1.本发明属于催化剂制备技术领域，涉及一种薄壳型钯催化剂及其制备方法和应用，主要用于医药等精细化工行业的加氢脱苄基保护基。
背景技术：2.在有机化合物的合成过程中，尤其是医药化工行业，常常需要将某些特定活性位点如氧(羟基)、氮(胺基)保护起来，避免在后续合成过程中发生不希望的反应，直到目标化合物完成合成或者不再需要保护这些活性位点。在诸多保护基中，如叔丁氧羰基(boc)、苄氧羰基(cbz)、对硝基苄基(pnb)、苄基等，苄基因其结构清洁(除碳氢外，不含其它杂原子)、易引入、易脱除，得到了最为广泛的应用。
3.脱除苄基的常用方法有：催化加氢氢解、酸解、氧化脱苄等方法，其中催化加氢脱苄是最常见的脱苄基方法。氢解脱苄基通常使用相对大量的负载型钯催化剂，如pd/c、pd(oh)2/c。
4.传统的加氢脱苄反应以釜式反应为主，少部分采用连续釜式反应，使用粉末负载型钯催化剂，搅拌状态下，活性组分贵金属钯易流失，钯纳米晶易长大，因而催化剂寿命较差，导致催化剂用量一般很高。近年来，随着贵金属钯的价格持续上涨，催化剂在整体的化合物合成开发中所占的成本逐渐升高，已影响到很多项目的顺利开展。因而医药等精细化工行业迫切需要提高贵金属钯催化剂的利用率，降低催化剂用量。
5.钯催化剂尤其是干基催化剂和反应后的催化剂，与空气接触快速氧化放热，因而活性很高，极易发生自燃。釜式加氢反应涉及到催化剂的加料和过滤分离的操作，存在很大的安全风险。作为国家安全监管总局认定的高危工艺之一，如何降低氢化工艺风险，实现本质安全是个重大挑战。
6.将催化剂固载于反应器内实现固定床形式的连续流加氢脱苄能够有效解决或缓解以上两个问题，然而传统粉末催化剂无法直接使用在固定床反应器中(压降极高)。迄今，受限于医药等精细化工领域的固定床催化剂技术空白，固定床连续流加氢反应技术一直未能得到普及应用。
7.因涉及液相反应，液体在固体催化剂内部孔道的传质缓慢，固体催化剂内部大部分为无效组分，因为几乎不与反应物、产物分子发生传质交换，有效组分仅为表层～50um以内。另外，催化剂的孔道越小，有效组分厚度越薄，孔道越大，有效组分厚度越深，催化剂利用率越高，活性炭载体一般微孔丰富，但孔道更大的介孔较少，因而反应过程中孔道内传质受限，催化剂利用率低。
技术实现要素：8.针对以上技术难题，本发明一种薄壳型钯催化剂及其制备方法和应用。
9.为实现该薄壳结构负载型钯催化剂，所述催化剂用于连续流加氢脱苄，尤其针对化合物中氮及氧的苄基保护基的脱除，本发明采用以下技术方案：
10.一种薄壳型钯催化剂的制备方法，按如下方法制得：
11.(1)将成型的介孔载体于100-150℃下干燥；
12.(2)将硅烷偶联剂溶解至溶剂中，加入一定量的水，氮气保护下控温搅拌一定时间,配制成硅烷偶联剂溶液；
13.(3)将干燥后的介孔载体加入到以上硅烷偶联剂溶液中，浸泡，过滤，在氮气气氛下，控制一定的干燥温度，缓慢干燥；通过缓慢干燥,可控制硅烷偶联剂在表面张力的作用下，沉积到载体颗粒的内部，封堵内部孔道，从而控制后面步骤金属钯负载到载体颗粒表面；
14.(4)干燥后均匀喷涂一定量的水，老化，干燥，煅烧；
15.(5)向处理后的介孔载体喷涂钯的前驱体溶液，干燥，根据负载量的需求，可多次重复喷涂、干燥的操作得到催化剂前体；
16.(6)用氢气将所得催化剂前体高温还原，得到薄壳型钯催化剂。
17.上述技术方案中：
18.步骤(1)所述介孔载体材料为α-氧化铝、γ-氧化铝、θ-氧化铝、氧化硅、分子筛、氧化钛、氧化锌中的任意一种或多种；
19.优选的，所述介孔载体粒径为0.1-5mm；该粒径范围可兼顾反应器床层的压降及催化剂较高的几何比表面积；
20.所述介孔载体为成型的载体，例如有以下形貌：球形、片状、柱状、拉西环、三叶草形、蜂窝状等；
21.步骤(2)所述硅烷偶联剂为任意硅烷偶联剂，例如γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷等；
22.优选的，硅烷偶联剂溶液浓度为0.5-10％；根据不同的载体，需要筛选不同的浓度，以控制后续浸泡进载体的深度，以及负载催化剂的深度；
23.溶剂为有机溶剂，例如甲醇、乙醇、四氢呋喃等；
24.优选的，所加入的水量为硅烷偶联剂摩尔量的0.1-5当量；
25.优选的，所述搅拌温度为10-50℃，搅拌时间为1-60分钟；
26.步骤(3)所述浸泡包括多种方式，例如静止状态浸泡、搅拌条件下浸泡、滚动容器中滚动条件下浸泡等，优选的，浸泡时间为1-360分钟，保证溶液充分浸泡进去载体内部孔道；
27.所述干燥温度为低于溶剂沸点的温度，控制干燥速度：优选的，重量平衡时间为5-30小时；
28.步骤(4)所述老化温度，加水老化用于催化剂内部浸渍的硅烷偶联剂能够充分水解完全聚合，优选的，为10-50℃，时间为1-24小时；
29.优选的，干燥温度为100-150℃；
30.煅烧用于载体内部聚合的硅烷偶联剂的热解行成氧化硅，优选的，煅烧温度为200-500℃，时间为0.5-5小时；
31.步骤(5)所述前驱体为任何含钯的化合物，例如氯化钯、硝酸钯、醋酸钯、乙酰丙酮钯等，所述溶液所用溶剂为任意可溶解前驱体的溶剂，例如水，乙醇，甲醇，丙酮等；
32.干燥温度为100-150℃；
33.步骤(6)所述还原温度，优选的，为200-500℃，还原时间为1-24小时；在该温度范围，控制得到具有一定还原度的钯催化剂，同时控制还原后的钯具有较小的粒径；
34.得到所述催化剂的钯负载量范围(重量含量)为0.5-10％。
35.上述方法制备的薄壳型钯催化剂用于1-苄基-3-哌啶醇连续流加氢脱苄反应，包括如下步骤：将所述的薄壳型钯催化剂的固定床反应器，按设定速度持续通入氢气，同时将1-苄基-3-哌啶醇底物溶液通过高压计量泵连续输入该固定床反应器，控制反应温度范围为20-150℃，反应压力范围为0.1-10兆帕。
36.优选的，1-苄基-3-哌啶醇底物溶液流速为0.2毫升/分钟，氢气流速为20毫升/分钟。
37.与现有技术相比，本发明取得了如下技术优势：通过本发明方法将贵金属钯组分负载在介孔载体表面，形成薄壳型钯催化剂，可以缩短反应扩散层，提高催化剂利用率；本发明采用介孔丰富的多孔材料代替传统活性炭作载体，可以提高气、液传质速率，提高催化剂利用率；同时本发明提供的该薄壳结构负载型钯催化剂具有一定颗粒度，可配合固定床反应器技术，实现高效、安全、便捷的连续流氢化脱苄工艺。
附图说明
38.图1为实施例1和2、比较例1加氢脱苄活性及寿命图；
39.图2为实施例1的pd/al2o3催化剂的光学显微照片(标尺为200um)；
40.图3为实施例1的pd/al2o3催化剂的高分辨透射电镜(hrtem)照片(标尺为20nm)；
41.图4为本发明所涉及的连续流催化加氢脱苄反应采用的固定床反应器示意图。
具体实施方式
42.本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.本发明下面结合实施例作进一步详述：
44.以下实施例和对比例中1-苄基-3-哌啶醇连续流加氢脱苄反应，包括如下步骤：将所述的薄壳型钯催化剂的固定床反应器，按设定速度持续通入氢气，同时将1-苄基-3-哌啶醇底物溶液通过高压计量泵连续输入该固定床反应器。
45.具体的，所采用的反应形式为固定床连续流加氢反应器(图4)，反应温度范围为20-150℃，反应压力范围为0.1-10兆帕。催化剂评价流程简述如下：
46.将100克1-苄基-3-哌啶醇溶解于900克甲醇溶剂中得到底物溶液。所用316不锈钢反应器的直径为1/4英寸，体积为5毫升，将5毫升催化剂(约4克)装填至反应器中，调节温度至50℃。将底物溶液通过高压计量泵输入反应器，流速为0.2毫升/分钟，同时将氢气以20毫升/分钟的流速通入反应器，背压1兆帕。收集反应后的流出液，尾气排空，定期取样用高效液相色谱法检测反应转化率。
47.反应后将收集的混合反应液取样测定转化率(高效液相色谱法)和贵金属钯残留(icp-ms).
48.以下实施例和对比例中氧化铝购自宜兴市千叶非金属材料有限公司，ad-50，比表面积155平方米每克，介孔孔径分布2-18纳米，平均介孔孔径4纳米。
49.实施例1
50.将100克直径0.5毫米的γ-氧化铝放入干燥箱中，120℃下干燥过夜，冷却降温。将2克γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于200毫升无水乙醇中，搅拌下加入0.65克蒸馏水(4当量于γ-氨丙基三乙氧基硅烷)，氮气保护，升高温度至30℃，搅拌30分钟，得到硅烷偶联剂溶液。将干燥后的γ-氧化铝加入到所配制的硅烷偶联剂溶液中，氮气保护下，缓慢搅拌将产生的气体排出，浸泡30分钟，快速过滤，放入氮气保护的干燥箱中，温度40度，干燥6小时，重量为101.23克，9小时后重量为98.78克，10小时后重量为98.69克，认为干燥充分，取出处理后的载体，放入包衣锅中，旋转下喷入30克的蒸馏水，30℃下老化2小时，120℃下干燥过夜，放入马弗炉中，于400度煅烧3小时。将8.8克氯化钯溶于80克水中，配制成前驱体溶液。将煅烧后的载体放入包衣锅中，旋转下喷入配制的钯前驱体溶液，喷毕后于120℃下干燥过夜，将干燥后的催化剂前体放入管式炉中，氢气氛围下300℃还原2小时，得到薄壳型催化剂，理论负载量为5重量％。通过光学显微镜观察所得催化剂的负载深度，通过透射电子显微镜观察金属pd的晶粒大小。
51.实施例2
52.根据实施例1的方法制备催化剂，所不同的是用更少量的氯化钯：3.4克氯化钯溶于80克水中。最终得到理论负载量为2重量％的薄壳型催化剂。
53.比较例1
54.将100克直径0.5毫米的γ-氧化铝放入干燥箱中，120℃下干燥过夜，冷却降温。将8.8克氯化钯溶于80克水中，配制成前驱体溶液。将干燥后的载体放入包衣锅中，旋转下喷入配制的钯前驱体溶液，喷毕后120℃下干燥过夜，将干燥后的催化剂前体放入管式炉中，氢气氛围下300℃还原2小时，得到全负载型催化剂，理论负载量为5％(重量)。
55.上述催化剂的脱苄反应活性及寿命结果见图1，可见本发明所述5重量％负载量的薄壳型催化剂在1-苄基-3-哌啶醇的脱苄反应中活性优异，寿命长达98小时，综合催化剂用量(pd/底物)仅为0.2重量％，而常规方法制备的全负载型催化剂的催化活性非常低。icp-ms检测收集的反应液的金属钯含量非常低：小于5ppm。
56.图2为实施例1的光学显微镜照片，负载深度范围大约为20-40微米。
57.图3为实施例1的高分辨透射电子显微镜照片，钯呈高分散负载，颗粒大小约1-3纳米。
58.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种薄壳型钯催化剂的制备方法，所述催化剂用于连续流加氢脱苄，其特征在于，包括如下步骤：(1)将介孔载体于100-150℃下干燥；(2)将硅烷偶联剂溶解至有机溶剂中，加入一定量的水，氮气保护下控温搅拌一定时间，配制成硅烷偶联剂溶液；(3)将干燥后的介孔载体加入到硅烷偶联剂溶液中，浸泡，过滤，在氮气气氛下，控制一定的干燥温度，缓慢干燥；(4)干燥后均匀喷涂一定量的水，老化，干燥，煅烧；(5)向煅烧处理后的介孔载体喷涂钯的前驱体溶液，干燥，根据负载量的需求，可多次重复喷涂、干燥的操作得到催化剂前体；(6)用氢气将所得催化剂前体高温还原，得到薄壳型钯催化剂，所述催化剂的钯负载量范围为0.5-10％(重量含量)。2.如权利要求1所述的薄壳型钯催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述介孔载体为α-氧化铝、γ-氧化铝、θ-氧化铝、氧化硅、分子筛、氧化钛、氧化锌中的任意一种或多种；和/或，介孔载体粒径为0.1-5mm；和/或，介孔载体的颗粒形状为球形、片状、柱状、拉西环、三叶草形、蜂窝状中的任意一种。3.如权利要求1所述的薄壳型钯催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷中的任意一种或多种；和/或，步骤(2)中硅烷偶联剂溶液浓度为0.5-10％，所加入的水量为硅烷偶联剂摩尔量的0.1-5当量；和/或，有机溶剂为甲醇、乙醇、四氢呋喃中的任意一种。4.如权利要求1所述的薄壳型钯催化剂，其特征在于，步骤(3)中浸泡方式包括，静止状态浸泡、搅拌条件下浸泡、滚动容器中滚动条件下浸泡中的任意一种；和/或，步骤(3)中浸泡时间为1-360分钟；和/或，步骤(3)中干燥温度为低于溶剂沸点的温度，重量平衡时间为5-30小时。5.如权利要求1所述的薄壳型钯催化剂，其特征在于，步骤(4)中老化温度为10-50℃，时间为1-24小时；和/或，步骤(4)中干燥温度为100-150℃；和/或，步骤(4)中煅烧温度为200-500℃，时间为0.5-5小时。6.如权利要求1所述的薄壳型钯催化剂，其特征在于，步骤(5)所述前驱体为氯化钯、硝酸钯、醋酸钯、乙酰丙酮钯中的任意一种；和/或，步骤(5)所述干燥温度为100-150℃。7.如权利要求1所述的薄壳型钯催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述还原温度，为200-500℃，还原时间为1-24小时。8.如权利要求1至7中任一项所述的薄壳型钯催化剂的制备方法制得。9.如权利要求8所述的薄壳型钯催化剂的应用，其特征在于，用于1-苄基-3-哌啶醇连
续流加氢脱苄反应，包括如下步骤：将所述的薄壳型钯催化剂的固定床反应器，按设定速度持续通入氢气，同时将1-苄基-3-哌啶醇底物溶液通过高压计量泵连续输入该固定床反应器，控制反应温度范围为20-150℃，反应压力范围为0.1-10兆帕。10.如权利要求9所述的薄壳型钯催化剂的应用，其特征在于，1-苄基-3-哌啶醇底物溶液流速为0.2毫升/分钟，氢气流速为20毫升/分钟。
技术总结本发明属于催化剂制备技术领域，涉及薄壳型钯催化剂及其制备方法和应用。制备方包括如下步骤：将干燥后的介孔载体加入到硅烷偶联剂溶液中，浸泡，过滤，在氮气气氛下，控制一定的干燥温度，缓慢干燥；干燥后均匀喷涂一定量的水，老化，干燥，煅烧；向煅烧处理后的介孔载体喷涂钯的前驱体溶液，干燥，根据负载量的需求，可多次重复喷涂、干燥的操作得到催化剂前体；用氢气将所得催化剂前体高温还原，得到薄壳型钯催化剂，所述催化剂的钯负载量范围为0.5-10％(重量含量)。所获得的薄壳型钯催化剂，可以缩短反应扩散层，提高催化剂利用率，以介孔材料作载体可以提高气、液传质速率，提高催化剂利用率。剂利用率。剂利用率。
技术研发人员：周满 吴迪 袁永兵 郭学锋
受保护的技术使用者：常州氢流科技新材料有限公司
技术研发日：2022.04.19
技术公布日：2022/7/5
