微胶囊化的催化剂的制作方法

专利名称：微胶囊化的催化剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及催化剂体系。具体地，本发明涉及封装于聚合物壳或基质中的金属或合金形式的催化剂。更具体地，本发明针对的是在空气中可自燃的或可反应的和/或易被氧化的反应性催化金属。具体地，本发明涉及镍基催化剂。
背景技术：
雷尼镍或海绵镍具有高度危险性自燃固体、燃烧时产生有害气体、刺激呼吸道和鼻腔、如果吸入会导致肺纤维化、食入可导致惊厥和肠道疾病、刺激眼睛和皮肤、并且长期暴露可导致肺炎和致敏(“镍痒症”)。本发明提供的金属催化剂避免了这些问题并具有良好的贮藏寿命及使用寿命。最近欧洲法规规定新药产品所含有的残留金属催化剂应当少于百万分之五。因此，急需不以金属残留物污染产品或废物流的清洁催化剂体系。尽管海绵镍的危害性造成了许多运作上的困难，但它仍然广泛地用作各种有机合成的催化剂。最常见的是用于加氢反应，因为其能有效地实现特定的转化。镍作为催化剂所带来的其它问题包括海绵镍的危害性。这意味着该催化剂会给用户带来显著的安全性和操作性问题。另外，最近波动的镍价意味着这种催化剂不再是一个可靠的廉价选择。微胶囊化的催化剂体系在现有技术中已有描述。WO 03/006151描述了胶囊化的催化剂体系及其生产方法。具体地，该公开描述了可用于偶联反应的钯基胶囊化催化剂。这些钯基体系最常见的是通过乙酸钯的微胶囊化衍生得到的。WO 2005/016510描述了一种在配体存在下将金属催化剂微胶囊化的方法。该公开描述了配体的使用可以减少在胶囊化过程中催化剂的浸出。WO 2007/096592公开了一种制备微胶囊化的催化剂的方法。该公开具体地涉及钯基催化剂的制备及其应用。在该方法中，可以分别将金属源和配体源胶囊化以原位生产活性催化剂品种。该配体的例证是聚合物配体。该公开中的最终催化剂品种是金属-配体络合物或化合物。WO 2005/016510描述了一种生成多孔聚合物微球的方法，该多孔聚合物微球和非强制选择地添加的配体一起用来包埋金属催化剂。选择该配体使其可以与金属催化剂相互作用以形成新的金属-配体催化剂品种。该微球是在连续相中通过分散的单体与待胶囊化的材料的界面聚合反应来形成的。US 3594666描述了一种用于微胶囊化非均相催化剂的体系。现有技术也论述了为便于金属催化剂(如海绵镍催化剂)的应用而改变其特性的可能性。GB 2052296描述了通过将微粒雷尼催化剂包封于固体蜡中，以制备非自燃性雷尼催化剂的方法。尽管这产生了包封于可缓和物质的自燃性的蜡、脂肪或有机聚合物的颗粒，但其覆盖层并非是永久性的且在反应时必须去除。但是，在去除之前，该覆盖层阻止了反应介质与催化剂接触。此外，覆盖层材料随后会污染反应混合物。由于经常地高负荷量地使用海绵镍，该污染可能会非常显著。因为在最终产品中残留大量微量镍的可能性以及要去除相应大量的蜡或包封材料的问题，这种类型的催化剂对于制药和精细化学应用是不可接受的。US 4895994描述了一种在固体聚合物载体中生成雷尼催化剂的方法。该聚合物粘合催化剂是通过将雷尼合金与高分子量的聚合物及非强制选择的增塑剂混合、然后通过将混合物挤压或切割成形而形成的。再次，镍被包埋于固体聚合物中且在去除之前反应介质不能与该镍接触。然后可以使用氢氧化钠溶液处理以活化该催化剂，从而得到聚合物粘合活性催化剂。或者，可通过锻烧去除聚合物，再活化以便产出高度特定成形的雷尼镍催化剂。该体系的一个问题是，因为聚合物是非交联的，所以其可能会被某些反应溶剂溶解或软化而可能过早地将镍催化剂释放至溶液中。该反应也可能受限于聚合物的低孔隙率，其会影响对催化剂的可接近性。另外，在成形的催化剂的表面不可避免的会存有一些金属，而这增加了金属浸出的风险或使反应过早地开始。在一种方法中，提供了市售的固体1/2立方体形式的非自燃的氨基包覆金属催化剂。这些催化剂是经活化且其中的水分已经被脂肪胺所替换的海绵金属胶囊化的催化剂。 将其加入至目标溶剂中后，会释放出催化剂粉末。由于海绵金属催化剂未与包覆层交联，因此会将胺释放至溶液中。一旦释放曝露出海绵金属，所述胺包覆层就会污染反应混合物。在WO 2006/007007描述的不涉及Ni催化剂的相关技术中，用聚乙烯基吡啶来包覆钛沸石催化剂。其为被聚合物薄层所包围的固体沸石颗粒的悬浮液，所述聚合物薄层是通过凝聚方法或通过在颗粒周围的原位界面聚合反应而形成的。这些催化剂用于烯烃环氧化。各种现有技术体系都有其自身的一系列问题。因此，需要一种方便、可靠、操作安全且经济的催化剂体系。过渡金属化合物或其它金属的化合物并非能够催化所有的反应。然而，反应活性和/或其它处理问题意味着先前没有可能制备本发明所设想的适合类型的金属催化剂。公知的催化剂可能具有各种尺寸和形状的颗粒，这会导致催化性能的不一致性。这有多种原因，包括生产具有所需尺寸和形态一致的金属颗粒较困难、且事实上，金属不溶于任何常规的反应介质。这使得制备均勻一致的催化材料较困难。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种方便且危害性较小的催化剂体系。该催化剂应当易于制备和使用。另一个目的是提供一种降低了金属相对量的催化剂体系。又一个目的是提供一种相对廉价且经济的催化剂。再一个目的是生产一种能够用于许多化学反应而不会导致在最终产品中出现过量残留催化剂的催化剂体系。又一个目的是生产能够容易地从反应中回收的催化剂。理想地，该催化剂体系能再利用和/或回收利用。本发明达到了上述一些或所有目的。一方面，本发明提供了一种微胶囊化的金属催化剂体系，该催化剂体系包含至少一种金属和/或至少一种金属合金以及可使液体透过的聚合物微球，其中该或每种金属和 /或金属合金保持在聚合物微球内部，但通过流体与外部连通，并且其中该或每种金属和/ 或金属合金未与配体结合或键合。从而聚合物材料形成可透过(液体)的微球壁并且提供一个或多个用于保持催化剂材料的空腔。当首次微胶囊化时，金属或金属合金优选不是催化活性形式。金属或金属合金是使用适合的试剂通过体系的反应来活化的，从而形成应用于所选择反应的最终催化剂。用来形成最终催化剂的试剂可以是例如酸或碱。优选的活化剂为碱。术语“微胶囊化”可以是指生成可具有非常不同特性产品的过程。“微胶囊”通常是指核-壳体系，其中胶囊化的核由薄的聚合物外壳所包围。通常设计这些体系以便在壳破裂时用来释放核心材料(香料、活性化合物等)。术语“微球”在本文中用于描述本发明的微胶囊化的金属催化剂体系，其是用来描述这样一种体系，其中连续的聚合物基质组成了包装所述胶囊化的材料的颗粒。该或每种金属和/或金属合金未与配体结合，且存在于不含作为催化剂体系一部分的任何配体的聚合物微球的内部。因此，该催化剂品种中的金属处于氧化态为零的状态。 当存在金属合金且用于催化剂品种时，其中的金属组分也是处于氧化态为零的状态。可以从金属前体获得所述金属或金属合金。其可以是合金混合物的形式。例如，所述金属可以是雷尼镍。所述金属合金可以是雷尼镍前体，例如铝镍合金。用来制备海绵金属催化剂的最常用的金属为镍、铜、钴和铁。这些材料通常被称为海绵或骨架金属催化剂； Raney Nickel (雷尼镍)是 W. R. Grace 的商标。因此，在一个实施方案中，封装于微球中的金属催化剂是海绵形式的。在另一个实施方案中，该催化剂是以离散颗粒的形式容纳于微球中。现在我们公开一种用于生成含有镍催化剂合金固体颗粒的微球的方法。通过其后对含有微球的催化剂的活化，生产出了活性海绵镍催化剂。因此，该活性催化剂是原位生成的。这可在准备应用于反应中时来完成。本发明的催化剂的一个优势在于胶囊化的反应性催化剂(如雷尼镍)可以是以更易于处理、使用与处置更加安全的形式来提供。在没有聚合物残留物或蜡等污染反应介质的情况下实现了前述目的。本发明的催化剂也克服了金属浸出的问题，而这样的问题在许多现有技术体系中普遍存在。因此，在本发明的一个实施方案中，封装了作为金属前体的金属合金，例如细碎的镍铝合金。这可以通过下述的胶囊化步骤之一来实现。然后当使用强碱处理胶囊化的合金时，就可以生产出活性镍催化剂。这可以溶解铝而留下细粉催化剂形式的镍。所述镍完全地被保留于多孔聚合物基质中。而该聚合物的固相中不含任何的镍。在一个实施方案中， 由此产生的镍在整个聚合物微球中具有均勻的颗粒分布。镍合金是用于胶囊化特别优选的候选物。可供选择地，在另一个实施方案中，通过封装可容易分解的金属化合物(即，金属前体)，可以将金属(如，镍或其它反应性金属)制备成为微胶囊化的形式。可以通过应用热、光或其它光化辐射来分解金属化合物或合金。其它适合的催化材料皆为那些从元素钪、镱及镥为起始的三种“d区”过渡金属系列元素。用于形成最终金属或金属合金催化剂的优选的元素包括钴、铑、铱、镍、钯、钼。特别地优选镍、铜、钴、铁、钯和钼，而镍是最为优选的。
在另一个供选择地实施方案中，所述金属已经是活性形式的或经简单封装的。在另一个实施方案中，所述金属、金属合金或前体金属化合物都经过认真地挑选，以便由此生成的金属具有较小的粒度范围和/或均勻的粒度分布。公知的去活海绵金属催化剂的途径包括高度多孔海绵结构的塌缩。本发明催化剂的另一个优势在于聚合物基质能够支撑多孔金属结构。这可防止多孔金属结构的塌缩，从而减少了去活途径。从而该催化剂相对于公知的海绵金属催化剂具有延长的使用寿命。术语“微胶囊化的”是指包含于透过性聚合物基质中的催化剂。这是指含有催化剂的聚合物基质本身是微胶囊的形式，该微胶囊是例如由以下更加详细描述的技术之一形成的。由此类技术形成的微胶囊一般呈球形或塌缩球形，并且其平均直径为1 1000微米， 优选地为25 500微米，特别优选地为50 300微米。聚合物微胶囊基质的透过性程度为待催化的反应介质能够接触到所封装的催化剂。可以使用各种工艺以将材料微胶囊化。这些工艺可以分为三大类(a)物理方法， (b)相分离法和(c)界面反应法。在物理方法大类中，将微胶囊壁材与核心颗粒实际上汇聚在一起，然后壁材环流在核心颗粒周围形成微胶囊。在相分离法大类中，微胶囊是通过将核心材料乳化或分散在不互溶的连续相中形成的，其中溶解有壁材，并且通过例如凝聚使其实际上与连续相相分离并沉积在核心颗粒的周围。在界面反应法大类中，将核心材料乳化或分散在不互溶的连续相中，然后使其在核心颗粒表面发生界面聚合反应，进而形成微胶
^ ο我们发现，在关于制备金属-配体催化剂体系的现有技术中，描述的用于将金属本身或金属前体微胶囊化的步骤，也可以用于制备本发明的胶囊化的金属催化剂。适合的微胶囊化技术的这些公开包括WO 2003/006151、WO 2005/016510和WO 2007/096592。这些体系构成本发明的一部分。为简洁起见，这些公开的内容在此没有完全复述。但是，具体的意图为只要这些公开的内容涉及到微胶囊化工艺以及适当的聚合物材料，则皆以引用的方式纳入此处。换言之，以上提及的这些文献中所描述的微胶囊化技术及材料，其特别地构成本发明关于制备胶囊化的金属催化剂的公开的一部分。有各种类型的界面聚合技术，但都涉及在乳化体系中在分散相与连续相的界面上的反应。典型地，分散相为油相，而连续相为水相，但是在连续油相和分散水相界面上的界面聚合反应也是可能的。从而，例如将油相或有机相分散于包含水及表面活性剂的连续水相中。通过乳化作用将有机相以离散液滴的形式分散于整个水相中，同时在离散有机相液滴和周围的连续水相溶液间形成了界面。在该界面上的聚合反应形成围绕分散相液滴的微胶囊壳。在一类界面缩合聚合微胶囊化过程中，分别包含于油相和水相中的单体集合在油 /水界面上，并在其上通过缩合反应形成微胶囊壁。在另一类聚合反应(原位界面缩合聚合反应)中，所有的成壁单体都包含于油相中。可以通过将乳化液加热至约20°C 约100°C 的温度和非强制选择地调节PH，以引发成壁材料的原位缩合反应及有机-水相界面上的聚合物的固化。保持足够长的加热时间以使预聚合物的原位缩合反应基本完成，从而将有机液滴转化为由固体渗透性聚合物基质组成的且截留有所述有机核心材料的胶囊。通过原位缩合制备的且本领域所公知的一类微胶囊例证于US 49561 和US 5332584。该公开只涉及胶囊化过程，也构成本发明的一部分。这些微胶囊，通常称为“氨基塑料”微胶囊，是通过使用C4-Cltl醇(优选正丁醇)醚化了约50% 约98%羟甲基基团的醚化脲-甲醛树脂或预聚合物的自缩合和/或交联反应制备的。将预聚合物加入至或包含于油/水乳液的有机相中。在低PH以及非强制选择地加热下发生预聚合物的自缩合反应。 为形成微胶囊，将两相乳液的温度提高至约20°C 约90°C，优选地为约40°C 约90°C，最优选地为约40°C 约60°C。根据体系，可以将pH值调节至一个合适的水平。对于本发明的目的而言，合适的PH为约1.5 3。如US 4观5720(同样以引用的方式并入作为本发明的一部分)中所述，最适用于本发明的预聚合物是部分醚化且在有机相中溶解度很高而在水中溶解度较低的脲-甲醛预聚合物。市售醚化脲-甲醛预聚合物的乙醇溶液或它的乙醇与二甲苯混合物溶液。优选的市售预聚合物包括BIP生产的Beetle醚化脲醛树脂(例如，BE607、BE610、BE660和 BE676)或 Dyno Cyanamid 生产的 Dynomin 正丁基化脲醛树脂(如，Dynomin UB-24-BX, UB-90-BX 等)。可以将能够有助于微胶囊形成的酸聚合催化剂放置于水相或有机相中。当核心材料疏水性过强时，通常需要使用酸聚合催化剂，因为它们能够将质子引向有机相。任何对有机相具有高亲和力的水溶性酸聚合催化剂都可以使用。特别有用的是羧酸和磺酸。另一类通过原位缩合制备的且本领域公知的微胶囊，如US 4285720(同样以引用的方式并入作为本发明的一部分)中所例举的聚脲微胶囊，其涉及至少一种聚异氰酸酯作为成壁材料，例如聚亚甲基聚苯基异氰酸酯(PMPPI)和/或甲苯二异氰酸酯(TDI)。在聚脲微胶囊的形成中，成壁反应一般是通过将乳化液加热至高温而引发的，在该高温上一部分异氰酸酯基在界面上水解成胺，而所述胺转而与未水解的异氰酸酯基反应形成聚脲微胶囊壁。在异氰酸单体的水解过程中，释放出二氧化碳。一旦完成了在连续液相(即，水相)中建立有机相液滴的分散过程，就不需要添加其它任何反应物。此后，优选适度搅拌所述分散液，通过加热连续液相或通过引入能够增加异氰酸酯水解速率的聚合催化剂(例如，烷基锡或叔胺)，就可以引起聚脲微胶囊的形成。有机相的量可以是反应容器中水相体积的约 约75%。按体积计，优选的有机相量为约10% 约50%。在此过程中所使用的有机聚异氰酸酯包括芳香族和脂肪族单和多官能异氰酸酯。合适的芳香族二异氰酸酯和其它的聚异氰酸酯的实例包括如下 1-氯-2，4-亚苯基二异氰酸酯、间苯二异氰酸酯(及其氢化衍生物)、对苯二异氰酸酯(及其氢化衍生物)、4，4'-亚甲基双(苯基异氰酸酯)、2，4_甲苯二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯(60<%2，4-异构体，40%2，6-异构体)、2，6-甲苯二异氰酸酯、3，3' -二甲基_4，4'-联苯二异氰酸酯、4，4'-亚甲基双O-甲基苯基异氰酸酯)、3，3' -二甲氧基_4，4'-联苯二异氰酸酯、2，2' ,5,5'-四甲基-4，4'-联苯二异氰酸酯、80% 2，4-和20% 2，6-甲苯二异氰酸酯的异构体混合物、聚亚甲基聚苯基异氰酸酯(PMPPI)、1，6_六亚甲基二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯、四甲基二甲苯二异氰酸酯和1，5_萘二异氰酸酯、基于六亚甲基二异氰酸酯的亲水性脂肪族聚异氰酸酯(例如，Bayhydur 3100,Bayhydur VP LS2319和 Bayhydur VP LS2336)以及基于异氟尔酮二异氰酸酯的亲水性脂肪族聚异氰酸酯(例如， Bayhydur VP LS2150/1)。将上述聚异氰酸酯组合使用是可取的。优选的聚异氰酸酯是聚亚甲基聚苯基异氰酸酯(PMPPI)和聚亚甲基聚苯基异氰酸酯(PMPPI)与甲苯二异氰酸酯或其它双官能芳香族或脂肪族异氰酸酯的混合物。另一类聚合物前体由主要为油溶性的组分和主要为水溶性的组分组成，二者在水 /油界面上一起经历界面聚合反应。这类前体的代表是例如以上例举的油溶性异氰酸酯和例如乙二胺和/或二亚乙基三胺的水溶性多胺，以确保扩链反应和/或交联反应能够发生。 可以通过增加胺的官能度来实现交联变量。因而，例如，如果用多官能团的胺例如DETA(二亚乙基三胺)、TEPA (四亚乙基五胺)和其它确实的交联胺来取代乙二胺，则交联度增加。可以通过将单体异氰酸酯例如甲苯二异氰酸酯改变为PMPPI来改变异氰酸酯的官能度(并且从而改变了交联度)。也可以使用异氰酸酯的混合物，例如甲苯二异氰酸酯与PMPPI的混合物。另外，其化学物质可以是芳香族异氰酸酯和脂肪族异氰酸酯，例如六亚甲基二异氰酸酯和异氟尔酮二异氰酸酯。可以通过将部分(多)异氰酸酯与多元醇反应以在异氰酸酯化学体系内生成适量的聚氨酯以实现进一步改性，从而使壁化学物质具有不同的性质。例如，适合的多元醇可包括简单的低分子量脂肪族二元醇、三元醇或四元醇或高分子多元醇。所述高分子多元醇可以是任何类型的高分子多元醇，例如聚醚、聚四氢呋喃、聚碳酸酯、聚酯和聚酯酰胺。本领域技术人员知道许多其它可用于生产乳化液液滴聚合物壁的化学物质。除了所述确定的异氰酸酯/胺反应以生产聚脲壁化学物质之外，可以采用这项技术的改进， 包括例如其中的异氰酸酯的水解产生胺，而该胺可进一步进行内部反应以生成聚脲化学物质(例如，如USP 4观5720中所述)。交联度的变化可以通过改变单体异氰酸酯与高分子异氰酸酯的比例来达到。与以上所述的常规异氰酸酯技术一样，本实施方案中可以使用任何可选择的异氰酸酯。本领域技术人员知道前述用于生产聚脲微胶囊的各种方法通常会留下未反应的胺(通常为芳香族胺)基，这些未反应的胺基附着在聚合物基质上。在某些情况下，将这些胺基转化为本质上惰性的管能团可能是有利的。优选的方法是，在有机溶剂中通过微胶囊的后期反应分别用单异氰酸酯、酸性氯化物或氯甲酸酯将这些胺基转化为尿素、酰胺或尿焼基。US 6020066(转让给Bayer AG)公开了另一种微胶囊的形成方法，其中微胶囊壁具有聚脲和聚亚胺基脲，所述壁的特征在于其由含有NH2基团的交联剂与异氰酸酯的反应产物组成。成壁反应所需的交联剂包括二元胺或多元胺、二元醇、多元醇、多官能氨基醇、 胍、胍盐、以及由其衍生的化合物。这些试剂能够在相界面上与异氰酸酯基发生反应从而形成壁。优选的微胶囊材料是如US似85720中所述形成的聚脲或如US 49561 所述的脲-甲醛聚合物。再次强调，这些文献的教示只涉及适用于形成微胶囊的材料。聚脲是优选的，因为该微胶囊是在非常温和的条件下形成的，并且不需要酸性PH值以促进聚合反应， 因而其适用于封装酸敏感的催化剂。用于微胶囊的最优选的聚合物类型是US似85720中所述的聚脲，其单独基于PMPPI聚异氰酸酯，或者PMPPI聚异氰酸酯与其他芳香族双或多官能异氰酸酯的组合。以上所述的微胶囊技术最常见的包括将分散于水连续相中的油相微胶囊化，而对于这样的体系，适合的催化剂能够悬浮在微胶囊化的油相中，或更优选地可溶于适合在微胶囊化技术中用作分散相的水-不混溶有机溶剂中。但是，本发明的范围不局限于水包油微胶囊化体系的使用，并且可以通过油包水乳化体系的界面微胶囊化来封装水溶性催化剂。还可以通过水包油包水乳化体系的界面微胶囊化来封装水溶性催化剂。优选地将金属催化剂、溶剂和成壁材料作为单独的有机相分散于连续水相中。微胶囊化的催化剂的填充量是可以变化的。典型的微胶囊化的催化剂的填充量为0. Olmmol/g 0. 8mmol/g，其中填充量基于金属含量。优选的填充量为0. 2mmol/g 0. 6mmol/g。基于金属质量与微胶囊的质量比，微胶囊化的金属或金属合金的填充量在本发明中相当高，其范围为lwt% 40wt%。其优选的填充量为5wt% 30wt%。可用于促进乳化液的形成的表面活性剂的典型实例包括a)烷基(例如，辛基、壬基或多芳基)酚与环氧乙烷和非强制选择的环氧丙烷及其阴离子衍生物(例如，相应的醚硫酸酯、醚羧酸酯和磷酸酯)的缩合物；聚环氧乙烷和聚环氧丙烷的嵌段共聚物，例如以PLUR0NIC商标市售的一系列表面活性剂(PLUR0NIC是BASF的商标)；b) TffEEN (吐温)表面活性剂，包含一系列山梨醇酐酯与各种摩尔比例的环氧乙烷缩合而成的一系列乳化剂；c)C8 C3tl烷醇与2 80摩尔比的环氧乙烷和非强制选择的环氧丙烷的缩合物； 和d)聚乙烯醇，包括其羧酸化及磺化的产品。另外，水相也可含有作为分散过程或反应过程的助剂的其它添加剂。例如，可以添加消泡剂以减少泡沫的产生，特别是由于气体逸出产生的泡沫。本领域技术人员可以想到适用于油相的大量材料。实例包括柴油，异链烷烃，芳烃熔剂，特别是烷基取代的苯例如甲苯、二甲苯或丙苯组分，和混合的萘与烷基萘组分；矿物油，白油，蓖麻油，葵花籽油，煤油，脂肪酸的二烷基酰胺，尤其是脂肪酸如羊脂酸的二甲基酰胺；氯化脂肪烃和芳香烃，如1，1，1-三氯乙烷和氯苯；乙二醇衍生物的酯，例如正丁基、乙基或二甘醇的甲基醚的乙酸酯；二丙二醇甲基醚的醋酸酯；酮，例如甲乙酮、甲基异丁基酮、异佛尔酮和三甲基环己酮(二氢异佛尔酮)；醚，例如甲基叔丁基醚和环戊基甲基醚以及乙酸酯类产品如乙酸乙酯、乙酸己酯或乙酸庚酯。用于微胶囊化过程中的有机液体通常优选二甲苯、柴油、异链烷烃和烷基取代的苯。除了催化剂或催化剂前体，油相还可以包括非配位分散剂以协助通过油相均勻分布颗粒材料。典型的实例包括Solsperse 32000和EFKA-4401。微胶囊的成壁材料例如可以是单体、低聚物或预聚合物，且可在界面上通过原位聚合和/或固化成壁材料以发生聚合反应。或者，可以将通过连续相添加的第一成壁材料和非连续相中的第二成壁材料集合在一起以发生聚合反应。令人惊讶的是，我们还发现，尽管在聚合物基质内部的金属上没有配体或金属没有结合配体，所述金属仍然可以保持在微球中，即在反应中和反应结束后保持微胶囊化，所述配体通常与聚合物基质相互作用以防止金属催化剂的浸出。因此，使用本发明的催化剂在反应中很少或不会损失金属。这与预料的正相反，因为相信在镍与聚合物微球之间不存在化学键。这是一个重大的性能优势，尤其是催化生产活性药物或活性药物中间体的反应。 从而，本发明催化的反应能够达到目前在最终药品中的金属杂质水平的严格指标。为了不被理论所束缚，通常认为在微胶囊的聚合物基质中聚合物配体紧紧地结合在一起，从而使催化剂保留在微胶囊中。这种结合可以通过空间相互作用(例如链缠结或极大降低的较大分子的扩散速率)或通过化学键合形成，例如离子键、静电键或通过与微胶囊壳或其构成(如单体或预聚合物)聚合形成的共价键。这种相互作用在本发明的催化剂中不存在。尽管如此，细碎的金属保持在由聚合物基质所限定的空间中。从而，金属颗粒不会像常规催化剂一样污染反应产物。令人惊讶的是，我们还发现，微胶囊的聚脲基质足以耐受强碱环境，该环境用于在活化胶囊化的合金以形成在选择的反应中具有催化剂功能的金属或金属合金中。此外，我们发现在经历了活化步骤和在化学转化中活化的胶囊化催化剂粒子的使用后，微球保留了它们的结构完整性。因而，相对于公知的催化剂，其寿命得以延长。所述催化剂的另一个技术优势在于它们可以回收且(经过适当地洗涤后)能在随后的反应中重复使用。在终末期，金属可以被回收和循环利用。这相对于现有技术的催化剂是一个巨大的优势。另一项优势是改善了催化剂的安全性。初步危害性研究表明没有自燃迹象。相对于常规催化剂，这是一个显著的优势，因而可以更安全的存贮、操作、回收和处置。在某些情况下，被封装的金属催化剂可提高界面聚合反应的速率。在这种情况下， 在分散有机相时，将该有机相和连续水相之一或两者都冷却可能是有利的，如此就可较大程度地防止界面聚合反应。只要达到所需的有机液滴粒度，就可以通过可控的方式加热以引发反应。例如，在某些反应中，在加入油相之前可将水相冷却至10°C以下，通常为5°C 10°C，当有机相分散完之后，可将水相温度加热提高至15°C以上以引发聚合反应。根据本发明的另一方面，提供了一种用于制备微胶囊化的催化剂的方法，其包含在金属、金属合金或金属前体存在下通过界面聚合反应形成基质微球。在此方法中形成的胶囊化催化剂为如上所述的催化剂。因此，本发明的方法包含如下步骤(a)非强制选择地在分散剂存在下，但在没有任何结合或未结合配体存在下，将至少一种金属和/或金属合金分散至第一相，(b)将该第一相分散至第二连续相中以形成乳化液，(c)在该分散的第一相和该第二连续相的界面上，使一种或多种微胶囊成壁材料反应，从而形成封装该分散的第一相核心的微胶囊聚合物壳，并且非强制选择地(d)从该连续相中回收微胶囊。本发明的催化剂的另一个显著的优势在于，在金属催化剂如镍的活化中生成的金属粒度具有均勻性。由于金属颗粒物理包埋于聚合物基质中，因此其无法聚集、结合或熔结形成更大的颗粒，而在常规海绵镍催化剂中可发生这种过程。这意味着，该催化剂以一致的且可预料的方式运作。使用本发明的催化剂进行的反应预期以更加均勻的速率进行。类似地，在反应中生成的放热量更可控。对于在工业规模上进行的反应，这一点尤为重要。具有严格控制粒度的胶囊化镍催化剂的优势以前在本领域中并未认知。本发明的催化剂在各种反应中都很有用，尤其是在药物活性成分和中间体的生产中。最近欧洲法规中规定新药产品中所含的金属催化剂残留应当低于百万分之五。同样地，FDA对活性药品中的金属残留水平提出了严格规定。因而，相对于公知的催化剂，本发明的催化剂提供了一个更加洁净的催化体系， 其不会因金属残留而污染产物或废物流。
现对本发明的胶囊化镍催化剂及其制备方法的概要进行以下描述。为便于引用， 催化剂在下文中称为Ni EnCat。
具体实施例方式通用步骤使用Varian Saturn 2100T GC/MS 仪器和 FactorFour VF-5MS 30 mX 0.25mm 毛细柱进行GCMS分析。通过GCMS分析对产品进行鉴定及定量，使用峰面积比积以确定相对产率。使用Waters Alliance 2695 LC系统、紫外检测器在190 400nm下进行HPLC分析。用Thermo-Jarrell-Ash Atom Scan 16进行ICP分析，用已知浓度的标准品进行校正以测定未知样品的产品金属含量。通用胶囊化方法将分散剂溶解在有机相中(例如氯仿)，基于待封装金属合金的目标质量，该有机相的填充量为1 20wt%。基于微球的目标聚合物含量，加入填充量为1 40wt%的金属或金属合金。将此悬浮液搅拌10 30分钟。向悬浮液中加入所需量的多官能团异氰酸酯以在产品中生成期望的多孔性，通常为最终EnCat珠子中的聚合物含量的30%。单独制备出由稳定剂/表面活性剂组成的水相。在高剪切速率下搅拌此溶液，并有几分钟内加入油相。然后降低剪切速率，将微球置于室温下若干小时、随后在45°C下至少一个小时以固化。倾析出水相，并用水通过倾析洗涤珠子两次。通过过滤收集封装的金属或金属合金并湿水存贮。实施例I-IKg规模镍-铝合金的胶囊化对于理论上的1. 33kg批量，需要以下原材料，于50%湿水条件下，其产出大约 2. Ig珠子。
权利要求
1.一种微胶囊化的金属催化剂体系，该催化剂体系包含至少一种金属和/或至少一种金属合金以及可使液体透过的聚合物微球，其中该或每种金属和/或金属合金保持在聚合物微球内部，但通过流体与外部连通，并且其中该或每种金属和/或金属合金未与配体结合或键合。
2.如权利要求1所述的金属催化剂体系，其中该或每种金属或金属合金不是催化活性形式。
3.如权利要求2所述的金属催化剂体系，其中最终形成催化剂的该或每种金属或金属合金是通过试剂活化的，优选其中该试剂为酸或碱。
4.根据前述权利要求任一项所述的金属催化剂体系，其中存在的该或每种金属或金属合金处于氧化态为零的状态。
5.根据前述权利要求任一项所述的金属催化剂体系，其中该或每种金属独立地从包含铁、钌、锇、钴、铑、铱、镍、钯和钼的组中选出。
6.如权利要求5所述的金属催化剂体系，其中该金属为镍，或其中该金属合金包含镍。
7.根据前述权利要求任一项所述的金属催化剂体系，其中该金属催化剂以海绵形式封装于微球中。
8.根据前述权利要求任一项所述的金属催化剂体系，其中该微胶囊化的金属或金属合金的填充量为 40wt%，其中填充量是基于金属质量与微胶囊质量的比。
9.根据前述权利要求任一项所述的金属催化剂体系，其中用于形成微球的壁的材料从包含单体、低聚物或预聚合物的组中选出。
10.根据前述权利要求任一项所述的金属催化剂体系，其中该聚合物微球为聚脲或脲-甲醛聚合物。
11.如权利要求10所述的金属催化剂体系，其中该聚合物微球是由聚亚甲基聚苯基异氰酸酯和/或甲苯二异氰酸酯形成的聚脲。
12.—种制备微胶囊化的催化剂的方法，包括在金属、金属合金或金属前体存在下通过界面聚合反应形成基质微球。
13.如权利要求12所述的方法，包括如下步骤(a)非强制选择地在分散剂存在下，但在没有任何结合或未结合配体存在下，将至少一种金属和/或金属合金分散至第一相，(b)将该第一相分散至第二连续相中以形成乳化液，(c)在该分散的第一相和该第二连续相之间的界面上，使一种或多种微胶囊成壁材料反应，从而形成封装该分散的第一相核心的微胶囊聚合物壳，并且非强制选择地(d)从该连续相中回收微胶囊。
14.权利要求1 11任一项所述的金属催化剂体系催化化学反应的应用。
全文摘要
本发明涉及一种催化剂体系。具体地，本发明涉及封装于聚合物壳或基质中的金属或合金形式的催化剂。更具体地，本发明针对的是在空气中可自燃的或可反应的和/或易被氧化的反应性催化金属。具体地，本发明涉及镍基催化剂。雷尼镍或海绵镍具有高度危险性自燃固体、燃烧时产生有害气体、刺激呼吸道和鼻腔、如果吸入会导致肺纤维化、食入可导致惊厥和肠道疾病、刺激眼睛和皮肤、并且长期暴露可导致肺炎和致敏(“镍痒症”)。本发明提供的金属催化剂避免了这些问题并具有良好的贮藏寿命及使用寿命。
文档编号B01J25/02GK102316972SQ201080008241
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月12日 优先权日2009年2月18日
发明者M·尼萨尔, T·E·O·斯克林 申请人:里艾克沙有限公司