катализатор дегидрирования 4,5,6,7-тетрагидроиндола в индол и способ его получения

Формула изобретения

1. Катализатор дегидрирования 4,5,6,7-тетрагидроиндола в индол, содержащий сульфид никеля, нанесенный на оксид алюминия, отличающийся тем, что катализатор допирован ионами натрия и хлора и содержит 0,30-2,00% никеля, 0,20-1,50% серы, 0,10-0,20% натрия, 0,20-1,00% хлора.

2. Способ получения катализатора по п.1, отличающийся тем, что оксид алюминия пропитывают солью никеля с последующей обработкой сульфидом металла, процесс ведут при комнатной температуре в водной среде в присутствии соляной кислоты и поверхностно-активного вещества, а катализатор выделяют фильтрованием без последующей промывки, при этом происходит допирование катализатора, а закрепление допантов осуществляют с помощью термообработки.

3. Способ получения катализатора по п.2, отличающийся тем, что для приготовления катализатора используют в качестве соли никеля хлорид никеля, в качестве сульфида металла - сульфид натрия, в качестве поверхностно-активного вещества - додецилсульфонат натрия.

4. Способ получения катализатора по п.2, отличающийся тем, что допирование осуществляется непосредственно во время процесса получения катализатора ионами натрия и хлора, содержание последних варьируют степенью отжима фильтрата, а закрепление допантов на катализаторе производят в течение 20 ч при температуре 100°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к катализаторам дегидрирования гидрогетероциклических соединений, более конкретно к катализаторам дегидрирования 4,5,6,7-тетрагидроиндола в индол.

Индол является важным промежуточным продуктом для получения лекарственных препаратов (резерпин, 5-гидрокситриптофан, индопан, индометацин, мелатонин и др.), физиологически активных веществ (гормонов), медиаторов нервных импульсов (серотонин), катализаторов полимеризации олефинов (RU 2164228 С2), эпоксидных смол (US 2005/0131167 A1).

Рациональным способом получения индола является дегидрирование 4,5,6,7-тетрагидроиндола (ТГИ):

Известна каталитическая система дегидрирования 1-бензил-3-фенил-4,5,6,7-тетрагидроиндола в 1-бензил-3-фенилиндол, состоящая из 10% Pd на активированном угле (S.Lim, I.Jabin, G.Revial, Tetrahedron Lett., 1999, v.40, 4177-4180). Однако эта каталитическая система относится к дегидрированию замещенного 4,5,6,7-тетрагидроиндола, поэтому не может быть прямо перенесена на ТГИ. К тому же, реакция проводится при температуре 140°С (кипящий ксилол) в течение 2 дней (выход индола 76%). К недостаткам данного способа относятся неприемлемая для технологии продолжительность процесса (2 дня) и высокое содержание в каталитической системе драгоценного металла-палладия (10%).

В публикации (М.А.Ряшенцева, Ю.Б.Волькенштейн. Б.М.Полосин, А.И.Михалева, Р.Н.Нестеренко, Изв. АН СССР, серия хим., 1991, 1417-1422) сообщается о способе получения индола дегидрированием смеси 1-винил-4,5,6,7-тетрагидроиндола (ВТГИ) и ТГИ на каталитических системах, содержащих палладий или смесь оксидов хром-редкоземельных элементов, при температуре 200-525°С. При этом был получен катализат (выход в лучшем случае составил 82.9%), который представлял собой сложную смесь продуктов, содержащую в разных соотношениях ВТГИ, ТГИ, 1-этил-4,5,6,7-тетрагидроиндол, 1-этилиндол, 2-этилиндол, индол и ряд не идентифицированных соединений, т.е. выход самого индола не превышал 65.7%. К тому же полученная смесь продуктов не поддается простому разделению из-за близости температур кипения компонентов.

Недостатками этого способа получения индола являются использование каталитических систем, содержащих высокие концентрации дорогостоящих компонентов - палладий (1-1.5%), редкоземельные элементы (5%), а также то, что целевой продукт получается в составе сложной, технологически неразделимой смеси.

Кратко описано дегидрирование ТГИ на Pd-содержащих катализаторах (на -Al₂O₃ и сибуните) (М.А.Ряшенцева. Изв. АН СССР, серия хим., 1993, 1832-1833). Выход индола, по утверждению автора, 100%. К сожалению, в описании эксперимента приводится только состав катализата по данным ГЖХ, из которого нельзя оценить истинный выход индола, т.к. высококипящие и смолистые продукты не детектируются в этих условиях.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения индола дегидрированием ТГИ в присутствии нанесенных на оксид алюминия или сибунит катализаторов, содержащих палладий и хром [М.А.Ряшенцева. ХГС, 2006, №8, 1176-1178]. Так, на сульфидированном палладиевом катализаторе (0.15-0.50% Pd) при 360°С и на катализаторах, содержащих 5.0% Cr₂O ₃, 5.0% La₂O₃ , 1.0% K₂О, при 475-480°С индол, по данным автора, получается с количественным выходом. Однако в экспериментальной части приводится лишь выход жидкого катализата.

Вызывает сомнение тот факт, что при температуре реакции 360-480°С наблюдается 100%-ный выход катализата. Вероятно, что в данном случае, как и вышеописанной работе, продукты осмоления ТГИ и индола, которые неизбежно должны присутствовать при столь высокой температуре, методом ГЖХ не детектируются.

Главным недостатком этого метода, как и двух предыдущих, является использование в качестве катализатора драгоценного металла - палладия. К недостаткам следует также отнести необходимость пропускания через нагретый (360-480°С) катализатор водорода, что значительно повышает пожаро- и взрывоопасность технологии, а также усложняет и удорожает технологический процесс в целом.

Целью предлагаемого изобретения является разработка нового катализатора дегидрирования ТГИ в индол и способа его получения, лишенного перечисленных недостатков.

Цель достигается тем, что для получения катализатора применяется вместо свободного сероводорода сульфид щелочного металла, предпочтительно сульфид натрия, а вместо ацетата никеля - более дешевый и доступный хлорид никеля, а процесс проводится в водной суспензии оксида алюминия в присутствии соляной кислоты и поверхностно-активного вещества (ПАВ) при комнатной температуре.

Принципиальным отличием нового катализатора от описанного выше является применение для его приготовления ПАВ, которое обеспечивает очистку и эффективное смачивание оксида алюминия, что облегчает проникновение активных компонентов каталитической системы в гранулы оксида алюминия и их равномерное распределение на поверхности носителя.

В качестве ПАВ могут быть использованы промышленные длинноцепочечные сульфонаты, обычно додецилсульфонат натрия.

Одним из принципиальных отличий заявляемого катализатора является также допирование его ионами Na⁺ и Cl^-. Это осуществляется фильтрованием полученной суспензии без какой-либо дополнительной промывки и ее последующим прогревом на воздухе при температуре 100°С в течение 20 часов. В результате часть ионов Na⁺ и Cl^- остается в массе катализатора. Оптимальное содержание ионов Na ⁺ и Cl^- составляет от 0.1 до 0.2% и от 0.2 до 1.0% соответственно. Степень допирования можно варьировать интенсивностью отжима каталитической массы при фильтровании.

Есть основания полагать, что ионы Na⁺ и Cl^- повышают поляризацию амфотерных молекул оксида алюминия, увеличивая тем самым аффинность нанокристаллов сульфида никеля к мезополостям носителя. В итоге повышается механическая прочность и активность катализатора, что способствует увеличению срока его службы.

Содержание компонентов в катализаторе: Ni от 0.30 до 2.00%, S от 0.20 до 1.50%, Na от 0.1 до 0.20%, Cl от 0.20 до 1.00%.

Изобретение реализуется следующим образом: в водной суспензии Al₂O ₃ (содержание Al₂O ₃ 10-50%, предпочтительно 30%) растворяется при комнатной температуре 0.1 г ПАВ, NiCl₂ (0.3-5.0%, предпочтительно 1.0%) в течение 15-60 минут (предпочтительно 30 минут). К полученной суспензии добавляется 36%-ный водный раствор HCl до рН 1-3, затем к полученной суспензии в течение 30 мин прибавляется водный раствор Na₂S·9H ₂O (с концентрацией 1-15%, предпочтительно 10%) в эквимольном количестве по отношению к NiCl₂. Суспензия перемешивается в течение 30 мин, оставляется на ночь, затем фильтруется и прогревается 20 ч при температуре 100°С.

Важным преимуществом нового катализатора является увеличение продолжительности его работы в 4-5 раз по сравнению с известным. При этом катализатор легко регенерируется прогревом при 370°С в течение 10 ч на воздухе.

Существенным технологическим достоинством нового катализатора является то, что он позволяет проводить процесс дегидрирования ТГИ в индол без использования водорода или инертного газа-носителя, только в токе паров растворителя, предпочтительно толуола, петролейного эфира, легкого бензина.

Следующие неограничивающиеся примеры иллюстрируют изобретение.

Пример 1.

Для приготовления катализатора используются промышленные марки оксида алюминия - -Al₂O₃ с удельной поверхностью 100-300 м²/г, предпочтительно, 195-280 м²/г и размером гранул 2-5×3-7 мм, предпочтительно, 2-3×3-4 мм.

Перемешивают 50 г Al₂O₃ (удельная поверхность 280 м²/г, размер гранул 2×3 мм), 0.1 г ПАВ в течение 0.5 ч в 100 мл дистиллированной воды, затем вносят 2.47 г (1.00%) NiCl₂·6H ₂O, суспензию вновь перемешивают в течение 0.5 ч, после чего добавляют 2 мл соляной кислоты (36%-ной) и продолжают перемешивать еще 0.5 ч. Затем, не прекращая перемешивания, прибавляют 2.50 г Na₂S·9H₂O в 50 мл дистиллированной воды в течение 0.5 ч. Продолжают перемешивать 5 ч, затем оставляют на ночь. Катализатор фильтруют и высушивают при температуре 100°С в течение 20 ч. Получают 52.13 г катализатора, содержащего 97.98% Al₂O ₃, 0.99% Ni, 0.65% S, 0.10% Na, 0.28% Cl.

Пример 2.

Аналогично примеру 1, к 50 г Al₂ O₃, 0.1 г ПАВ в 100 мл дистиллированной воды добавляют 4.94 г (2.00%) NiCl₂·6H ₂O, 5.00 г Na₂S·9H ₂O в 50 мл дистиллированной воды. Получают 54.25 г катализатора, содержащего 96.59% Al₂O ₃, 1.60% Ni, 1.04% S, 0.20% Na, 0.57% Cl.

Пример 3.

Аналогично примеру 1 к 50 г Al₂ O₃, 0.1 г ПАВ в 100 мл дистиллированной воды добавляют 1.24 г (0.50%) NiCl₂·6H ₂O, 1.25 г Na₂S·9H ₂O в 50 мл дистиллированной воды. Получают 49.12 г катализатора, содержащего 98.48% Al₂О ₃, 0.35% Ni, 0.23% S, 0.09% Na, 0.85% Cl.

Пример 4.

В реактор, представляющий собой вертикально ориентированную кварцевую трубку диаметром 10 мм и длиной 38 см с внешним регулируемым обогревом, помещают 4.57 г (9.0 см³) катализатора (0.99% NiS на Al₂О₃ ) и прогревают при 370°С в токе азота (8.0 л/ч) в течение 2 ч, затем при этой же температуре пропускают 200 мл толуола в течение 7 ч. После этого при температуре 370°С пропускают через реактор 0.25 г ТГИ, растворенного в 10 мл толуола в течение 5.0 ч. Отгоняют толуол из собранного из обратного холодильника конденсата и получают 0.22 г индола, содержащего (ГЖХ) 1% ТГИ и не содержащего других примесей (выход индола 91%, селективность 100%).

Пример 5.

Через тот же реактор с той же порцией того же катализатора пропускают 0.5 г ТГИ, растворенного в 10 мл толуола, при 370°С в течение 4.0 ч. После отгонки толуола из конденсата получают 0.46 г индола, содержащего (ГЖХ) 2% ТГИ и не содержащего других примесей (выход индола 94%, селективность 100%).

Пример 6.

Через ту же порцию катализатора (примеры 4, 5), проработавшего 89 ч в условиях примера 4, пропускают 0.25 г ТГИ в 10 мл толуола в течение 5.5 ч. Получают 0.23 г индола, не содержащего (ГЖХ) ТГИ и других примесей (выход индола 96%, селективность 100%).

Пример 7.

Аналогично примерам 4-6 через тот же объем катализатора (9 см³ ), но другого состава (0.35% NiS на Al₂ O₃) при температуре 370°С пропускают 0.25 г ТГИ в 10 мл толуола в течение 3.8 ч. Получают 0.23 г индола, содержащего (ГЖХ) 6% ТГИ и не содержащего других примесей (выход индола 90%, селективность 100%).

Пример 8.

Катализатор (пример 1), проработавший 98 ч в условиях примера 4, и начавший постепенно снижать свою активность, регенерировался прогреванием на воздухе при 370°С в течение 5 ч. После этого, в том же реакторе, при температуре 370°С через него пропущено 0.25 г ТГИ в 10 мл толуола за 3.5 ч. Получено 0.21 г индола, содержащего (ГЖХ) 2% ТГИ и не содержащего других примесей (выход индола 86%, селективность 100%).

Пример 9.

В реактор (Поз.3, чертеж), представляющий собой вертикально ориентированную трубку из нержавеющей стали (внутренний диаметр 35 мм, длина 45 см) с внешним регулированным обогревом (Электропечь Поз.5), помещают 59 г (175 см³) катализатора (NiS/Al ₂O₃, содержание Ni 0.99%) и прогревают при температуре 375°С в токе азота (10 л/ч) в течение 1.5 ч. Затем подачу азота прекращают и при этой же температуре пропускают через реактор 2.50 г ТГИ в 100 мл толуола со скоростью 50 мл/ч. Получено 2.13 г индола, не содержащего (ГЖХ) ТГИ и других примесей (выход индола 88%, селективность 100%).

Пример 10.

Через тот же реактор с той же порцией того же катализатора (условия примера 9) пропускают 5.00 г ТГИ, растворенного в 100 мл толуола, при 375°С в течение 2.0 ч. После отгонки толуола из конденсата получают 4.46 г индола, не содержащего (ГЖХ) ТГИ и других примесей (выход индола 93%, селективность 100%).