способ получения лактобионовой кислоты

Формула изобретения

1. Способ получения лактобионовой кислоты путем жидкофазного окисления D-лактозы чистым кислородом, при парциальном давлении 1 бар на платиновом, или палладиевом, или золотом катализаторе, с концентрацией металла переходной группы или Au 0,5%, или Pt 5%, или Pd 5% от массы носителя и количеством катализатора 1 г/л, при рН водного раствора лактозы 8-10, при нагреве и перемешивании, отличающийся тем, что в качестве носителя для платинового, палладиевого и золотого катализаторов используют сверхсшитый полистирол, причем частицы металла переходной группы нанодисперсно распределены в матрице носителя, а окисление проводят при температуре 60-72°С, при скорости потока кислорода 2,5-3 мл/мин и при концентрации лактозы 0,4-0,5 моль/л.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер частиц металлов переходной группы, включенных в матрицу носителя сверхсшитого полистирола, составляет (1,4±0,5) нм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к тонкому органическому синтезу и может быть использовано в химической, пищевой и фармацевтической промышленности для получения лактобионовой кислоты.

Известен способ получения лактобионовой кислоты путем жидкофазного окисления D-лактозы чистым кислородом с использованием Pd/C катализатора. Окисление проводилось в водном растворе при использовании подщелачивающего агента - раствора щелочи. рН контролировали в пределах от 7.5 до 11.0. Температура проведения процесса 20-90°С. Время реакции от 30 мин до 5 ч. Концентрация катализатора от 0.005 до 1% от массового количества лактозы. Концентрация лактозы от 0.01 до 0.5%. Общий выход продукта составил 91% (United States Patent Number: 4985553. Date of Patent 15, 1991).

Недостатком этого способа является использование большого промежутка времени проведения процесса, что отрицательно может сказаться на экономичности процесса получения лактобионовой кислоты при проведении его в промышленных масштабах.

Известен способ получения лактобионовой кислоты окислением лактозы на Au, нанесенном на оксидные носители Al₂O₃ , SiO₂ и TiO₂. Содержание активного металла составило от 0.8 до 2%. Окисление проводилось в водном растворе при температуре 60°С, рН 8, скорость потока кислорода 2,5 мл/мин и давление кислорода 1 бар. Концентрация водного раствора лактозы 99.6 ммоль/л. Селективность лактобионовой кислоты при 20% конверсии составила от 90.4 до 95.3% (Catalysis Today, 131, (2008) 385-392).

Недостатком этого способа является низкая селективность процесса окисления лактозы.

Прототипом заявляемого изобретения является способ получения лактобионовой кислоты путем жидкофазного окисления дисахарида на платиновом или палладиевом, или золотом катализаторе с концентрацией металла переходной группы Au 0,5%, Pt 5% и Pd 5% от массы носителя. В качестве носителя Pt, Pd и Au использовался оксид алюминия и/или диоксид титана. Количество катализатора 1 г/л. В качестве дисахарида использовалась лактоза. Концентрация водного раствора лактозы 10 ммоль/л. Величина рН водного раствора лактозы 8. Процесс окисления проводили при парциальном давлении кислорода от 1 бар. Поток газа кислорода 500 мл/мин. Температура реакции 80°С. Скорость перемешивания 700 об/мин. Конверсия после 20 минут составила больше 95% для 0,5% Au/TiO₂, для 5% Pd/Al₂ O₃ меньше 60%, а для 5% Pt/Al₂O₃ меньше 40% (Pub. No.: US 2007/0112186 A1, Pub. Date: May 17, 2007).

Основным недостатком прототипа является недостаточная стабильность применяемых носителей, что объясняется существованием большого количества полиморфных форм оксидов алюминия и титана.

Задачей изобретения является разработка способа получения лактобионовой кислоты с использованием нового полимерного наноструктурированного катализатора, обеспечивающего повышение технологичности, эффективности и стабильности процесса селективного получения лактобионовой кислоты путем селективного окисления D-лактозы.

Техническим результатом изобретения является повышение степени чистоты лактобионовой кислоты при высокой степени конверсии D-лактозы и селективности процесса ее окисления.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе получения лактобионовой кислоты путем жидкофазного окисления D-лактозы чистым кислородом при парциальном давлении 1 бар на платиновом или палладиевом, или золотом катализаторе с концентрацией металла переходной группы или Au 0.5%, или Pt 5%, или Pd 5% от массы носителя и количеством катализатора 1 г/л, при рН водного раствора лактозы 8-10, при нагреве и перемешивании согласно изобретению в качестве носителя для платинового, палладиевого и золотого катализаторов используют сверхсшитый полистирол, причем частицы металла переходной группы нанодисперсно распределены в матрице носителя, а окисление проводят при температуре 60-72°С, при скорости потока кислорода 2.5-3 мл/мин и при концентрации лактозы 0.4-0.5 моль/л. При этом размер частиц металлов переходной группы, включенных в матрицу носителя сверхсшитого полистирола, составляет 1.4±0.5 нм.

Сверхсшитый полистирол применяется в качестве носителя для получения гетерогенного наноструктурированного металлосодержащего катализатора, так как его полимерная матрица способствует формированию нанокластерных частиц активного металла с оптимальной степенью активности гетерогенного катализатора.

В качестве активной части катализатора применяются металлы переходной группы - платина, палладий, золото, так как платинахлористоводородная кислота и золотохлористоводородная кислота, а также хлорид палладия обладают оптимальной химической структурой для формирования большего количества активных центров в матрице сверхсшитого полистирола, что положительно влияет на процесс селективного окисления лактозы.

Полученный таким образом катализатор содержит нанодисперсно распределенные частицы металла переходной группы в матрице сверхсшитого полистирола, причем, размер частиц составляет 1.4±0.5 нм.

При уменьшении температуры окисления до ниже 60°С происходит замедление процесса окисления лактозы, а при повышении температуры до выше 72°С происходит образование большого количества побочных продуктов.

Изменение рН водного раствора лактозы до ниже рН 8.5 и выше до рН 10 приводит к уменьшению степени конверсии D-лактозы.

При изменении скорости потока чистого кислорода до ниже 2.5 мл/мин происходит значительное уменьшение степени конверсии D-лактозы, а изменение скорости потока чистого кислорода до выше 3 мл/мин приводит к увеличению концентрации побочных продуктов переокисления.

Способ осуществляют следующим образом. Предварительно готовят катализатор, включающий нанодисперсно распределенные частицы металла в сверхсшитом полистироле. Для изготовления катализатора сверхсшитый полистирол предварительно растирают в ступке промывают водой и сушат. Затем пропитывают по влагоемкости раствором тетрагидрофурана с платиновой кислотой (H₂PtCl₆). Затем промывают дистиллированной водой до нейтрального рН и сушат при t=60-65°C до постоянной массы. Высушенный катализатор восстанавливают в токе водорода при 300°С в течение двух часов.

Применение водорода в качестве восстановителя способствует уменьшению удельного объема мезопор катализатора и формированию наночастиц металла с диаметром 1.4±0.5 нм, что приводит к увеличению скорости процесса окисления D-лактозы, что положительно влияет на их каталитические свойства.

Изменение концентрации D-лактозы до ниже 0.4 моль/л или выше 0.5 моль/л при селективном окислении D-лактозы приводит к уменьшению скорости процесса окисления.

В нагретый реактор через загрузочный штуцер вносили подготовленный катализатор металлсодержащего сверхсшитого полистирола, затем вводили раствор лактозы с концентрацией 0.4-0.5 моль/л. Поток газа кислорода составлял 2.5-3 мл/мин. Температура реакции 60-72°С. Скорость перемешивания 800 об/мин. Конверсия после 20 мин составила больше 95% для 0.5% Au/СПС, для 5% Pt/СПС составила 90%, а для 5% Pd/СПС составила 82%. Процесс окисления проводили при подаче эквимолярного количества подщелачивающего агента NaHCO ₃, рН контролировали в пределах от 8.5 до 10.

Лучшие варианты осуществления способа

Пример 1.

В нагретый реактор через загрузочный штуцер вносили подготовленный катализатор, содержащий нанодисперсно распределенные частицы металла переходной группы - золота в матрице сверхсшитого полистирола, причем размер частиц составляет 1.4±0.5 нм, количество вносимого катализатора в реактор 1 г, содержащий 0.5% золота. Также в реактор вносили 0.4 моль/л водного раствора лактозы. Нагревали реактор до 72°С. Устанавливали с помощью ротаметра поток газа чистого кислорода 2.5 мл/мин. В качестве подщелачивающего агента использовали насыщенный раствор соды, рН соответствовал 8.5. Процесс окисления проводили при непрерывном перемешивании. Скорость перемешивания 800 об/мин. Время реакции окисления 360 мин. Степень конверсии D-лактозы составила 97%, селективность процесса 85%.

Пример 2.

В нагретый реактор через загрузочный штуцер вносили подготовленный катализатор, содержащий нанодисперсно распределенные частицы металла переходной группы - платины в матрице сверхсшитого полистирола, причем, размер частиц составляет 1.4±0.5 нм, количество вносимого катализатора в реактор 1 г, содержащий 5% платины. Также в реактор вносили 0.4 моль/л водного раствора лактозы. Нагревали реактор до 72°С. Устанавливали с помощью ротаметра поток газа чистого кислорода 2.5 мл/мин. В качестве подщелачивающего агента использовали насыщенный раствор гидрокарбоната натрия, рН соответствовал 10. Процесс окисления проводили при непрерывном перемешивании. Скорость перемешивания 800 об/мин. Время реакции окисления 360 мин. Степень конверсии D-лактозы составила 90%, селективность процесса 80%.

Пример 3.

В нагретый реактор через загрузочный штуцер вносили подготовленный катализатор, содержащий нанодисперсно распределенные частицы металла переходной группы - палладий в матрице сверхсшитого полистирола, причем размер частиц составляет 1.4±0.5 нм, количество вносимого катализатора в реактор 1 г, содержащий 5% палладия. Также в реактор вносили 0.4 моль/л водного раствора лактозы. Нагревали реактор до 70°С. Устанавливали с помощью ротаметра поток газа чистого кислорода 2.5 мл/мин. В качестве подщелачивающего агента использовали насыщенный раствор гидрокарбоната натрия, рН составлял 9. Процесс окисления проводили при непрерывном перемешивании. Скорость перемешивания 800 об/мин. Время реакции окисления 360 мин. Степень конверсии D-лактозы составила 82%, селективность процесса 74%.

В таблицах 1-3 приведены данные по эффективности работы катализаторов при варьировании условий проведения процесса окисления D-лактозы для получения лактобионовой кислоты.

Таблица 1
Зависимость эффективности работы катализаторов от температуры проведения процесса окисления
Вид катализатора	Температура реакции, °С	Конверсия, %	Селективность, %	Стабильность (количество рабочих циклов)
0.5% Au/СПС	60	92	80	8
5% Pt/СПС	60	87	72	7
5% Pd/СПС	60	75	66	7
0.5% Au/СПС	72	97	85	10
5% Pt/СПС	72	90	80	8
5% Pd/СПС	72	82	74	7
0.5% Au/СПС	80	95	82	8
5% PT/СПС	80	92	68	6
5% Pd/СПС	80	88	60	5

Таблица 2
Зависимость эффективности работы катализаторов от концентрации лактозы
Вид катализатора	Температура реакции, °С	Конверсия, %	Селективность, %	Концентрация лактозы, моль/л
0.5% Au/СПС	72	92	80	0.4
5% Pt/СПС	72	87	72	0.4
5% Pd/СПС	72	75	66	0.4
0.5% Au/СПС	72	87	65	0.5
5% Pt/СПС	72	80	60	0.5
5% Pd/СПС	72	72	54	0.5

Таблица 3
Зависимость эффективности работы катализаторов от скорости подачи кислорода
Вид катализатора	Температура реакции, °С	Конверсия, %	Селективность, %	Скорость потока кислорода, мл/мин
0.5% Au/СПС	72	92	80	2.5
5% Pt/СПС	72	87	72	2.5
5% Pd/СПС	72	75	66	2.5
0.5% Au/СПС	72	87	75	3.0
5% Pt/СПС	72	80	70	3.0
5% Pd/СПС	72	72	64	3.0

На основании примеров и таблиц, можно сделать следующие выводы: получение лактобионовой кислоты путем окисления D-лактозы чистым кислородом в присутствии катализаторов 0.5% Au/СПС, 5% Pt/СПС, 5% Pd/СПС наиболее эффективно происходит при 72°С, тогда как увеличение температуры окисления D-лактозы до 80°С (температура проведения процесса окисления, указанная в прототипе) приводит к значительному снижению селективности и стабильности процесса получения лактобионовой кислоты.

Увеличение концентрации D-лактозы до 0.5 моль/л приводит к уменьшению степени ее конверсии и существенному снижению селективности процесса окисления, что объясняется процессом ингибирования субстратом реакции окисления D-лактозы.

Увеличение скорости подачи кислорода до 0.3 мл/мин приводит также к снижению конверсии и селективности процесса окисления D-лактозы, что является результатом переокисления поверхности катализатора.

Применение нанодисперсно распределенных частиц металлов переходной группы золота, платины, палладия в матрице сверхсшитого полистирола размером 1.4±0.5 нм приводит к высокой селективности процесса окисления D-лактозы и стабильной работе каталитической системы. Это подтверждает, что разработанный способ получения лактобионовой кислоты с использованием нового полимерного наноструктурированного катализатора обеспечивает высокую технологичность (простота изготовления катализатора), эффективность и стабильность процесса получения лактобионовой кислоты. Результатом окисления D-лактозы является лактобионовая кислота с высокой степенью чистоты. Способ обеспечивает высокую степень конверсии D-лактозы и селективность процесса ее окисления, а катализатор может быть повторно использован до 10 рабочих циклов.