劑。另按照上述同樣方法制備不添加鎳鹽的10%Pd/C催化劑。

1.4 催化劑性能評價[4]

將30g中間體原料順-2-氧代-1,3-二芐基-4-(4-羧丁-1-烯)六氫-1H-噻吩并[3,4-d]咪唑溶于150g甲醇中，加入1.125g鈀炭催化劑，投入至高壓反應釜中，氮氣置換空氣后，在氫氣置換氮氣，循環三遍，保持壓力1.0MPa，反應溫度80℃，反應10h將反應液過濾，濾液取樣液相色譜儀分析，得到的濾餅用甲醇沖洗后全量轉入反應釜中，高壓反應器釜再加入30g中間體原料，進行第一次套用，重復此套用步驟。

1.5 物理化學性質測定

采用美國麥克儀器公司ASAP2010測定活性炭和催化劑比表面積，美國麥克儀器公司AutoChemⅡ2920化學吸附儀測定金屬分散度，電感耦合等離子體發生儀分析金屬含量。

2 結果與討論

2.1 載體種類的影響

表1 不同種類載體對生物素轉化率的影響

表1為不同種類活性炭載體制備的催化劑的生物素合成性能，由表1可知，催化劑活性以木質炭載體性能最佳，椰殼炭次之，煤質炭性能最差，同時對三種不同種類活性炭載體比表面積進行測定，發現活性最高的木質炭具有較大的比表面積，其比表面積達1080～1320 m2·g-1。這是因為生物素中間體為含硫化合物，且與雙鍵較近，鈀炭催化劑較易失活，因此需要鈀炭催化劑的活性點位更多。同時，煤質炭載體制備的催化劑性能差不僅與其相對較低的比表面積有關，還可能與煤質炭本身成分有關，煤質炭雜質較多，尤其其中含有硫元素，導致以此為載體制備的催化劑活性最差。優選木質炭C-2為研究對象。

2.2 載體處理方式的影響

表2 載體處理方式對生物素轉化率的影響

對優選載體木質炭C-2進行不同試劑處理，以其制備的催化劑的生物素合成性能見表2。表中結果說明，載體經過H2O2和HNO3處理后所制備的催化劑表現出較高的生物素轉化率，分析認為H2O2和HNO3處理一方面能夠降低載體的灰分含量，同時由于試劑的氧化侵蝕作用，對活性炭的固有孔隙起到擴孔作用，使其比表面積增大，并且經過試劑的氧化處理，增加了活性炭表面的含氧基團，表現出更好的活性。此外，載體經過NaOH處理后，其比表面積和催化劑活性降低，歸因于堿處理對載體孔道的堵塞作用。因此，選擇HNO3處理活性炭載體。

2.3 助劑Ni添加的影響

盡管以HNO3處理的高比表面積的木質炭C-2在生物素合成的首次活性中表現出較好的性能，但由于生物素中間體原料中含有的硫元素易與鈀炭催化劑中的鈀結合從而使鈀炭催化劑中毒，失去活性而導致不能套用，生產成本較高。為了減弱鈀被毒化的程度，嘗試了在鈀前驅液中添加不同比列的Ni(NO3)2制備催化劑，其結果見圖2。

圖2 助劑Ni添加對生物素套用轉化率的影響

由圖2可知，未添加助劑Ni的催化劑套用性能不佳，經過三次套用后，生物素的轉化率從94.9%下降至65.3%，而通過添加不同含量的Ni(NO3)2制備的催化劑其套用性能大大提升，其中以添加量為0.5%Ni套用性能最佳，經三次套用后其生物素轉化率從96.8%下降至88.2%，遠遠優于未添加助劑Ni的65.3%。因此，助劑Ni的添加的確有助于催化劑抗毒化性能的提升。這是因為Ni的引入增強了Ni與中間體中硫的絡合，從而減少鈀被硫毒化程度，提高了催化劑的抗硫性能。

2.4 吸附溫度的影響

據李偉峰[7]報道，不同溫度下吸附對催化劑形成的結構有一定影響。因此，研究了添加量0.5%Ni的Pd-Ni/C催化劑在不同溫度吸附(25～50℃)制備的催化劑對生物素套用轉化率的影響，其結果見圖3。

圖3 吸附溫度對生物素套用轉化率的影響

由圖3可知，在35℃吸附時，催化劑的套用性能最佳。經過三次套用后，生物素轉化率有96.2%降至91.8%，保持了良好的套用性能。這是因為吸附溫度在20～30℃時，因溫度較低，活性組分在體系里的擴散速度和能力比較弱，容易在活性炭表層位置聚集，形成蛋殼型催化劑，從而具備更高的初始活性；吸附溫度在30～40℃時，易形成蛋白型催化劑，其外層活性炭載體可以起到毒物過濾作用，降低毒物對催化劑的毒化程度從而增強套用性能；吸附溫度為40～60℃時，易形成蛋黃型催化劑，反應底物不易進入，從而導致初始活性及套用性能均不及蛋殼及蛋白型催化劑。

2.5 催化劑表征

為了研究鎳的加入對催化劑套用性能的影響，對新鮮催化劑及套用3次后進行了表征。其表征結果見表3。

表3 新鮮催化劑和失活催化劑表征

經過3次套用后，催化劑的比表面積均大幅度降低，這是因為催化劑表面被有機物覆蓋，微孔和中孔被堵塞導致；分散度也均有較大程度降低，說明活性位Pd被有機物覆蓋或者在反應過程中Pd因攪拌摩擦等因素導致流失，或者Pd被毒化。Pd-Ni/C催化劑的比表面積、Pd分散度較Pd/C相對較高也說明助劑Ni的添加確實有助于催化劑套用性能的提升。對催化劑進行ICP分析發現，新鮮催化劑的Pd含量接近10%，與理論含量基本一致。套用后兩種催化劑Pd含量從9.92%降至6.55%及8.84%，說明經過多次反應后存在Pd流失的情況，且添加Ni的催化劑檢測到比未添加Ni更多的S元素，理論上S元素越多說明毒化程度越嚴重，而實驗中添加Ni催化劑套用性能更佳，這是助劑Ni與S發生了絡合，從而減少了Pd被毒化程度，從而表現出更好的套用性能。

3 結論

經過實驗研究，生物素合成用Pd/C催化劑選用以HNO3處理的大比表面積的木質炭更為合適；以鈀前驅體中添加助劑Ni所制備的Pd-Ni/C催化劑具有更好的抗硫性能，在35℃吸附時易形成蛋白型催化劑，有利于生物素合成反應的套用。