余依玲
,
高保娇
,
李艳飞
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60651-2
以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体,以乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)为交联剂,采用悬浮聚合法制得交联聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(CPGMA)微球,然后以4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(4-OH-TEMPO)为试剂,使CPGMA微球表面的环氧基团发生开环反应,从而制得了TEMPO固载化微球TEMPO/CPGMA,考察了制备条件对固载化反应的影响,并采用多种方法对微球TEMPO/CPGMA进行了表征.将微球TEMPO/CPGMA与CuC1组成共催化体系,用于分子氧氧化苯甲醇,考察了反应条件对催化体系性能的影响.结果表明,以含环氧基团的聚合物微球CPGMA为载体,通过开环反应,可成功地实现TEMPO的固载化,开环反应属SN2亲核取代反应,适宜采用溶剂N,N'-二甲基甲酰胺和反应温度85℃.非均相催化剂TEMPO/CPGMA与助催化剂CuC1构成共催化体系,在室温、常压O2条件下可高效地将苯甲醇氧化为苯甲醛,产物选择性和产率分别为100％和90％.主催化剂TEMPO与助催化剂CuC1适宜的摩尔比为1:1.2;主催化剂适宜用量为0.90g.此外,TEMPO/CPGMA固体催化剂具有良好的循环使用性能.
关键词:
聚甲基丙烯酸缩水甘油酯
,
氮氧自由基
,
固载
,
醇氧化
,
分子氧
高保娇
,
张利琴
,
陈涛
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60902-0
醇氧化为羰基化合物是有机合成工业中最重要的化学转变之一,在实验室研究和精细化工生产中都占有非常重要的地位.使用传统的化学计量强氧化剂(如CrO3, KMnO4, MnO2等),不但成本高及反应条件苛刻,还会产生大量污染环境的废弃物.因此,需要大力发展高效、绿色化的醇转变为羰基化合物的氧化途径.以2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(TEMPO)为催化剂,分子氧为氧化剂,可在温和条件下绿色化地实现醇的氧化转变.该催化氧化作用的实质是TEMPO经过单电子氧化过程转化为相应的氮羰基阳离子,该阳离子是一个具有强氧化性的氧化剂,可将伯醇和仲醇分别快速地、高转化率、高选择性地氧化为对应的醛或酮.然而,目前使用的TEMPO大多为均相催化剂,虽然表现出良好的催化活性和选择性,但反应后难以分离回收,不能再循环使用,严重制约着这一催化体系的发展.本文将TEMPO化学键合在聚合物载体上,在非均相催化剂的作用下,以期实现环已醇的分子氧氧化,将其转变为环已酮.首先采用悬浮聚合法,制备了交联聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(CPGMA)微球,该聚合物微球表面含有大量环氧基团,为实现TEMPO的固载化提供了条件.以4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(4-OH-TEMPO)为试剂,使CPGMA微球表面的环氧基团发生开环反应,从而将TEMPO键合于微球表面,制得了固载有TEMPO的聚合物微球TEMPO/CPGMA.将此非均相催化剂与Fe(NO3)3组成共催化体系,应用于分子氧氧化环己醇的催化氧化过程,深入考察了该共催化体系的催化性能,并探索研究了催化氧化机理,考察了主要条件对催化氧化反应的影响.结果表明,共催化体系TEMPO/CPGMA+Fe(NO3)3可以有效地催化分子氧氧化环己醇的氧化过程,将环己醇转化为唯一的产物环己酮,显示出良好的催化选择性.助催化剂Fe(NO3)3化学结构中的Fe3+离子和NO3–离子两种物种均参与催化过程,共同发挥助催化剂的作用,伴随着两种价态铁物种Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的转变以及NO3–与NO2–之间的转变,固载化的氮氧自由基TEMPO不断地转变为氮羰基阳离子,该氧化剂物种使环己醇的氧化反应不断地循环进行.对于共催化体系TEMPO/CPGMA+Fe(NO3)3的使用,适宜的反应条件为TEMPO与Fe(NO3)3的摩尔比为1：1,55°C,通入常压O2.反应35 h,环己酮的转化率可达到44.1%.因此,在温和条件下,使用固载化的TEMPO,有效地实现了环己醇向环己酮的转化.此外,固载化催化剂TEMPO/CPGMA在循环使用过程中表现出良好的重复使用性能.
关键词:
氮氧自由基
,
聚甲基丙烯酸缩水甘油酯
,
固载化
,
组合催化剂
,
环己醇氧化
,
分子氧
耿龙龙
,
宋金玲
,
郑彬
,
吴淑杰
,
张文祥
,
贾明君
,
刘钢
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62506-8
亚胺是一类重要的含氮有机化合物,广泛应用于生物医药、精细化工和农业生产中.由于其分子中具有不饱和C=N双键,亚胺化合物可以通过不同化学过程(如氧化还原、加成、偶合等)合成多种衍生物.工业上合成亚胺普遍采用羰基化合物与胺偶合反应获得,由于该反应需要强酸作为催化剂和脱水剂,在应用中往往对设备造成不同程度的破坏.选择氧气或空气为氧化剂,通过醇与胺氧化偶合反应合成亚胺,其副产物只有水,是一条较为绿色的合成路线.近期研究表明,均相和负载型贵金属催化剂(如Pd,Pt和Au等)在该反应中表现出较好的低温催化性能,但需要在反应过程中添加大量碱性助剂.一些非贵金属氧化物催化剂如CeO2和MnOx/HAP等在该过程中表现出一定的催化活性,但其催化效率普遍较低,往往需要在24 h甚至更长反应时间实现～90％亚胺收率.因此仍需开发一些更为高效的非贵金属催化剂用于上述反应.本文以经过硝酸活化处理的有序多孔炭(CMK-3)为载体,制备了负载型氧化铁催化剂(FeOx/HCMK-3),考察了它在苯甲醇与苯胺氧化偶合合成亚胺反应中的催化性能,同时结合一系列表征手段研究了催化剂物理化学性质与其催化性能之间的关系.X射线衍射和氮吸附脱附结果显示,负载后的样品仍然保持了介孔炭原有的孔道结构,没有出现较大的氧化铁粒子;透射电镜、高角暗场扫描透射电镜及能量散射谱结果进一步显示,氧化铁物种相对均匀地分散在载体表面;程序升温还原结果显示,与块体氧化铁相比,FeOx/HCMK-3上的氧化铁物种(FeOx)更易被还原,这可能与氧化铁粒子较小有关.反应结果显示,在空气氛围中FeOx/HCMK-3能够高效催化醇与胺的氧化偶合反应,反应6h亚胺收率即达到98.8％.催化剂具有较高的稳定性,可多次循环使用,没有检测到铁物种流失.此外,FeOx/HCMK-3在多种苯甲醇衍生物与苯胺的氧化偶合反应中都表现出较好的催化性能.结合表征和反应结果可以推测,催化剂上的氧物种参与了反应过程,FeOx/HCMK-3催化剂具有较强的活化氧分子的能力,反应在该催化剂上可能遵循氧化-还原机理.该催化剂上醇与胺氧化偶合反应主要经历两个连续的反应过程:首先苯甲醇被FeOx/HCMK-3催化剂上的活泼氧物种氧化生成苯甲醛中间体;随后,在反应中生成的醛在催化剂上迅速与胺反应生成亚胺化合物,同时催化剂通过与空气中氧分子反应恢复到初始状态,完成整个催化循环.
关键词:
铁基催化剂
,
亚胺合成
,
氧化偶合
,
介孔炭
,
分子氧
张庆
,
郭杨龙
,
詹望成
,
郭耘
,
王丽
,
王筠松
,
卢冠忠
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62539-1
环氧丙烷(PO)是一种重要的有机化工中间体,可以用来生产聚氨酯、丙二醇和表面活性剂等化工产品,具有很高的工业应用价值.然而,目前PO的生产工艺仍然存在着环境污染、副产物、原料经济性等不足之处.考虑到环保、技术、资金等关键性问题,丙烯气相环氧化工艺是PO生产工艺未来的发展方向,利用分子氧作为氧化剂的丙烯气相环氧化反应是最理想、原子经济性最高的反应,也是当今催化界最具挑战性的课题之一.研究报道Ag基催化剂和Cu基催化剂催化丙烯气相环氧化反应可得到较好的催化性能.尽管Ag催化剂催化乙烯氧化制环氧乙烷反应已成功实现工业化,但是Ag催化剂催化丙烯环氧化反应得到的PO选择性低于10%,这是由于丙烯比乙烯多出的甲基中的α-H受双键影响变得非常活泼,C?H键易断裂,导致丙烯容易发生完全氧化反应生成CO2.因此,研究报道采用不同助剂对Ag催化剂进行改性以提高Ag基催化剂的催化性能.我们在前期研究中制备了Ag-CuCl2/BaCO3催化剂,当CuCl2的负载量为0.036 wt%Cu和0.040 wt%Cl时,催化剂具有最优的催化性能,可以得到1.3%的丙烯转化率和71.2%的PO选择性.适量CuCl2的改性使得催化剂表面吸附分子氧物种,同时抑制原子氧物种的形成,从而提高PO选择性.但是CuCl2作为前驱体有一个不足之处,就是引入的Cu和Cl的比例是恒定的,不可调节.因此,我们以Cu(NO3)2和NH4Cl作为Cu和Cl的前驱体,采用还原-沉积-等体积浸渍法制备Ag-Cu-Cl/BaCO3催化剂,分别通过调节Cu和Cl的负载量来进一步提高Ag-Cu-Cl/BaCO3催化剂的催化性能,采用粉末X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和氧气程序升温脱附(O2-TPD)等表征手段来研究催化剂中Cu和Cl的作用.研究发现,Cl负载量的提高更容易导致大尺寸Ag颗粒的形成,而Cu负载量的提高对Ag颗粒尺寸影响不大.适当的Cl负载量可抑制氧气在催化剂表面解离吸附形成原子氧物种,从而抑制了丙烯的完全氧化,提高PO选择性.过高的Cl负载量会导致催化剂发生Cl中毒,从而降低了催化性能.适当的Cu负载量有利于丙烯气相环氧化反应生成PO,但当Cu负载量过高时容易导致Cu物种发生聚集,更多原子氧物种吸附于Ag颗粒表面,有利于丙烯完全氧化反应生成CO2,降低了PO选择性.适当的Cu和Cl负载量使得催化剂表面吸附的分子氧物种和原子氧物种达到平衡,有利于丙烯气相环氧化反应.当Cu和Cl负载量分别为0.036 wt%和0.060 wt%时,Ag-Cu-Cl/BaCO3催化剂具有最优的催化性能,在200℃,0.1 MPa,3000h-1反应条件下可得到1.2%的丙烯转化率和83.7%的PO选择性.
关键词:
丙烯环氧化
,
环氧丙烷
,
分子氧
,
Ag基催化剂
,
铜
,
氯
陈可先
,
谢海英
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62777-3
基于氧气(空气)为氧源的选择性催化分子氧氧化技术在制备含氧精细化学品或食品添加剂与医药等的重要中间体方面一直受到科学界的广泛关注.由于碳氢化合物中碳氢键的反应惰性和分子氧的自旋禁阻作用,设计与开发高效催化剂或催化体系以实现碳氢化合物的选择性氧化是当前催化氧化领域的研究热点.在已发展的过渡金属盐、仿生催化剂、有机催化剂、酶、碳材料和卤化物等众多催化剂中,以N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)为代表的羟胺有机催化剂由于在温和条件下的卓越催化性能而备受瞩目.尽管基于羟胺有机催化剂的催化体系具有良好的工业应用前景,但仍存在催化剂高温易分解、使用量较大和可回收性较差等缺点.近年来,许多实验与理论工作围绕改进这些缺点展开,设计了一系列羟胺有机催化剂及其协同催化体系,如在NHPI结构中修饰疏水链基团、吸电子基团、N-烷氧基团和离子液体,或固载金属-有机框架材料、无机物和聚合物,或组合光催化剂.尽管已有大量综述总结了相关研究进展,但尚未见到有关近年来发展的多羟胺有机催化剂及其高效催化氧化性能的综述报道.本文综述了近15年来多羟胺有机催化剂选择性催化分子氧氧化碳氢化合物的研究进展.首先,简要概述了N,N-二羟基邻苯二甲酰亚胺(NDHPI)和N,N',N"-三羟基异氰基尿酸(THICA)两种多羟胺有机催化剂的合成方法,系统介绍了它们在各类碳氢化合物氧化中的高效催化性能,并与普遍应用的NHPI的催化性能进行对比.由于NDHPI与THICA具有多羟胺的独特结构,它们只需要比NHPI更少的用量便可获得比NHPI更高的催化氧化效率,可以直接利用高压空气实现对碳氢化合物的选择性催化氧化,并且在较高温度下依然具有较好的催化效果.在此基础上,介绍了联系实验与理论之间的重要工作,总结了多羟胺有机催化剂的合理设计策略.理论计算研究揭示了NDHPI与THICA的催化性能优于NHPI的主要原因是具有类似于吸电子效应的多羟胺与多氮氧自由基结构能显著增强催化剂的夺氢活性.通过对NDHPI结构的进一步修饰和夺氢活性研究,提出了该类催化剂的合理设计策略:在芳环体系中增加共轭的羟胺基团数量,或在NDHPI苯环中掺杂N原子或引入离子对基团都能提高催化剂的夺氢活性;增大芳环共轭体系对催化剂的夺氢活性影响较小,但该活性仍高于NHPI.这也为基于碳材料的非均相共轭多羟胺有机催化剂的开发提供了理论依据.最后,结合羟胺有机催化剂的发展现状和上述设计策略,设计了基于金属卟啉/席夫碱等仿生催化剂、(含离子对结构)聚合物、非均相碳材料和多N-烷氧基团等几种具有潜在发展前景的模型多羟胺有机催化剂,分别讨论了这些催化剂的优点和局限性,并展望了多羟胺有机催化剂的可能应用及其在催化氧化过程中仍需系统研究的方向.
关键词:
分子氧
,
N-羟基邻苯二甲酰亚胺
,
有机催化
,
氧化
,
自由基
