氨基吡啶氫化反應(yīng)中不同貴金屬催化劑協(xié)同作用的影響

張 磊，王昭文，李岳鋒，萬克柔，王 慧*

(1.西安凱立新材料股份有限公司，陜西 西安 710201；2.陜西省貴金屬催化劑工程研究中心，陜西 西安 710201)

隨著人類文明的進(jìn)步，對作為人類身體健康的藥物提出了更高、更新的要求。而近年來含雜環(huán)、含手性藥物的成功合成預(yù)示著這類藥物將在今后人類開發(fā)農(nóng)藥、醫(yī)藥方面將占有越來越重要的地位[1-2]。其中含氮雜環(huán)化合物與生命科學(xué)、材料科學(xué)有著十分密切的關(guān)系，有關(guān)含氮雜環(huán)化合物的研究成果不斷改變著人們的日常生活，天然和合成的含氮雜環(huán)化合物在許多商業(yè)領(lǐng)域都有重要和廣泛的應(yīng)用。因此開發(fā)一種快速而有效合成含氮雜環(huán)化合物的方法是有機(jī)化學(xué)和藥物化學(xué)的一個重要課題，因?yàn)楹s環(huán)化合物常有潛在的生物活性，也使這類化合物成為當(dāng)今醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。吡啶類化合物作為含氮雜環(huán)化合物的代表性物質(zhì)，對于它的研究也愈來愈多。從結(jié)構(gòu)與性質(zhì)上分析，吡啶環(huán)和苯環(huán)是生物電子等排體，與苯環(huán)有著相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，都具有芳香性環(huán)的特點(diǎn)，但由于吡啶環(huán)是一個缺π電子體系，環(huán)碳原子的π電子是流向N原子的，環(huán)上的N原子有很強(qiáng)的吸電子作用使得整個環(huán)被鈍化[1-3]。因此在合成藥物中，如何將吡啶環(huán)快速有效的氫化也成為近年來大家研究的一個熱點(diǎn)。對于氮雜環(huán)類化合物的催化氫化反應(yīng)，主要有均相催化和多相催化這兩類，其中以多相催化為主[4]。所用的多相催化劑中，用Ni作為催化劑的文獻(xiàn)及專利報道的最多，為減少環(huán)境污染，降低工業(yè)生產(chǎn)成本和提高催化劑的性能，人們開始大量研究貴金屬催化劑對于吡啶類化合物氫化的影響。碳載貴金屬催化劑以其綠色環(huán)保、選擇性好、催化效率高等優(yōu)點(diǎn)一直備受科研工作者和化工企業(yè)的關(guān)注，但是如何在催化劑的制備過程中有效調(diào)節(jié)其選擇性，提高催化效率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。影響負(fù)載貴金屬催化劑性能的因素眾多，至今尚難以在分子水平設(shè)計催化劑活性中心的微觀結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在人們研究負(fù)載型貴金屬催化劑性能的主要因素：催化劑的制備方法及其條件、載體種類、載體的預(yù)處理方法、金屬負(fù)載量等。催化劑的催化活性組分在自然界中含量較少，價格昂貴。因此，提高催化劑的使用效率顯得尤為重要。催化劑的效率除了和活性組分的種類相關(guān)外，還與活性組分的比表面積、孔隙率、微觀及宏觀構(gòu)造等多種因素有關(guān)。而固體催化劑只在材料表面發(fā)揮催化作用，要制備高效率的催化劑，降低成本，就要使昂貴的活性組分充分的實(shí)現(xiàn)分散化，使單位質(zhì)量的比表面積盡可能大。但是，高度分散的貴金屬納米顆粒非常不穩(wěn)定，在反應(yīng)過程中粒子容易發(fā)生團(tuán)聚。因此除了選擇合適的活性炭作為載體，調(diào)節(jié)吸附和還原的條件，人們了解到相對于單金屬催化劑，在某些方面雙金屬催化劑的加氫活性更高,且選擇性更好。這是由于雙金屬之間較強(qiáng)的協(xié)同作用，即雙金屬通過電子效應(yīng)降低金屬的結(jié)合能，使其更易被還原;通過空間作用使彼此得到分散，提高催化劑的分散度，同時可以降低金屬-氫的鍵能,使氫更易溢出參與反應(yīng)。因而雙金屬催化劑能在更溫和的條件下對較難加氫的底物進(jìn)行加氫,達(dá)到較為理想的結(jié)果，這一現(xiàn)象稱為金屬之間的“協(xié)同作用”[5-7]。

在本文中我們主要討論了在不同溶劑、不同溫度和不同壓力的條件下，鈀、釕、銠等貴金屬分別負(fù)載在活性炭和氧化鋁載體上的催化活性，通過調(diào)整反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力找到了在不同溶劑的條件下最佳的催化劑以及反應(yīng)條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑制備

碳載催化劑：稱取活性炭10倍質(zhì)量的去離子水，倒入活性炭中，攪拌均勻。將相應(yīng)活性組分(PdCl2、RuCl3、RhCl3)溶于稀鹽酸溶液中，滴加到活性炭漿液中(金屬負(fù)載量為5%)，滴加60 min，繼續(xù)穩(wěn)定120 min，使用5%NaOH溶液調(diào)節(jié)碳漿pH值=8.0，繼續(xù)穩(wěn)定30 min，配制新鮮NaBH4溶液還原，過濾，洗滌至無氯離子，即得相應(yīng)碳載催化劑。

氧化鋁負(fù)載催化劑：稱取氧化鋁載體，稱取相應(yīng)活性組分(PdCl2、RuCl3、RhCl3)溶于稀鹽酸溶液中，等體積浸漬24 h，150℃烘干24 h，配制新鮮NaBH4溶液還原，過濾，洗滌至無氯離子，即得相應(yīng)氧化鋁負(fù)載催化劑。

1.2 催化劑評價

催化劑評價條件為：氨基吡啶：15 g，乙醇/H2O：80 mL，催化劑：1.0 g，H2壓力和溫度見表1，反應(yīng)時間見表1，反應(yīng)轉(zhuǎn)速：900 r/min，上述評價反應(yīng)于250 mL智能高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行，加氫產(chǎn)物采用AgilentGC-7890A氣象色譜儀分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 H2O體系中加氫的影響

氨基吡啶加氫制備氨基哌啶的路線如下所示：

雜環(huán)氫化一般需要在高溫高壓下進(jìn)行，例如在水做溶劑的條件下，往往需要在150℃，5 MPa下進(jìn)行加氫，且反應(yīng)時間都較長。表1是不同催化劑，不同加氫條件下相應(yīng)的催化氫化轉(zhuǎn)化率。

表1 水體系下不同催化劑的氫化效果

由表1可見，在水做溶劑的條件下，Rh/C的加氫活性最高，在反應(yīng)壓力為4 MPa，反應(yīng)溫度為120℃的條件下就可以達(dá)到99%的原料轉(zhuǎn)化率，而且反應(yīng)時間僅僅為3 h，但是產(chǎn)品氨基哌啶的選擇性較差。Ru/C和Pd/C選擇性較好，但是在更高的反應(yīng)條件下原料的轉(zhuǎn)化率仍然較低。考慮到反應(yīng)條件比較苛刻，本反應(yīng)嘗試了粉末氧化鋁負(fù)載的貴金屬催化劑，并且在雙金屬協(xié)同作用下，篩選出了活性和選擇性均較好的催化劑。

由表2可見，在以粉末氧化鋁做載體所制備的相應(yīng)催化劑中，除Ru/Al2O3以外，其余兩種催化劑的催化活性均不及相應(yīng)碳載催化劑活性高。但是，將Pd和Ru兩種貴金屬通過簡單組合的方式所制備的雙金屬Pd-Ru/Al2O3催化劑卻表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和高加氫選擇性，而我們通常認(rèn)為在雜環(huán)加氫中活性較高的貴金屬Rh，無論是其自身還是與其它貴金屬Ru和Pd的組合對于提高其活性和選擇性均效果不佳。Pd-Ru/Al2O3雙金屬催化劑相對于單獨(dú)的Pd/Al2O3和Ru/Al2O3催化劑，其活性均有明顯提高，而選擇性和Ru/Al2O3催化劑相比也沒有明顯的降低。這說明雙金屬之間的協(xié)同作用對于3-氨基吡啶的加氫反應(yīng)的催化起了很大的促進(jìn)作用。大量的研究表明這可能是因?yàn)殡p金屬之間較強(qiáng)的協(xié)同作用，即雙金屬通過電子效可以降低金屬-氫的鍵能，使氫更易溢出參與反應(yīng)。因而雙金屬催化劑能在更溫和的條件下對較難加氫的底物進(jìn)行加氫，達(dá)到較為理想的結(jié)果。

表2 氧化鋁負(fù)載催化劑的氫化效果

2.2 乙醇體系中加氫的影響

在考察了水體系中貴金屬催化劑的協(xié)同作用后，我們將反應(yīng)溶劑換成乙醇，繼續(xù)考察在乙醇體系中是否也存在此類效果。

由表3可見，我們發(fā)現(xiàn)原來在水體系中反應(yīng)良好的Pd-Ru/Al2O3在乙醇體系中卻失去了作用。我們分析可能是因?yàn)樗碾x子性要好于乙醇，在無水乙醇中3-氨基吡啶更加的難以離子化，從而使加氫反應(yīng)難以進(jìn)行。我們嘗試了Ru/C對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示仍然有40%的原料沒有轉(zhuǎn)化掉。Rh/C的催化活性雖然高于Ru/C，但是在10 h內(nèi)原料仍有剩余。于是，通過共同浸漬的方法我們制備了Rh-Ru/C催化劑，但是在具體反應(yīng)中，其活性與Rh/C相似，甚至活性還有所降低。但是通過分別制備Ru/C和Rh/C，并將其共同投入到氨基吡啶的加氫反應(yīng)中卻表現(xiàn)出較好的活性和選擇性。分析原因，可能實(shí)在共浸漬的過程中Ru和Rh由于電子效應(yīng)而存在競爭吸附的情況，此時的協(xié)同作用卻起到了不好的影響，但是當(dāng)把單獨(dú)制備的Ru/C和Rh/C催化劑共同投入到反應(yīng)中時，也可以起到正向的協(xié)同作用，這說明金屬間的協(xié)同催化作用并不一定是要制備合金催化劑，只是簡單的機(jī)械混合在催化加氫反應(yīng)中也有可能起到較好的催化效果。

表3 乙醇體系中不同催化劑的氫化效果

3 結(jié)論

本文分別研究了在水體系和無水乙醇體系中單金屬和雙金屬催化劑對3-氨基吡啶加氫3-氨基哌啶的影響。發(fā)現(xiàn)，在水體系中，Pd-Ru/Al2O3合金催化劑的催化效果要明顯優(yōu)于相應(yīng)的單金屬催化劑，而Rh/C催化劑的催化活性雖然很高，但是選擇性略差。在無水乙醇體系中，通過共浸漬制備的合金催化劑并沒有起到正向的協(xié)同作用，反而是通過催化劑之間的物理混合就可以有效的提高反應(yīng)效率，這一簡單的操作方法也為多金屬協(xié)同催化提供了新的思路。