高效催化3α-高托品烷肟加氢的Rh-Pd/C催化剂

2020-07-08曾利辉李岳锋曾永康刘忠文刘昭铁

贵金属 2020年1期

曾利辉，李岳锋，高武，曾永康，姚琪，刘忠文，刘昭铁, 3 *

曾利辉1, 2，李岳锋2，高武2，曾永康2，姚琪2，刘忠文1，刘昭铁1, 3 *

(1. 陕西师范大学，西安 710119；2. 西安凯立新材料股份有限公司，西安 710201；3. 陕西科技大学，西安 710021)

采用甲醛还原-活性炭负载法制备了5%Rh/C、5%Pd/C和3%Rh-2%Pd/C三种催化剂，用X射线衍射(XRD)、电子显微镜(SEM和TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)进行表征，对比其在合成3α-高托品烷胺中的催化性能。表征结果表明，在载体表面Rh-Pd二元合金颗粒粒径最小，分散性最好，可能形成了“网桥式”Rh-O-Pd结构。催化性能对比表明，3%Rh-2%Pd/C具有最佳催化性能，在25 h内可以将99%以上的原料转化，目标产物产率大于96%，且补加20%新催化剂后可循环使用3次，可降低3-高托品烷胺生产成本。

催化化学；Rh-Pd二元合金；活性炭载体；表征；催化性能

盐酸格拉司琼是外周和中枢神经系统中一种有效且高度选择性的5-HT3受体拮抗剂，它直接作用于中枢化学感受区及外周迷走神经末梢的5-HT3受体，可有效抑制恶心和呕吐，具有强的止吐作用，用量少且作用持久等特点。它对放疗、化疗和手术引起的恶心和呕吐有较好的预防和治疗效果[1-4]。内-9-甲基-9-氮杂二环[3.3.1]壬-3-烷胺(3-高托品烷胺，en-do-1)是制备盐酸格拉司琼的关键中间体。主要由内-9-甲基-9-氮杂二环[3.3.1]壬-3-酮肟(3-高托品酮肟)通过还原得到，合成反应如式(1)所示：

其合成的方法报道很少[5-9]。李顺来等[10]采用变性LiAlH4还原3-高托品酮肟合成得到3-高托品烷胺，但方法操作安全性差，废液排放量较大。目前对于C=N双键加氢饱和的较为先进的工艺[11-13]是通过催化加氢工艺进行合成，不产生污染物，对环境友好，是一条十分具有发展潜力的合成路线。该反应中使用到贵金属Rh基催化剂，价格非常昂贵，催化成本较高。

本文基于提高催化剂性能和降低生产成本的目的，对3-高托品烷胺(en-do-1)合成用催化剂进行了研究，用Rh-Pd代替Rh，制备活性炭载体催化剂，进行对比表征并评价其活性。

1 实验部分

1.1 催化剂的制备

称取9.5 g经过预处理的活性炭载体，纯水打浆至100 mL，磁力搅拌；滴加一定量0.05 g/mL的贵金属活性组分溶液，保持搅拌4 h后，用10%氢氧化钠溶液调节体系至碱性(pH≈8.50)。再加入10 mL 15%甲醛溶液在90℃进行还原2 h。然后过滤上述浆料，并洗涤至滤液无氯离子，滤饼在80 ℃鼓风干燥箱中干燥，得到10.0 g炭载贵金属催化剂，密封包装，备用。制备得到的3种催化剂分别为5%Rh/C、5%Pd/C和3%Rh-2%Pd/C。

1.2 催化剂的表征

用JOEL JSM 6700F钨灯丝冷场扫描电镜(SEM)观察催化剂的表面形貌；用美国FEI Tecnai G2 F20u- TWIN型透射电子显微镜(TEM)观察贵金属颗粒在活性炭载体表面的分布；用Philips APD1700 X射线衍射仪(XRD)进行晶体结构分析(使用Cu靶，扫描速率为2 °/min)；用美国赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher）型号为ESCALAB 250Xi 的X射线光电子谱仪(XPS)进行表面结构分析。

1.3 催化剂的催化性能评价

称取3α-高托品酮肟5.00 g，精确称量炭载贵金属催化剂(干基)0.500 g，一起加入高压反应釜中，并量取60 mL饱和氨的甲醇溶液加入其中。密封釜盖，检查是否密封完好。向高压釜内充氮气0.5 MPa，置换空气3~5次。将高压釜升温至40~50℃，充氢气至压力为2.0~2.5 MPa，启动搅拌，反应终点通过取样气相色谱检测，检测到原料转化完全时停止反应。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的表征

2.1.1XRD

图1是制备的3种活性炭载体催化剂的XRD谱图。

图1 贵金属催化剂的XRD谱图

从图1中可以看出，5%Rh/C催化剂在2为41.2°、47.6°和69.9°处，有明显的Rh特征衍射峰；5%Pd/C催化剂在40.2°、46.8°和68.3°也出现了明显的Pd特征衍射峰。但3%Rh-2%Pd/C催化剂样品中Rh和Pd的特征衍射峰宽化且非常弱。说明活性金属分散吸附在活性炭载体的表面后，二元催化剂中的活性粒子(Rh和Pd)粒径更小，活性粒子分散更加均匀，可能更多以非晶态分布。

2.1.2XPS

图2是为所制备的3种催化剂的XPS谱图，表1中为XPS分析获得的催化剂表面结构数据。

从表1可以看出，二元金属Rh-Pd/C催化剂的表面贵金属摩尔分数最高，达到6.53%，其中Rh的摩尔分数为3.82%，Pd的摩尔分数为2.71%，均较单组份的5%Rh/C催化剂表面的Rh摩尔分数(2.67%)和5%Pd/C催化剂表面的Pd摩尔分数(0.76%)有所增加。上述催化剂表面的贵金属摩尔分数结果也可以从图2中得到确认，Rh-Pd/C二元催化剂的Rh和Pd的吸收峰面积与单组份的5%Rh/C和5%Pd/C催化剂的有明显的不同。同时，对比表1中金属不同价态的XPS电子结合能数值，贵金属催化剂中存在一部分的贵金属被还原为零价金属，还存在一部分的贵金属活性组分呈氧化态。其中，5%Pd/C催化剂中的Pd 3d5/2的电子结合能为336.01 eV，属于炭负载的金属态Pd的吸收峰；Rh/C中Rh 3d5/2的电子结合能为309.18，属于炭负载的呈+3价态Rh2O3的吸收峰。而3%Rh-2%Pd/C中的Rh 3d5/2的电子结合能为309.43 eV，Pd 3d5/2的电子结合能为336.33 eV，属于炭负载的Rh2O3和部分的合金态Rh-Pd的吸收峰。这说明，在本文制备条件下，甲醛能够很容易将Pd还原为金属态，而难于将Rh还原为金属态。Pd的引入促进了Rh的还原并相互形成合金态活性组分。

2.1.3SEM和TEM

图3是用SEM观察到的3种催化剂的表观形貌，图4为3种催化剂的TEM图像。

图3的SEM表观形貌显示，5%Pd/C催化剂表面暴露的贵金属粒子(图中白色斑点)最少；5%Rh/C催化剂表面的贵金属较多，有部分粒子存在团聚现象；3%Rh-2%Pd/C催化剂表面的贵金属粒子分布最多且均匀，粒径较小且粒径范围较窄，分散度高。

图2 贵金属催化剂的XPS图谱

表1 贵金属催化剂表面结构的XPS分析数据

Tab.1 The surface structure of precious metal catalysts by XPS

(a). 5%Pd/C; (b). 5%Rh/C; (c). 3%Rh-2%Pd/C

图4的TEM图像表明，5%Pd/C催化剂的晶粒(图中黑色斑点)出现了较严重的团聚；5%Rh/C催化剂也有部分晶粒团聚；而3%Rh-2%Pd/C催化剂的晶粒分布比较均匀，且粒径较小(平均晶粒尺寸约为3.6 nm)。这印证了SEM观察得到的结果，即二元金属Rh-Pd/C催化剂载体表面贵金属催化活性中心更多。

2.2 催化剂的催化反应性能

表2列出了3种催化剂在α-高托品烷胺合成反应中的催化性能。

表2 贵金属催化剂的催化反应性能

Tab.2 Catalytic reactivity of precious metal catalysts

由表2可见，Rh基催化剂具有很高的催化反应活性，5%Rh/C催化剂在28 h以上可以转化99%以上的原料，目标产物收率大于95%，催化活性明显高于5%Pd/C催化剂。3%Rh-2%Pd/C二元催化剂的催化活性和选择性最高，在25 h内即可将99.2%的原料转化，获得96.3%的目标产物。

另外，在循环套用实验中，5%Rh/C和5%Pd/C催化剂均不能套用。3%Rh-2%Pd/C二元催化剂可以在补加20%新鲜催化剂的情况下实现套用3次，反应时间≤40 h，基本可以满足客户的使用要求。

2.3 催化机制探讨

对比3种催化剂的催化性能，结合表征的结果，推测影响催化性能的主要原因为：1) 催化剂的活性金属的粒子分布与尺寸大小的变化；2) 催化剂表面的活性金属浓度的差异；3) 催化剂中的活性金属的价态等。

结合表1的XPS数据和表2催化性能的数据，推测在该反应中，5%Rh/C催化剂中氧化态的Rh起催化作用，而5%Pd/C催化剂中零价态的Pd具有催化作用，但明显弱于5%Rh/C催化剂。而炭载贵金属催化剂中Rh2O3的O元素与高托品酮肟的C=N-OH容易键合，利于反应物吸附在活性组分表面发生催化反应后形成高托品烷胺。Rh/C催化剂中的Rh-O-Rh和二元Rh-Pd/C催化剂中的Rh-O-Pd的“网桥式”结构(如图5)，可能为电子的相互转移提供了便利的转移通道，因而加快了催化反应速率。而Rh/C催化剂中“网桥式”结构的氧更多，易与产物高托品烷胺发生氢键偶合，这可能是导致其产物的脱附较二元Rh-Pd/C催化剂更加难的原因。因此，在反应中该二元Rh-Pd催化剂反应速率更快和套用性能更好，表现出优异的催化反应性能。

图5 贵金属催化剂的活性组分“网桥式”结构示意图

2.4 二元催化剂的经济性

从上述实验的反应结果看，3%Rh-2%Pd/C催化剂催化性能优于5%Rh/C催化剂，其以相对价格低的Pd(350元/克)活性组分替代价格高的Rh (1000元/克)，节约成本近25%。不仅缩短了反应时间，而且节约了生产动力成本。另外，该3%Rh-2%Pd/C催化剂在套用过程中补加适量的新鲜催化剂，可以实现催化剂的循环使用，进一步降低高托品烷胺合成的生产成本，具有较大的经济性，工业放大的催化剂产品经用户使用，效果良好。

3 结论

1) 采用甲醛还原-活性炭负载法制备了5%Rh、5%Pd和3%Rh-2%Pd的催化剂，XRD、SEM和TEM表征表明，Rh-Pd/C催化剂表面的活性金属颗粒粒径小且分布范围窄，非晶态特征明显；XPS分析表明Rh-Pd/C催化剂中的活性组分含有部分的Rh-Pd合金和Rh2O3，而非全部为零价态金属。

2) 在3-高托品烷胺的合成反应中，5%Pd/C催化性能较差，而3%Rh-2%Pd/C的催化性能优于5%Rh/C催化剂，反应时间缩短至25 h以内，原料转化率大于99%，目标产物的收率大于95%。

3) 补加20%新鲜催化剂，3%Rh-2%Pd/C催化剂可以循环套用3次；与Rh/C催化剂相比，采用相对廉价的Pd替代Rh，可以降低催化剂制造过程的贵金属成本。2种因素均可明显降低3α-高托品烷胺的生产成本，并已应用于实际生产。。

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Efficient Rh-Pd/C Catalyst for Catalytic Hydrogenation of 3α-Granatoxime

ZENG Li-hui1, 2, LI Yue-feng2, GAO Wu2, ZENG Yong-kang2, YAO Qi2, LIU Zhong-wen1, LIU Zhao-tie1, 3 *

(1. Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, Shaanxi, China;2. Kaili Catalyst & New Materials Co. Ltd., Xi’an 710201, Shaanxi, China;3. Shaanxi University of Science and Technology, Xi’an 710021, Shaanxi, China)

Three catalysts of 5%Rh/C, 5%Pd/C and 3%Rh-2%Pd/C were prepared by formaldehyde reduction-activated carbon (AC) loading method. X-ray diffraction (XRD), electron microscope (SEM and TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to characterize these catalysts and its catalytic performance were compared in the synthesis of endo-9-methyl-9-azabicyclo [3,3,1] nonan-3-amine. The results of characterization show that the Rh-Pd binary alloy particles have the smallest particle size and the highest dispersion on the surface of AC, and may form a "network bridge" structure of Rh-O-Pd. The comparison of the catalytic performance shows that 3%Rh-2%Pd/C has the best catalytic performance. It was that more than 99% of raw materials and greater than 96% of target product yield were received within 25 h, and it can be recycled for 3 times with adding 20% fresh catalyst, which can reduce the production cost of 3α-granatamine.

catalytic chemistry; Rh-Pd binary alloy; activated carbon support; characterization; catalytic performance

TQ426.8

1004-0676(2020)01-0020-05

2019-12-24

陕西省科技厅重点产业创新链(群)(2019ZDLGY06-04)

曾利辉，男，博士研究生，高级工程师，研究方向：贵金属催化材料及应用。E-mail：zenglihui@126.com

刘昭铁，男，博士，教授，博导，研究方向：绿色催化、超临界介质及高分子材料合成与应用。E-mail：ztliu@snnu.edu.cn