加氫法合成DL-γ-泛內(nèi)酯工藝及催化劑研究

劉霞，呂志果，王金金

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266042)

α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯(DL-γ-泛內(nèi)酯)是制備泛酸系列產(chǎn)品最重要的中間體［1-2］。泛酸鈣(維生素B5)是生物正常生長必需的營養(yǎng)物質(zhì)之一，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、飼料和食品等行業(yè)中［3］;泛醇(維生素原B5)屬維生素B族類營養(yǎng)增補劑，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、食品、飼料等領(lǐng)域，隨著人們生活水平的提高，在日用化學(xué)品中的應(yīng)用不斷增長［4］。目前，DL-γ-泛內(nèi)酯合成技術(shù)是制約開發(fā)泛酸鈣技術(shù)的關(guān)鍵因素。

α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯的主要生產(chǎn)方法有:異丁醛、甲醛、氫氰酸法［5-6］，異丁醛、羥乙腈法，異丁醛、乙醛酸法［7］。這3種方法使用分步合成法，生產(chǎn)過程不連續(xù)，操作不方便，產(chǎn)品質(zhì)量不易控制;工藝流程長，消耗大，生產(chǎn)成本高;使用劇毒原料，污染環(huán)境同時增加安全費用。還有報道以草酸二乙酯、異丁醛、甲醛為原料，合成酮基泛內(nèi)酯再經(jīng)催化加氫合成DL-泛內(nèi)酯［8-10］，但選擇性較差，收率低。

本文采用乙醛酸和異丁醛在三乙胺的催化下進行羥醛縮合反應(yīng)，然后采用固定床反應(yīng)器，在銅基加氫催化劑作用下將其連續(xù)加氫、脫水環(huán)化制得DL-泛內(nèi)酯，這種方法具有產(chǎn)品收率高，副產(chǎn)物少，工藝流程短，產(chǎn)品純度高，成本低等特點［11-12］。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硝酸銅、氫氧化鈉、硅膠、異丁醛、乙醛酸、三乙胺均為工業(yè)品。

固定床反應(yīng)器為華東理工大學(xué)聯(lián)反所研制;GC-SP6800A型氣相色譜儀;D/MAX-2500/PC型X射線衍射儀;JSM-6700F型掃描電鏡。

1.2 催化劑制備

催化劑制備采用共沉淀法。將Cu(NO3)2·3H2O水溶液和NaOH水溶液在攪拌下并流滴加入置于恒溫水浴的500 mL三口燒瓶中，并依次滴加助劑、硅溶膠，升溫至80℃，老化6 h。抽濾、洗滌，120℃干燥12 h，500℃焙燒12 h。加壓成型，破碎、篩分出15～40目的催化劑，備用。

1.3 羥醛縮合反應(yīng)

將50%乙醛酸裝入帶有攪拌和冷凝裝置的三口燒瓶中，在30～40℃下滴加三乙胺，滴加完畢后，將溫度升至40℃，滴加異丁醛。在60℃下反應(yīng)2 h。反應(yīng)結(jié)束后，在60～70℃下減壓蒸餾，脫出未反應(yīng)的異丁醛和三乙胺。

1.4 催化劑的活性評價與連續(xù)加氫

催化劑的活性評價采用高壓微型連續(xù)固定床反應(yīng)裝置，催化劑的裝填量6 mL，催化劑床層上下填充石英砂。工藝流程見圖1，催化劑采 V(H2)∶V(N2)=3∶17 的混合氣體，控制溫度 50，200，250 ℃的升溫程序進行還原，降溫后切換成反應(yīng)氣，再將制備好的羥醛縮合產(chǎn)物用計量泵按一定流量與經(jīng)質(zhì)量流量計控制和計量的氫氣混合、預(yù)熱進入反應(yīng)器。反應(yīng)器為內(nèi)徑20 mm的不銹鋼鋼管式反應(yīng)器，軸心設(shè)有熱偶套管，管內(nèi)熱電偶可以直接測量催化劑床層溫度，反應(yīng)系統(tǒng)壓力由背壓閥控制。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)低溫冷凝和氣液分離，收集液體樣品以備分析。

圖1 加氫反應(yīng)裝置流程圖Fig.1 Reactor systems for catalytic hydrogenation

1.5 產(chǎn)物分析

采用毛細管色譜法對產(chǎn)物進行定性定量分析。色譜條件為:色譜柱為PEG-30毛細管色譜柱，氫火焰離子化檢測器，柱溫由初溫60℃，以10℃/min升溫至240℃，保持2 min，檢測室溫度280℃，氣化室溫度280℃，N2為載氣，空氣為助燃氣，進樣量0.1 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 加氫工藝研究

2.1.1 氫氣壓力對反應(yīng)的影響 在反應(yīng)溫度為120 ℃，氫醛摩爾比為 80∶1，液空速為 0.6 h－1的條件下，考察氫氣壓力對加氫反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 氫氣壓力對DL-泛內(nèi)酯收率影響Fig.2 Effect of the reaction pressure on the yield of DL-pantolactone

由圖2可知，隨著氫氣壓力的升高，DL-泛內(nèi)酯的收率明顯提高。這是因為氫氣作為反應(yīng)物之一，其壓力的提高，有利于氫氣向催化劑孔內(nèi)擴散，有助于反應(yīng)物在催化劑活性組分上的吸附，提高了DL-泛內(nèi)酯的收率。氫氣壓力超過7 MPa后，壓力對產(chǎn)物的收率貢獻減弱。因此，反應(yīng)的最佳壓力是7 MPa。

2.1.2 溫度對反應(yīng)的影響 在壓力為7 MPa，氫醛摩爾比為 80∶1，液空速為 0.6 h－1條件下，考察溫度對加氫反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對DL-泛內(nèi)酯收率影響Fig.3 Effect of the reaction temperature on the yield of DL-pantolactone

由圖3可知，隨溫度的升高，DL-泛內(nèi)酯的收率先增大后減少，在120℃達到最大。這可能由于溫度升高，有助于催化劑的活性提高，加快反應(yīng)速率，DL-泛內(nèi)酯的收率提高;但隨著溫度進一步升高，會加劇副產(chǎn)物的生成，而且可能加劇催化劑的燒結(jié)或結(jié)焦。因此，反應(yīng)的最佳溫度為120℃。

2.1.3 液空速對反應(yīng)的影響 在反應(yīng)溫度為120℃，壓力為7 MPa，氫醛摩爾比為80∶1條件下，考察液空速對加氫反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 液空速對DL-泛內(nèi)酯收率影響Fig.4 Effect of liquid hourly space velocity on the yield of DL-pantolactone

由圖4可知，隨著液空速的增大，DL-泛內(nèi)酯的收率逐漸減小。這是由于隨著液空速的增大，中間產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間減少，不利于在催化劑活性中心上的吸附，反應(yīng)不完全，產(chǎn)物的收率減小。液空速在超過0.8 h－1后，DL-泛內(nèi)酯的收率明顯下降。因此，比較合適的液空速是 0.6 ～0.8 h－1。

2.1.4 氫醛比對反應(yīng)的影響 在反應(yīng)溫度為120 ℃，壓力為 7 MPa，液空速為 0.6 h－1條件下，考察氫醛摩爾比對加氫反應(yīng)的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 氫醛摩爾比對DL-泛內(nèi)酯收率影響Fig.5 Effect of hydrogen/aldehyde molar ratio on the yield of DL-pantolactone

由圖5可知，隨著氫醛比的增大，DL-泛內(nèi)酯的收率明顯提高，在n(氫)∶n(醛)=80∶1時達到最大。由于中間產(chǎn)物和氫氣存在競爭吸附，氫醛比過小，吸附在催化劑表面的氫氣量少，反應(yīng)不充分，產(chǎn)物收率降低。當(dāng)n(氫)∶n(醛)=80∶1時，產(chǎn)物收率達到最大，繼續(xù)增加氫氣量，產(chǎn)物收率稍有下降，但過高的氫醛比也意味過高的能耗。因此，最佳氫醛摩爾比為 80∶1。

2.2 催化劑活性和穩(wěn)定性考察

采用高壓微型固定床反應(yīng)器進行催化劑穩(wěn)定性評價。在反應(yīng)溫度120℃，壓力為7 MPa，液空速為0.6 h－1，氫醛摩爾比為 80∶1 的實驗條件下，進行700 h連續(xù)加氫反應(yīng)，定期取樣分析，結(jié)果見圖6。

圖6 催化劑穩(wěn)定性評價Fig.6 Catalyst stability evaluation

由圖6可知，700 h連續(xù)催化加氫反應(yīng)，DL-泛內(nèi)酯的平均收率＞96%。在催化劑初始反應(yīng)階段，活性呈上升的趨勢，由于催化劑存在誘導(dǎo)期，在此階段催化劑逐步的達到最佳的物理和化學(xué)特性。表明采用共沉淀法制備的銅基催化劑，在反應(yīng)溫度120℃，壓力7 MPa，液空速 0.6 h－1，氫醛摩爾比為 80∶1 操作條件下活性穩(wěn)定。

2.3 催化劑的表征

2.3.1 XRD分析 催化劑反應(yīng)前后XRD圖譜見圖7。

圖7 銅基催化劑的XRD譜圖Fig.7 XRD patterns of copper-based catalyst

由圖7a 可知，在2θ=35.485，38.855°兩處有明顯的氧化銅衍射峰，以其半峰寬計算，其平均粒度分別為 12.21 nm。由圖 7b 可知，在 2θ=43.281，50.466，74.349°出現(xiàn) 3 個明顯的銅衍射峰，以其半峰寬計算，其平均粒度為14.73 nm，催化劑在使用前后，銅元素由氧化態(tài)變?yōu)檫€原態(tài)，其晶粒有所增長。反應(yīng)前后，催化劑都具有納米結(jié)構(gòu)，說明采用共沉淀法制備的催化劑擁有較大的比表面積，具有良好的催化活性與穩(wěn)定性。

2.3.2 SEM分析 圖8為催化劑反應(yīng)前后表面形貌的SEM圖。

圖8 銅基催化劑的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of copper-based catalyst

由圖8可知，反應(yīng)前后銅基催化劑顆粒細小為納米級，具有良好的催化活性，與XRD分析相符。使用前的催化劑，顆粒大小均勻，且分散良好，表明催化劑具有良好的孔徑結(jié)構(gòu)。反應(yīng)后的催化劑，顆粒呈球形，且有聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致催化劑的形貌和粒徑的變化。

3 結(jié)論

(1)采用共沉淀法制備的銅基催化劑對加氫制備DL-泛內(nèi)酯具有很高催化活性。在反應(yīng)溫度120 ℃，氫氣壓力 7 MPa，液空速 0.6 ～ 0.8 h－1，n(H2)∶n(醛)=80∶1 的條件下，DL-泛內(nèi)酯的收率高達98%。

(2)采用固定床反應(yīng)器對催化劑進行700 h穩(wěn)定性考察，平均收率高于96%，無明顯失活，催化劑具有較好的穩(wěn)定性，預(yù)計有較長的使用壽命。(3)XRD、SEM表明，采用共沉淀法制備的銅基催化劑具有納米結(jié)構(gòu)，有較大的比表面積，良好的催化活性與穩(wěn)定性。

［1］馬佳鵬，陳奕南，秦斌，等.DL-泛內(nèi)酯酶法拆分中檢測方法及其自發(fā)水解［J］.沈陽藥科大學(xué)學(xué)報，2009，26(11):916-919.

［2］汪習(xí)生，馬士忠，馬學(xué)成.連續(xù)法合成 DL-α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯新工藝［J］.安徽科技，2001(7):40-41.

［3］陳國峰.D-泛酸鈣的生產(chǎn)應(yīng)用與開發(fā)前景［J］.中國氯堿，1999(6):28-30.

［4］徐林祥，馮曉亮，孔誠.D-泛醇的應(yīng)用及合成方法［J］.化工生產(chǎn)與技術(shù)，2002，9(2):21-22.

［5］Trocki J R.Recovery of calcium pantothenate:US，4020103［P］.1977-04-26.

［6］Bernard Hendrik Reesink，Nico van Gasteren.Nickel catalyst:US，6524994［P］.2003-02-25.

［7］劉麗秀，范魯娜.D-泛酸鈣合成技術(shù)綜述［J］.湖南化工，1999，29(4):13.

［8］Shimizu S，Yamada H.Novel chemoenzymatic synthesis of D(－ )-pantoyl lactone［J］.Agric Biol Chem，1987，51(1):289-290.

［9］Hata H，Morishita T.Synthesis of dihydro-2，3-furandiones from diethyl oxalate and aldehydes through the action of sodium methoxide［J］.Synthesis，1991(3):289-291.

［10］孔誠，馮曉亮.α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯清潔工藝研究［J］.上?；?，2003，28(1):10-11.

［11］吳現(xiàn)印，呂志果，張偉偉.α-羥基-β，β-二甲基-γ-丁內(nèi)酯綠色合成工藝研究［J］.青島科技大學(xué)學(xué)報，2011，32(5):446.

［12］呂志果，王勇，郭振美，等.一種DL-泛內(nèi)酯的合成方法:CN，201010561744.2［P］.2012-05-23.