間苯二酚還原制備1,3-環(huán)己二酮的連續(xù)流技術(shù)開發(fā)

陳劍力，李子雯，錢 廣

（1.嘉興南湖學(xué)院；2.嘉興學(xué)院：浙江 嘉興 314001）

1,3-環(huán)己二酮，分子式為C6H8O2，是一種重要的化學(xué)中間體，被廣泛應(yīng)用于合成藥物和農(nóng)藥，如高血壓特效藥卡維地洛，止吐藥蒽丹西酮，除草劑硝草酮和磺草酮等，具有重要的研究意義和商業(yè)價值[1-3]。

1,3-環(huán)己二酮的合成路線主要有γ-乙酰丁酸酯縮合法和間苯二酚還原法2種。γ-乙酰丁酸酯縮合法以γ-?；人狨樵?，強(qiáng)堿為縮合劑，縮合成環(huán)生成1,3-環(huán)己二酮[4-6]；間苯二酚還原法是以間苯二酚為原料，用氫、甲酸鹽和異丙醇等氫供體，以貴金屬或Ni 為催化劑，將原料還原為1,3-環(huán)己二酮[7-9]。γ-乙酰丁酸酯縮合法中的γ-乙酰丁酸甲酯不易得到且反應(yīng)條件苛刻，而間苯二酚還原法具有方法簡單，產(chǎn)物收率高、易分離和質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，是目前生產(chǎn)1,3-環(huán)己二酮的主流方法。

在間苯二酚還原法中，以氫氣為還原劑毫無疑問是最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的選擇，但氫氣易燃易爆的危險性限制了催化加氫在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，常規(guī)使用的Pd和Ni催化劑也具備易燃的危險性。除此之外，釜式反應(yīng)器中嚴(yán)重的返混會導(dǎo)致過度還原副產(chǎn)物的出現(xiàn)，從而使產(chǎn)物收率降低。

筆者以間苯二酚為原料，將催化劑填充于固定床內(nèi)，通過將間歇生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為連續(xù)生產(chǎn)，提高催化加氫還原的安全性和選擇性，以期開發(fā)工業(yè)應(yīng)用新工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

間苯二酚，工業(yè)級，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%；氫氣，工業(yè)級，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.9%；氫氧化鈉，工業(yè)級，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%。

氣相色譜，型號GC9720，色譜條件：FID檢測器，HP-5毛細(xì)管柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm）；程序升溫，起始溫度150 ℃，保持1 min，以5 ℃/min升溫至160 ℃，再以10 ℃/min 升溫至270 ℃，維持3 min；汽化室溫度280 ℃，檢測器溫度250 ℃；分流比30∶1，進(jìn)樣量1 μL。

1.2 釜式反應(yīng)器中氫化

稱取25 g間苯二酚與9 g氫氧化鈉在100 mL純凈水中混合，并將混合液、催化劑和磁力攪拌子加入到高壓釜內(nèi)膽中。組裝好高壓釜，檢查設(shè)備氣密性，如設(shè)備氣密性良好，則依次用0.5 MPa氮?dú)夂?.5 MPa 氫氣各置換3 次，換氣完畢保持釜內(nèi)壓力為0。將高壓釜放置在平臺上，并設(shè)置好反應(yīng)溫度80 ℃和攪拌速度為0，開啟設(shè)備，達(dá)到設(shè)定溫度并保持不變后，將2.0 MPa氫氣充入釜內(nèi)并設(shè)置好攪拌速度800 r/min 后開始反應(yīng)并計時。反應(yīng)期間觀察內(nèi)部壓力變化，適時補(bǔ)充氫氣。反應(yīng)結(jié)束后，打開反應(yīng)釜取樣后用鹽酸調(diào)至樣品pH＝2，并用色譜級乙腈稀釋后進(jìn)樣檢測。

1.3 固定床反應(yīng)器中氫化

首先，將催化劑填充進(jìn)反應(yīng)柱內(nèi)，并將其裝入連續(xù)流系統(tǒng)內(nèi)。然后，在設(shè)置好背壓閥壓力的情況下，將預(yù)先配置好的氫氧化鈉和間苯二酚水溶液（以100 mL 規(guī)模為例，分別稱取12.5 g 間苯二酚和4.5 g氫氧化鈉，在100 mL純凈水中混合溶解），通過柱塞計量泵以0.2 mL/min 流量輸送至反應(yīng)體系內(nèi)并打開球閥通入氫氣，氫氣和反應(yīng)液在T型三通處混合后經(jīng)過預(yù)熱段進(jìn)入反應(yīng)柱內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)連續(xù)流系統(tǒng)運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)（根據(jù)流量不同設(shè)定為30～60 min）后，由反應(yīng)體系的出口直接取樣后用鹽酸調(diào)至pH＝2，并用色譜級乙腈稀釋后進(jìn)樣檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 釜式反應(yīng)器中催化劑性能考察

在釜式反應(yīng)器分別考察了雷尼鎳（Raney Ni）、5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）Pd/C、5% Ru/Al2O3和5%Ru/C的催化性能，結(jié)果見表1。

表1 釜式反應(yīng)器中催化劑性能考察Tab 1 Investigation of catalyst performance in tank reactor

由表1 可知，5%Pd/C 展現(xiàn)出了最好的催化活性，在6 h內(nèi)可實(shí)現(xiàn)間苯二酚的完全氫化，但由于副產(chǎn)物的產(chǎn)生導(dǎo)致1,3-環(huán)己二酮的選擇性只有98%。5% Ru/Al2O3和5% Ru/C 的催化活性稍差，其中Ru/C 比起Ru/Al2O3能以更高的選擇性得到1,3-環(huán)己二酮。Raney Ni的催化活性最差，即使在更多的催化劑用量下也只能在17 h 實(shí)現(xiàn)42%的轉(zhuǎn)化。綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)Pd和Ru作為催化劑具備很好的催化性能，但是過度還原副產(chǎn)物降低了產(chǎn)物選擇性，因此，嘗試將其轉(zhuǎn)移至固定床內(nèi)，通過連續(xù)流技術(shù)中的層流和停留時間控制的特點(diǎn)抑制連續(xù)副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

2.2 固定床中催化劑性能考察

將上述釜式反應(yīng)器中催化性能較好的5%Pd/C和5% Ru/Al2O3粉末填充進(jìn)固定床內(nèi)進(jìn)一步考察，同時還對5% Pd/C 和5% Pd/Al2O3顆粒進(jìn)行觀察，以考察在固定床內(nèi)不同催化劑的催化性能，結(jié)果見表2。

表2 固定床中催化劑性能考察Tab 2 Investigation of catalyst performance in fixed bed

由表2可知，當(dāng)5%Pd/C粉末催化劑從釜式反應(yīng)器轉(zhuǎn)移至固定床內(nèi)時，選擇性得到了很好的提升，在保證完全轉(zhuǎn)化的同時能以高于99.9%選擇性得到1,3-環(huán)己二酮。這表明連續(xù)流技術(shù)對連續(xù)副反應(yīng)有著很好的抑制作用。而5%Ru/Al2O3粉末催化劑則只能實(shí)現(xiàn)1.43%的轉(zhuǎn)化，分析其原因?yàn)榇呋瘎┑亩衙芏炔煌斐商畛淞坎煌?%Ru/Al2O3粉末催化劑填充量僅為5%Pd/C粉末催化劑的一半，粉末狀催化劑在固定床內(nèi)填充的很緊實(shí)，隨著流體沖刷在氫化過程中會更加緊實(shí)導(dǎo)致內(nèi)部阻力增加，從而使氫氣進(jìn)入量減少。將Pd/C 由粉末狀換為顆粒狀，由于粒徑的顯著增加和比表面積的顯著減少，其催化性能有所減弱，但體系運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，在更低的壓力條件下也不會出現(xiàn)內(nèi)部阻力增加而排斥氫氣進(jìn)入的情況發(fā)生。5%Pd/Al2O3顆粒催化劑比5%Pd/C顆粒催化劑在催化活性上有所增強(qiáng)。

2.3 5%Pd/C粉末催化劑穩(wěn)定性考察

5% Pd/C 粉末催化劑在固定床中的穩(wěn)定性考察，結(jié)果見表3。

表3 5%Pd/C粉末催化劑穩(wěn)定性考察Table 3 Investigation of the stability of 5%Pd/C powder catalyst

由表3可知，雖然5%Pd/C粉末催化劑在固定床內(nèi)展現(xiàn)出很好的轉(zhuǎn)化率和選擇性，但是無法滿足長時間生產(chǎn)操作。催化劑穩(wěn)定性考察運(yùn)行時間到達(dá)3.5 h 時，催化體系呈現(xiàn)出完全失活的狀態(tài)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)選擇將取樣間隔時間縮小為1 h，在2 h時取樣樣品仍是完全失活的狀態(tài)。因?yàn)槌尸F(xiàn)出突然失活的情況，故排除催化劑中毒而逐漸失活，分析原因可能是由于固定床內(nèi)部出現(xiàn)溝流。

2.4 5%Pd/C顆粒催化劑穩(wěn)定性考察

5% Pd/C 顆粒催化劑在固定床中的穩(wěn)定性考察，結(jié)果如圖1所示。

圖1 5%Pd/C顆粒催化劑穩(wěn)定性考察Fig 1 Investigation of the stability of 5%Pd/C particle catalyst

由圖1 可知，在運(yùn)行的前190 min 催化劑活性呈現(xiàn)減弱的趨勢，但是比起5%Pd/C粉末催化劑在運(yùn)行過程中顯得更加穩(wěn)定。造成這種現(xiàn)象的原因可能有幾點(diǎn)：顆粒狀在固定床內(nèi)填充位置固定，在反應(yīng)液沖刷下保持穩(wěn)定；在該堿性高濃度反應(yīng)液中，催化劑表面的部分活性位點(diǎn)容易中毒失活。

2.5 5%Pd/Al2O3顆粒催化劑穩(wěn)定性考察

5%Pd/Al2O3顆粒催化劑在固定床中的穩(wěn)定性考察，在連續(xù)氫化過程中，選擇在運(yùn)行415 min和800 min 時改用水代替反應(yīng)液清洗體系并停止氫氣通入，清洗時間為4 h，保持流量和溫度不變。清洗完畢后，分別在重新運(yùn)行的58 min 和91 min 后取樣，即得到第1次和第2次水洗后的結(jié)果。運(yùn)行時間為氫化反應(yīng)運(yùn)行的時間，水洗時間不計入。考察結(jié)果如圖2所示。

圖2 5%Pd/Al2O3顆粒催化劑穩(wěn)定性考察Fig 2 Investigation of the stability of 5%Pd/Al2O3 particle catalyst

由圖2 可知，5%Pd/Al2O3顆粒催化劑比起5%Pd/C 顆粒催化劑具備更強(qiáng)的活性，但起始失活狀況與Pd/C 類似，且同樣當(dāng)下降至轉(zhuǎn)化率45%時趨于穩(wěn)定。考慮到反應(yīng)液為堿性水溶液，因此在該催化體系中嘗試加入催化劑水洗再生操作，結(jié)果表明第1 次水洗后催化劑活性有了很大幅度回升，但后續(xù)失活趨勢仍與之前的相似，且在之后的第2次水洗時則效果不再顯著。收集運(yùn)行415 min的反應(yīng)液進(jìn)行檢測，在415 min 的運(yùn)行時間內(nèi)可得到1,3-環(huán)己二酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.2%的氣體，副產(chǎn)物含量可忽略不計。

3 結(jié) 論

研究各類金屬催化劑在固定床中催化加氫還原間苯二酚制備1,3-環(huán)己二酮的催化性能和穩(wěn)定性，獲得了較優(yōu)的連續(xù)加氫工藝，主要結(jié)論為：

1）對于該催化體系，Pd 和Ru 金屬催化劑均展現(xiàn)出了較好的催化性能；通過固定床和連續(xù)流技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更安全的加氫操作，同時對間苯二酚加氫過程中可能出現(xiàn)的過度還原副產(chǎn)物醇有很好的抑制作用，在固定床內(nèi)填充5%Pd/C粉末催化劑可得到＞99.9%的反應(yīng)選擇性。

2）通過對不同載體以及不同性狀的Pd金屬催化劑的穩(wěn)定性進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)Pd/C 粉末催化劑不適合在固定床內(nèi)進(jìn)行高濃度底物的轉(zhuǎn)化，顆粒催化劑展現(xiàn)出了更好的穩(wěn)定性，5%Pd/Al2O3顆粒催化劑在415 min 的運(yùn)行時間內(nèi)可得到1,3-環(huán)己二酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.2%的氣體，且通過水洗可實(shí)現(xiàn)催化劑的再生。

該連續(xù)加氫工藝具有操作簡單、安全、高效等特點(diǎn)，為固定床內(nèi)實(shí)現(xiàn)高濃度催化加氫的催化劑選擇提供參考。