羟基丙酮加氢的新催化体系研究

。CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 论 文题目： 羟基丙酮加氢的新催化体系研究二级学院（直属学部）： 理 学 院 专 业：化学工程与工艺 班级： 10 化学 学生姓名： 郭冠军 学号： 10090105 指导教师： 乐传俊 职称： 副教授 评阅教师： 职称： 2014 年 6 月SJ006-1常 州 工 学 院 毕 业 论 文I摘要随着绿色化学的发展，人们环保的意识越来越高。对于手性药物中间体1,2-丙二醇的制备来讲，这种中间体从自然界中难以获得，通过拆分外消旋体的方法得到的单一对映体的产率不高，同时生物酶催化合成该中间体的工艺繁琐且无法工业化，因此获得此手性药物中间体的最优方法便是不对称催化法，而该方法需要寻求经济、高活性、高选择性的手性催化剂。本论文采用溶胶-凝胶法，以异丙醇铝为铝源，四甘醇为模板制备得到介孔型 -Al 2O3；对 -Al 2O3进行 XRD、FT-IR 表征分析，表明 -Al 2O3颗粒细小，孔径规则，将金属 Ru 和 BINAP 负载在 -Al 2O3上，制备催化剂 Ru-BINAP/-Al2O3，对该催化剂进行了 XRD、FT-IR 分析,结果显示 Ru 和 BINAP 充分负载在-Al 2O3上。对上述催化剂的催化性能和对映选择性进行了一系列的实验，分别探索了反应时间、反应温度、溶剂与反应物比例、H 2的压力以及碱性对产率以及 e.e.值得影响，实验表明，在 60时,KOH 的浓度为 410-2 mol/L，溶剂与反应物的比例为 3:1，H 2压力为 4 MPa，经过 4 h 的反应，其产率和 e.e.值分别为19.8和 35.4.关键词：手性，1,2-丙二醇，催化剂， Ru-BINAP/-Al 2O3，不对称加氢常 州 工 学 院 毕 业 论 文IIAbstractWith the development of green chemistry, and increasing peoples environmental awareness. For the 1,2-propanediol preparation of chiral pharmaceutical intermediates, The intermediate is difficult to obtain from nature, A single enantiomer yields obtained by the process of racemate is not high, and by enzyme catalytic to synthesis this intermediate process cumbersome and it difficult to industrialized, and therefore the best method to get this chiral drug intermediates is asymmetric catalysis, This method need to seek a chiral catalysts，which economic, high activity and high selectivity.In this thesis,the sol-gel method with aluminum isopropoxide as aluminum source, a template for the preparation of tetraglycol get -Al2O3;carry -Al2O3 on XRD, FT-IR characterization analysis showed that -Al2O3 particles small aperture rules, BINAP and Ru metal supported on -Al2O3, to preparating the catalyst Ru-BINAP/-Al2O3 , the catalysts were XRD, FT-IR analysis showed that Ru and BINAP fully supported on -Al2O3.Catalytic properties of the catalyst and the enantioselectivity of a series of experiments were explored reaction time, reaction temperature, reaction solvent and the concentration ratio, H2 pressure, and the base effect on the yield and e.e., experiments showed that at 40, KOH concentration is 410-2 mol/L, the ratio of solvent to reactant is 3:1, H2 pressure of 4MPa, after 4h of the reaction, the yields and e.e. were 19.8% and 35.4 %.Key words:Chirality, 1,2 - propanediol, catalysts, Ru-BINAP/-Al2O3, asymmetric hydrogenation.目录常 州 工 学 院 毕 业 论 文III摘要 .IAbstract.II1. 前言 .11.1 研究背景 .11.1.1 手性概述 .11.1.2 手性 1,2-丙二醇的合成方法与国内外丙二醇的生产能力 .21.2 不对称加氢的研究与进展 .41.2.1 均相催化剂 .51.2.2 多相催化剂 .51.2.3 非晶态催化剂 .91.2.4 BINAP 作为手性配体在不对称氢化中的研究与其应用 .91.2.5 总结 .101.3 本论文研究的主要内容 .111.3.1 催化剂合成设计 .111.3.2 催化反应设计 .111.3.3 可行性分析 .122 具有介孔材料的含 Ru 金属催化剂的合成及其催化反应体系 .122.1 异丙醇与羟基丙酮的预处理 .132.1.1 实验中主要的仪器、试剂与实验装置 .132.1.2 实验步骤 .142.2 介孔 -Al 2O3的合成 .142.2.1 介孔材料的性质 .142.2.2 实验中主要的仪器、试剂与实验装置 .152.2.3 实验步骤 .162.3 Ru-BINAP/- Al 2O3的制备 .172.3.1 实验中主要的仪器、试剂与实验装置 .172.3.2 实验步骤 .182.4 催化反应体系 .202.4.1 实验仪器、试剂及装置 .202.4.2 实验步骤 .212.5 反应结构的气相色谱分析 .222.5.1 分析条件 .222.5.2 产物定性与定量分析 .222.5.3 对映体过量（e.e.值）的测定 .233结果与讨论 .233.1-Al 2O3表征与性能分析 .233.1.1 X 射线粉末衍射测试（XRD） .233.1.2 傅立叶变换红外光谱（FT-IR） .253.1.3 小结 .253.2 Ru-BINAP/- Al 2O3的表征与性能分析 .253.2.1 X 射线粉末衍射测试（XRD） .253.2.2 傅立叶变换红外光谱（FT-IR） .263.3 反应体系的优化 .273.3.1 反应时间对反应产物以及 e.e.值的影响 .27常 州 工 学 院 毕 业 论 文IV3.3.2 溶剂与底物比例对反应的影响 .283.3.3 H2压力对反应的影响 .293.3.4 反应温度对反应的影响 .303.3.5 碱性对反应的影响 .313.4 反应机理的探讨 .324.总结 .335 参考文献 .34致 谢 .37常 州 工 学 院 毕 业 论 文1羟基丙酮加氢的新催化体系研究1. 前言1.1 研究背景1.1.1 手性概述手性是自然界中的一个普遍现象，很多具有光学活性的化学物质都具有生理活性，因此，这些手性物质在生命体内具有很重的地位。此外，大部分农药、药物、食品添加剂也是手性化合物。最近几年来，随着生活水平的提高和科技的发展，人们多化学物品的需求日益增加，故从今了对手性化合物的研究与开发。不是对称催化是获得手性化合物的主要途径，该方法在使用价值、绿色环保、节能发面有巨大的优势。在不对称加氢反应中，加氢反应时获得手性化合物的主要途径。手性物质是合成具有光学活性化合物的重要中间体，这些中间体可以合成许多不同用途的化合物。此方面在精细化工方面有很广泛的应用 1 。手性分子可以定义为凡与自身镜像不能重合的分子，这类分子是具有手性的分子。手性合成也叫做不对称合成，具有旋光性的化合物不能由没有旋光性的物质并且在没有旋光性的条件下来制得，合成反应的生产的产物如果具有旋光性，这种合成方法就叫做手性合成，也就是两个对映体或非对映体的量是不相等的。手性合成的方法有很多，第一基础是要在手性环境中进行，在此方面可以有手性反应物的应用 2，手性催化剂的应用 3，手性试剂的应用 4。目前使用中的化学合成药通常为由左、右两个对映体组成的混合物。许多药物真正起作用的是一种对映体，而另一种对映体不仅无药理作用，还会造成副作用。单一异构体手性化学品药物既有良好药效，又能最大程度消除副作用，必然市场前景广阔。由于手性药物市场前景看好，许多国际知名企业均成立了各自的手性中间体开发机构。人们获得手性药物的主要途径有：(1)化学方法合成；(2)外消旋体的拆分；(3)前手性化合物的转化；(4)分子内手性转移；(5)生物酶发酵； (6)不对称催化合成,目前，已经有很多手性药物实现了工业化的生产，部分工业生产的手性药物如表 1-1。我国手性药物工业虽有一定基础，但对化学合成和生物合成的工业化应用并不多，与世界手性工业的发展有较大差距。近年来医药跨国公司常 州 工 学 院 毕 业 论 文2进入中国后，在手性药物市场上竞争激烈，如何在这一市场上争得一席之地，是我国手性药物研究开发不容回避的现实问题。表1-1 已用于工业生产的手性药物的合成Table 1-1 Several asymmetric reactions used in the industry公司名称 金属 反应类型 产物 发明人孟山都 Rh 氢化 L-Dopa Knowles住友 Cu 环丙烷化 Cilastatin ArataniAnic, Enichem Rh 氢化 L-苯丙胺酸 FioriniT. T. Baker Cu 环丙烷化 Disparlure SharplessARCO Ti 环氧化 缩水甘油 Sharpless高砂 Rh 重排 L-薄荷醇 NoyoriMerck B 羰基还原 MK-0417 CoreyE. Merck Mn 环氧化 Cromakalim类药物Jacobsen高砂 Ru 氢化 Carbapenem类药物Noyori1.1.2 手性1,2-丙二醇的合成方法与国内外丙二醇的生产能力1,2-丙二醇因中间碳原子连接四个不同的基团，故其为手性化合物。1,2丙二醇的结构如图1.1。OHOH OHOHS-1，2丙二醇 R-1,2丙二醇图1.1 丙二醇的两种对映体Fig1.1 The enantiomer of propylene glycol手性 1,2-丙二醇的合成方法有：（1）生物酶催化法酶是一种控制立体合成的生物性催化剂，经特定的酶作用，可以生成单一的对映体化合物，Santiello 5评价了不同反应中的酶，指出酶在不对称合成中的作用。用来自大肠杆菌的丙二醇氧化还原酶和酵母菌的醇脱氢酶，设计了1,2-丙二醇的合成方法，并且实验分析结果证明：实验所得的 1,2-丙二醇全为R-1,2 丙二醇。（2）羟基丙酮不对称加氢法常 州 工 学 院 毕 业 论 文3通过不对加氢的立体定向合成 1,2-丙二醇，是获得手性 1,2-丙二醇最直接的方法，余定华 5等人用 NiAC 催化羟基丙酮合成 1,2-丙二醇，在反应温度为 280，羟基丙酮的含量为 50时，转化率达到了 70.6%，1,2 丙二醇的选择性为 96.2%。丙二醇可以在不饱和树脂方面应用最广，其次在功能流体、食品、化妆品、制药方面也有广泛的应用，另外还在洗涤剂、油漆涂料领域有所应用。储存于阴凉、通风的库房中，远离火源、火种。据统计，近些年来，在丙二醇的需求中，亚洲地区需求量的增长最快，消费率一般年增长率为 8，表 1.2 统计的是国外丙二醇的生产能力 7，表 1.3 是国内一些厂家丙二醇的生产能力。目前国内外生产丙二醇的主要技术有：（1）环氧乙烷羰基化法， （2）丙烯醛水合加氢法， （3）生物工程法。表1.2 国外丙二醇的生产能力Table1.2 The abroad production capacity of propanediol生产厂家 生产地址 产量/万t 所属国Huntsman 美国德克萨斯州Port Neches 6.5 美国Lyoodell Bayport 美国德克萨斯州 25.0 美国Lyoodell 法国Fos 8.0 法国Lyoodell 美国路易斯安那Plaquemine 13.5 美国陶氏化学 美国德克萨斯州 Freeport 16.0 美国陶氏化学 巴荷兰boclek 8.0 荷兰陶氏化学 美西 Aratu 8.5 巴西陶氏化学 澳大利亚 Altona 1.5 澳大利亚陶氏化学 德国 Stabe 17.0 德国Polioles 墨西哥Lerma 1.5 墨西哥PCC Rokita 波兰Brzeg Dolny 0.4 波兰BASF 德国路德维希港 8.0 德国Sesol德国公司 德国 Marl 1.8 德国SKC化学 韩国蔚山 5.0 韩国Oltchim 罗马尼亚Rimnicu Vilcea 0.9 罗马尼亚Repsol YPF 西班牙puertollano 2.2 西班牙Repsol YPF 西班牙tarragona 7.5 西班牙ADEKA 日本sodegaura 3.3 日本常 州 工 学 院 毕 业 论 文4日本Nihon 日本sodegaura 9.0 日本旭硝子玻璃集团 日本Kashima 4.2 日本Sereye化学 印度chennai 3.0 印度表1.3 国内丙二醇的生产能力Table1.3 The inland production capacity of propanediol生产厂家 生产地址 产量 /万t东营海科新源 山东东营 0.8河北朝阳化工 河北唐山 0.5河北新朝阳化工 河北张家口市万全县 1.5锦西天然气化工有限公司 辽宁省葫芦岛市 0.8山东石大胜华 山东东营 4.5山东泰丰矿业 山东金泰 0.8铜陵金泰 安徽省铜陵市 1.0中国石油锦西炼油化工总厂 辽宁省葫芦岛市 0.8中海油/壳牌公司 中国惠州 6.0根据国内外市场需求的分析，市场对丙二醇的需求有所增加，但其投资项目却没有明显的增加，而一些厂家集中在亚洲地区。目前丙二醇的市场竞争激烈，丙二醇的市场已经出现困难，故对其丙二醇合成的研究有利益缓解市场的压力，并对资源能源的有效利用有很大的提高。近年来，不对称催化剂的多相化有了很大的发展，手性催化剂的合成及应用在过去的几十年里已经取得了令人瞩目的成就，均相不对称催化反应一直占据不对称催化领域的主导地位，成千上万种手性配体以及催化剂已经能够实现形成的不对称催化反应，而且表现出较高的催化活性和不对称选择性。尽管已经被报道的手性催化剂数目如此巨大，但是能够实际应用于大规模生产的手性催化剂却极其有限。这主要是由于均相手性催化体系存在着催化剂与产物分离难、产物提纯难和价格昂贵的手性催化剂不易回收，无法实现循环再利用等缺点。因此，可以有效解决上述难题的均相手性催化剂的非均相化已经成为手性催化剂发展的必然趋势。1.2 不对称加氢的研究与进展催化是化学反应的基础，许多化学工业发生巨大改革、技术发展大多数源于新催化材料或者是新催化剂的产生，人类也意识到化学的发展对环境造成的常 州 工 学 院 毕 业 论 文5危害，在此基础上提出了“绿色化学” 8这个新名词，从而引进了绿色化学工艺，所以探索环境友好型催化剂以便于取代传统的催化剂在化学领域具有重要的意义。多年来，人们致力于研究合适的催化剂用于不对称氢化反应，以提高手性物质合成的选择性以下在均相、多相以及非晶态三个方面对不对成加氢催化剂进行概述 9-11。不对称加氢的发展历史如表 1-4。表1-4 不对称加氢的发展历史Table 1-4 Development of asymmetric hydrogenation年份 作者 催化剂 底物 产率（） ee（）1956 Akabori Pd Oxime 40-501965