Способ гидрирования изо-альфа-кислот и тетрагидро-изо-альфа-кислот в гексагидро-изо-альфа-кислоты
Изобретение относится к способу получения гексагидро-изо-альфа-кислот из изо-альфа-кислот (или тетрагидро-изо-альфа-кислот), в котором изо-альфа-кислоты (или тетрагидро-изо-альфа-кислоты) смешивают с гетерогенным рутенийсодержащим катализатором, который катализирует гидрирование изо-альфа-кислот или тетрагидро-изо-альфа-кислот с получением гексагидро-изо-альфа-кислот, в отсутствие растворителя или в присутствии фазы растворителя (например, диоксида углерода, воды, этанола или другого органического растворителя или их смесей), и в отсутствие или в присутствии других хмелевых соединений (таких как бета-кислоты). Затем образовавшуюся смесь подвергают воздействию температуры, при которой реакционная среда, содержащая изо-альфа-кислоту (или тетрагидро-изо-альфа-кислоту), имеет достаточно низкую вязкость, чтобы ее можно было легко смешивать с гетерогенным рутенийсодержащим катализатором, и выдерживают в атмосфере, содержащей водород в течение времени реакции, достаточном для проведения эффективного превращения реагирующего вещества, представляющего собой изо-альфа-кислоту (или тетрагидро-изо-альфа-кислоту), в гексагидро-изо-альфа-кислоту. Способы позволяют получать целевые продукты с высокой селективностью и без применения дополнительной стадии восстановления с помощью неорганического восстановителя. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 2 ил.,10 табл., 11 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к получению гексагидро-изо-альфа-кислот (гексагидро-изогумулонов или гексагидро-изогумулатов) путем гидрирования изо-альфа-кислот (изогумулонов или изогумулатов) или тетрагидро-изо-альфа-кислот (тетрагидро-изогумулонов или тетрагидро-изогумулатов) с помощью гетерогенного рутенийсодержащего катализатора, катализирующего гидрирование изо-альфа-кислот или тетрагидро-изо-альфа-кислот с образованием гексагидро-изо-альфа-кислот.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к получению гексагидро-изо-альфа-кислот, которые представляют собой восстановленные производные изо-альфа-кислот, применяемые для придания пиву горького вкуса и пенистости. Такие гексагидро-изо-альфа-кислоты представляют собой горькие производные хмелевых кислот с отличными пеностабилизирующими свойствами и предпочтительнее всех других изо-альфа-кислот с точки зрения сопротивления фотолитическому и окислительному разложению (US 3552975).
Традиционно, горький привкус пива обусловлен альфа-кислотами, присутствующими в хмелевых шишках. Во время стадии варки сусла при обычном способе пивоварения, альфа-кислоты экстрагируют из (размолотых в порошок) хмелевых шишек и частично превращают в соответствующие горькие изо-альфа-кислоты. Однако степень утилизации хмеля (или выход изо-альфа-кислот) при традиционном способе пивоварения составляет только примерно 35% (GB 1158697).
Стало ясно, что степень утилизации хмеля можно улучшить путем проведения изомеризации альфа-кислот вне процесса пивоварения и, в частности, путем независимой предварительной изомеризации альфа-кислот под действием неорганических щелочных соединений (US 3952061, US 4002683, US 4758445, US 5015491, US 5155276, US 5370897). Использование таких независимо полученных изо-альфа-кислот увеличивает степень утилизации хмелевых альфа-кислот в процессе пивоварения самое большее до примерно 70%.
Однако изо-альфа-кислоты имеют ряд недостатков, обусловленных их природой. Одно такое негативное свойство состоит в их чувствительности к фотолитическому разложению, что приводит к развитию так называемого «засвеченного привкуса», который приписывают образованию 3-метил-2-бутен-1-тиола (МБТ), также называемого «тиолом скунса». Протекание фотолитической реакции является следствием присутствия в молекулах изо-альфа-кислот изо-3-гексеноильной боковой цепи. Путем изменения молекулярной структуры изо-альфа-кислот, например, за счет восстановления С=С и/или С=O связей в такой изо-3-гексеноильной боковой цепи, можно предотвратить образование, например, в пиве, значительного количества побочных продуктов МБТ, возникающих в результате фотолитического разложения.
Поэтому восстановленные производные изо-альфа-кислот, а именно, дигидро-изо-альфа-кислоты, тетрагидро-изо-альфа-кислоты и гексагидро-изо-альфа-кислоты, были предложены и используются в настоящее время многими пивоварами, в целом, путем их добавления после стадии главного брожения в процессе пивоварения. Дигидро-изо-альфа-кислоты (также называемые rho-изо-альфа-кислотами) получают путем восстановления карбонильной группы в упомянутой выше изо-3-гексеноильной цепи до гидроксильной группы, в целом, с помощью борогидрида щелочного металла в качестве восстановителя. Тетрагидро-изо-альфа-кислоты получают путем гидрирования С=С связей в упомянутой выше изо-3-гексеноильной боковой цепи и изопентенильной боковой цепи. Гексагидро-изо-альфа-кислоты получают комбинированием упомянутых выше процессов восстановления и гидрирования.
Во всех применяемых в промышленности способах получения дигидро-изо-альфа-кислот используют основанное на борогидриде восстановление изо-альфа-кислот (US 3558326, US 4324810). В промышленных способах получения тетрагидро-изо-альфа-кислот, в целом, применяют гетерогенные катализаторы на основе Pd (US 5013571, US 5600012).
Были описаны два подхода в отношении образования гексагидро-изо-альфа-кислот. В первом подходе тетрагидро-изо-альфа-кислоты используют в качестве предшественника и требуемые гексагидро-изо-альфа-кислоты получают путем восстановления с применением борогидрида щелочного металла (US 3552975). Второй подход исходит из дигидро-изо-альфа-кислот, подвергаемых гидрированию с помощью газообразного водорода над Pd катализатором на подложке (US 5013571).
В US 3552975 описано получение не обладающих «запахом скунса» гексагидро-изо-альфа-кислот, образующихся из тетрагидро-изо-альфа-кислот при применении борогидрида щелочного металла в качестве восстановителя, воды и/или спиртовых растворителей в качестве предпочтительной инертной протоносодержащей реакционной среды, и в условиях слабо щелочного рН. После процесса восстановления, избыток восстановителя разлагается при добавлении водного раствора HCl, и гексагидро-изо-альфа-кислоты извлекают путем экстракции с применением несмешивающегося с водой растворителя (например, низших углеводородов или простых эфиров). Для получения продукта, представляющего собой гексагидро-изо-альфа-кислоту, с высокой чистотой, требуется дополнительная стадия испарения растворителя.
В US 6198004 описан способ превращения изо-альфа-кислот в тетрагидро-изо-альфа-кислоты путем возрастающего или непрерывного добавления в реакционную смесь катализаторов, представляющих собой благородные металлы, предпочтительно, Pd катализаторов, катализирующих гидрирование изо-альфа-кислот с получением тетрагидро-изо-альфа-кислот, что подтверждается экспериментальными данными, основанными на применении Pd катализатора. Однако в US 6198004 также указано, что, если требуемыми продуктами являются гексагидро-изо-альфа-кислоты, тетрагидро-изо-альфа-кислота должна подвергаться дальнейшему восстановлению на стадии восстановления, на которой, в частности, используют восстановитель типа борогидрида щелочного металла.
В US 5013571 описано восстановление изо-альфа-кислот до дигидро-изо-альфа-кислот с помощью соединений, представляющих собой борогидриды щелочных металлов, и последующее гидрирование с получением гексагидро-изо-альфа-кислот над Pd катализаторами на подложках на основе углерода, карбоната бария, сульфата бария, карбоната кальция или глинозема. Этот патент также свидетельствует о критической природе указанных процессов восстановления и гидрирования, поскольку в нем сообщается о расщеплении боковой цепи во время процесса восстановления вследствие щелочного рН и во время процесса гидрирования в результате гидрогенолиза.
Подходы, позволяющие избежать образования указанных продуктов пергидрирования, описаны в US 5600012. Если нежелательные побочные продукты, образующиеся при разложении в результате гидрогенолиза, присутствуют в конечном продукте, необходима дополнительная стадия экстракции с применением, например, гексана, для удаления указанных продуктов разложения с последующей стадией испарения растворителя для получения очищенных гексагидро-изо-альфа-кислот.
В US 7344746 описано получение гексагидро-изо-альфа-кислот из дигидро-изо-альфа-кислот с помощью процесса гидрирования (в отсутствие растворителя) с применением катализаторов на основе Pd и Pt, при возможном подмешивании диоксида углерода, которое можно осуществить в периодическом или непрерывном режим.
Описанные выше способы ясно показывают, что превращение хмелевых изо-альфа-кислот в гексагидро-изо-альфа-кислоты, известное в данной области техники, требует применения сложных многостадийных процессов, включающих реакции гидрирования и восстановления (на основе борогидрида щелочного металла), при частом нежелательном образовании побочных продуктов разложения (например, за счет расщепления боковой цепи и гидрогенолиза), которые необходимо удалять с применением процессов экстракции и испарения. Таким образом, сохраняется потребность в улучшенных, упрощенных способах получения гексагидро-изо-альфа-кислот из изо-альфа-кислот или тетрагидро-изо-альфа-кислот.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу одностадийного получения гексагидро-изо-альфа-кислот (гексагидро-изогумулонов или гексагидро-изогумулатов) путем применения гетерогенного рутенийсодержащего катализатора, который катализирует гидрирование изо-альфа-кислоты или тетрагидро-изо-альфа-кислоты с образованием гексагидро-изо-альфа-кислоты, и к композиции гексагидро-изо-альфа-кислот, получаемую указанным способом.
Таким образом, в первом аспекте настоящего изобретения предложен способ гидрирования изо-альфа-кислоты или тетрагидро-изо-альфа-кислоты с получением гексагидро-изо-альфа-кислоты, включающий (i) приведение в контакт или смешивание реагирующего вещества, представляющего собой изо-альфа-кислоту (например, в форме изо-альфа-кислоты, изогумулата щелочного металла или изогумулата щелочноземельного металла), или реагирующего вещества, представляющего собой тетрагидро-изо-альфа-кислоту (например, в форме тетрагидро-изо-альфа-кислоты, тетрагидро-изогумулата щелочного металла или тетрагидро-изогумулата щелочноземельного металла) с гетерогенным рутенийсодержащим катализатором, который катализирует гидрирование указанной изо-альфа-кислоты или указанной тетрагидро-изо-альфа-кислоты с получением гексагидро-изо-альфа-кислоты, в отсутствие или в присутствии растворителя (такого как диоксид углерода, вода, этанол или другой органический растворитель или их смеси) и в отсутствие или в присутствии других хмелевых соединений (таких как альфа-кислоты или бета-кислоты), и (ii) выдерживание указанной смеси в водородсодержащей атмосфере. Водородсодержащую атмосферу можно получить путем увеличения давления в реакционной смеси поддувом чистого водорода или водорода, разбавленного другим газом, предпочтительно, инертным газом, таким как азот, гелий, аргон, диоксид углерода или их смеси.
В отличие от способов, известных из уровня техники, способ согласно настоящему изобретению не включает для получения гексагидро-изо-альфа-кислот дополнительной реакции восстановления с помощью неорганического восстановителя, такого как восстановитель на основе борогидрида щелочного металла (например, борогидрида натрия или калия) или восстановитель на основе гидрида алюминия (например, гидрид алюминия и лития).
Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, реакцию гидрирования проводят при температуре по меньшей мере 293 К, предпочтительно, в диапазоне от 293 К до 398 К, более предпочтительно, от 333 К до 373 К, и наиболее предпочтительно, от 343 К до 363 К. Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения, реакцию гидрирования проводят при парциальных давлениях водорода, варьирующих от 0,02 МПа до 10,0 МПа, и, более предпочтительно, от 0,1 МПа до 5,0 МПа, и, наиболее предпочтительно, от 0,2 МПа до 2,0 МПа.
Время реакции гидрирования достаточно для достижения более чем 99% превращения изо-альфа-кислот (или тетрагидро-изо-альфа-кислот), как в форме свободной кислоты так и в диссоциированной форме (например, в виде изогумулата или тетрагидро-изогумулата), в гексагидро-изо-альфа-кислоты (в форме свободных кислот или в виде гексагидро-изогумулата) с более чем 90% селективностью.
Способ согласно настоящему изобретению может дополнительно включать стадию изомеризации альфа-кислоты перед реакцией гидрирования или в той же реакционной среде, что и реакция гидрирования с получением указанной изо-альфа-кислоты (или тетрагидро-альфа-кислоты с получением указанной тетрагидро-изо-альфа-кислоты).
Способ согласно настоящему изобретению после процесса гидрирования может дополнительно включать стадию отделения гетерогенного рутенийсодержащего катализатора от фазы, содержащей продукт, представляющий собой гексагидро-изо-альфа-кислоты, например, с помощью центрифугирования, фильтрации, декантации или другого способа разделения на твердую и жидкую фазы.
Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, гетерогенный рутенийсодержащий катализатор представляет собой гетерогенный катализатор гидрирования, содержащий рутений на материале подложки, содержащий по меньшей мере 0,1 мас.% рутения (относительно общей массы катализатора, включая материал подложки) и по меньшей мере 5 мас.% рутения в пересчете на металлы, при этом металлы выбраны из группы, состоящей из Ag, Au, Co, Cu, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh и Ru. Материал подложки таких катализаторов, содержащих Ru, может представлять собой материал на основе углерода, оксида или гидроксида, синтетический полимер, биополимер, металлическую структуру, гибридный органический/неорганический материал, цеолит, глину или материал на основе соли. Рутений присутствует в металлическом, гидроксидном или оксидном состоянии. Гетерогенный рутенийсодержащий катализатор предпочтительно представляет собой рутенийсодержащий катализатор с углеродом или глиноземом в качестве материала подложки.
Наряду с рутением, частью катализатора гидрирования, приводящего к образованию гексагидро-изо-альфа-кислот, также могут быть один или более других (благородных) металлов, например, Ag, Au, Co, Cu, Ir, Ni, Pd, Pt и Rh, при этом такие (благородные) металлы могут присутствовать в виде отдельной фазы или смешанной фазы с рутением или в виде сплава. Кроме того, можно использовать комбинацию рутенийсодержащего катализатора вместе с другим гетерогенным катализатором гидрирования, например комбинацию Ru и Pd катализаторов (с высокой и селективной активностью гидрирования С=С). Рутений может присутствовать в таких катализаторах гидрирования в своем металлическом состоянии или в гидроксидном или оксидном состоянии.
Средний размер частиц рутениевой фракции или рутениевых кластеров, присутствующих в рутенийсодержащих катализаторах, предпочтительно составляет по меньшей мере 1 нм и самое большее 1000 нм, как измерено с помощью трансмиссионной электронной микроскопии.
Согласно другому варианту реализации способа, предложенного в настоящем изобретении, молярное отношение изо-альфа-кислоты или тетрагидро-изо-альфа-кислоты, в форме свободной кислоты или в диссоциированной форме (как в изогумулатах и тетрагидро-изогумулатах), к рутениевой фракции катализатор, а гидрирования, составляет от 1 до 2000, предпочтительно, от 10 до 500, более предпочтительно, от 20 до 200.
Другая задача настоящего изобретения обеспечивает композицию хмелевых гексагидро-изо-альфа-кислот, которую можно получить способом согласно настоящему изобретению. В частности, указанная композиция хмелевых гексагидро-изо-альфа-кислот содержит по меньшей мере 50, 60, 70 или 80 мас.%, предпочтительно, по меньшей мере 85 или 90 мас.% гексагидро-изо-альфа-кислот (относительно общей массы альфа-кислот, изо-альфа-кислот и их гидрированных и/или восстановленных производных), при этом указанная композиция гексагидро-изо-альфа-кислот по существу не содержит неорганических соединений, образующихся из неорганического восстановителя, в частности, восстановителя на основе борогидрида. Указанная композиция гексагидро-изо-альфа-кислот предпочтительно содержит менее чем 50 ppm соединений бора, как измерено с помощью элементного анализа. Гексагидро-изо-альфа-кислота может находиться в форме свободной кислоты или в диссоциированной форме. Указанная композиция хмелевых гексагидро-изо-альфа-кислот может не содержать растворитель или гексагидро-изо-альфа-кислота может быть растворена в подходящем растворителе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Перечень чертежей
На фиг.1 показана реакция гидрирования хмелевой изо-альфа-кислоты с получением гексагидро-изо-альфа-кислоты, катализируемая гетерогенными рутенийсодержащими катализаторами, согласно настоящему изобретению. В целом, R представляет собой низший алкил, предпочтительно, C1-C6 алкил.
| R=-СН2СН(СН3)2: | n-; |
| R=-СН(СН3)2: | co-; |
| Р=-СН(СН3)СН2СН3: | ad-; |
| R=-СН2СН2СН(СН3)2: | pre-; |
| R=-СН2СН3: | post-. |
На Фиг.2 показано гидрирование дигидро-изо-альфа-кислот и тетрагидро-изо-альфа-кислот в воде с помощью Ru/C катализатора, в частности, временная зависимость превращения реагирующих веществ.
Описание
Авторами изобретения неожиданно было обнаружено, что применение гетерогенных рутенийсодержащих катализаторов позволяет проводить одностадийную реакцию, в частности, одностадийное гидрирование, хмелевых изо-альфа-кислот с образованием гексагидро-изо-альфа-кислот, без необходимости проведения стадии восстановления с применением неорганического восстанавливающего агента, такого как борогидрид щелочного металла. Таким образом, гетерогенный рутенийсодержащий катализатор способен катализировать гидрирование С=С связей в изо-3-гексеноильной боковой цепи и изопентенильной боковой цепи, а также С=O связь в изо-3-гексеноильной боковой цепи. Для сравнения, катализаторы гидрирования, известные в данной области техники, такие как катализаторы, содержащие Pd, катализируют только гидрирование С=С связей в изо-3-гексеноильной боковой цепи и изопентенильной боковой цепи. При применении катализаторов гидрирования, известных в данной области техники (например, катализатора, содержащего Pd и Pt), восстановление С=O связи в изо-3-гексеноильной боковой цепи требует дополнительной стадии восстановления с применением неорганического восстанавливающего агента, такого как борогидрид натрия или калия.
В настоящем изобретении предложен улучшенный способ превращения или гидрирования изо-альфа-кислот с получением гексагидро-изо-альфа-кислот путем применения гетерогенных рутенийсодержащих катализаторов, как схематически показано на фиг.1. Таким образом, настоящее изобретение относится к способу гидрирования изо-альфа-кислот, включающему смешивание исходного материала, содержащего изо-альфа-кислоту, и гетерогенного рутенийсодержащего катализатора в присутствии газообразного водорода (чистого или в виде смеси с другим газом), в отсутствие или в присутствии подходящего растворителя, и в отсутствие или в присутствии других хмелевых соединений (таких как альфа-кислоты и бета-кислоты). При применении гетерогенных рутенийсодержащих катализаторов и в присутствии в технологическом исходном материале альфа-кислот и бета-кислот, указанные альфа-кислоты и бета-кислоты подвергаются гидрированию с образованием, соответственно, тетрагидро-альфа-кислот и гексагидро-бета-кислот. Гетерогенный рутенийсодержащий катализатор способен катализировать гидрирование С=С связей в изопентенильных боковых цепях альфа-кислот (с двумя изопентенильными боковыми цепями) и бета-кислот (с тремя изопентенильными боковыми цепями).
В контексте настоящего изобретения, исходный материал, содержащий изо-альфа-кислоту, предпочтительно представляет собой экстракт предварительно изомеризованной альфа-кислоты, полученный путем изомеризации хмелевого экстракта, такого как экстракт, обогащенный хмелевой альфа-кислотой, при этом указанный хмелевый экстракт предпочтительно получают с помощью экстракции жидким или сверхкритическим диоксидом углерода. Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения, исходный материал, содержащий изо-альфа-кислоту, также может представлять собой смесь, содержащую изогумулаты, или раствор изогумулатов (диссоциированных изо-альфа-кислот), таких как изогумулаты щелочных металлов или изогумулаты щелочноземельных металлов, в растворителе, таком как вода, диоксид углерода, органические растворители (в том числе, но не ограничиваясь ими, метанол, этанол, 1-пропанол, 2-пропанол или смеси указанных спиртовых растворителей) или их смеси.
Настоящее изобретение также относится к способу гидрирования тетрагидро-изо-альфа-кислот с получением гексагидро-изо-альфа-кислот путем применения гетерогенных рутенийсодержащих катализаторов, включающему смешивание исходного материала, содержащего тетрагидро-изо-альфа-кислоту (тетрагидро-изо-альфа-кислоты, в недиссоциированной форме или в диссоциированной форме), и гетерогенного рутенийсодержащего катализатора в присутствии газообразного водорода (чистого или в виде смеси с другим газом), в отсутствие или в присутствии подходящего растворителя и в отсутствие или в присутствии других хмелевых соединений (таких как альфа-кислоты и бета-кислоты).
Настоящее изобретение также относится к способу по существу одновременной изомеризации и гидрирования альфа-кислот с получением гексагидро-изо-альфа-кислот (и тетрагидро-альфа-кислот с получением гексагидро-изо-альфа-кислот). Под "по существу одновременной" понимают, что изомеризация и гидрирование протекают в одной и той же реакционной среде, катализируемой с применением их соответствующих катализаторов, т.е. подходящего катализатора изомеризации и гетерогенного рутенийсодержащего катализатора гидрирования. Технологические условия предпочтительно выбирают таким образом, чтобы стадия изомеризации гарантированно предшествовала реакции гидрирования в реакционной среде. Однако, если гидрирование альфа-кислот должно происходить до изомеризации альфа-кислот, это приведет к образованию преимущественно тетрагидро-альфа-кислот, которые далее будут подвергаться изомеризации с получением тетрагидро-изо-альфа-кислот. Впоследствии, такие тетрагидро-изо-альфа-кислоты будут подвергаться гидрированию с образованием гексагидро-изо-альфа-кислот над гетерогенным рутенийсодержащим катализатором согласно настоящему изобретению. Подходящие катализаторы изомеризации для изомеризации хмелевых альфа-кислот хорошо известны специалистам в данной области техники. Указанный катализатор для изомеризации альфа-кислот с получением изо-альфа-кислот (или тетрагидро-альфа-кислот с получением тетрагидро-изо-альфа-кислот) предпочтительно представляет собой соединение на основе щелочноземельного металла, действующее как гетерогенный катализатор, которое по существу не растворяется в исходном материале, содержащем альфа-кислоты, или в фазе, содержащей продукт в виде (восстановленных) изо-альфа-кислот. Указанный катализатор изомеризации более предпочтительно представляет собой неорганическое вещество на основе щелочноземельного металла типа алюмината, титаната, силиката или гидроксиапатита, содержащее магний, кальций, стронций или барий или их смеси.
Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, указанный способ дополнительно включает стадию выдерживания смеси в водородсодержащей атмосфере, созданной путем повышения давления в смеси поддувом чистого газообразного водорода или водорода, смешанного с другим газом, предпочтительно, инертным газом, таким как азот, аргон, гелий, диоксид углерода или их смесь. Указанную реакционную смесь в присутствии газообразного водорода предпочтительно подвергают воздействию температуры, при которой реакционная среда, содержащая изо-альфа-кислоту или тетрагидро-изо-альфа-кислоту, обладает достаточно низкой вязкостью, что позволяет легко смешивать ее с катализатором гидрирования, предпочтительно, при перемешивании. Указанная температура предпочтительно составляет по меньшей мере 293 К. Более предпочтительно, допускается проведение реакция гидрирования в течение времени, достаточном для достижения более чем 95%, наиболее предпочтительно, более чем 99%, превращения изо-альфа-кислот (или тетрагидро-изо-альфа-кислот) в гексагидро-изо-альфа-кислоты (в недиссоциированной или в диссоциированной форме, как и в случае гексагидро-изогумулатов) с более чем 90% селективностью. Как понятно обычному специалисту в данной области техники, время реакции для достижения >90% выхода гексагидро-изо-альфа-кислот, с учетом отношения конкретной подложки к рутению и для технологического исходного материала, содержащего конкретную изо-альфа-кислоту или тетрагидро-изо-альфа-кислоту, зависит от характеристик гетерогенного рутенийсодержащего катализатора, в том числе, но не ограничиваясь ими, среднего размера частиц или распределения частиц по размерам в рутениевых кластерах или рутениевой фракции, присутствующей в рутенийсодержащем катализаторе, и типа материала подложки, и также зависит от применяемых технологических условий, таких как температура реакции и давление водорода.
В контексте настоящего изобретения, гетерогенные рутенийсодержащие катализаторы представляют собой катализаторы гидрирования, содержащие по меньшей мере 0,1 мас.% рутения (относительно общей массы катализатора, включая материал подложки) и по меньшей мере 5 мас.% рутения в пересчете на металлы, при этом металлы выбраны из группы, состоящей из Ag, Au, Co, Си, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh и Ru. Подложки указанных рутенийсодержащих катализаторов могут быть на основе углерода (например, представлять собой углерод или активированный углерод с варьирующимся размером пор и частиц, углеродные нанотрубки, материалы графенового типа), могут представлять собой (гидр)оксиды (например, монооксиды или смешанные оксиды на основе Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ti, Si), синтетические полимеры (например, поливинилпиролидон), биополимеры (например, хитозан), металлические структуры (например, металлическую сетку), органические/неорганические гибридные материалы (например, металлоорганические каркасы, координационные полимеры и т.п.), цеолиты (природные или синтетические), глины (например, бентонит) или соли (например, карбонаты, сульфаты на основе щелочноземельных металлов и т.п.). Понятно, что указанный перечень не является ограничивающим. Термин гетерогенный означает, что не происходит никакого значительного или существенного растворения рутения в фазе, содержащей продукт, которое можно измерить с помощью элементного анализа фазы, содержащей указанный продукт, представляющий собой гексагидро-изо-альфа-кислоту. В частности, "никакого значительного или существенного растворения рутениевого катализатора" означает, что фаза, содержащая продукт, по существу не содержит рутения. Как измерено с помощью элементного анализа, в фазе, содержащей продукт, представляющий собой гексагидро-изо-альфа-кислоту, предпочтительно можно обнаружить менее чем 0,01%, более предпочтительно, менее чем 0,001% рутения, присутствующего в катализаторе.
Наряду с рутением, также могут присутствовать один или более других (благородных) металлов, например, Ag, Au, Co, Cu, Ir, Ni, Pd, Pt и Rh. Также понятно, что указанный перечень не является ограничивающим. Такие дополнительные (благородные) металлы могут присутствовать в виде отдельной фазы, или смешанной фазы, или в виде сплава с рутением. Рутенийсодержащий катализатор также можно комбинировать с другим гетерогенным катализатором гидрирования на основе упомянутых выше (благородных) металлов. Рутений может присутствовать в рутенийсодержащем катализаторе гидрирования в своем металлическом состоянии или в виде гидроксида или оксида. Рутениевая фракция или кластеры, присутствующие в рутенийсодержащем катализаторе гидрирования (поскольку они находятся на материале подложки), характеризуются распределением частиц по размеру, изменяющимся от 1 нм до 1000 нм, предпочтительно, от 1,5 нм до 100 нм, более предпочтительно, от 2 нм до 25 нм, как определено с помощью трансмиссионной электронной микроскопии.
Рутенийсодержащий катализатор гидрирования можно использовать при молярном отношении изо-альфа-кислоты (или тетрагидро-изо-альфа-кислоты) к рутениевой фракции, присутствующей в катализаторе гидрирования, изменяющимся от 1 до 2000, более предпочтительно, от 10 до 500, и наиболее предпочтительно, от 20 до 200.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения, гидрирование изо-альфа-кислот (или тетрагидро-изо-альфа-кислот) с получением гексагидро-изо-альфа-кислот, катализируемое гетерогенными рутенийсодержащими катализаторами, происходит при умеренных температурах, составляющих по меньшей мере 293 К. Реакционную смесь предпочтительно поддерживают при температуре реакции в диапазоне от 293 К до 398 К, и более предпочтительно, от 333 К до 373 К, наиболее предпочтительно, от 343 К до 363 К. Реакционную смесь поддерживают при предпочтительной температуре в течение времени реакции, составляющем от 0,1 до 48 часов, более предпочтительно, от 0,5 до 24 часов, наиболее предпочтительно, от 1 до 12 часов. Во время реакции гидрирования над реакционной смесью поддерживают атмосферу, содержащую газообразный водород. Можно использовать либо чистый газообразный водород, либо, в качестве альтернативы, газообразный водород, смешанный с другим газом, в частности, инертным газом, таким как азот, гелий, аргон, диоксид углерода или их смесь. Парциальные давления водорода могут изменяться от 0,02 до 10,0 МПа. Более предпочтительно, парциальное давление водорода составляет от 0,1 до 5,0 МПа и, наиболее предпочтительно, от 0,2 до 2,0 МПа.
Согласно другому варианту реализации, органические молекулы можно использовать в качестве источника водорода в процессе, хорошо известном как гидрирование с переносом водорода, описанном в Heterogeneous Catalytic Transfer Hydrogenation and Its Relation to Other Methods for Reduction of Organic Compounds (R.A.W. Johnstone et al., Chemical Reviews 85 (1985) 129-170).
Гетерогенный рутенийсодержащий катализатор можно применять в условиях отсутствия растворителя. В качестве альтернативы, воду, диоксид углерода и органические растворители (например, метанол, этанол, 1-пропанол, 2-пропанол или смеси указанных спиртовых растворителей) или их смесь можно использовать в качестве реакционной среды.
Кроме того, гетерогенный рутенийсодержащий катализатор можно отделить от реакционной среды с помощью простого центрифугирования, фильтрации, декантации или других способов разделения на твердую и жидкую фазы, что, таким образом, позволяет повторно использовать катализатор.
Процесс гидрирования можно провести в реакторе периодического действия, при этом рутенийсодержащий катализатор и исходный материал, содержащий изо-альфа-кислоту (или тетрагидро-изо-альфа-кислоту) подают реактор периодического действия в начале реакции гидрирования. Согласно другому варианту реализации, катализатор гидрирования применяют в качестве неподвижного слоя в трубчатом реакторе и исходный материал, содержащий изо-альфа-кислоту (или тетрагидро-изо-альфа-кислоту), прокачивают через реактор, что позволяет осуществить прямой сбор продукта, представляющего собой гексагидро-изо-альфа-кислоту, на выходе из реактора. Можно также использовать другие конструкции реактора и технологического процесса, которые в целом известны специалистам в области гетерогенного катализа. Неограничивающий перечень таких реакторных систем можно найти в Applied Heterogeneous Catalysis (J.-F. Lepage et al., Institut Francais du Petrole, Editions Technip, 1987).
После эффективного превращения реагирующего вещества, представляющего собой изо-альфа-кислоту (или тетрагидро-изо-альфа-кислоту), в отсутствие растворителя, продукт, представляющий собой гексагидро-изо-альфа-кислоту, можно выделить в виде органической жидкой фазы с помощью любого типового процесса, подходящего для разделения на твердую и жидкую фазы. Предпочтительные способы включают центрифугирование или фильтрацию гетерогенного рутенийсодержащего катализатора, или декантацию слоя жидкости. Если реакцию гидрирования осуществляют в присутствии растворителей, разделение на твердую и жидкую фазы позволяет получить растворы продукта, представляющего собой гексагидро-изо-альфа-кислоту, в воде и/или органических растворителях, таких как этанол. В случае процесса гидрирования в отсутствие растворителя, преимуществом настоящего изобретения является тот факт, что не требуется никаких дополнительных операций по выделению конечного продукта, таких как экстракция и испарение, для получения высокочистых гексагидро-изо-альфа-кислот в виде фазы, содержащей указанный продукт.
Понятно, что для получения гексагидро-изо-альфа-кислот реакцию гидрирования согласно настоящему изобретению проводят без необходимости дополнительной стадии восстановления, как, например, в способах получения гексагидро-изо-альфа-кислот из изо-альфа-кислот, описанных в уровне техники. В частности, на известном уровне техники гексагидро-изо-альфа-кислоты получают либо (i) путем восстановления изо-альфа-кислот при применении борогидрида щелочного металла с образованием дигидро-изо-альфа-кислот, с последующим (например, катализируемым Pd) гидрированием указанных дигидро-изо-альфа-кислот для получения гексагидро-изо-альфа-кислот или (ii) путем (например, катализируемого Pd) гидрирования изо-альфа-кислот с образованием тетрагидро-изо-альфа-кислот, с последующим восстановлением указанных тетрагидро-изо-альфа-кислот с помощью борогидрида щелочного металла для получения гексагидро-изо-альфа-кислот. Таким образом, преимуществом настоящего изобретения является тот факт, что полученные гексагидро-изо-альфа-кислоты по существу не содержат неорганических соединений, образующихся из неорганического восстанавливающего агента, такого как борогидрид, или восстанавливающего агента на основе гидрида алюминия. В частности, полученные гексагидро-изо-альфа-кислоты, по существу, не содержат соединений бора, образующихся в результате реакций восстановления на основе борогидрида.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение композиции гексагидро-изо-альфа-кислот, которую можно получить способом согласно настоящему изобретению без реакции восстановления с применением неорганического восстанавливающего агента, такого как борогидрид щелочного металла (например, борогидрид натрия или калия) или гидрид щелочного металла и алюминия (например, борогидрид лития и алюминия). Указанные композиции гексагидро-изо-альфа-кислот содержат по меньшей мере 50, 60, 70, 80, 85 или 90 мас.% гексагидро-изо-альфа-кислот, в пересчете на общую массу альфа-кислот, изо-альфа-кислот и их (гидрированных и/или восстановленных) производных, и по существу не содержат неорганических соединений, образующихся из неорганического восстанавливающего агента. Более предпочтительно, указанная композиция гексагидро-изо-альфа-кислот по существу не содержит соединений бора, образующихся в результате реакций восстановления на основе борогидрида. В частности, "по существу не содержат соединений бора" означает, что указанная композиция содержит менее чем 50, 40, 30, 20, 10 или 5 ppm бора, как измерено с помощью элементного анализа.
Настоящее изобретение будет подробно описано ниже со ссылкой на следующие примеры.
Пример 1. Гидрирование изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя с применением Ru/C катализатора
Для обеспечения статистической надежности все эксперименты по гидрированию были проведены три раза. Исходная композиция реагирующего вещества, представляющего собой изо-альфа-кислоту, содержала >96% изо-альфа-кислот; по существу в технологическом исходном материале отсутствовали восстановленные изо-альфа-кислоты, содержание альфа-кислот составляло <1% и содержание бета-кислот составляло <3%. К 0,36 г исходного материала, содержащего изо-альфа-кислоты (≈1 ммоль изо-альфа-кислот), добавляли 0,04 г 5% Ru/C катализатора (≈0,02 ммоль Ru) со средним размером частиц Ru 2 нм (как определено с помощью трансмиссионной электронной микроскопии). Далее, реакционную смесь перемешивали и нагревали до 333 К, 348 К или 363 К в течение различного времени реакции. Все реакционные сосуды были заполнены газообразным водородом при давлении 0,8 МПа. После реакции гидрирования, порошковые катализаторы отделяли от реакционной смеси путем центрифугирования.
Анализы проб проводили с применением прибора ВЭЖХ, оборудованного бинарным насосом, вакуумным дегазатором, автоматическим пробоотборником, колоночным термостатом и диодным матричным детектором. Две колонки Zorbax Extend С18 (с длиной 150 мм × внутренним диаметром 4,6 мм, наполненные 5 мкм частицами) применяли последовательно. Подвижная фаза состояла из 5 мМ ацетата аммония в 20% (по объему) этаноле, рН которого регулировали до 9,95 с помощью аммония (растворитель А), и смеси, состоящей из 60% ацетонитрила (по объему) и 40% этанола (по объему) (растворитель В). Скорость потока устанавливали равной 0,4 мл/мин и проводили элюирование при градиенте растворителя: 0-12 мин: 0-16% В, 12-14 мин: 16-25% В, 14-44 мин: 25-40% В, 44-54 мин: 40-60% В, 54-64 мин: 60-90% В, 64-70 мин: 90-100% В. Температуру колонки поддерживали при 308 К. Вводили 100 мкл отфильтрованных проб. УФ-детектирование реагирующих веществ, представляющих собой изо-альфа-кислоты, и полученных восстановленных продуктов, представляющих собой изо-альфа-кислоты, в частности, дигидро-изо-альфа-кислоты, тетрагидро-изо-альфа-кислоты и гексагидро-изо-альфа-кислоты, выполняли при 256 нм. Пробы, полученные при экспериментах по гидрированию в отсутствие растворителя, анализировали после добавления 1 мл этанола.
При температуре реакции 333 К и применении 0,04 г 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество: рутений=50) 0,36 г изо-альфа-кислот превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 24 ч составлял >90% (таблица 1, запись 1). В контрольном эксперименте, выполненном при 333 К без добавления 5% Ru/C катализатора, при времени реакции, равном 24 ч, подверглось превращению <1% реагирующего вещества, представляющего собой изо-альфа-кислоту (таблица 1, запись 2). В эксперименте, идентичном эксперименту, соответствующему записи 1, но выполненному в течение 20 ч при 348 К, также получили >90% выход гексагидро-изо-альфа-кислот (таблица 1, запись 3). При температуре реакции 363 К, выход гексагидро-изо-альфа-кислот через 16 ч составлял >90% (таблица 1, запись 5). Контрольные эксперименты, выполненные без 5% Ru/C катализатора при 348 или 363 К, привели к <1% превращению реагирующего вещества, представляющего собой изо-альфа-кислоту (таблица 1, записи 4 и 6).
Также было проведена оценка других Ru/C катализаторов с большими размерами частиц Ru. Было обнаружено, что 5% Ru/C катализаторы, характеризующиеся большими средними размерами частиц в Ru кластерах (3 нм - 9 нм), требуют большего времени реакции для достижения выхода гексагидро-изо-альфа-кислот>90%, но для указанных Ru катализаторов наблюдали такую же высокую селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот.
Также было отмечено, что при применении 5% Ru/C катализатора, альфа-кислоты и бета-кислоты, присутствующие при низких концентрациях в исходном материале, содержащем изо-альфа-кислоты, подвергались гидрированию с получением, соответственно, тетрагидро-альфа-кислот и гексагидро-бета-кислот.
| Таблица 1. | |||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя с применением Ru/C катализатора | |||||
| Температура реакции | Время реакции | Катализатор | Превращение изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 333 К | 24 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 2 | 333 К | 24 ч | / | <1% | / |
| запись 3 | 348 К | 20 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 4 | 348 К | 20 ч | / | <1% | / |
| запись 5 | 363 К | 16 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 6 | 363 К | 16 ч | / | <1% | / |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:рутений=50; 0,36 г реагирующего вещества; 0,04 г катализатора.
Пример 2. Гидиирование изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя с применением Ru/Al2O3 катализатора
Эксперименты по гидрированию были выполнены, как описано в примере 1, за исключением типа и количества Ru-содержащего катализатора. В этом эксперименте вместо 0,04 г 5% Ru/C, применяемого в примере 1, использовали 0,08 г 5% Ru/Al2O3 со средним размером частиц Ru 3 нм.
Анализы проб проводили, как описано в примере 1.
При температуре реакции 333 К, и применении 0,08 г 5% Ru/Al2O3 катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25) 0,36 г изо-альфа-кислот превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 24 ч составлял >90% (таблица 2, запись 1). Применение более высоких температур (348 К и 363 К вместо 333 К) позволяет сократить время реакции, необходимое для достижения>90% выхода гексагидро-изо-альфа-кислот, как указано в записях 2 и 3 в таблице 2.
Было обнаружено, что, при применении 5% Ru/Al2O3 катализатора, альфа-кислоты и бета-кислоты, присутствующие при низкой концентрации в технологическом исходном материале, подвергались гидрированию с получением, соответственно, тетрагидро-альфа-кислот и гексагидро-бета-кислот.
| Таблица 2. | |||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя с применением Ru/Al2O3 катализатора | |||||
| Температура реакции | Время реакции | Катализатор | Превращение изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 333 К | 24 ч | 5% Ru/Al2O3 | >99% | >90% |
| запись 2 | 348 К | 20 ч | 5% Ru/Al2O3 | >99% | >90% |
| запись 3 | 363 К | 16 ч | 5% Ru/Al2O3 | >99% | >90% |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25; 0,36 г реагирующего вещества; 0,08 г катализатора.
Пример 3. Гидрирование изо-альфа-кислот в воде с применением Ru/C катализатора
Композиция исходного материала, содержала изо-альфа-кислоты в количестве 5 мас.% (присутствующие в виде солей изогумулата калия), растворенные в воде; в исходном материале по существу отсутствовали восстановленные изо-альфа-кислоты, содержание альфа-кислот составляло <1% и содержание бета-кислот составляло <1% относительно массы (альфа-кислот + изо-альфа-кислот + бета-кислот). К 0,36 г изо-альфа-кислот (≈1 ммоль изо-альфа-кислот), растворенных в воде, добавляли 0,08 г 5% Ru/C катализатора (≈0,04 ммоль Ru). Далее, реакционную смесь перемешивали и нагревали до 333 К, 348 К или 363 К на протяжении изменяющегося времени реакции. Все реакционные сосуды были заполнены газообразным водородом при давлении 1,6 МПа. После реакции гидрирования, порошковые катализаторы отделяли от реакционной смеси путем фильтрации, применяя 5 мкм фильтры.
Анализы проб проводили, как описано в примере 1, за исключением последующей обработки проб. Реакционные пробы анализировали как таковые, без разбавления в этаноле.
При температуре реакции 333 К и применении 0,08 г 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25), 0,36 г изо-альфа-кислот, растворенных в воде, превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 24 ч составлял >90% (таблица 3, запись 1). В экспериментах, идентичных эксперименту, соответствующему записи 1, но выполненному при температурах 348 К и 363 К, также получили >90% выход гексагидро-изо-альфа-кислот через, соответственно, 20 ч и 16 ч (таблица 3, записи 3 и 5). В контрольных экспериментах, выполненных при 333 К, 348 К и 363 К без добавления 5% Ru/C катализатора, подверглось превращению <1% реагирующего вещества, представляющего собой изо-альфа-кислоту, растворенного в воде (таблица 3, записи 2, 4 и 6).
Процессы гидрирования, аналогичные записям 1, 3 и 5 в таблице 3, также были проведены с применением 5% Ru/C катализатора, предварительно обработанного путем выдерживания указанного катализатора в потоке газообразного водорода при 363 К в течение 1 ч перед применением в процессе гидрирования. Каталитические рабочие характеристики предварительно обработанного 5% Ru/C катализатора были аналогичны характеристикам необработанного Ru катализатора.
| Таблица 3. | |||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот в воде с применением Ru/C катализатора | |||||
| Температура реакции | Время реакции | Катализатор | Превращение изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 333 К | 24 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 2 | 333 К | 24 ч | / | <1% | / |
| запись 3 | 348 К | 20 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 4 | 348 К | 20 ч | / | <1% | / |
| запись 5 | 363 К | 16 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 6 | 363 К | 16 ч | / | <1% | / |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество; рутений=25; 0,36 г реагирующего вещества; 0,08 г катализатора.
Пример 4. Гидрирование изо-альфа-кислот в воде с применением Ru/Al2O3 катализатора
Эксперименты по гидрированию и анализы проб были выполнены, как описано в примере 3, за исключением типа и количества Ru катализатора. В этом эксперименте использовали 0,16 г 5% Ru/Al2O3.
При температуре реакции 333 К и применении 0,16 г 5% Ru/Al2O3 катализатора (молярное отношение реагирующее вещество: рутений=12,5) 0,36 г изо-альфа-кислот, растворенных в воде, превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 24 ч составлял >90% (таблица 4, запись 1). В аналогичных экспериментах, выполненных при температурах реакции 348 К и 363 К, также получили>90% выход гексагидро-изо-альфа-кислот через, соответственно, 20 ч и 16 ч (таблица 4, записи 2 и 3).
| Таблица 4. | |||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот в воде с применением Ru/Al2O3 катализатора | |||||
| Температура реакции | Время реакции | Катализатор | Превращение изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 333 К | 24 ч | 5% Ru/Al2O3 | >99% | >90% |
| запись 2 | 348 К | 20 ч | 5% Ru/Al2O3 | >99% | >90% |
| запись 3 | 363 К | 16 ч | 5% Ru/Al2O3 | >99% | >90% |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:рутений=12,5; 0,36 г реагирующего вещества; 0,16 г катализатора.
Пример 5. Гидрирование изо-альфа-кислот в этаноле с применением Ru/C катализатора
Композиция исходного материала содержала изо-альфа-кислоты в количестве 25 мас.%, растворенные в этаноле; в исходном материале по существу отсутствовали восстановленные изо-альфа-кислоты, содержание альфа-кислот составляло <1% и содержание бета-кислот составляло <3% относительно массы (альфа-кислот + изо-альфа-кислот + бета-кислот). К 0,36 г изо-альфа-кислот (≈1 ммоль изо-альфа-кислот), растворенных в этаноле, добавляли 0,04 г 5% Ru/C катализатора (≈0,02 ммоль Ru). Далее, реакционную смесь перемешивали и нагревали до 333 К или 348 К на протяжении изменяющегося времени реакции. Все реакционные сосуды были заполнены газообразным водородом при давлении 2,0 МПа. После реакции гидрирования, порошковые катализаторы отделяли от реакционной смеси путем центрифугирования.
Анализы проб проводили, как описано в примере 1, за исключением обработки проб перед ВЭЖХ анализом. Реакционные пробы анализировали как таковые, без дополнительного разбавления в этаноле.
При 333 К и применении 0,04 г 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=50), 0,36 г изо-альфа-кислот, растворенных в этаноле, превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 28 ч составлял >90% (таблица 5, запись 1). В эксперименте, идентичном эксперименту, соответствующему записи 1, но выполненному при 348 К, через, соответственно, 24 ч получили >90% выход гексагидро-изо-альфа-кислот (таблица 5, запись 3). В контрольных экспериментах, выполненных при 333 К и 348 К, без добавления Ru/C катализатора, подверглось превращению <1% реагирующего вещества, представляющего собой изо-альфа-кислоту (таблица 5, записи 2 и 4).
| Таблица 5. | |||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот в этаноле с применением Ru/C катализатора | |||||
| Температура реакции | Время реакции | Катализатор | Степень конверсии изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 333 К | 28 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 2 | 333 К | 28 ч | / | <1% | / |
| запись 3 | 348 К | 24 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 4 | 348 К | 24 ч | / | <1% | / |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:рутений=50; 0,36 г реагирующего вещества; 0,04 г катализатора.
Пример 6. Гидрирование изо-альфа-кислот в этаноле с применением Ru/Al2O3, катализатора
Эксперименты по гидрированию и анализы проб были выполнены, как описано в примере 5, за исключением типа и количества Ru-содержащего катализатора. В этом эксперименте применяли 0,08 г 5% Ки/Al2O3.
При температуре реакции 333 К и применении 0,08 г 5% Ru/Al2O3 катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25), 0,36 г изо-альфа-кислот, растворенных в этаноле, превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых составлял через 28 ч >90% (таблица 6, запись 1). В аналогичном эксперименте, проведенном при температуре реакции 348 К, через 24 ч получили >90% выход гексагидро-изо-альфа-кислот (таблица 6, запись 2).
| Таблица 6. | |||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот в этаноле с применением Ru/Al2O3 катализатора | |||||
| Температура реакции | Время реакции | Катализатор | Степень конверсии изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 333 К | 28 ч | 5% Ru/Al2O3 | >99% | >90% |
| запись 2 | 348 К | 24 ч | 5% Ru/Al2O3 | >99% | >90% |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25; 0,36 г реагирующего вещества; 0,08 г катализатора.
Пример 7. Гидрирование изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя с применением Ru/C и Pd/C катализаторов
Начальная композиция содержала изо-альфа-кислоты в количестве >96%; в технологическом исходном материале по существу отсутствовали восстановленные изо-альфа-кислоты, содержание альфа-кислот составляло <1% и содержание бета-кислот составляло <3%. Для проведения экспериментов по гидрированию изо-альфа-кислот, катализируемому Ru, 0,04 г 5% Ru/C катализатора (≈0,02 ммоль Ru) добавляли к 0,36 г исходного материала, содержащего изо-альфа-кислоты (≈1 ммоль изо-альфа-кислот). Для проведения гидрирования изо-альфа-кислот, катализируемого Pd, 0,04 г 5% Pd/C (≈0,02 ммоль Pd) добавляли к 0,36 г исходного материала, содержащего изо-альфа-кислоты (≈1 ммоль изо-альфа-кислот). Далее, реакционную смесь перемешивали и нагревали до 348 К на протяжении времени реакции, равном 20 ч, для экспериментов по гидрированию с применением Ru-содержащего катализатора, и равном 16 ч для экспериментов по гидрированию с применением катализатора на основе Pd. Все реакционные сосуды были заполнены газообразным водородом при давлении 0,8 МПа. После реакции гидрирования, порошковые катализаторы отделяли от реакционной смеси путем центрифугирования.
Анализы проб проводили, как описано в примере 1.
| Таблица 7. | ||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя с помощью Ru/C и Pd/C катализаторов | ||||
| Время реакции | Катализатор | Степень конверсии изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 20 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 2 | 16 ч | 5% Pd/C | >99% | <1% |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:рутений=50; молярное отношение реагирующее вещество: палладий=50; 0,36 г реагирующего вещества; 0,04 г катализатора; 348 К.
При температуре реакции 348 К и применении 0,04 г 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=50) 0,36 г изо-альфа-кислот превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 20 ч составлял >90% (таблица 7, запись 1). При этой же температуре реакции, превращению подверглось такое же количество (>99%,) реагирующих веществ, представляющих собой изо-альфа-кислоты, при применении 0,04 г 5% Pd/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:палладий=50), при этом через 16 ч выход гексагидро-изо-альфа-кислот составлял ниже 1%, а выход тетрагидро-изо-альфа-кислот превышал 90% (таблица 7, запись 2).
Пример 8. Гидрирование изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя с помощью комбинации катализаторов Ru/C и Pd/C
Начальная композиция содержала >96% изо-альфа-кислот; в исходном материале по существу отсутствовали восстановленные изо-альфа-кислоты, содержание альфа-кислот составляло <1% и содержание бета-кислот составляло <3%. К 0,36 г исходного материала, содержащего изо-альфа-кислоты (≈1 ммоль изо-альфа-кислот), добавляли 0,04 г 5% Ru/C катализатора (≈0,02 ммоль Ru) и 0,04 г 5% Pd/C (≈0,02 ммоль Pd). Далее, реакционную смесь перемешивали и нагревали до 333 К, 348 К или 363 К на протяжении изменяющегося времени реакции. Все реакционные сосуды были заполнены газообразным водородом при давлении 0,8 МПа. После реакции гидрирования, порошковые катализаторы отделяли от реакционной смеси путем центрифугирования.
Анализы проб проводили, как описано в примере 1.
| Таблица 8. | |||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя с помощью комбинации катализаторов Ru/C и Pd/C | |||||
| Температура реакции | Время реакции | Катализатор | Степень конверсии изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 333 К | 16 ч | 5% Ru/C + 5% Pd/C | >99% | >90% |
| запись 2 | 348 К | 12 ч | 5% Ru/C + 5% Pd/C | >99% | >90% |
| запись 3 | 363 К | 8 ч | 5% Ru/C + 5% Pd/C | >99% | >90% |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:(рутений + палладий)=25; 0,36 г реагирующего вещества; 0,04 г Ru/C катализатора + 0,04 г Pd/C катализатора.
При температуре реакции 333 К и применении 0,04 г 5% Ru/C и 0,04 г 5% Pd/C (молярное отношение реагирующее вещество:(рутений + палладий)=25) 0,36 г изо-альфа-кислот превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 16 ч составлял >90% (таблица 8, запись 1). В экспериментах по гидрированию, идентичных записи 1, но выполненных при 348 К и 363, через, соответственно, 12 ч и 8 ч также получили >90% выход гексагидро-изо-альфа-кислот (таблица 8, записи 2 и 3).
Пример 9. Гидрирование изо-альфа-кислотб дигидро-изо-альфа-кислот и тетоагидро-изо-альфа-кислот в воде с применением Ru/C катализатора
Начальная композиция содержала 5 мас.%. изо-альфа-кислоты, или 5 мас.%. дигидро-изо-альфа-кислоты, или 5 мас.%. тетрагидро-изо-альфа-кислоты (все кислоты присутствовали в форме производных калиевых солей) растворенные в воде; в исходном материале по существу отсутствовали другие (восстановленные) изо-альфа-кислоты, чем заданные реагирующие вещества (соответственно, изо-альфа-кислоты, дигидро-изо-альфа-кислоты и тетрагидро-изо-альфа-кислоты), содержание альфа-кислот составляло <1% и содержание бета-кислот составляло <1% относительно массы (альфа-кислот + (восстановленных) изо-альфа-кислот + бета-кислот). К 0,36 г изо-альфа-кислот (≈1 ммоль изо-альфа-кислот), или к 0,36 г дигидро-изо-альфа-кислот (≈1 ммоль дигидро-изо-альфа-кислот), или к 0,36 г тетрагидро-изо-альфа-кислот (≈1 ммоль тетрагидро-изо-альфа-кислот), растворенных в воде добавляли 0,08 г 5% Ru/C катализатора (≈0,04 ммоль Ru). Далее, реакционную смесь перемешивали и нагревали до 348 К на протяжении изменяющегося времени реакции. Все реакционные сосуды были наполнены газообразным водородом при давлении 1,6 МПа. После реакции гидрирования, порошковые катализаторы отделяли от реакционной смеси путем фильтрации.
Анализы проб проводили, как описано в примере 1, за исключением последующей обработки проб. Реакционные пробы анализировали как таковые, без разбавления в этаноле.
При температуре реакции 348 К и применении 0,08 г 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25) 0,36 г изо-альфа-кислот, растворенных в воде, превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 20 ч составлял >90% (таблица 9, запись 1). При температуре реакции 348 К, 0,36 г дигидро-изо-альфа-кислот, растворенных в воде, превратилось при применении 0,08 г 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25) в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 12 ч составлял >90% (запись 3). В контрольном эксперименте без 5% Ru/C катализатора, подверглось превращению <1% реагирующего вещества, представляющего собой дигидро-изо-альфа-кислоту (запись 4). При температуре реакции 348 К, 0,36 г тетрагидро-изо-альфа-кислот, растворенных в воде, превратилось при применении 0,08 г 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25) в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 16 ч составлял >90% (запись 5). В контрольном эксперименте без 5% Ru/C катализатора, подверглось превращению <1% реагирующего вещества, представляющего собой тетрагидро-изо-альфа-кислоту (запись 6).
Зависимость степени превращения дигидро-изо-альфа-кислот и тетрагидро-изо-альфа-кислот, приводящего к получению продуктов, представляющих собой гексагидро-изо-альфа-кислоты, от времени приведена на фиг.2.
| Таблица 9. | |||||
| Гидрирование изо-альфа-кислот, дигидро-изо-альфа-кислот и тетрагидро-изо-альфа-кислот в воде с применением Ru/C катализатора | |||||
| Реагирующее вещество | Время реакции | Катализатор | Степень конверсии реагирующег о вещества | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | изо-альфа-кислота | 20 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 2 | изо-альфа-кислота | 20 ч | / | <1% | / |
| запись 3 | дигидро-изо-альфа-кислота | 12 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 4 | дигидро-изо-альфа-кислота | 12 ч | / | <1% | / |
| запись 5 | тетрагидро-изо-альфа-кислота | 16 ч | 5% Ru/C | >99% | >90% |
| запись 6 | тетрагидро-изо-альфа-кислота | 16 ч | / | <1% | / |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:рутений=25; 0,36 г реагирующего вещества; 0,08 г катализатора; 348 К.
Пример 10. Повторное использование Ru/C катализатора при гидрировании изо-апьсЬа-кислот в отсутствие растворителя
Эксперименты по гидрированию и анализы проб были выполнены, как описано в примере 1. После отделения порошка Ru/C катализатора от реакционной смеси путем центрифугирования, Ru/C катализатор повторно использовали при следующем гидрировании изо-альфа-кислот.
При температуре реакции 333 К и применении 0,04 г 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=50) 0,36 г изо-альфа-кислот превратилось в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 24 ч составлял >90% (таблица 10, запись 1). При этой же температуре реакции, 0,36 г изо-альфа-кислот превратилось при применении 0,04 г повторно используемого 5% Ru/C катализатора (молярное отношение реагирующее вещество:рутений=50) в гексагидро-изо-альфа-кислоты, выход которых через 24 ч составлял >90% (таблица 10, запись 2). Также в случае более высоких температур реакции (348 К и 363 К), рабочие характеристики 5% Ru/C катализатора после повторного использования доказали стабильность как с точки зрения активности, так и селективности гидрирования, как показано в таблице 10, записи 3-6.
| Таблица 10. | |||||
| Повторное использование Ru/C катализатора при гидрировании изо-альфа-кислот в отсутствие растворителя | |||||
| Температура реакции | Время реакции | Применение катализатора | Степень конверсии изо-альфа-кислот | Селективность в отношении гексагидро-изо-альфа-кислот | |
| запись 1 | 333 К | 24 ч | №1 | >99% | >90% |
| запись 2 | 333 К | 24 ч | №2 | >99% | >90% |
| запись 3 | 348 К | 20 ч | №1 | >99% | >90% |
| запись 4 | 348 К | 20 ч | №2 | >99% | >90% |
| запись 5 | 363 К | 16 ч | №1 | >99% | >90% |
| запись 6 | 363 К | 16 ч | №2 | >99% | >90% |
Условия реакции: молярное отношение реагирующее вещество:рутений=50; 0,36 г реагирующего вещества; 0,04 г 5% Ru/C катализатора.
Пример 11. Гидрирование изо-альфа-кислот с применением Ru/C катализатора: элементный анализ продуктов реакции
Элементные анализы реакционных проб были выполнены с применением атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой. Спектральными линиями, применяемыми для детектирования Ru, были линии с длиной волны 240,272 нм. Перед элементным анализом реакционных проб, была построена калибровочная кривая для установления связи концентрации Ru с интенсивностью сигнала обнаружения. Пробы, полученные в ходе экспериментов по гидрированию в отсутствие растворителя, экспериментов по гидрированию в воде и экспериментов по гидрированию в этаноле анализировали после 100-кратного разбавления в воде.
При экспериментах по гидрированию в условиях отсутствия растворителя, в водной среде и в этанольной среде, методом атомно-эмиссионнй спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-AES) не обнаружили выщелачивание Ru из Ru/C катализатора в реакционную среду. Во всех случаях, в ходе экспериментов по гидрированию менее чем 0,01% Ru растворялось из 5% Ru/C катализатора и переходило в фазу, содержащую продукт.
Специалистам в данной области из описания и примеров реализации изобретения, приведенных в настоящей заявке, будут очевидны другие варианты реализации настоящего изобретения. Подразумевают, что описание и примеры следует рассматривать только как иллюстративные, при этом подлинная сущность и объем изобретения выражены в следующей формуле изобретения.
1. Способ гидрирования изо-альфа-кислоты с получением гексагидро-изо-альфа-кислоты, включающий
(i) стадию приведения в контакт или смешивания исходного материала, содержащего изо-альфа-кислоту, с гетерогенным рутенийсодержащим катализатором, при этом указанный гетерогенный рутенийсодержащий катализатор катализирует гидрирование изо-альфа-кислоты с получением гексагидро-изо-альфа-кислоты, и
(ii) стадию выдерживания реакционной среды или смеси в атмосфере, содержащей водород с осуществлением реакции гидрирования.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в указанном способе отсутствует реакция восстановления с помощью неорганического восстанавливающего агента, такого как восстанавливающий агент на основе борогидрида или восстанавливающий агент на основе гидрида алюминия.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что указанная изо-альфа-кислота находится в форме свободной кислоты или в диссоциированной форме.
4. Способ гидрирования тетрагидро-изо-альфа-кислоты с получением гексагидро-изо-альфа-кислоты, включающий стадию (i) приведения в контакт или смешивания исходного материала, содержащего тетрагидро-изо-альфа-кислоту, с гетерогенным рутенийсодержащим катализатором, при этом указанный гетерогенный рутенийсодержащий катализатор катализирует гидрирование указанной тетрагидро-изо-альфа-кислоты с получением гексагидро-изо-альфа-кислоты и стадию (ii) выдерживания реакционной среды или смеси в атмосфере, содержащей водород, для проведения реакции гидрирования.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что указанная тетрагидро-изо-альфа-кислота находится в форме свободной кислоты или в диссоциированной форме.
6. Способ по пп.1 и 2, дополнительно включающий стадию изомеризации альфа-кислоты с получением указанной изо-альфа-кислоты (или тетрагидро-альфа-кислоты с получением указанной тетрагидро-изо-альфа-кислоты) перед реакцией гидрирования или в той же реакционной среде, что и реакция гидрирования.
7. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что указанную атмосферу, содержащую водород, получают путем увеличения давления в указанной реакционной среде или смеси поддувом чистого водорода или водорода, разбавленного другим газом, таким как инертный газ, например азот, гелий, аргон, диоксид углерода или их смесь.
8. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что реакцию гидрирования проводят при температуре по меньшей мере 293 К.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что реакцию гидрирования проводят при температуре от 333 К до 373 К.
10. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что реакцию гидрирования проводят в отсутствие растворителя или в диоксиде углерода, воде, этаноле, другом органическом растворителе или их смеси.
11. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что реакцию гидрирования проводят при парциальном давлении водорода, составляющем от 0,02 МПа до 10,0 МПа.
12. Способ по пп.1 и 2, дополнительно включающий после указанной реакции стадию отделения гетерогенного рутенийсодержащего катализатора от полученного продукта, представляющего собой гексагидро-изо-альфа-кислоту, с помощью центрифугирования, фильтрации или другого метода разделения на твердую и жидкую фазы.
13. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что гетерогенный рутенийсодержащий катализатор представляет собой гетерогенный катализатор, включающий рутений на материале подложки, содержащий по меньшей мере 0,1 мас.% рутения относительно общей массы катализатора, включая материал подложки, и по меньшей мере 5 мас.% рутения в пересчете на металлы, при этом металлы выбрают из Ag, Au, Co, Cu, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh и Ru.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что материал подложки рутенийсодержащего катализатора представляет собой углерод, оксид или гидроксид, синтетический полимер, биополимер, металлическую структуру, гибридный органический/неорганический материал, цеолит, глинистую породу или материал на основе соли.
15. Способ по пп.13, отличающийся тем, что рутений присутствует в металлическом, гидроксидном или оксидном состоянии.
16. Способ по пп.13, отличающийся тем, что рутений присутствует вместе с одним или более другим (благородным) металлом, выбранным из Ag, Au, Co, Cu, Ir, Ni, Pd, Pt и Rh.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что рутений образует отдельную от другого (благородного) металла или металлов фазу.
18. Способ по п.16, отличающийся тем, что рутений образует смешанную или сплавленную с другими (благородными) металлами фазу.
19. Способ по пп.13, отличающийся тем, что катализатор представляет собой рутений на углеродной подложке или рутений на глиноземной подложке.
20. Способ по пп.13, отличающийся тем, что средний размер частиц рутениевой фракции, присутствующей в катализаторе, составляет от 1 нм до 1000 нм, как измерено с помощью трансмиссионной электронной микроскопии.
21. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что молярное отношение изо-альфа-кислоты к рутению или тетрагидро-изо-альфа-кислоты к рутению составляет от 1 до 2000, соответственно.
