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KR20110058697A - 금속 합금 촉매 조성물 - Google Patents

금속 합금 촉매 조성물 Download PDF

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KR20110058697A
KR20110058697A KR1020100116945A KR20100116945A KR20110058697A KR 20110058697 A KR20110058697 A KR 20110058697A KR 1020100116945 A KR1020100116945 A KR 1020100116945A KR 20100116945 A KR20100116945 A KR 20100116945A KR 20110058697 A KR20110058697 A KR 20110058697A
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South Korea
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metal
metal alloy
catalyst composition
alloy
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호세 안토니오 트레조
에릭 랑겐마이어
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롬 앤드 하아스 컴패니
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Abstract

본 발명은 금속 합금-도핑(doped) 촉매의 제조방법 및 그의 사용방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 기존에 사용된 촉매에 견줄만한 수율 및 선택성을 제공하는, 비용 효율적인 금속 합금-도핑 이온 교환 수지 촉매의 제조방법 및 용도에 관한 것이다.

Description

금속 합금 촉매 조성물{METAL ALLOY CATALYST COMPOSTION}
본 발명은 금속 합금-도핑(doped) 촉매의 제조방법 및 그의 사용방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 기존에 사용된 촉매에 견줄만한 수율 및 선택성을 제공하는, 비용 효율적인 금속 합금-도핑 이온 교환 수지 촉매의 제조방법 및 용도에 관한 것이다.
알돌 축합 반응은 어느 한 카보닐 화합물의 α-탄소를 다른 카보닐 탄소에 가하여 β-하이드록시 카보닐 화합물을 제공함으로써 카보닐 화합물(알데하이드 또는 케톤)을 이량체화하는 것을 포함한다. 산성 촉매의 존재하에 두 케톤을 축합시키는 경우, 이량체화 후 보통 탈수가 일어나 α,β-불포화 케톤이 제공된다; 통상적인 기술에 의한 이중결합의 환원을 이용함으로써 포화 케톤 부가물을 수득할 수 있다.
아세톤 축합 반응에서 통상적인 모노 설폰화 이온 교환 수지 촉매를 사용하는 것에 비해 메틸 이소부틸 케톤의 수율을 향상시키기 위한 한가지 시도가 미국 특허 제6,977,314호에 기재되어 있다. 미국 특허 제6,977,314호에는 촉매 1 g당 적어도 5.0 밀리당량의 설폰산 그룹을 가지며 팔라듐과 같은 금속이 로딩된 폴리 설폰화 이온 교환 수지를 이용하는 것에 대해 기술되었다. 선택된 금속은 개별적으로 사용되며, 값비싼 물질이다.
촉매 수명, 선택성 및 수율을 유지하면서 비용 효율성을 개선시킨 금속 합금 도핑을 이용한 방법이 요망된다.
본 발명은 각종 반응 생성물을 제공하기에 유용한, 비용 효율적인 금속 합금이 로딩된 촉매를 제공함으로써 선행기술의 결점을 해결하였다.
본 발명에 따라 비용 효율적인 금속 합금-도핑 이온 교환 수지 촉매의 제조방법이 제공된다.
본 발명은 촉매의 건조 중량을 기초로 하여, (a) 이온 교환 수지; 및 (b) 금속 합금을 포함하며, 화학 반응시 반응물과 반응하는 불균일 촉매 조성물을 제공한다.
명세서를 통해 사용된 다음 용어들은 달리 명시되지 않으면 다음의 의미를 가질 것이다:
용어 "가교화 폴리머 매트릭스"는 폴리설폰화，모노 설폰화 또는 부분 설폰화 방향족 환을 제공하도록 적절히 작용기화되는 임의의 가교화 폴리머 기질 및 아민 작용기를 가진 방향족 환을 제공하도록 적절히 작용기화되는 임의의 가교화 폴리머 기질을 가리키며; 전형적으로, 가교화 폴리머 매트릭스는 방향족 환이 설폰화 조건을 거쳐 본 발명의 방법에 유용한 촉매를 제공하는 가교화 스티렌 폴리머이다.
용어 "이온 교환 수지"는 이온 교환 작용기를 가진 가교화 폴리머 매트릭스를 가리킨다.
용어 "코폴리머"란 위치 이성체를 포함하여, 2 이상의 상이한 모노머를 갖는 폴리머 조성물을 의미한다.
용어 "가교화 코폴리머"는 모노머, 또는 총 모노머 중량을 기준으로 폴리비닐 불포화 모노머를 적어도 1 중량 퍼센트(%) 함유하는 모노머 혼합물로부터 중합된 폴리머 또는 코폴리머를 의미한다.
용어 "마크로다공성(macroporous)"이란 BET 기법(Stephen Brunauer，Paul Hugh Emmett，및 Edward Teller에 의한 발표 문헌(1938)에 의거)으로 측정되었을 때 표면적이 0.1 m2/g 보다 크고, 2000 m2/g 보다 작은 물질을 가리킨다. 전형적으로, 본 발명의 마크로다공성 수지 촉매는 표면적이 1 m2/g 내지 200 m2/g 범위이다.
용어 "알킬 (메트)아크릴레이트"는 상응하는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 에스테르 둘 다를 의미한다; 마찬가지로，용어 "(메트)아크릴"도 역시 아크릴 또는 메타크릴산 및 상응하는 유도체, 예컨대 에스테르 또는 아미드를 가리킨다.
용어 "도핑"은 금속 종을 폴리머 지지체에 가하는 것을 말한다.
용어 "함침(impregnated)"은 금속이 폴리머 지지체내에 금속 구조로 존재할 수 있거나, 복합화될 수 있음을 나타낸다.
용어 "금속 합금"은 '금속 나노클러스터(nanocluster)' 또는 '금속 나노합금'과 같은 말이다. 본 원에 정의된 금속 합금은 2 이상의 금속이 단일 나노미터 크기의 클러스터로 조합된 것이다. 금속 합금의 나노미터 클러스터 크기는 1 내지 250 nm 범위이다. 또한，이는 (1) 고체，(2) 금속간 화합물，또는 (3) 금속상 혼합물로서 2 이상의 원소를 함유하는 금속 생성물이다.
달리 특정되지 않으면, 모든 백분율은 관련 폴리머 또는 조성물의 총 중량에 기초한 중량 퍼센트(%)로 표현될 것이다. 다음 약어들이 본 원에 사용된다: g = 그램，㎛ = 미크론，cm = 센티미터，mm = 밀리미터，m = 미터，nm = 나노미터，ml = 밀리리터，meq/g = 밀리당량/그램，L = 리터，1 바 압력 = 105 파스칼 또는 105 Pa，1 바 = 1 MPa，LHSV = 선형 시공간 속도(h-1) = 액체 유량(ml/h)/칼럼내 촉매 부피(ml)，종횡비(aspect ratio) = 길이/폭.
달리 특정되지 않으면, 열거된 범위는 끝 범위를 포함하는 것이며, 조합이 가능하고, 온도는 섭씨도(℃)이다.
본 발명에 유용한 일 단계 반응에서의 반응 공정 및 그의 일련의 조합에 대한 예로서는 알켄，케톤，알콜，알킨 및 산의 이성체화, 수화，알돌 축합，탈수，가수소분해，니트레이트 환원，탄소-탄소 커플링(즉, 헥크, 스즈키 반응(Heck and Suzuki reaction)，산화，하이드로포르밀화，선택적 환원을 들 수 있으나, 이들에만 한정되지는 않는다. 본 발명의 촉매화 반응으로 제조되는 생성물에는 과산화수소，1,4-부탄디올，비닐 아세테이트，알킬페놀，메틸 이소부틸 케톤(MIBK)，천연 세제 알콜이 포함되나, 이들에만 한정되지는 않는다.
본 발명의 반응 공정에 유용한 금속 합금-도핑 불균일 촉매는 설폰화 작용기를 가지는 이온 교환 수지이며; 즉, 촉매 부위를 지지하는 가교화 폴리머 매트릭스는 방향족 환당 설폰산 그룹이 0개를 넘는 방향족 환을 함유한다. 전형적으로, 방향족 환의 적어도 10%，또는 적어도 15%，및 또는 적어도 20%가 방향족 환당 설폰산 그룹이 1개를 넘는다. 이온 교환 수지는 강염기 음이온 교환 또는 강산 양이온 교환 수지일 수 있다. 다른 한편으로，본 발명의 반응 공정에 유용한 금속 합금-도핑 불균일 촉매는 아민 작용기를 가지는 이온 교환 수지이며, 즉 촉매 부위를 지지하는 가교화 폴리머 매트릭스는 방향족 환당 하나의 아민 그룹을 갖는 방향족 환을 포함한다.
본 발명의 공정에 유용한 금속 합금-도핑 불균일 촉매는 겔 또는 마크로다공성 비드，필름，플레이트，멤브레인 또는 섬유 형태일 수 있다. 본 발명의 적합한 금속 합금-도핑 불균일 촉매는 평균 입경이 10 내지 1000 ㎛, 또는 500 내지 1000 ㎛, 또는 750 내지 1000 ㎛이고; 설폰산 그룹의 함량은 이온 교환 수지의 건조 중량에 기초해 1.0 내지 7.0 meq/g，또는 5.1 내지 6.5 meq/g，또는 5.2 내지 6.0 meq/g이며; 전형적으로 표면적은 0 내지 2000，또는 0.1 내지 2000，또는 1 내지 700 또는 10 내지 600 m2/g이고; 총 공극율은 폴리머 g당 0.1 내지 0.9，또는 0.2 내지 0.7 또는 0.25 내지 0.5 cm3(cm3/g)며; 전형적으로 수지내 가교제 비율은 총 촉매 조성물의 0.5 내지 80%，또는 5 내지 30%, 또는 10 내지 20%이고; 수분 보유능이 80 내지 30%，또는 70 내지 40，또는 55 내지 45%이며; 가반 중량(weight capacity)이 0.5 내지 7.0 meq/Kg，또는 1 내지 6 meq/Kg，또는 2 내지 5 meq/Kg이고; 평균 기공 직경이 50 내지 2,500 옹스트롬 단위 또는 150 내지 1000 옹스트롬 단위이다. 공극율은 IUPAC(국제순수·응용화학연합) 명명에 따라 다음과 같이 정의된다:
마이크로공극 = 20 옹스트롬 단위 미만의 기공; 메소공극 = 20 내지 500 옹스트롬 단위의 기공; 마크로공극 = 500 옹스트롬 단위 초과의 기공.
본 발명의 촉매에는 이온 교환 수지의 건조 중량을 기초로 0.1 내지 25%，또는 0.5 내지 15%, 또는 1.0 내지 10.0%의 금속 합금이 로딩된다. 이상적으로，금속-합금은 이온 교환 수지 입자의 쉘상에 로딩될 수 있거나, 입자 전반에 균일하게 분산될 수 있다. 금속 합금 자체로는，전형적으로 0.5 내지 100% 금속，또는 80 내지 100% 금속, 또는 90 내지 100% 금속 성분으로 구성된다. 본 발명의 금속 합금 조성물은 1 내지 150 nm，또는 1 내지 50 nm，또는 1 내지 10 nm의 금속 클러스터 크기로 존재할 수 있다.
금속 합금-도핑 이온 교환 수지는 미국 특허 제4,382,124호에 기술된 바와 같이, 전형적으로 가교화 마크로다공성 코폴리머로부터 제조되며, 이 경우 공극은 포로겐("상 증량제" 또는 "침전제"로도 알려져 있음), 즉 모노머에는 용매이지만 폴리머에는 비용매의 존재하에 현탁 중합에 의해서 코폴리머 비드내로 도입된다.
전형적인 가교화 마크로다공성 코폴리머의 제조는, 예를 들어 현탁 조제(예컨대 분산제, 보호 콜로이드 및 완충제)를 함유하는 연속 수성상 용액을 제조한 후, 이를 1 내지 85%의 폴리비닐방향족 모노머，자유-래디칼 개시제 및 전형적으로 모노머 1 부당 0.2 내지 5 부，또는 0.3 내지 3 부, 또는 0.4 내지 1 부의 포로겐(예: 톨루엔, 크실렌，(C4-C1O)-알칸올，(C6-C12)-포화 탄화수소 또는 폴리알킬렌 글리콜)을 함유하는 모노머 혼합물과 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 그 다음에, 모노머 혼합물 및 포로겐을 승온에서 중합하고, 생성된 폴리머 비드로부터 포로겐을 다양한 수단으로 제거한다; 예를 들어，톨루엔，크실렌 및 (C4-C1O)알콜은 증류 또는 용매 세척으로 제거될 수 있고, 폴리알킬렌 글리콜은 수 세척으로 제거될 수 있다. 이어서, 생성된 마크로다공성 코폴리머를 탈수와 같은 통상적인 수단으로 분리한 다음, 건조시킨다.
가교화 코폴리머를 제조하는데 사용될 수 있는 적합한 폴리비닐방향족 모노머로는，예를 들어，디비닐벤젠，트리비닐벤젠，디비닐톨루엔，디비닐나프탈렌 및 디비닐크실렌으로 구성된 그룹중에서 선택되는 하나 이상의 모노머를 들 수 있다; 상기 언급된 각 가교제의 임의의 다양한 위치 이성체가 적합한 것으로 판단된다; 다른 한편으로 폴리비닐방향족 모노머는 디비닐벤젠이다. 전형적으로, 가교화 코폴리머는 1 내지 85%，또는 5 내지 55%, 또는 10 내지 25%의 폴리비닐방향족 모노머 단위를 포함한다.
임의로，폴리비닐방향족 가교제 외에, 비방향족 가교 모노머，예컨대 에틸렌글리콜 디아크릴레이트，에틸렌글리콜 디메타크릴레이트，트리메틸올프로판 트리아크릴레이트，트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트，디에틸렌글리콜 디비닐 에테르 및 트리비닐사이클로헥산도 또한 사용될 수 있다. 사용시，비방향족 가교 모노머는 전형적으로 중합 단위로서 마크로다공성 코폴리머를 형성하기 위해 사용되는 총 모노머 중량에 기초해 마크로다공성 폴리머의 0 내지 10%，또는 0 내지 5%，또는 0 내지 2%로 포함된다.
가교화 코폴리머를 제조하는데 사용될 수 있는 적합한 모노불포화 비닐방향족 모노머는，예를 들어，스티렌，α-메틸스티렌，(C1-C4)알킬-치환된 스티렌, 할로-치환된 스티렌(예: 디브로모스티렌 및 트리브로모스티렌)，비닐나프탈렌 및 비닐안트라센을 포함하거나; 또는 모노불포화 비닐방향족 모노머는 스티렌 및 (C1-C4)알킬-치환된 스티렌으로 구성된 하나 이상의 그룹중에서 선택된다. 적합한 (C1-C4)알킬-치환된 스티렌중에는 예를 들어 에틸비닐벤젠, 비닐톨루엔, 디에틸스티렌，에틸메틸스티렌 및 디메틸스티렌이 포함된다; 상기 언급된 각 비닐방향족 모노머의 임의의 다양한 위치 이성체가 적합한 것으로 판단된다.
다른 한편으로, 코폴리머는 15 내지 99%，또는 75 내지 90%의 모노불포화 비닐방향족 모노머 단위를 포함한다.
비닐방향족 모노머 외에, 임의로，지방족 불포화 모노머，예를 들어，비닐 클로라이드，아크릴로니트릴，(메트)아크릴 산 및 알킬 (메트)아크릴레이트와 같은 비방향족 모노불포화 비닐 모노머가 또한 사용될 수 있다. 사용시 비방향족 모노불포화 비닐 모노머는 전형적으로 중합 단위로서 마크로다공성 코폴리머를 형성하기 위해 사용되는 총 모노머 중량에 기초해 마크로다공성 폴리머의 0 내지 10%，또는 0 내지 5% 또는 0 내지 2%로 포함된다.
마크로다공성 코폴리머를 제조하는데 유용한 포로겐은 소수성 포로겐, 예컨대 (C7-C1O)방향족 탄화수소 및 (C6-C12)포화 탄화수소; 및 친수성 포로겐, 예컨대 (C4-C1O)알칸올 및 폴리알킬렌 글리콜을 포함한다. 적합한 (C7-C1O)방향족 탄화수소는 예를 들어，톨루엔, 에틸벤젠，오르토-크실렌，메타-크실렌 및 파라-크실렌중 하나 이상을 포함한다. 상기 언급된 각 탄화수소의 임의의 다양한 위치 이성체가 적합한 것으로 판단된다; 다른 한편으로, 방향족 탄화수소는 톨루엔 또는 크실렌, 또는 크실렌 혼합물, 또는 톨루엔과 크실렌의 혼합물이다. 적합한 (C6-C12)포화 탄화수소로는, 예를 들어 헥산, 헵탄 및 이소옥탄의 하나 이상을 들 수 있으며; 다른 한편으로，포화 탄화수소는 이소옥탄이다. 적합한 (C4-C1O)알칸올로는，예를 들어 이소부틸 알콜，tert-아밀 알콜，n-아밀 알콜，이소아밀 알콜，메틸 이소부틸 카비놀(4-메틸-2-펜탄올)，헥산올 및 옥탄올의 하나 이상을 들 수 있다; 다른 한편으로，알칸올은 하나 이상의 (C5-C8)알칸올, 예컨대，메틸 이소부틸 카비놀 및 옥탄올중에서 선택된다.
코폴리머를 제조하는데 유용한 중합 개시제에는 퍼옥사이드，하이드로퍼옥사이드 및 관련 개시제와 같은 모노머-가용성 개시제; 예를 들어 벤조일 퍼옥사이드，tert-부틸 하이드로퍼옥사이드，큐멘 퍼옥사이드，테트랄린 퍼옥사이드，아세틸 퍼옥사이드，카프로일 퍼옥사이드，tert-부틸 퍼옥토에이트(tert-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트로도 알려져 있음)，tert-아밀 퍼옥토에이트，tert-부틸 퍼벤조에이트，tert-부틸 디퍼프탈레이트, 디사이클로헥실 퍼옥시디카보네이트, 디(4-tert-부틸사이클로헥실)퍼옥시디카보네이트 및 메틸 에틸 케톤 퍼옥사이드가 포함된다. 아조디이소부티로니트릴，아조디이소부티르아미드，2,2'-아조-비스(2,4-디메틸발레로니트릴)，아조-비스(α-메틸부티로니트릴) 및 디메틸-，디에틸- 또는 디부틸 아조-비스(메틸발레레이트)와 같은 아조 개시제 또한 유용하다. 바람직한 퍼옥사이드 개시제는 디아실 퍼옥사이드, 예컨대 벤조일 퍼옥사이드 및 퍼옥시에스테르, 예컨대 tert-부틸 퍼옥토에이트 및 tert-부틸 퍼벤조에이트이다; 다른 한편으로, 개시제는 벤조일 퍼옥사이드이다. 퍼옥사이드 개시제의 전형적인 사용 수준은 비닐 모노머의 총 중량에 대해 0.3 내지 5%，또는 0.5 내지 3%, 또는 0.7 내지 2%이다.
다른 한편으로，가교화 코폴리머는 본 발명의 방법에 사용되는 이온 교환 수지 촉매의 기질로 사용하기 위해, 디비닐벤젠 코폴리머，스티렌-디비닐벤젠 코폴리머，디비닐벤젠-에틸비닐벤젠 코폴리머 및 스티렌-에틸비닐벤젠-디비닐벤젠 코폴리머로 구성된 그룹중에서 선택된다.
이들 가교화 코폴리머는 당업자들에게 알려진 폴리설폰화를 위한 통상의 방법，예를 들어 삼산화황(S03)，발연 황산 또는 올레움(삼산화황을 함유한 농황산) 및 클로로설폰산에 의한 설폰화에 따라 강산 작용기로 작용기화될 수 있다; 다른 한편으로，모노 설폰화 양이온 교환 수지 폴리머가 또한 통상적인 폴리설폰화 조건을 거쳐 양이온 교환 수지 촉매를 제공할 수 있다.
또한，이들 가교화 코폴리머는 당업자들에게 알려진 통상의 방법에 따라，예를 들면，수지에 결합된 모노-，디- 또는 트리-알킬 아민 그룹으로서 강- 또는 약염기 작용기로 작용기화될 수 있다. 아민 치환체는 1, 2 또는 3개일 수 있으며, 구조는 -CH3，-(CH2)n-CH3(n은 O보다 크고, 1 내지 8일 수 있다)，-[(CH2-CH2)-O-p]-(CH2-CH3)(p>1)，-CH2CH20H，N-메틸글루카민，디에틸렌아민，트리에틸렌아민 작용기일 수 있다.
금속 합금-도핑 이온 교환 수지 촉매에는 전형적으로 다음과 같은 두가지 방식으로 소정 금속-합금이 로딩된다: a) 2 이상의 금속을 혼합하여 이온 교환 폴리머 구조내에 합금을 형성함으로써 이온 교환 폴리머내에 나노합금을 형성하는 방식， 또는 b) 이온 교환 폴리머 금속 산화물 나노미터 복합 물질을 사용하고, 지지체 표면상에 금속-합금 촉매 금속를 담지시킨 후, 환원시키는 방식. 합금 형성시 금속 선택은 중요한 사안이다.
전형적으로，금속 합금-도핑 이온 교환 수지 촉매는 용액을 2 이상의 하기 조합물과 접촉시킴으로써 로딩된다: 배치 또는 칼럼 모드의 금속 염 또는 금속 복합체와 이온 교환 수지. 예시적으로, 촉매는 2종 금속 염 또는 1종 금속 염 및 1종 금속 복합체 또는 2종 금속 복합체로 구성될 수 있다. 또한，금속-합금은 금속-합금 염 형태로 제공될 수 있다. 이 경우，로딩된 양이온 교환 수지는 세척에 의해 잔류 염 또는 산이 제거된다. 사용되는 금속-합금 염의 양은 금속 또는 금속 이온이 최종적으로 이온 교환 수지에 대해 0.1 내지 20% 로딩, 또는 약 0.5 내지 10% 로딩, 또는 약 1.0 내지 5.0% 로딩 범위의 양으로 존재하도록 선택될 것이며, 통상적인 분석 시험 방법으로 결정될 수 있다.
본 발명의 방법에 유용한 촉매 부분으로 사용하기에 적합한 금속 이온으로는，예를 들어 팔라듐(Pd)，백금(Pt)，로듐(Rh)，이리듐(Ir)，루테늄(Ru)，구리(Cu)，니켈(Ni)，아연(Zn)，알루미늄(Al)，금(Au)，티타늄(Ti)，바나듐(V)，크롬(Cr)，망간(Mn)，철 (Fe)，코발트(Co)，규소(Si)，은(Ag)，납(Pb)，주석(Sn)，니오븀(Nb)，몰리브덴(Mo)，수은(Hg), 안티몬(Sb)，텅스텐(W)，하프늄(Hf), 카드뮴(Cd)，주석(Sn)，지르코늄(Zr)，오스뮴(Os) 및 비소(As)가 포함된다. 본 발명에 의해 2 이상의 개별 금속 또는 금속 복합체가 합금 조성물에 사용될 수 있는 것으로 구상된다. 예를 들어, 합금은 이금속성 또는 삼금속성일 수 있다. 또한, 3종을 초과한 개별 금속 또는 다금속 복합체가 합금 조성물에 사용될 수 있다. 본 발명의 금속 합금에 대한 적합한 예로는 Ni-Pt，Pd-Pt，Ni-Cu，Ni-Ag，Ni-Au，Cu-Pd，Cu-Pt，Pd-Ag，Pd-Au，Pt-Au，Pt-Au，Fe-Co，Fe-Ni，Co-Ni，Fe-Ag，Fe-Ag，Co-Ag，Co-Pd，Co-Rh，Co-Pd，Co-Rh，Ni-Rh，Cu-Ru，Fe-Pt，Co-Pt，Fe-Au，Co-Au，W-Au，Ni-Al，Cu-Zn，Ni-Zn，Ni-Pd，Ni-Pt，Pd-Pt，Ni-Au，Cu-Pd，Cu-Pt，Pd-Au，Pt-Au，Co-Ni，Co-Pt，Ru-Pd，Ru-Pt，Rh-Pt，Re-Ir，Mo-Pt，Fe-Zn 및 Cu-Zn을 들 수 있으나, 이들에만 한정되지는 않는다. 특히 유용한 본 발명의 조합물은 Pd-Au，Pd-Ag，Fe-Co, Fe-Ni, Fe-Zn, Ni-Cu, Ni-Al, Cu-Cr, Cu-Zn, Ni-Zn 및 Fe-Cu를 포함하나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
이온 교환 수지에 금속-합금이 다양한 방법으로 로딩될 수 있다. 일례는，예를 들어，금속-합금 염 수용액을 양이온 교환 수지 칼럼을 통해 소정 수준의 금속-합금이 수지에 보유될 때까지 통과시킨 후, 믈을 사용하여 로딩 과정중에 생성된 잔류 염 및 산이 제거되도록 철저히 세척하여 양이온 교환 수지에 금속 합금을 로딩시키는 것이다.
다른 구체예에 있어서, 본 발명의 촉매는 붕소 환원 수지를 이용하여 제조된다. 이러한 수지의 예가 US 4,311,811호에 기재되었다. 이 수지는 환원될 수 있는 2 이상의 금속을 함유하는 용액과 접촉된다. 용액이 수지와 접촉되면, 금속 염은 수지 구조로 유입되어 0가의 금속 합금으로 환원된다. 수지내 금속은 수지의 건조 중량 기준으로 0.01% 내지 55%, 또는 5 내지 25%, 또는 8 내지 15%로 로딩될 수 있다.
다른 한편으로，촉매는 금속 이온을 함유하는 이온 교환 수지를 환원시켜 촉매에 금속-합금을 침착시킴으로써 제조된다. 이 경우, 금속 로딩된 수지는 금속 로딩 수지를 수소에 노출시킴으로써(전형적으로 실온에서 히드라진 및 저 수소 분압，예를 들어，1 바 미만을 사용하여) '활성화'될 수 있다(0가 금속 상태로 환원). 전형적인 환원 반응은，반응에 환원제로서 예를 들어，수소，소듐 보로하이드레이트，히드라진，에틸렌글리콜을 사용한다. 이어, 수지는 열 처리될 수 있다.
다른 한편으로，활성화는 실온, 40 ℃ 내지 200 ℃，바람직하게는 60 ℃ 내지 150 ℃ 및 가장 바람직하게는 80 ℃ 내지 100 ℃ 및/또는 약 2 내지 50 바의 수소압에서 수행될 수 있다. 필요에 따라, 환원 상태의 로딩된 금속-합금 함유 촉매는 촉매화 반응, 예를 들면 축합 반응에 사용될 수 있다. 다른 한편으로，로딩된 수지(이온 형태의 금속)는 축합 반응에 사용하기 직전에 환원된 금속 형태로 '활성화'될 수 있다. Pd，Pt，Rh，Ir또는 Ru가 촉매의 금속-합금 성분으로 사용되는 경우, 로딩된 수지는 축합 반응에 사용하기 전에 환원된 금속 형태로 활성화될 수 있다. 일부의 경우, 수지에 로딩된 촉매는 탄화될 수 있다. 탄화란 촉매가 환원 조건하에서 열분해되고(pyrolized) 600 내지 1000 ℃의 온도로 가열되어 탄소질 비드 구조를 생성하는 것을 가리킨다.
본 발명의 촉매는 각종 촉매화 반응에 이용될 수 있다. 이러한 축합 반응에는 예를 들어，이성체화，수화，알돌 축합，탈수，수소화분해，니트레이트 환원，탄소-탄소 커플링(즉, 헥크, 스즈키 반응)，산화，하이드로포르밀화，및 알켄，케톤，알콜，방향족 및 알킨의 선택적 환원 반응이 포함된다.
이상적으로는, 반응 과정동안 반응 온도는 500 내지 800 ℃，또는 75 내지 600 ℃，또는 75 내지 175 ℃로 유지된다. 압력은 1 내지 150 bar，또는 20 내지 100 바，또는 30 내지 80 바로 유지된다. LHSV(액체 시공간 속도)는 0.1 내지 20 h-1，또는 2 내지 20 h-1，또는 5 내지 20 h-1이다. 반응 시스템내 반응기 구조는 당업자들에게 공지된 임의의 것일 수 있다. 이러한 구조로는 팩킹 칼럼(packed column)，혼합 반응기，연속 교반 반응기(CSTR)，루프 반응기 및 이동 비드 반응기가 포함되나 이들에만 한정되지는 않는다. 또한, 시스템에 가스, 액체 또는 이들 조합이 유동될 수 있다. 반응은 배치식 또는 연속식으로 수행될 수 있다.
비한정적인 예로，일 구체예에 있어서，금속-합금 도핑 설폰화 수지 촉매는 용기에 함유된 물리적 형태의 비드로서, 비드는 촉매층을 형성한다. 케톤 반응물의 공급물 스트림, 예컨대 아세톤은 수소의 존재하에 (분리된 공급물 스트림으로서) 촉매층과 케톤의 축합 반응이 일어나기에 충분한 온도에서 그에 충분한 시간동안 접촉된다. 존재할 수 있는 반응 생성물(포화 케톤 부가물)，부산물(불포화 케톤 부가물) 및 임의의 비반응 케톤 반응물을 함유하는 축합된 액체 스트림을 촉매층과 분리하여 통상의 분리 수단(예: 증류)에 의해 액체 스트림으로부터 목적하는 케톤 부가물을 회수한다. 당업자들이라면 적절한 조건을 선택할 수 있을 것이며, 이에 대한 예를 들자면 (1) 배치 공정，예를 들면，액체 스트림이 수소 존재하에 촉매층에 로딩된 다음, 목적하는 반응이 일어난 후 촉매로부터 액체 스트림이 제거되는 공정, 또는 (2) 더 바람직한 연속 공정으로서, 예를 들면 목적하는 반응이 일어나도록 하기에 충분한 체류 시간을 촉매층에 허용하는 속도로 액체 스트림이 (수소와 함께) 칼럼 반응기의 한 단부에 연속적으로 공급되고, 축합된 액체 스트림은 다른 층 단부에서 연속적으로 제거되는 공정이 있다. 유사하게，반응 장비，층을 통한 반응물 스트림 통과 방향으로 상향류 또는 하향류 선택，반응 시간 및 온도，특정 반응물 및 케톤 부가물 회수 방법은 본 원에서 제공하는 가이드라인 및 당업자들이 알고 있는 지식에 기초해 용이하게 선택될 수 있다.
전형적으로，칼럼 반응기내 온도 및 압력은 케톤 반응물이 촉매층에서 비점으로 있도록 선택된다. 케톤 반응물의 온도/압력을 변경시켜 축합 반응이 촉매층에서 액상으로 일어나도록 반응 온도 및 조건을 소정 조합으로 제공할 수 있다. 촉매층과 기상 상태를 제공하도록 조건이 달라질 수 있지만; 축합 반응이 액상으로 행해지는 것이 바람직하다.
본 발명의 금속-합금 도핑 설폰화 수지 촉매는 케톤 반응물 및 수소가 배치 반응 조건 또는 연속 반응 조건하에서 접촉되는 축합 반응에 이용될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 있어서, 공정은 촉매적 증류 공정에 기초한 연속 공정이며, 이때 케톤 반응물은 리보일러 스테이지(reboiler stage) 바로 위에 위치한 칼럼 반응기의 저부로 도입된다; 이 경우 생성물 분획 또는 스트림은 추가 처리를 위해 증류 장치의 리보일러 부분으로부터 연속적으로 제거된다(촉매적 증류에 관한 일반적인 설명 및 상세한 설명은 미국 특허 제 6,008,416호를 참조바람). 다른 한편으로，축합 반응된 케톤 반응물은 촉매층을 통해 하향 공급되고, 수소 흐름은 동일 방향으로 반응존을 통과한다. 그러나, 반응물 공급 스트림은 다른 방식, 예컨대 병류 및 역류 수소 유동，플러딩 공정(flooding process) 및 가스상 공정에 의해 도입될 수 있다.
연속 공정의 경우，반응물 양에 대한 사용되는 촉매의 양은 전형적으로 LHSV(액체 시공간 속도) 또는 단위 시간당 촉매 부피에 대한 반응물의 액체 유량으로 표시되는 반응물의 처리 속도와 관련이 있다. 전형적으로는, 장비 이용 및 생성물 발생을 극대화하기 위해 고 LHSV가 바람직하다; 그러나, 이같은 목표를 충족시키기 위해서는 원료 물질의 전환율(%) 및 목적하는 생성물의 선택성(%)과 균형을 유지하여야 한다. LHSV가 너무 낮으면，목적 생성물의 생산 속도(공간 수율)가 감소되어 공정이 비경제적일 수 있다. LHSV가 너무 높으면，촉매 활성이 목적하는 수준의 전환율을 제공하기에 불충분할 것이다(공정이 "동력학적으로 제한된다"). 적합한 LHSV 값은 전형적으로 0.5 내지 10 h-1，또는 1 내지 8 h-1, 또는 2.5 내지 6 h-1일 것이다.
전형적으로，케톤 반응물은 110 내지 170 ℃의 온도 및 1 내지 100 바의 수소압에서 촉매의 존재하에 수소와 접촉된다. 본 발명의 촉매화 축합 반응을 수행하기에 적합한 온도는 110 내지 170 ℃，또는 120 내지 160 ℃, 또는 130 내지 150 ℃이다. 일반적으로, 케톤 반응물 및 수소의 반응존은 1 내지 100 바，또는 5 내지 60 바, 또는 10 내지 40 바의 수소압으로 유지된다. 전형적으로，축합 반응은 0.1 내지 1, 또는 0.15 내지 0.5의 수소/케톤 반응물 몰비로 수행된다.
본 발명의 또 다른 구체예에 있어서, 공정은 케톤 반응물이 촉매적 증류 장치의 리보일러 섹션 스테이지(상술된 것과 유사)에서 반응기 칼럼으로 도입되는 배치 공정일 수 있다. 그 후, 리보일러 섹션에서 케톤 부가물의 목적하는 생성물 조성이 얻어지면 공정이 종결될 수 있다. 다른 한편으로는，축합을 배치 오토클레이브 반응기에서 일정 시간동안 수행하고, 냉각 후, 증류나 다른 통상적인 수단에 의해 목적하는 케톤 부가물을 회수할 수 있다.
실시예 1
롬앤드하스 컴퍼니사(Rohm and Haas Company)로부터 상업적으로 입수할 수 있는 강산 양이온 이온교환 수지(AmberltstTM 35 수지) 50 g을 50/50 (w/w) 니켈 및 아연 염 용액을 함유하는 용액 20 ml와 혼합하였다. 수지와 혼합하기 전에 수용액의 pH를 HN03로 1.2로 조정하였다. 수지-액체 슬러리를 반응기에서 기계적으로 교반하면서 4 시간동안 혼합하였다. 4 시간 후, 과량의 액체를 배액하고, 수지를 부흐너(Buchner) 건조시킨 다음, 50 ℃에서 24 시간동안 오븐 건조시켰다. 이어서, 수지를 칼럼 반응기에 충전하고, 질소로 퍼징하였다(purge). 가스 혼합물의 퍼징 후, 수소/아르곤(15/85) 혼합물을 350 psi의 압력에서 150 ml/분의 유속으로 통과시킨 다음, 550 ℃로 가열하였다. 물질을 3 시간동안 열분해시키고, 실온으로 냉각시킨 뒤, 질소로 퍼징하고, 향후 사용을 위해 패킹하였다.
실시예 2
상기 촉매 30 ml를 패킹층 칼럼 반응기에 충전하였다. 사이클로헥센 및 수소 혼합물을 칼럼에 통과시켰다. 수소의 유속은 정상 조건에서 250 ml/분이고, 사이클로헥센의 유속은 1 ml/분이었다. 칼럼에 적용된 압력은 400 psi이고, 온도는 110 ℃이었다. 칼럼 후 수득한 생성물은 사이클로헥산으로의 선택성이 99%이었다.

Claims (10)

  1. 촉매의 건조 중량을 기초로 하여, (a) 이온 교환 수지; 및 (b) 금속 합금을 포함하는 촉매 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 금속 합금이 팔라듐(Pd)，백금(Pt)，로듐(Rh)，이리듐(Ir)，루테늄(Ru)，구리(Cu)，니켈(Ni)，아연(Zn)，알루미늄(Al)，금(Au)，티타늄(Ti)，바나듐(V)，크롬(Cr)，망간(Mn)，철(Fe)，코발트(Co)，규소(Si)，은(Ag)，납(Pb)，주석(Sn)，니오븀(Nb)，몰리브덴(Mo)，수은(Hg)，안티몬(Sb)，텅스텐(W)，하프늄(Hf)，카드뮴(Cd)，주석(Sn)，지르코늄(Zr)，오스뮴(Os) 및 비소(As)로부터 선택되는 적어도 2종의 금속을 포함하는 촉매 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서, 촉매가, 촉매에 금속 합금을 침착시키기 위한 적어도 2종의 금속을 함유하는 설폰화 이온 교환 수지를 포함하는 촉매 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서, 적어도 2종의 금속중 적어도 하나가 다금속 복합체인 촉매 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 촉매가 촉매의 건조 중량을 기초로 0.1 내지 25%의 금속-합금을 포함하는 촉매 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 금속 합금이 1 내지 250 nm 크기의 금속 클러스터를 포함하는 촉매 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 촉매가 촉매의 건조 중량을 기초로 총 공극율이 0.1 내지 0.9 ㎤/g이고, 표면적이 10 내지 100 m2/g인 마크로다공성 비드 형태인 촉매 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 촉매가 겔 비드 형태인 촉매 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 촉매가 촉매의 건조 중량을 기초로 총 기공 직경이 50 내지 700 옹스트롬이고, 표면적이 350 내지 1900 m2/g인 폴리머 흡착성 비드 형태인 촉매 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서, 촉매가 열분해된(pyrolized) 촉매 조성물.
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