（化学工艺专业论文）4乙酰氨基环已醇顺反立体异构工艺的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文分别以氧化铜铬、r a n e y n i 催化剂对4 一乙酰氨基环己醇的 顺反异构化反应进行了实验，并着重对溶剂、h ：保护气氛、反应压 力、催化剂的用量、原料浓度以及催化剂的制备和改性等影响催化 剂催化性能的因素进行了考察。 ( 研究表明：以氧化铜铬为催化剂，由于反应物4 一乙酰氨基环己 醇和h ，与其表面吸附较弱，而使得反应过程主要由动力学控制，顺 式异构体是其主要产物，因而不能满足本论文的要求。而r a n e y n i 催化剂在适当添加剂的存在下，对我们所研究的异构化反应有较好 的催化效果。反应过程主要由热力学控制，反式异构体是其主要产 物，平衡时，反式异构体可以占到总异构体的6 6 6 9 。将该平衡反 应溶液，以丙酮、乙醇和水组成的混合溶剂进行分步结晶，可以获 得总收率为3 8 以上的反式异构体。若在不同次结晶过程中，将结 晶母液进行回收套用，则反式异构体的总收率可进一步提高至4 2 左右。 、 本工艺简便易行，污染小，能够满足工业生产要求。厂1 。 关键词：氧化铜铬、r a n e y n i 、4 - 乙酰氨基环己醇、 顺反立体异构化 塑婆奎兰堡主兰堡堡塞 一 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，c u o c h 0 3 一b a o a n dr a n e y 。n i a r e a d o p t e d a s c a t a l y s t sr e s p e c t i v e l y f o rt h ec s t r a n se p i m e r i z a t i o ne x p e r i m e n t so f n 。( 4 - h y d r o x y c y c l o h e x y l ) a c e t a m i d e m o r e o v e rs o m ef a c t o r s s u c ha ss o l v e n t s ， p r o t e c t i o na t m o s p h e r e o f h y d r o g e n ，r e a c t i o np r e s s u r e ，a m o u n t s o t c a t a l y s t su s e d i nt h er e a c t i o n ，c o n c e n t r a t i o no f r a w m a t e r i a l s ，p r e p a r a t i o n a n dm o d i f i c a t i o no f c a t a l y s t s ，a r es t u d i e d w i t h e m p h a s i s t h e s t u d yi n d i c a t e s ：w h e nc u o c r 2 0 3 一b a oa d o p t e da sc a t a l y s t ，t h e p r o c e s so f r e a c t i o ni sm a i n l yc o n t r o l l e db yr e a c t i o nk i n e t i c sb e c a u s eo f t h ew e a ka d s o r p t i o nb e t w e e nr e a g e n t sa n d t h es u r f a c eo f c a t a l y s t ，a n dt h e c i si s o m e ri st h em a j o rp r o d u c t ，t h e r e f o r e ，i tc a r l tm e e tt h ed e m a n d so f t h i sp a p e r w h i l er a n e y n ih a saf a i r l yg o o dp e r f o r m a n c eo nt h ei s o m e r 。 i z a t i o nw ea r ec o n c e r n e dw h e nc e r t a i na d d i t i v ee x i s t s i nt h i sc a s e ，t h e p r o c e s so f r e a c t i o ni sm a i n l yc o n t r o l l e db yr e a c t i o nt h e r m o d y n a m i c s ，a n d t h et r a n si s o m e ri st h em a j o r p r o d u c t s w h e ne q u i l i b r i u m i sa c h i e v e d ，t h e t r a n si s o m e rc a nm a k e u p 6 6 - 6 9 p e r c e n t o f t h et o t a lc sa n dt r a n si s o m e r s b y m e a n so ff r a c t i o n a lc r y s t a l l i z a t i o n ，t h ee q u i l i b r i u ms o l u t i o ni st r e a t e d w i t hm i x i n gs o l v e n t ，w h i c hi sc o m p o s e do fa c e t o n ，e t h a n o la n dw a t e r , a n dt h e nao v e r a l ly i e l do fm o r et h a n3 8p e r c e n to f p u r et r a n si s o m e r s c a n b eo b t a i n e d p r o v i d e dt h a tt h er e s i d u a ls o l u t i o no fc r y s t a l l i z a t i o nc a nb e r e c y c l e d i nd i f f e r e n tp r o c e s s i o no fc r y s t a l l i z a t i o n ，t h eo v e r a l ly i e l do f t r a n si s o m e r sc a nb ef u r t h e re n h a n c e dt o4 2 p e r c e n to r s o t h e t e c l m o l o g ya s s u m e d h e r ei sc o n v e n i e n tt op u ti n t op r a c t i c e ，h a s 1 i t t l ep o l l u t i o n a n dc a ns a r i s f yt h ed e m a n d so f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：c u o c i - 2 0 3 - b a o 、r a n e y n i 、c 括一t r a n se p i m e r i z a t i o n 、 n r 4 一h y d r o x y c y c l o h e x y l ) a c e t a m i d e 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪言 4 一乙酰氨基环己醇( n 一( 4 一h y d r o x y c y c l o h e x y l ) a c e t a m i d e ) 作为种 重要的医药中间体，可用于多种药物如治疗白血病l 1 2 1 0 的n ( 2 氯 乙基) 一n 一环己基n 亚硝基脲( n _ ( 2 c h l o r o e t h y l ) 一n - c y c l o h e x y i n n i t r o s o u r e a ) ”、治疗心血管病的n 一硝酰烷基烷基胺( a m i n o ( n i t r o x a l k y 1 ) a l k a n a m i d e s ) 2 1 、祛痰药盐酸氨溴索( a m b r o x l孓5、治hydrochloride)1 疗血氧量过低的环己氨基毗咯并嘧啶( c y c l o h e x y l a m i n o p y r r o l o p y r i m i d i n e s ) 6 1 、治疗和预防近视的苯并咪唑酮( b e n z i m i d a z o l o n e ) 7 1 、抑制血 小板凝聚的拮抗药环烷f l ，2 - b 吲哚磺酰胺( c y c l o a k a n o 1 ，2 - b i n d o l e s u l f o n a d i d e s ) t 8 埘、鸟氨酸脱羧酶抑制剂环氨氧类化合物( c y c l i ca m i n o x y c o m p o u n d s ) t 1 0 1 、g p i ib i i i a 拮抗药苯并呋喃衍生物( b e n z o f u r a nd e r i v e s ) 1 1 】、以及消炎药氨基嘌呤b d 呋喃核糖酰胺衍生物( a m i n o p u r i n e b d r i b o f u r a n u r o n a m i d e ) t 1 2 】等的合成。 4 乙酰氨基环己醇在常温常压下为白色粉末状固体，通常为顺式 与反式异构体构成的混合物，易溶于水、乙醇等极性较大的有机或无 机溶剂。其顺式与反式异构体的熔点分别为1 3 4 1 3 6 和1 6 4 * c t n l 。 工业生产中，4 一乙酰氨基环己醇一般是由4 乙酰氨基苯酚催化加氢 而得的顺式与反式异构体构成的混合物，而能用于药物合成的多为 反式异构体，所以由催化加氢得到的顺式与反式异构体构成的混合 物还必须进一步进行分离与提纯。但是由于顺式与反式异构体性质 相似，从而造成它们分离的困难，使得这一步收率通常较低。对于 l 述混合物，利用分步结晶等方法可以获得4 0 左右收率的较为纯 净的反式异构体，而其余6 0 左右的4 一乙酰氨基环己醇则全部留在 j 7 结晶母液中，结晶母液的组成主要是大量的顺式异构体及部分川 通常的结晶方法已不能分离的反式异构体( 顺式与反式异构体的比例 约为6 6 ：3 4 ) 。对于这部分物质，如果直接抛弃，不仅是一利，巨大的 浪赀，严重影响经济效益，同时也会对环境造成污染。因此，从经 浙江大学硕士学位论文 济效益和环境保护的角度来看，如何将顺式异构体转化为反式异构 体，并进而从中提取出部分额外的反式异构体，增加额外的经济效 益，同时减轻环境污染，明显将是一项非常有意义的工作。 是此，本人就该课题翻阅了大量有关4 乙酰氨基环己醇的国内 外文献报导。这些报导中，有关其用途的甚多，其合成大多只是在 一些药物合成的中问步骤中出现，而有关顺式与反式异构体之间的 相互转化则是鲜有报导。r o b e r tr f r a s e r 和r o b e r tb s w i n g l e 在合成 杂二环 2 ，2 ，1 庚烷的研究中，曾就顺式4 ，乙酰氨基环己醇向其反式 异构体转化问题做过一些工作f 1 4 】。他们采取的方法是首先用琼斯试 剂【”】将顺式与反式异构体混合物氧化为酮，再以硼氢化钠将之还原 为醇，取得了一定的效果，但这种方法对环境的污染较大。后来， 他们先后又以金属钠和芴酮在邻二甲苯溶剂中和以异丙醇铝、丙酮 于异丙醇溶剂中对4 一乙酰氨基环己醇进行处理，试图通过顺式与反 式异构体之间直接的平衡，获得热力学上稳定的反式异构体，但未 能取得成效。他们后来的努力失败了，但他们的这一平衡转化的思 想却值得我们借鉴。从理论上讲，他们的这一思想是合理的，也是 最直接的，而且在实际操作中，我们也发现了一些与此类似的平衡 转化的范例。于是，我们打算按照这一思想将这一工作继续下去。 本论文主要就是按照直接的平衡转化思想，在参考一些相关文 献的基础上，旨在选择出合适的催化剂及反应条件，以使顺式与反 式4 一乙酰氨基环己醇异构体之间通过脱氢、加氢的协调进行，建立 起直接的热力学平衡，并优势地生成热力学上稳定的反式异构体， 从而达到将顺式异构体转化为反式异构体的目的。 2 浙江大学硕士学位论文 第2 章文献综述 文献中有关4 乙酰氨基环己醇用途的报导很多，但关于它的合 成特别是关于它的顺式与反式异构体之间平衡转化鲜有报导。在本 章中，我们将对一些与本课题相关的文献加以归纳和总结，并力求 理出一条思路，为我们对该课题的研究提供指导。 2 1 反式4 一乙酰氨基环己醇的文献合成法 文献中反式4 乙酰氨基环己醇大多是由4 乙酰氨基苯酚在不同 的催化剂作用下催化加氢，然后经结晶分离而获得。归纳起来大致 有以下几种方法： f1 ) f e r b e r - b r i i c k n e r 、法【1 3 1 f e r b e r 与b r a c k n e r 等人将p t o ，与4 乙酰氨基苯酚按照1 ：1 0 比 例进行催化加氢，反应1 2 小时，结果获得了7 5 收率的反式4 乙酰 氨基环己醇。 0 + c h ，8 n h 一厂卜0 i t l 25 ( 2 ) r r f r a s e r 和r b s w i n g l e 法 该法实际上是f e r b e r - b r i i c k n e r 法的改进。r r f r a s e r 和r t 3 s w i n g l e 等人在f e r b e r b r i i c k n e r 法的基础上，将贵金属催化剂二二氧 化铂( p t o ，) 的用量从1 ：1 0 减小到1 ：6 0 ，即先以f t o ，将4 一乙酰氨基苯 酚定量氮化还原为4 一乙酰氨基环己醇，接着以琼斯试剂将之氧化为 4 一乙酰氨基环己酮，然后再以硼氢化钠( n a b h 。) 还原4 乙酰氨基环己 酮，反式4 一乙酰氨基环己醇收率为3 8 。 o 址硎 一 母 厂；，。 毒盖$ ，鼍$ 争审盖鼍争p f 3 ) r a n e y n i 催化氢化法【1 6 。8 j 该法成本低，操作简便，是目前工业上主要应用的方法，这方 面的报导亦较多。该法一般是用5 r a n e y n i 以乙醇或无水乙醇为 溶剂，于1 8 0 。c ，8 0 】0 0a r m 氢压下，催化氢化。产品进一步以丙 酮为溶剂进行分步结斟1 9 】，可得到3 0 收率的反式4 一乙酰氨基环己 醇。m p ：1 6 5 1 6 7 4 c 。 0 0 8 w n _ o “票罴等 旦业址o 圳( 3 0 * ) f 4 ) r u c 催化氢化法2 该法是以r u c 为催化剂，于无水乙醇中，将4 - 乙酰氨基苯酚 催化氢化为4 乙酰氨基环己醇，然后以乙醇与乙酸乙酯( 1 ：3 ) 混合溶 剂对反应混合物进行重结晶，最后得到2 3 9 收率的4 一乙酰氨基环 己醇。 8 0 w n 心o n 祟备必地业k o 删哟 o ( 5 ) r h a 1 2 0 3 催化氧化法 该法以5 r h a 1 2 0 3 催化剂，在乙醇中，于3 5 m m ，虫：泪f l l l lf 反应 4 小时，反应混合物再以m e c n 结晶分离得3 4 收率的反式4 一乙酉先 氨基环己醇，1 1 1 p ：1 6 5 。c 。 8 0 一n 心。n 攀等盥b 吣k 0 o 加a * ， 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 反应体系分析 本节中我们将选取结构上与4 一乙酰氨基环己醇相近的4 一叔丁基 环己醇、4 叔丁基环己酮等体系对顺反立体异构化反应能否进行、 反应机理以及影响异构化反应的因素等进行分析。 2 2 1 反应热力学分析 在环己烷衍生物中，取代基的位置有直立式和平伏式两种，两 种构象互称为构象异构体。构象异构体之间自由能之差称为构象自 由能，对于取代环己烷，我们将之按照惯例规定为下列平衡的g o 值f 2 j j 。 直立式；2 8 平伏式 由于平伏式构象比直立式构象稳定时g o 为负值，所以一g o 为正是平伏式比直立式构象稳定的条件，即当g o 为正时，在上述 的构象异构平衡中平伏式异构体含量将占优势，且正值越大，平伏 式异构体含量亦越高。 曾用n m r 法测定了环己烷上许多取代基的构象自由能的数值， 其中有一些记录在表2 2 1 ( a ) 中，且不认为在低温下测得的构象自由 能与它们的室温值有很大的差别。 表2 2 1 ( a ) 取代基的构象自由能( 一g o ) 取代基- g o ( 千焦摩尔)参考文献 一f 1 0 1 1 1 8 2 2 c l2 2 3 ( 2 2 b r2 0 2 2 2 1 9 7 2 2 c h 75 6 2 3 】 c j ，c i 1 ，7 5 6 2 3 c h ( c h 3 ) 2 8 8 2 2 3 】 c ( c l 乇) ， 1 8 9 f 2 4 一c 6 i 5 1 30 2 2 5 浙江大学硕士学位论文 续上表 一c n o 6 3 1 0 5 2 2 o ，c c h ， 29 8 2 2 一c o o h 5 6 7 【2 4 】 c 0 2 c 2 h s 4 6 2 5 0 4 2 4 】 一0 h ( 非质子溶剂) 2 1 8 2 4 】 一0 h ( 质子溶剂) 3 6 5 2 4 一o c h ， 2 ，5 2 2 4 】 一n o ， 4 8 7 2 2 一h g b r o f 2 2 从上表可以看到，0 h 取代基的一g o 为正，表明平伏式一o h 较直立式一o h 要稳定。另外，从表中还可以看到，在质予性溶剂 与非质子性溶剂中，0 h 取代的一g o 分别为3 6 5 k j m o l j 和 2 1 8 时t o o l ，相差较大，表明溶剂对一0 h 取代的构象自由能有较大 影响。对此，e r n e s tl e l i e l 等人曾以4 叔丁基环己醇为对象做过大 量系统的研究 2 6 1 。他在研究中指出：对于4 叔丁基环己醇，一0 h 取代的构象自由能是溶剂的函数。对于非质子性溶剂，一g o 在 1 6 8 2 5 2k j - m o l 。1 之间，而对于质子性溶剂，g o 在3 3 6 4 2 0k j m o l j 之间。这种差别在直觉看来也是合理的，因为与直立式构象相比， 平伏式构象的一0 h 要更加地暴露于溶剂中，在质子性溶剂中，由 于氢键作用，使其具有了额外的稳定性，从而使一g o 较高。这里顺 便将不同溶剂对4 一叔丁基环己醇中一0 h 取代构象自由能的影响列 于表2 2 1 f b l ，以便比较。 表2 2 1r b ) 溶剂列一ag o 的影响 溶剂 一a g o ( k j m o l 。) 方法温度( )参考文献 m1 7 2 平衡法 1 1 0 1 7 0 【2 7 四氯化碳1 8 l 0 7 1n m r 法 2 0 【2 8 】 无水乙醇 2j8 01 7 平衡法 9 0 2 7 】 n 比i 定2 1 8 2 3 5动力学法2 5 【2 9 二硫化碳2 7 3n m r 法2 6 【3 0 纯液体 2 6 9 2 7 7 赖曼光谱法 3 0 6 8 【3 1 浙江大学硕士学位论文 续上表 四氯化碳3 0 7 0 0 8n m r 法 3 0 3 2 】 四氯化碳 3 15n m r 法4 0 【3 3 吡啶，二甲亚砜 3 3 6n m r 法4 0 3 3 7 5 醋酸 3 3 6 动力学法 4 0 3 4 四氯化碳 3 4 7n m r 法3 6 【3 5 吡咯 3 5 ln m r 法3 6 3 5 】 异丙醇3 7 0 0 0 8n m r 法 3 0 3 2 】 水 3 7 8 平衡法 2 2 f 3 6 异丙醇 4 0 3 平衡法 8 9 3 7 1 溴苯 4 1 0 n m r 法3 6 3 5 苯，甲苯，二甲苯4 1 2 4 7 2平衡法回流 【2 7 异丙醇 4 2 0 平衡法 8 9 2 7 】 四氯化碳 4 2 0n m r 法2 8 3 8 】 叔丁醇4 4 1n m r 法3 6 【3 5 1 0 四氯化碳4 4 9n m r 法 9 3 9 】 氘水 5 2 5n m r 法2 8 3 8 】 由以上分析可以推测，在热力学上4 乙酰氨基环己醇一0 h 的 顺反立体异构化反应是可以进行的，且在质子性溶剂中，平伏式醇 将是主要产物。 2 2 2 反应机理 关于构象异构体在催化剂的存在下进行顺反立体异构化反应的 机理，文献中鲜有报导。但从理论上讲，该异构化反应能得以实现， 则必须经过醇脱氢成酮式吸附，再加氢还原成产物的过程。事实上， e r n e s tl e l i e l 曾指出，在r a n e y 、n i 的催化作用下，以异丙醇为溶剂， 4 一叔丁基环己醇的构象异构化反应不仅可以从醇开始，甚至从酮或 足酚开始也能得到几乎相同的结果【2 6 i 。这也就是说，酮与酚的氢化 与醇的异构化在反应机理上存在着共性，即有其一致的方面。因此， 在缺少文献资料的情况下，酮或是酚氢化的机理对于了解我们现在 听研究的醇的异构化反应的机理也是具有较大指导作1 j 的。接下来 我们就以4 。叔丁基环己酮氢化为例，介绍其反应机理，以便为我们 所研究的课题提供指导。 浙江大学硕士学位论又 一一 酮氢化的立体过程，比烯烃氢化时的情况要远为复杂。根据v o n a u w e r s 4 0 1 及s k i t a 4 1 】的规则，用铂催化剂的环己酮类氢化，若在酸性 条件下将主要生成顺式环己醇，而倘若在中性或碱性溶液中，则将 优先生成反式异构体。b a r t o n l 4 2 1 概括了用甾族酮类所得的结果，如 下：在酸性介质中直立式醇的生成占优势，而在中性或碱性介质中， 则以生成平伏式醇占优势。一种近代的电子的解释【4 3 1 ，获得了相似 的结论。 然而，m i t s u i 等人【4 4 】的最近工作，清楚地证明，用取代的环己 酮氢化的立体过程远非如此简单。概括于下面的特别引人注目的结 果，是在4 一叔丁基环己酮氢化时得到的。 山& 么二小队房八。+ 。 r a n e g n i r a n e y n i r h c r h c r h c p t p t p d c p d c e t o h e t o h n a o h e t o h e t o h ( 8 0 a t m ) e t o h n a o h a c o h e t o h e t o h e t o h n a o h h 对于r a n e y - n i ，a u w e r s s k i t a 及b a r t o n 的规则被颠倒了，钯在 碱性条件下，得到最高收率的平伏醇，而铑在l 大气压下于一卜h i 介 质巾几乎全部得到直立醇。由此可见，上述的立体化学过程，强烈 地墩决于催化剂的类型。对于不同的催化剂，在热力学上更为稳定 的反式异构体和较不稳定的顺式异构体一样，都可能优先地形成【4 5 】。 m i t s u i 等人1 依据氢转移的相对速度，讨论了他们的结果。j 。刊 c 髂 舛 锹 倒 锹 卯 舛 幻 铂 撕 似 姒 珊 姒 张 僦 珊 2 4 3 y 4 5 7 浙江大学硕士学位论文 以预料，环己酮以椅式构象的化学吸附，将优先地沿平伏方向发生， 于是一个氢原子从催化剂表面向羰基碳原子的转移，则会产生氢原 子平伏配置的表面醇化物。第二个氢原子的迅速转移，则当生成直 立醇。然而，如果第二个氢原子的转移相对地较缓慢，则直立醇化 物同更稳定的平伏醇化物之问的平衡，可能经由化学吸附的船式构 象环己酮，而结果可优势地形成平伏醇( 见图示) 。环己酮的多相催 o 汝 0 h 图示4 - 叔丁基环己酮催化氢化机理 ? 木 化氢化，其结果和这种合理化是一致的：可以预料，在酸性条件下， 通过质子化溶剂【4 6 】的参与，无疑会加速第二个氢原子的转移。在铑 上催化氢化时的压力影响，与4 一叔丁基甲叉环己烷的氢化 4 ，1 非常类 似，也表明产物控制步骤的一种改变。 以上讨论的是环己酮类的氢化过程，由于该过程与4 一乙酰氨基 环己醇的顺反立体异构化过程存在着内在的一致性，所以它也基本 代表了4 一乙酰氨基环己醇的顺反立体异构化的反应历程。只是在异 构化反应t 亿是以酮氢化反应的两个产物为原料，而这两个原举 经 山化学吸附的醇化物、椅式吸附的酮、酮、船式吸附的酮等中间体， 在催化剂的作用下，达到平衡。若存在合适的催化剂及合适的反应 祭f ，f ：，使得热力学控制在平衡中占优势，则该过程可以满足我们的 浙江大学硕士学位论文 要求，使顺式与反式4 乙酰氨基环己醇之间建立起化学平衡，并优 势地生成稳定的反式异构体。 2 2 3 影响立体异构化反应的因素【档1 立体异构化反应能得以进行，首先必须有合适的催化剂，至于 该过程催化剂的选择，本文将在下一节中介绍。本节主要将依据文 献从一般意义上对温度、压力、溶剂、酸碱添加剂、金属添加剂等 影响立体异构化反应的因素进行阐述。 ( 1 1 温度和压力的影响 顺反立体异构化反应的进行，至少包括脱氢、加氢两个步骤。 对于脱氢过程，欲使c h f o h ) 键在催化剂的作用下断裂， 而达到脱氢的目的，必须达到一定的温度。所需的温度既与催化剂 的脱氢活性有关，也与反应物c h ( 0 一h ) 键的强度有关，单纯的 脱氢反应一般在5 0 0 以上高温下进行。脱氢是一个分子数增加的 反应，故降低压力有利于该过程的进行，且压力不只是对平衡转化 率有影响，对反应的动力学行为也有影响。例如，压力的升高有利 于脱氢产物或中间体的聚合结焦，而降低分压则显然可降低这类副 反应，从而增加脱氢的选择性，并可以延长催化剂的寿命。 对于加氢过程，温度主要是为了适合催化剂的活性及选择性。 加氢反应是放热反应，且往往也是可逆反应。各种加氢反应的平衡 趋势和温度限制，随着催化剂及反应物的不同而不周。例如烯烃加 氢的平衡常数就远大于羰基化合物，在温度不超过4 0 0 。cl l , j ，烯烃 的平衡转化率可以说是1 0 0 ，而对于羰基化合物，当温度超过2 0 0 时，反应就可能不会进行完全。此时增加氢压力，除动力学上的 ? 后要外，有时亦是热力学上的必要。 小文研究的是环己醇类的顺反立体异构化反应，该反应的顺利 进行必须是脱氢与加氢的协调进行。因此，在实验中，要注意反应 温度与压力的控制，既要有足够的温度和不太高的压力，使脱氢得 以实现，又要控制温度和压力使加氢趋于完全。 1 0 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 溶剂的影响 许多催化反应在液相中进行，它有导热性好、较易控制及其它 一些优点，但溶剂的选择很重要。反应物在催化剂表面的物理吸附 的难易，将直接影响到活化吸附反应物的数目及其与吸附氢的相对 比例。溶剂分子在催化剂表面的竞争吸附，以及与反应分子间的作 用力大小，都会影响反应物在催化剂表面的物理吸附及活化吸附。 反应物在溶剂中的溶解度愈小，则溶剂化程度愈小，这有利于反应 物在催化剂上的吸附。溶剂分子在催化剂上的吸附越少，则反应物 在催化剂上的吸附就越多。对于反应物在催化剂表面吸附过强，应 选用对它溶解度大的溶剂较为有利，选用对它溶解度小的溶剂，会 使反应速度变慢。而当反应物在催化剂表面的吸附较弱时，选用溶 解度小的溶剂则可以使反应加速【4 们。另外，溶剂的不同对氢的吸附 亦会有影响。例如，r a n e y n i 在水中比在醇中能吸附更多的氢1 5 0 - 5 1 1 。 f 3 ) 添加碱或酸的影响 有时在催化剂制备过程中添加碱性物质，有时以杂质的形式带 入，有时在液相反应中，特意加入碱或酸，来增加氢化速度及反应 选择性。金属表面吸附酸( h ) 后，会降低活性中心上的吸附键强度， 吸附碱后，则会增加活性中心( 不论是财或麝) 的成键能力，即吸附 键的强度。尤其对于m c 、m n 等吸附键影响较大，因为n 及 c 原子均是元素电负性比过渡金属为大的元素，金属原子的给电子 性能力的增加，对于吸附键的形成均属有利。 酸碱对p t 、r h 、p d 等催化剂的影响与对n i 催化剂的影响不同。 铂等表面上活性中心数目很多，形成的活化吸附物亦多，加氢速度 受吸附键强度及活化吸附物的活性限制颇大，而与活化吸附物的数 日关系较小，所以削弱吸附键强度，可增加反心速度，而增力吸刚 键强度则会降低反应速度。金松寿【4 8 l 等在总结d e l e p i n e m 、 r e a s e n b e r g j r 、a d k i n sh 、g 1 u n f e l dm 、s c h o h f i ks s 、s m i t h1 a 、 j j e s b e r ge b 等多人研究成果的基础上，得到了以下一个大致规律： 加h + ，对于p t 、r h 、p d 上：c 一0 、c 三n 、l 、：c 一文等 浙江大学硕士学位论文 的加氢一般都有促进作用，而加碱一般有抑制作用。 对于n i 、c o 、f e 等催化剂，含有肘旃及砌等活性中心，前 者弱而后者又较少，对于难于活化的不饱和键如：c 一0 、c 三n 、 - - i t = n - - 及j 等，常会因活化吸附物数目( 在h ：吸附同时进行 下1 不足而限制加氢速度。在这种情况下，增加吸附键强度，可增加 活化吸附物的数目，从而提高反应速度；而削弱吸附键强度则会抑 制反应速度。对于颇易活化的不饱和键：c 一文、中_ n o ，等，则 有相反的结果。于是金松寿等又得到了另一大致规律： 对于n i 等催化剂上进行：c o 、一c 三n 、- - i i 一1 1 - - 及0 加氢时，加碱可以加速反应速度，而对于：c c ：及由_ n o ：等的加 氢，一般会抑制反应。 这第二个规律性在加氢实际工作中常被应用。在催化剂表面上 形成活化吸附物的数目，虽然主要和吸附键强度有关，但亦必须同 时考虑物理吸附的难易及溶媒的影响。有研究者指出，在r h c 、p t - c 、p d c 上，由_ n o ，、 - f , i l h 2 的液相加氢，由于吸附不足，致 、i 1 0 2 使加碱后，增加了活化吸附量，从而加快了加氢速度【5 2 1 。对于n i 上 硝基苯酚及硝基胺等的加氢亦可能是同一原因，导致了碱的加速作 用。而在r a n e y n i 上硝基苯的吸附已过强，导致了碱的减速作用， 这亦为实验所证实t 5 3 1 。 f 4 ) 添加金属化合物的影响 在加氢反应中，有时亦在介质中添加一些金属化合物( 有时亦在 催化剂制备过程中添加) 来调整反应速度及选择性。最常用的是在应 川贵金属催化剂p t 、p d 时添加少量f e c i ，、s n c i ，等盐类，或应川n i 催化剂时添加少量p t 、p d 等盐类。金松寿【4 8 】等人在总结前人研究成 果的基础旨f ： 浙江大学硕士学位论文 对于p t 、p d 催化剂，加入少量f e 3 - 、f e 2 + 、s n 2 + 、n i 2 + 、m n 2 + 、 z n 2 + 、a 1 3 + 等盐类( 或氢氧化物) 后，一般加速：c 一0、r n 0 2 ( 硝基 烷烃) 的氢化速度，而抑制了：c k 及中- - n o ：的氢化速度。对于 n i 催化剂，加入少量n i 2 + 、c 0 2 + 、f e 抖、s n 2 + 等盐类，亦加速了：c 一0 及r n o ，的氢化速度；而加入p t 盐等，对于：c o 、c 三n 、 ：c k 及中一n 0 2 几乎全增加了加氢速度。 在加氢过程中，加入盐类有部分会分解还原成金属( j r 其是贵金 属类) 。p t 或p d 盐能增加催化剂r a n e y n i 上的活性中心数目较可理 解。在p t 、p d 等催化剂中加入f e 3 十、s n 2 + 、a 1 3 + 等盐类抑制了：c c 及中一n 0 ，的加氢，表明它们覆盖了一部分活性中心，使催化剂的 活性中心数目减少了。而我们熟知二c 一灭等的吸附需要砌等活 性中心( 竹表示出现未配对电子的活性中心) ，f e 3 + 、a 1 3 + 等离子可与 衍作用，吸附在上面，而它们本身又无催化活性，故使氢化速度降 低。但这些离子的增加，却加速了：c o 及r n o ，的氢化，这是 由于：c o 及r _ n 0 2 中的- n 0 2 都很稳定，较难活化( 即较难捕捉 出现的廊) 与吸附。添加的离子吸附在表面上，表面就有p t 、f e 3 + 等集团( 可用廊西表示，劢表示空轨道，髓表示电子对) ，就可财 ：c 一0 及r n 0 ，等发生颇强的吸附，增加了活化的概率，从而增 加1 厂氢化速度。 2 3 立体异构化反应催化剂 为了测定环己烷巾取代羟基的构象自由能，4 一取代环己醇衍仆 】3 浙江大学硕士学位论文 物曾被广泛地应用于研究。在这方面的文献报导中，为达到4 一取代 环己醇衍生物的构象异构平衡而采用的催化剂主要有r a n e y n i 、 a i ( o p r ) ，、n a p h ，c o 及r u a 1 ，o ，等。本节以下部分将依次对上述催 化剂进行介绍。另外，著名的氧化铜铬脱氨催化剂在一定条件下也 是较好的加氢催化剂，若能适当调节其加氢、脱氢活性，则也许该 催化剂可以对立体异构化反应具有较好的效果，因此该催化剂也将 随上述诸催化剂一并介绍。 2 3 1r a n e y n i 催化剂 ( i ) r a n e y n i 对构象异构化反应的催化性能 e l e r i e ! 等人曾以r a n e y n i 催化剂对4 一叔丁基环己醇构象异构 平衡作了研究1 2 6 1 。其实验结果列于表2 3 1 ( a ) ： 表2 3 1 ( a ) r a n e y n i 作用下4 一叔丁基环己醇构象平衡 温度平衡时反式异构体 序号溶剂 ( )含量( ) 1 环己烷 8 07 0 0 2环己烷1 5 07 0 2 3莱8 07 2 5 4甲苯1 1 07 0 5 5 i ，2 一二甲氧基乙烷 8 07 1 0 6 四氢呋喃 5 67 2 5 7叔丁醇8 27 7 5 8叔丁醇1 5 07 4 0 9异丙醇8 27 9 0 1 0叔丁醇苯1 ：o 2 57 57 7 4 1 1叔丁醇苯1 ：17 57 6 8 1 2 叔丁醇苯l ：1 5 7 57 6 、3 13 叔丁醇苯1 ：4 7 57 5 2 1 4 叔丁醇一苯1 ：6 7 57 40 上述数据结果表明，在质子性溶剂如异丙醇和叔丁醇中，反式 异构体平衡值较高，而相比之下，在非质子性溶剂中，反式异构体 平衡值则较低。事实上，上述的结果只是在r a n e y n i 大大过量时才 浙江大学硕士学位论文 是有效的f e l e l i e l 的实验中r a n e y n i 的用量为4 一叔丁基环己醇的 2 - 5 倍1 。当r a n e y n i 的用量较小时，在上述的溶剂中处理酮，形成 的主要将是直立式异构体。很显然，这是动力学控制的氢通过 r a n e y n i 表面转移到酮上的结果。e l e l m 将4 一叔丁基环己酮与 r a n e y n i 按照1 ：1 比例混合进行实验，获得了动力学控制的结果， 见表2 3 1 ( b ) ： 表2 3 1 ( b ) r a n e y n i 作用下烷基环己酮的催化氢化 平衡时顺式异构体 烷基环己酮溶剂 含量c ) 乙醇 7 8 4 叔丁基环己酮 甲醇 7 8 3 甲基环己酮乙醇 3 6 乙醇 6 3 4 一甲基环己酮 异丙醇 5 8 2 甲基环己酮乙醇 6 0 e l e l i e l 的研究指出：r a n e y n i 是适用于环己醇类构象异构平 衡的很方便的催化剂。它可以用于多种不同的溶剂中，且通常可以 较迅速地建立起平衡。在样品分析之前催化剂可以通过过滤等方法 轻松除去，勿需进一步操作。如果采用异丙醇为溶剂，则我们不仅 可以用醇，而且可以用酮、甚至酚为起始原料进行构象异构平衡实 验。以r a n e y n i 为催化剂唯一的不足是，在非还原性溶剂中，它会 将待异构的醇脱氢成酮。因此，该实验必须在这种脱氢过程尚未严 重的时候及时停止。 ( 2 ) r a n e y n i 催化剂的制造 骨架镍催化剂是m r a n e y1 9 2 5 年发明的1 54 1 。最初川的足镍矧一： 氧化硅的合金，而目前使用的几乎都是镍和铝的合金。山合金制嵛 骨架镍分为两步： a 川城f 特别是n a o h ) 溶出无催化活性的铝，这步称为“展 开”操作。 b 催化剂展开后f j 水洗涤的操作。 浙江大学硕士学位论文 这个过程条件的不同( 碱量、浓度、温度、加料顺序、展开时间、 洗涤工艺等) 则铝的溶出情况不同，残留镍组成晶格的歧化程度不一 致，吸附和活化氢的能力也不一致，最后可以得到各种不同的特定 结构，实现对反应的选择性。 骨架镍制备方法很多，目前常用的是a d k i n s 等提出的w 一1 至 w 一7 的制备方法【5 5 1 及活性更高的x 一2 0 和x 一5 0 型催化剂 5 6 】的制备方 法。这些制备方法过程基本相似，仅是展开和洗涤过程的条件有些 不同，以致它们在活性和选择性方面存在很大的差别，现将它们的 展开及洗涤条件列于表2 3 1 ( c 1 ，以便比较。 表2 3 1 ( c ) 各种型号骨架镍的展开及洗涤条件 n a o h 加合金展开温度 名称加料顺序加料时间展开时问洗涤 浓度 温度( )( ) 用水在布氏漏 w j 合金一碱2 5 0 2 - 3 小时】j 5 j 2 0j 0 小时 斗中洗涤至中性 倾析法洗至中 w 2合金一碱2 01 0 - , - 2 52 小时9 0 - - - 9 5 8 1 2 小时 性 液面下，用大 w 3合金一碱2 02 02 5 0 0 m i n5 0 5 0 分钟 量流水洗涤至 w 4 合金一碱 2 05 02 5 0 0 r a i n5 0 5 0 分钟中性 洗涤方式同 w 一4 ，但全过程 w ，6合金一碱2 05 02 5 3 0 m i n 5 0 25 0 分钟 在0 0 5 兆帕 ( 05 火气压) h ： t 保护下进行 水倾洗三次后用 w 一7合金一碱2 05 02 5 3 0 m i n5 0 土2 5 0 分钟 醇顶替 碱一合金 4 0 x 2 05 04 0 4 5 ( 添加3 5 3 ( ) 分钊，4 0 0 堪 水沈一 ( 含n i 2 0 ) n a 2 c 0 3 )次，即用酶顶替 x 5 0 合金一碱 3 5 很快沸点3 0 分钟 骨架f f l 化剂最主要的特点是活性中心的数f 二f 多、成键能力较大 以及有相当数量的溶解氢。以上不同制备条件所造成差异的父键也 在1 ：这些f h ：质的差别。在w l 型制备条件下，展开温度较高( 1 l5 1 2 0 ) ，展开时问长( 1 0 小时) ，铝溶解比较彻底。溶去铝后的镍饲架可 以充分收缩，歧化程度高，对每个小局部而言，裂缝少，较致密， 微品粒度火；从整休看，大孔多，表面小，因此活性中心的数e 较 浙江大学硕士学位论文 少，吸附氢和溶解氢都不太多，再加上洗涤是在布氏漏斗中进行， 与空气接触机会多，活性中心及活化的氢还会由于氧化而损失，所 以活性较低。w 。2 型的处理条件略为温, 1 1 ( 9 0 9 5 c ) ，而且洗涤过程 中催化剂始终处于液面以下，与空气不直接接触，所以活性要高一 些。在w 一4 型，采取了低温( 5 0 c ) 快速处理的办法，整个展开和洗 涤过程控制在两小时以内完成，碱浓度也稍稀，这种情况下，催化 剂中存在相当多的残铝。n i a l ，溶解，而n i ：a 1 3 还可能有相当部分未 溶，这样n i 可以分散依附在n i ，a 1 ，的骨架上，收缩程度低，晶粒小， 裂隙多，表面积大，原子间距离松，活性中心数目多，活性进一步 提高。而在w 一6 型中，洗涤过程始终在0 0 5 兆帕( 0 5 大气压) 的h ， 保护下进行，洗涤用水也用h ，饱和，其中溶解的0 ，基本干净，所 有的活性中心都受到保护，因此活性更高。在其它的w 7 型、x 一2 0 型、x 5 0 型等制备方法中，则由于碱量、加料顺序及展开温度等的 影响，使其活性尤高。 ( 3 ) 影响r a n e y n i 催化活性的因素1 5 7 】 反应体系的p h 值对催化反应有明显影响。由于强酸能与催化 剂反应而不能使用。应用弱酸或铵盐，使p h 3 ，催化活性降低。通 常在碱性体系中能提高反应活性。在镍铝合金中含有3 1 0 的铬、 钴、钼、钯和铑都能提高催化剂的活性，铂更为有效。若在r a n e y n i 氢化反