Xúc tác bazơ rắn trong công nghiệp hóa hữu cơ

Các chất xúc tác bazơ rắn đã được nghiên cứu từ hơn 30 năm trước. Ngày nay, nhiều phản ứng được xúc tác bằng các bazơ rắn đã được hiện thực hóa trong công nghiệp hữu cơ. Tầm quan trọng của chất xúc tác đó chủ yếu là ở khả năng tái sử dụng, dễ dàng tinh chế các sản phẩm, giảm thiểu các chất thải... Sự phát triển các chất xúc tác bazơ rắn và những phản ứng được xúc tác bằng bazơ rắn đang tiếp diễn. Hiệu quả của các chất xúc tác bazơ rắn chắc chắn mỗi...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xúc tác bazơ rắn trong công nghiệp hóa hữu cơ Xúc tác bazơ rắn trong công nghiệp hóa hữu cơCác chất xúc tác bazơ rắn đã được nghiên cứu từ hơn 30 năm trước. Ngày nay,nhiều phản ứng được xúc tác bằng các bazơ rắn đã được hiện thực hóa trong côngnghiệp hữu cơ. Tầm quan trọng của chất xúc tác đó chủ yếu là ở khả năng tái sửdụng, dễ dàng tinh chế các sản phẩm, giảm thiểu các chất thải... Sự phát triển cácchất xúc tác bazơ rắn và những phản ứng được xúc tác bằng bazơ rắn đang tiếpdiễn. Hiệu quả của các chất xúc tác bazơ rắn chắc chắn mỗi ngày một cao hơn.1. Mở đầuTrong công nghiệp tổng hợp hữu cơ, đã biết nhiều phản ứng xúc tác bazơ đồngthể, như đồng phân hoá nối đôi, alkyl hoá mạch nhánh, ngưng tụ aldol v.v. [1].Tuy nhiên, sử dụng xúc tác bazơ đồng thể có nhiều bất lợi. Cứ sản xuất 10 tấn sảnphẩm, thì phải thải ra 1 tấn xúc tác dùng rồi. Mặt khác, việc tinh chế sản phẩm rấtphức tạp. Chính vì thế, xúc tác bazơ rắn ngày càng được quan tâm nghiên cứu vàứng dụng trong công nghiệp. Sử dụng xúc tác bazơ rắn có thể có những lợi ích[2,3], như giảm mức độ ăn mòn thiết bị của dung dịch kiềm; dễ dàng tách sảnphẩm ra khỏi chất xúc tác, và các chất xúc tác được tái sử dụng, không phải vứt bỏcác chất xúc tác đã dùng rồi; dung môi không cần lượng lớn; tinh chế sản phẩm trởnên đơn giản hơn; giảm mạnh lượng chất thải; nhiệt độ phản ứng có thể tăng; cóthể thiết kế các quá trình liên tục nhờ sử dụng chất xúc tác rắn.ở nước ta, xúc tác axit rắn đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm,nhất là trong hoá dầu [4]. Trong khi đó, xúc tác bazơ rắn mới chỉ được đề cập hạnchế [5-7]. Trên thế giới, xúc tác bazơ rắn đang được chú ý nghiên cứu ngày càngmạnh, nhất là đối với những phản ứng, ở đó, xúc tác axit tỏ ra không có ưu thế.Trong bài này, chúng tôi giới thiệu một số khả năng ứng dụng xúc tác bazơ rắntrong tổng hợp hữu cơ, với hy vọng lĩnh vực xúc tác này được quan tâm nhiều hơnở nước ta trong thời gian tới.2. Một số phản ứng được xúc tác bằng bazơ rắn có giá trị thương mại2.1.Tổng hợp metylisobutyl xetonMetylisobutyl xeton (MIBX) và sản phẩm hyđro hoá nó, metylisobutyl cacbinol(MIBC), là những hợp chất được sản xuất lớn trong công nghiệp hoá dầu. Sảnlượng thế giới của MIBX là 250.000 tấn/năm.MIBX MIBCNhững hợp chất đó có nhiều ứng dụng làm dung môi cho nitrocellulose, polyvinylaxetat, nhựa acrylic, sơn alkyd, chất chiết, tác nhân tuyển nổi, dầu phanh, v.v.Tổng hợp metylisobutyl xeton bắt đầu từ phản ứng ngưng tụ axeton. Trước hết,axeton được ngưng tụ thành điaxeton ancol (DAA) bằng các xúc tác bazơ rắn nhưbari hyđroxit, nhựa anionit [8]. Đây là một phản ứng quan trọng trong công nghiệp[9]. Chính DAA cũng có thể được sử dụng làm dung môi tốt cho nitrocellulose,cellulose axetat và các nh ựa tự nhiên và trong các tổng hợp khác. DAA là hợp chấtđầu trong tổng hợp metylisobutyl xeton (MIBX) và isobutyl cacbinol (MIBC).Nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm trên là axeton. Axeton được sản xuất lớntrong công nghiệp bằng quá trình cumen. Theo sơ đồ 1, từ axeton tiến hành phảnứng ngưng tụ thành điaxeton ancol (I), rồi đehyđrat hoá (I) thành mesityl oxit (II),sau đó hyđro hoá (II) thành MIBX (III) và MIBC.Phản ứng mấu chốt là ngưng tụ axeton. Phản ứng này được thực hiện trên các xúctác bazơ rắn, như nhựa anionit, magie oxit hay hyđrotanxit.Quá trình trên có thể xảy ra theo nhiều giai đoạn, nhưng cũng có thể thực hiện trênchất xúc tác đa chức, trên đó nhiều phản ứng cùng được hoạt động hoá [10]. Khikết hợp xúc tác bazơ rắn, như hyđrotanxit với xúc tác hyđro hoá, như Pd trên sợicacbon nano met có thể dễ dàng tiến hành quá trình tổng hợp MIBX trong một giaiđoạn [11].2.2. Ngưng tụ butyralđehitNhư có thể thấy từ sơ đồ 2, n-Butyralđehit (I) được ngưng tụ trên xúc tác bazơ rắn,như hyđrotanxit, thành 2-etyl-3-hydroxy-hexanal (II), rồi đehyđrat hoá thành 2-etyl-2-hexenal (III) và hyđro hoá thành 2-etyl-hexanol-1 (IV) [12]. Có thể tiếnhành phản ứng ngưng tụ và hyđro hoá liên tiếp [3]. Phản ứng ngưng tụbutyraldehit được thực hiện trên xúc tác bazơ rắn Na/SiO2, còn phản ứng hyđrohoá được thực hiện trên xúc tác hyđro hoá thông thường CuO/ZnO.Sản phẩm (IV) là một ancol nhiều cacbon được sản xuất lượng lớn hơn tất cả cácancol có số cacbon lớn hơn 4. Ancol này được dùng rộng rãi để sản xuất các estelàm chất hoá dẻo cho PVC. Nó còn được dùng làm hợp chất trung gian trong sảnxuất sơn acrylic, dầu diesel, phụ gia dầu bôi trơn.Giai đoạn quan trọng nhất là ngưng tụ butyraldehit được xúc tác bằng hydrotanxit,một bazơ rắn có hoạt tính xúc tác cao [13]. Tỉ lệ Mg/Al trong hydrotanxit nhỏ h ơn3.2.3. Tổng hợp pseudoionon từ geranialGeranial từ trong tinh dầu sả có thể được dùng để tổng hợp pseudoionon, một sảnphẩm trung gian quan trọng để tổng hợp chất thơm ionon và vitamin A.Từ geranial qua ngưng tụ với axeton bằng xúc tác bazơ rắn thu được sản phẩmhyđroxy xeton, tiếp theo, đehyđrat hoá tách n ước thu được pse ...