高聚物固載銠催化劑催化甲醇羰基化反應(yīng)的探討

唐 元，楊利利

（國(guó)電英力特能源化工集團(tuán)股份有限公司，寧夏銀川 750011）

醋酸是一種應(yīng)用廣泛的化工原料,主要被用于合成醋酸乙烯酯的單體、合成醋酸酐的原料以及生產(chǎn)精制對(duì)苯二甲酸的溶劑等。醋酸可以由甲醇羰基化直接得到。目前采用甲醇羰基化法占目前世界乙酸生產(chǎn)量的80%左右。

1970年美國(guó)的Monsanto公司開(kāi)發(fā)出以銠/碘化物為催化劑的甲醇羰基化工藝[1]并將其工業(yè)化，該技術(shù)使用RhI3作為催化劑RhI3在CO加壓的條件下能溶解于甲醇與碘羰基配合物進(jìn)行反應(yīng)，醋酸以甲醇為基準(zhǔn)的選擇率在99%以上，以CO為基準(zhǔn)的選擇率也達(dá)到了90%以上。

1986年，Monsanto公司將甲醇制醋酸技術(shù)出售給BP公司，經(jīng)BP公司進(jìn)一步開(kāi)發(fā)改進(jìn)，于1995年成功開(kāi)發(fā)了以銥為主催化劑催化甲醇羰基化制乙酸的CativaTM新催化體系，該體系在許多方面優(yōu)于Monsanto的銠催化體系，BP的甲醇羰基化已經(jīng)在全世界范圍工業(yè)化，反應(yīng)為均相反應(yīng)[1]。

雖然BP公司甲醇羰基化技術(shù)優(yōu)于Monsanto公司，但還是存在著主催化劑銥價(jià)格昂貴、助催化劑碘化物腐蝕設(shè)備、碘化物回收及催化劑分離等問(wèn)題。針對(duì)上述均相反應(yīng)催化體系不足，研究者從多相體系進(jìn)行研究改進(jìn)，投入大量的物力和財(cái)力來(lái)研究銠催化劑的固載化，即將銠固載在高聚物上或金屬氧化物等載體上。Howard等[2]綜述了用活性炭、無(wú)機(jī)氧化物和一系列的聚合物材料固載銠催化劑催化甲醇羰基化反應(yīng)的性能。研究發(fā)現(xiàn)活性碳、無(wú)機(jī)氧化物和分子篩做為負(fù)載材料，無(wú)論是在催化活性還是在選擇性方面都要比均相銠催化劑差[3，4]。近年來(lái)，高聚物與銠形成高分子配合物催化劑由于其高活性和高穩(wěn)定性受到了極大的關(guān)注。

1 高分子聚合物固載銠催化劑活性的探討

銠催化甲醇羰基化制醋酸的決速步驟是MeI與[Rh（CO）2I2］-的氧化加成反應(yīng)。要想提高反應(yīng)活性，就應(yīng)該加快決速步驟的反應(yīng)速率。[Rh（CO）2I2］-與 MeI的氧化加成反應(yīng)可看做是[Rh（CO）2I2］-對(duì) MeI的親核取代。通過(guò)易供電子的基團(tuán)取代CO或I，增加銠的富電子性，即可提高活性中心的親核能力，從而提高反應(yīng)速率[5]。Christophe M Thomas[6]的綜述中集中探討了膦配體提高銠催化甲醇羰基化活性，認(rèn)為膦配體提供孤對(duì)電子使銠上電子密度增大，使其具有很強(qiáng)的親核性，與其它配體相比膦配體是最有前景。從目前報(bào)道的文獻(xiàn)看[15，17]，含氮和氧的配體研究的較多。

反應(yīng)物在高分子骨架中的擴(kuò)散速度問(wèn)題也影響催化反應(yīng)速率[7]，通常反應(yīng)物在液相中的擴(kuò)散約為10-5cm/s，而在高分子骨架中的擴(kuò)散速度約為10-6cm/s，減小約10倍，這個(gè)問(wèn)題可以用高交聯(lián)度的樹(shù)脂或無(wú)機(jī)載體，使金屬催化活性中心處于載體表面來(lái)解決。M.S.Jarrel[8]研究了含膦的官能團(tuán)鍵接銠形成的高分子催化劑，即通過(guò)RhCl（CO）（PPh3）2與含有-CH3PPh3或-PPh2基團(tuán)的苯乙烯與二乙烯苯共聚物配合形成雙齒高分子配合物，發(fā)現(xiàn)其催化活性與Monsanto工藝催化活性相當(dāng)，但由于銠價(jià)態(tài)的改變，催化劑活性下降很快，便不可能工業(yè)化應(yīng)用。

幾乎所有的碘羰基銠配合物在催化甲醇羰基化循環(huán)過(guò)程中都是陰離子，這對(duì)離子負(fù)載來(lái)說(shuō)具有吸引力。R.S.Drago[9]等人研究了聚乙烯基吡啶季銨鹽陰離子樹(shù)脂做為銠的配體，發(fā)現(xiàn)其催化活性與Monsanto工藝催化活性相當(dāng)，但催化劑穩(wěn)定性依然沒(méi)能解決。De Blasio[10，11]等人研究了銠催化劑負(fù)載在聚乙烯吡咯烷酮和二苯基膦改性的交聯(lián)聚苯乙烯上用于甲醇羰基化氣相反應(yīng)的性能，結(jié)果表明：PVP體系表現(xiàn)出良好的活性、選擇性和長(zhǎng)期試驗(yàn)中銠低流失率。PVP負(fù)載催化劑性能較好是由于[Rh（CO）2I2］-和聚合物上季銨化的吡咯烷酮離子對(duì)之間較強(qiáng)的相互作用。

已報(bào)道的研究結(jié)果顯示，高分子固載銠催化劑的活性提高已經(jīng)解決，但催化劑的穩(wěn)定性還沒(méi)有達(dá)到工業(yè)化的要求，因此研究者在這方面做了很多努力。

2 高分子聚合物固載銠催化劑穩(wěn)定性的探討

高分子聚合物負(fù)載銠催化劑的穩(wěn)定性可以從兩個(gè)方面來(lái)考慮：首先是金屬銠的流失問(wèn)題，這是關(guān)系到高分子催化劑在工業(yè)上應(yīng)用的先決條件，銠流失分為兩部分，一部分是隨產(chǎn)物蒸出，二是由于催化劑在系統(tǒng)中由于銠價(jià)態(tài)改變而生成沉淀失去活性。二是高分子催化劑的耐受性和熱穩(wěn)定性，例如Brodrk[12]利用類似均相小分子銠催化劑催化甲醇羰基化反應(yīng)，當(dāng)溫度超過(guò)160℃由于催化劑的分解而造成催化活性的下降。

金屬銠的流失問(wèn)題可以看做是催化劑絡(luò)合-解離平衡過(guò)程，研究者選擇與金屬結(jié)合能力強(qiáng)的高分子配體或螯合體，并且具有較強(qiáng)的耐受性和熱穩(wěn)定性良好的材料做為載體。因?yàn)榈饧淄榕c副產(chǎn)物水生成碘化氫，因此載體必須在高溫和強(qiáng)酸性溶液中保持穩(wěn)定。乙烯基吡啶樹(shù)脂是在高溫下也能保持穩(wěn)定的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，可用于回收排水中的重金屬[13]。反應(yīng)中吡啶基在碘甲烷的作用下生成吡啶嗡，具有陰離子交換性。

Hamato等[5]利用多孔交聯(lián)乙烯基吡啶樹(shù)脂進(jìn)行銠基催化劑的固載化，提高了催化劑的壽命，增加了催化劑的抗磨損和耐壓性，同時(shí)表現(xiàn)出較高的催化活性。高交聯(lián)度的乙烯基吡啶樹(shù)脂，能使催化活性中心位于載體表面，提高反應(yīng)速度，而且吡啶與CH3I生成季銨鹽能使催化劑保持穩(wěn)定。

2008年張抒峰[14]報(bào)道了2-乙烯吡啶/丙烯酸乙二醇雙酯共聚物[Rh（CO）2Cl2］-進(jìn)行配合形成的配合物催化甲醇羰基化合成醋酸的性能，這種催化劑表現(xiàn)出了非常好的催化活性、選擇性和穩(wěn)定性，而且在反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水煤氣變換的反應(yīng)。2009年張抒峰[15]證實(shí)了該配合物中銠與吡啶環(huán)上共軛N形成的N-Rh配鍵在反應(yīng)過(guò)程中并非通常認(rèn)為的斷裂，而是與配體作為整體參與CH3I的氧化加成及CH3COI的生成過(guò)程，區(qū)別于前人報(bào)道的[Rh（CO）2I2］-陰離子的活性物種結(jié)構(gòu)，而反應(yīng)過(guò)程中銠從高分子表面脫落的主要原因是催化劑隨著反應(yīng)介質(zhì)極性增加，溶脹也隨之增加，其中表面高度溶脹部分在高速攪拌下磨損進(jìn)入反應(yīng)體系，這個(gè)結(jié)果對(duì)于這類分子設(shè)計(jì)和克服催化劑失活沉淀有重要意義。

袁國(guó)卿[16]的研究團(tuán)隊(duì)研究了以高分子為載體的銠配合物催化劑，主要通過(guò)將聚乙烯吡啶或其與含氧烯烴的共聚物與銠化合物進(jìn)行配位形成螯合型配合物。這類含有兩種不同配位元素的共聚物雙齒配合催化劑巧妙地解決了催化劑穩(wěn)定性與活性的問(wèn)題，使催化反應(yīng)的選擇性保持在99%以上的同時(shí)，也使反應(yīng)活性得到進(jìn)一步提高。該催化劑使用經(jīng)過(guò)1 000 h的模擬考察，該催化劑活性高、選擇性好，長(zhǎng)時(shí)間使用穩(wěn)定，顯示出優(yōu)于Monsanto工藝的反應(yīng)活性，在反應(yīng)原料中無(wú)需加入HI、醋酸等極性溶液。柳忠陽(yáng)[17]綜述了這種螯合型配合物具有高活性和穩(wěn)定性的原因。由于配合物中的配位氧不易與反應(yīng)介質(zhì)中的親核試劑反應(yīng)，因而始終保持配位能力，而且N-Rh配位鍵很穩(wěn)定，所以配合物即使在195℃條件下使用仍然保持著良好的反應(yīng)活性。高聚物配體中部分吡啶環(huán)易與CH3I生成季銨鹽，使I-負(fù)載于高分子載體上，使配合物催化劑保持穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)一方面利于完成親核加成作用，另一方面也可使反應(yīng)過(guò)程中的CH3COI、CH3COOCH，易于轉(zhuǎn)化為CH3COOH最終產(chǎn)物。

日本千代田[18,19]化工建設(shè)公司致力于開(kāi)發(fā)甲醇羰基化制醋酸工藝，該工藝基于一種多相銠催化劑，其中活性Rh配合物以化學(xué)方法固定在聚乙烯基吡啶樹(shù)脂上，固載化催化劑技術(shù)開(kāi)發(fā)的出發(fā)點(diǎn)是將在反應(yīng)條件下溶解度低的銠配合物固載下來(lái)，以提高催化劑濃度，并使催化劑固定在反應(yīng)器內(nèi)，從而抑制分離工序中的析出損失。與均相銠催化劑相比，即使在水濃度較低的情況下，固載化催化劑也具有較高活性，其原因是載體內(nèi)被固定的銠配合物[Rh（CO）2I2］-周?chē)嬖诟呙芏鹊?，使配合物催化劑保持穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的可溶性銠催化劑相比，其固定化催化劑可獲得高產(chǎn)率，醋酸產(chǎn)率（以甲醇計(jì)）高于99%；催化劑處理容易，因?yàn)椴恍鑿姆磻?yīng)溶液中分離出銠并回收銠，反應(yīng)器在低含水量（3%～8%）條件下運(yùn)行，可抑制副產(chǎn)物生成，因水的存在會(huì)導(dǎo)致很多副反應(yīng)的發(fā)生水煤氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳，氫氣可以引起鏈增長(zhǎng)，生成丙酸和高級(jí)烷烴；反應(yīng)器內(nèi)碘化物濃度低，腐蝕性小。該工藝于1999年通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)一套中試裝置證實(shí)其性能，該催化劑連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了7 000 h沒(méi)有發(fā)現(xiàn)催化劑活性明顯降低，且在產(chǎn)物中只檢測(cè)到了小于0.5 mg/L的銠。2002年貴州有機(jī)晶體化學(xué)品集團(tuán)公司[20]被授權(quán)使用千代田公司開(kāi)發(fā)的Acetica工藝的企業(yè)，簽訂3.6萬(wàn)噸/年醋酸的首套工業(yè)化裝置合同，該裝置已在2009年投產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前日本千代田高分子固載化的銠催化體系已經(jīng)在貴州工業(yè)化，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所袁國(guó)卿研究組合成的強(qiáng)弱配鍵螯合性高分子催化劑也形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，可以看出高分子聚合物負(fù)載羰基銠催化劑具有較好的應(yīng)用前景，但在高溫和強(qiáng)酸條件下高分子催化材料是否會(huì)發(fā)生分解影響使用壽命是依然存在的問(wèn)題，因此對(duì)催化劑的改進(jìn)仍是值得研究的課題。

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