间苯二酚还原制备1,3-环己二酮的连续流技术开发

陈剑力，李子雯，钱 广

（1.嘉兴南湖学院；2.嘉兴学院：浙江 嘉兴 314001）

1,3-环己二酮，分子式为C6H8O2，是一种重要的化学中间体，被广泛应用于合成药物和农药，如高血压特效药卡维地洛，止吐药蒽丹西酮，除草剂硝草酮和磺草酮等，具有重要的研究意义和商业价值[1-3]。

1,3-环己二酮的合成路线主要有γ-乙酰丁酸酯缩合法和间苯二酚还原法2种。γ-乙酰丁酸酯缩合法以γ-酰基羧酸酯为原料，强碱为缩合剂，缩合成环生成1,3-环己二酮[4-6]；间苯二酚还原法是以间苯二酚为原料，用氢、甲酸盐和异丙醇等氢供体，以贵金属或Ni 为催化剂，将原料还原为1,3-环己二酮[7-9]。γ-乙酰丁酸酯缩合法中的γ-乙酰丁酸甲酯不易得到且反应条件苛刻，而间苯二酚还原法具有方法简单，产物收率高、易分离和质量稳定等特点，是目前生产1,3-环己二酮的主流方法。

在间苯二酚还原法中，以氢气为还原剂毫无疑问是最经济环保的选择，但氢气易燃易爆的危险性限制了催化加氢在工业生产中的应用，常规使用的Pd和Ni催化剂也具备易燃的危险性。除此之外，釜式反应器中严重的返混会导致过度还原副产物的出现，从而使产物收率降低。

笔者以间苯二酚为原料，将催化剂填充于固定床内，通过将间歇生产转化为连续生产，提高催化加氢还原的安全性和选择性，以期开发工业应用新工艺。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

间苯二酚，工业级，质量分数99.5%；氢气，工业级，质量分数≥99.9%；氢氧化钠，工业级，质量分数≥99.5%。

气相色谱，型号GC9720，色谱条件：FID检测器，HP-5毛细管柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm）；程序升温，起始温度150 ℃，保持1 min，以5 ℃/min升温至160 ℃，再以10 ℃/min 升温至270 ℃，维持3 min；汽化室温度280 ℃，检测器温度250 ℃；分流比30∶1，进样量1 μL。

1.2 釜式反应器中氢化

称取25 g间苯二酚与9 g氢氧化钠在100 mL纯净水中混合，并将混合液、催化剂和磁力搅拌子加入到高压釜内胆中。组装好高压釜，检查设备气密性，如设备气密性良好，则依次用0.5 MPa氮气和0.5 MPa 氢气各置换3 次，换气完毕保持釜内压力为0。将高压釜放置在平台上，并设置好反应温度80 ℃和搅拌速度为0，开启设备，达到设定温度并保持不变后，将2.0 MPa氢气充入釜内并设置好搅拌速度800 r/min 后开始反应并计时。反应期间观察内部压力变化，适时补充氢气。反应结束后，打开反应釜取样后用盐酸调至样品pH＝2，并用色谱级乙腈稀释后进样检测。

1.3 固定床反应器中氢化

首先，将催化剂填充进反应柱内，并将其装入连续流系统内。然后，在设置好背压阀压力的情况下，将预先配置好的氢氧化钠和间苯二酚水溶液（以100 mL 规模为例，分别称取12.5 g 间苯二酚和4.5 g氢氧化钠，在100 mL纯净水中混合溶解），通过柱塞计量泵以0.2 mL/min 流量输送至反应体系内并打开球阀通入氢气，氢气和反应液在T型三通处混合后经过预热段进入反应柱内进行反应。当连续流系统运行至稳态（根据流量不同设定为30～60 min）后，由反应体系的出口直接取样后用盐酸调至pH＝2，并用色谱级乙腈稀释后进样检测。

2 结果与讨论

2.1 釜式反应器中催化剂性能考察

在釜式反应器分别考察了雷尼镍（Raney Ni）、5%（质量分数，下同）Pd/C、5% Ru/Al2O3和5%Ru/C的催化性能，结果见表1。

表1 釜式反应器中催化剂性能考察Tab 1 Investigation of catalyst performance in tank reactor

由表1 可知，5%Pd/C 展现出了最好的催化活性，在6 h内可实现间苯二酚的完全氢化，但由于副产物的产生导致1,3-环己二酮的选择性只有98%。5% Ru/Al2O3和5% Ru/C 的催化活性稍差，其中Ru/C 比起Ru/Al2O3能以更高的选择性得到1,3-环己二酮。Raney Ni的催化活性最差，即使在更多的催化剂用量下也只能在17 h 实现42%的转化。综上所述，可以发现Pd和Ru作为催化剂具备很好的催化性能，但是过度还原副产物降低了产物选择性，因此，尝试将其转移至固定床内，通过连续流技术中的层流和停留时间控制的特点抑制连续副产物的产生。

2.2 固定床中催化剂性能考察

将上述釜式反应器中催化性能较好的5%Pd/C和5% Ru/Al2O3粉末填充进固定床内进一步考察，同时还对5% Pd/C 和5% Pd/Al2O3颗粒进行观察，以考察在固定床内不同催化剂的催化性能，结果见表2。

表2 固定床中催化剂性能考察Tab 2 Investigation of catalyst performance in fixed bed

由表2可知，当5%Pd/C粉末催化剂从釜式反应器转移至固定床内时，选择性得到了很好的提升，在保证完全转化的同时能以高于99.9%选择性得到1,3-环己二酮。这表明连续流技术对连续副反应有着很好的抑制作用。而5%Ru/Al2O3粉末催化剂则只能实现1.43%的转化，分析其原因为催化剂的堆密度不同造成填充量不同，5%Ru/Al2O3粉末催化剂填充量仅为5%Pd/C粉末催化剂的一半，粉末状催化剂在固定床内填充的很紧实，随着流体冲刷在氢化过程中会更加紧实导致内部阻力增加，从而使氢气进入量减少。将Pd/C 由粉末状换为颗粒状，由于粒径的显著增加和比表面积的显著减少，其催化性能有所减弱，但体系运转稳定，在更低的压力条件下也不会出现内部阻力增加而排斥氢气进入的情况发生。5%Pd/Al2O3颗粒催化剂比5%Pd/C颗粒催化剂在催化活性上有所增强。

2.3 5%Pd/C粉末催化剂稳定性考察

5% Pd/C 粉末催化剂在固定床中的稳定性考察，结果见表3。

表3 5%Pd/C粉末催化剂稳定性考察Table 3 Investigation of the stability of 5%Pd/C powder catalyst

由表3可知，虽然5%Pd/C粉末催化剂在固定床内展现出很好的转化率和选择性，但是无法满足长时间生产操作。催化剂稳定性考察运行时间到达3.5 h 时，催化体系呈现出完全失活的状态。重复实验选择将取样间隔时间缩小为1 h，在2 h时取样样品仍是完全失活的状态。因为呈现出突然失活的情况，故排除催化剂中毒而逐渐失活，分析原因可能是由于固定床内部出现沟流。

2.4 5%Pd/C颗粒催化剂稳定性考察

5% Pd/C 颗粒催化剂在固定床中的稳定性考察，结果如图1所示。

图1 5%Pd/C颗粒催化剂稳定性考察Fig 1 Investigation of the stability of 5%Pd/C particle catalyst

由图1 可知，在运行的前190 min 催化剂活性呈现减弱的趋势，但是比起5%Pd/C粉末催化剂在运行过程中显得更加稳定。造成这种现象的原因可能有几点：颗粒状在固定床内填充位置固定，在反应液冲刷下保持稳定；在该碱性高浓度反应液中，催化剂表面的部分活性位点容易中毒失活。

2.5 5%Pd/Al2O3颗粒催化剂稳定性考察

5%Pd/Al2O3颗粒催化剂在固定床中的稳定性考察，在连续氢化过程中，选择在运行415 min和800 min 时改用水代替反应液清洗体系并停止氢气通入，清洗时间为4 h，保持流量和温度不变。清洗完毕后，分别在重新运行的58 min 和91 min 后取样，即得到第1次和第2次水洗后的结果。运行时间为氢化反应运行的时间，水洗时间不计入。考察结果如图2所示。

图2 5%Pd/Al2O3颗粒催化剂稳定性考察Fig 2 Investigation of the stability of 5%Pd/Al2O3 particle catalyst

由图2 可知，5%Pd/Al2O3颗粒催化剂比起5%Pd/C 颗粒催化剂具备更强的活性，但起始失活状况与Pd/C 类似，且同样当下降至转化率45%时趋于稳定。考虑到反应液为碱性水溶液，因此在该催化体系中尝试加入催化剂水洗再生操作，结果表明第1 次水洗后催化剂活性有了很大幅度回升，但后续失活趋势仍与之前的相似，且在之后的第2次水洗时则效果不再显著。收集运行415 min的反应液进行检测，在415 min 的运行时间内可得到1,3-环己二酮的质量分数为63.2%的气体，副产物含量可忽略不计。

3 结 论

研究各类金属催化剂在固定床中催化加氢还原间苯二酚制备1,3-环己二酮的催化性能和稳定性，获得了较优的连续加氢工艺，主要结论为：

1）对于该催化体系，Pd 和Ru 金属催化剂均展现出了较好的催化性能；通过固定床和连续流技术，可以实现更安全的加氢操作，同时对间苯二酚加氢过程中可能出现的过度还原副产物醇有很好的抑制作用，在固定床内填充5%Pd/C粉末催化剂可得到＞99.9%的反应选择性。

2）通过对不同载体以及不同性状的Pd金属催化剂的稳定性进行考察，发现Pd/C 粉末催化剂不适合在固定床内进行高浓度底物的转化，颗粒催化剂展现出了更好的稳定性，5%Pd/Al2O3颗粒催化剂在415 min 的运行时间内可得到1,3-环己二酮的质量分数为63.2%的气体，且通过水洗可实现催化剂的再生。

该连续加氢工艺具有操作简单、安全、高效等特点，为固定床内实现高浓度催化加氢的催化剂选择提供参考。