钯/碳气凝胶催化剂在美罗培南加氢反应中的应用

王虹(陕西瑞科新材料股份有限公司，陕西 宝鸡 721013)

0 引言

碳气凝胶一般由有机气凝胶炭化而成。有机气凝胶是由Pekela于1989年发明，用间苯二酚和甲醛在催化剂碳酸钠的催化作用下进行溶胶凝胶，经过超临界干燥后得到酚醛(phenolic resin, RF)有机气凝胶[1]，然后进过碳化得到碳气凝胶材料。酚醛反应体系反应稳定，是目前制作有机气凝胶最广泛的做法。碳气凝胶是一种纳米级多孔三维网状结构，质量轻、孔隙率高、密度低、比表面积高等优异性能，碳气凝胶的这些性质使其在热学、声学、电学、催化、储氢等研究领域表现出良好的应用前景[2]。

碳气凝胶的制备工序大多采用将间苯二酚、甲醛以一定的摩尔比混合，用适量碳酸钠作催化剂，加入去离子水作为稀释剂，室温下搅拌使其均匀混合，将混合液移至密闭容器内，放置恒温箱内，得到有机湿凝胶。将RF湿凝胶在丙酮中浸泡，然后放在空气中干燥得到RF气凝胶，然后使有机气凝胶均匀碳化后形成碳气凝胶[3]。其形成示意图如图1所示。

图1 碳气凝胶制备过程示意图

美罗培南是日本住友公司研制的首个1β甲基碳青霉烯类抗生素，作为首个第二代碳青霉烯类抗生素，改变了碳青霉烯类抗生素不能单独用药的历史，是碳青霉烯类抗生素发展史上的一个新里程碑。它具有良好的抗菌活性和广谱抗菌性，同时可以增强其对人体内的肾脱氢肽酶的代谢稳定性，主要用于治疗多种细菌感染引起的肺炎、脑膜炎、败血症等疾病。目前美罗培南工业生产的主要工艺包括两个部分：碳青霉烯双环母核的制备和美罗培南关键侧链中间体的合成。美罗培南主要是通过化学全合成制备，其中关键的最后一步加氢脱保护基反应如图2所示[3]。

图2 加氢脱保护基制备美罗培南粗品反应式

此步加氢反应中脱去氨基保护基PNB的反应效果，直接决定着最终美罗培南粗品产物的外观及收率高低。因此，此步加氢反应中所使用的钯催化剂性能尤为重要。

1 实验

1.1 钯/碳气凝胶催化剂的制备

将氯化钯固体与浓盐酸，按质量比为1∶4混合，使其溶解转化为氯钯酸溶液，然后加入去离子水，将其稀释为0.03 g钯/mL的溶液备用。另将碳气凝胶载体用20倍的去离子水浸泡1 h，然后将上述备用的金属溶液加入碳气凝胶的浆料中，常温缓慢搅拌24 h后，用10%的氢氧化钠调节体系的pH值为弱碱性，再升温至80℃，保温缓慢搅拌1 h，加入钯质量6倍量的还原剂，保温反应2 h后，冷却至常温，用去离子水洗涤至无氯离子，即制备好钯/碳气凝胶催化剂。根据所加入还原剂的种类不同，本实验分别用甲醛做还原剂，制得了样品1，用硼氢化钠做还原剂制得了样品2，用水合肼做还原剂制得了样品3，用甲酸做还原剂制得了样品4，用甲酸钠做还原剂制得了样品5。

1.2 美罗培南脱保护基加氢反应

钯/碳气凝胶催化剂性能测试的反应物料配比及反应条件与设备如下：

美罗培南保护前体原料(F10)20 g，四氢呋喃100 g，去离子水100 g，钯/碳气凝胶催化剂2.5 g(干基)，500 mL不锈钢高压加氢反应釜。反应温度为35 ℃，反应压力2 MPa。

将上述配比的物料投入500 mL不锈钢高压加氢釜中，按照反应条件，向高压氢化釜中持续通入氢气，反应时长为1 h，反应结束后，取出反应液，用布氏漏斗过滤除去催化剂，将氢化液在0～5℃下加入500 mL丙酮，搅拌析结晶2 h后，过滤出结晶产物并干燥后即为美罗培南粗品产物，根据产物外观及收率等各项指标对钯/碳气凝胶催化剂性能进行评价和表征[4]。

1.3 美罗培南粗品分析方法

色谱柱：C18；缓冲液：1 mL三乙胺溶解到1 000 mL去离子水中，用10%稀磷酸调pH=5；流动相：缓冲液∶甲醇=5∶1；样品：取氢化液1.08 g在50 mL容量瓶中加流动相混匀；流速：1.0 mL；波长：300 nm；进样量：5 μL。

2 数据

使用市售成熟钯炭催化剂与本实验制得的5个钯/碳气凝胶样品，按照美罗培南脱保护基加氢反应条件进行平行比对，测试结果如表1所示。

3 结语

从上边的实验数据可以看出，使用钯/碳气凝胶催化剂的样品在美罗培南加氢脱保护基反应中，粗品美罗培南产物收率均高出普通市售钯炭催化剂3%～6%，产物纯度均与对照品相当，杂质A和杂质B均小于对照品，总杂质也均小于对照品，钯残留值均与对照品处于同一水平上。钯/碳气凝胶催化剂样品性能整体具有明显领先优势[5]。

钯/碳气凝胶催化剂之所以能够在产物收率，杂质含量等指标上获得明显优势，这很可能主要归功于碳气凝胶这种载体材料特殊的微观孔结构和巨大的比表面积与孔隙率。碳气凝胶材料微观下呈现出一种三维网状结构，此种结构可能有利于反应底物与钯活性中心的结合，故而可以获得比普通市售钯炭更高的活性。碳气凝胶材料比表面积一般为1 000～2 000 m2/g，而普通活性炭材料则为800 m2/g，碳气凝胶材料孔隙率为90%左右，而活性炭材料则只有60%左右，上述明显高于普通活性炭的物理特性，使其在制备钯催化剂时能够提供比普通活性炭更多的吸附位点，更有利于贵金属钯的均匀分散，从而获得更多的活性位点，故而其在加氢反应中表现出更高的活性。虽然钯/碳气凝胶这种新型载体催化剂在反应性能上表现出比较明显的优势，但在催化剂过滤分离过程中的过滤时间有点偏长，这将会造成生产效率的下降，故而在未来的研究中，对碳气凝胶这种新型载体材料的粒度分布还有待进一步的优化，以使其能够获得更好的过滤性能。