[发明专利]一种催化乳酸氧化脱氢制备丙酮酸的方法

说明书

本发明提供了一种在温和条件下将乳酸氧化脱氢为丙酮酸的方法，及在该方法中使用的催化剂。该方法以氧气或空气为氧化剂，水为溶剂，反应温度在20‑100℃，反应时间为0.2‑36h；催化剂为负载型金属催化剂，载体为碳材料或金属氧化物，主活性成分为Pt或Pd，助剂组分为Te、Sn、Pb、Bi中的一种或几种。本发明以空气或氧气作为氧源，原料乳酸可由生物质资源获得，绿色环保，成本低廉；催化剂制备过程简单，催化活性和选择性高；反应条件温和，产物和催化剂易分离，适用于工业生产，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种化学品的制备方法，涉及以乳酸为原料，分子氧为氧化剂，水为溶剂，在温和条件下生产丙酮酸的方法。

背景技术

丙酮酸，又称2-氧代丙酸或乙酰基甲酸，因其同时具有羰基和羧基两个官能团，而成为一种广泛应用的有机合成中间体。其应用领域涵盖农业(杀菌剂、除草剂)、食品(防腐剂、抗氧化剂)、化妆品业(增白剂)等，特别是在医药领域，丙酮酸可用于合成高血压药物、减肥药和抗癌药物等，因此，其市场需求日益扩大。与此同时，丙酮酸的产量尚不能满足要求，这主要是由其较高的生产成本所限制。目前生产丙酮酸的方法主要包括生物发酵法和化学合成法。发酵法利用糖质原料(如葡萄糖、葡萄糖醛酸、丙二醇、丙三醇和丙酸)在细菌、放线菌或者酵母的作用下，经一到三天发酵得到丙酮酸。发酵法的优点在于方法简单、研究历史悠久，但它的乳酸转化效率较低、产物分离的成本较高。为满足日益增长的丙酮酸需求，发展高效的化学合成丙酮酸的方法成为研究的热点。目前制备丙酮酸的化学合成方法包括酒石酸脱水脱羧法、乙酰氯法、1,2-丙二醇法等，工业生产主要应用酒石酸脱水脱羧法。该方法由Erlenmeyer于1881年首先报道，尽管它具有50-55％的丙酮酸收率，但其生产过程需要消耗大量的KHSO4粉末，生产成本高，且高耗能高污染，不符合可持续发展的要求。因此，开发绿色环保的生产方法，如以生物质为原料合成丙酮酸具有广阔的发展前景和意义。

乳酸，即2-羟基丙酸，是一种在人体和动物等生物体中广泛存在的有机酸。目前，乳酸发酵工业工艺成熟，可充分利用各种碳水化合物和纤维素的水解产物作为发酵原料获得，使之成为替代石油基工业化学品的新型平台化合物之一(Energy&Environ.Sci.,2013,6,1415-1442)。

目前由以乳酸为原料制备丙酮酸主要有气相和液相两类反应。①气相反应，通常在250℃或以上的高温环境中，采用金属含氧化合物(如MoO3，Ni-Nb复合氧化物等)作为催化剂。该方法的主要问题在于：反应温度较高，水热压力和能耗较大，所需要的生产设备要求较高，且副反应较多，丙酮酸收率在55％左右(J.Mol.Catal.A:Chem.,2013,377,123-128)。②液相法，该方法通过在小于100℃的常温条件下，通入常压的氧气或者空气，加入NaOH等无机碱，即可获得较高的丙酮酸收率，例如，在85℃的条件下，调节pH在8左右，反应5h，可得68％的丙酮酸收率(Catal.Lett.,2009,131,129-134)。但目前存在的主要问题在于：乳酸的转化效率较低，使得含贵金属催化剂未得到充分利用，且增加装置运行成本。因此，由生物质乳酸经催化氧化脱氢得到丙酮酸，仍需要继续探索具有较高转化效率和丙酮酸选择性的催化剂，使得在较温和的条件下，获得高的乳酸转化率和丙酮酸收率。

发明内容

本发明的目的是提供一种以乳酸为原料，水为溶剂，以分子氧为氧源，采用负载型催化剂，在温和条件下，将乳酸氧化脱氢制取丙酮酸酸的方法。

本发明采用的技术方案为：

所述利用乳酸氧化脱氢制备丙酮酸的方法，是在由乳酸、水、催化剂和碱组成的反应体系中通入分子氧进行氧化反应，反应温度为20-100℃，反应时间为0.5-36h，乳酸在负载型金属催化剂的作用下，在水溶液中一步法得到丙酮酸。