甲苯类化合物的选择性氧化

论文摘要

芳香醛是重要的有机合成中间体,在医药,农药,染料等方面具有重要的应用价值,传统生产芳香醛的方法是甲苯类化合物的氯化水解法,该方法带来了严重的环境污染。以氧气为廉价、清洁氧源实现甲苯类化合物的选择性氧化是一个极富挑战性和具有重大战略意义的课题,近年来引起了广泛关注。本文采用液相氧化法,主要探索了以下几个方面:（1）研究了醋酸-水混合溶剂中,Co（OAc）2/Mn（OAc）2/KBr催化剂催化下对氯甲苯的选择性氧化。采用醋酸-水混合溶剂代替通常所用的纯醋酸作为反应介质,避免了醋酸和水的分离,利于溶剂的回收利用。混合溶剂中金属组分会生成沉淀,大大降低了催化的活性,XRD、FT-IR、AAS分析显示沉淀为二氧化锰。发展并完善了沉淀的形成机理,通过系列实验证明了氧气直接氧化Mn（Ⅱ）或Mn（Ⅲ）对沉淀的形成几乎没有贡献,同时对影响沉淀形成的主要因素进行了探讨。对反应条件进行了优化,优化的反应条件如下:醋酸-水混合溶剂的初始含水量为10wt.%,Co/（Co+Mn）摩尔比和Br/（Co+Mn）摩尔比均为0.4,催化剂用量为对氯甲苯质量的4%、对氯甲苯/溶剂体积比为1.5、反应温度106℃、反应时间10h、氧气流速10mL/min。在优化的反应条件下,反应的转化率和选择性可达19.7%、72.4%,对氯苯甲醛收率可达14.3%。（2）针对Co（OAc）2/Mn（OAc）2/KBr催化体系中出现沉淀的问题,以对氯甲苯的选择性氧化为探针,对MC三组分催化剂进行了系统的探索。通过对第二金属组分、不同的金属盐或配合物、不同溶剂、不同引发剂的筛选,确定了较佳的三组分MC催化体系。研究发现,当以MnSO4代替Mn（OAc）2时,反应中几乎不生成沉淀,大大提高了催化剂的活性;并且在转化率相似时,Co（OAc）2/MnSO4/KBr催化剂的选择性与Co（OAc）2/Mn（OAc）2/KBr催化剂的选择性相差不大。对Co（OAc）2/MnSO4/KBr催化体系的反应条件进行了优化,较佳的Co/（Co+Mn）摩尔比为0.2、较佳的Br/（Co+Mn）摩尔比为0.3、较佳的反应的温度为106℃。混合溶剂的初始含水量是一个极为重要的因素,由于水对反应复杂的双重影响,催化剂的活性随初始含水量的变化呈现出复杂的变化趋势。反应过程中溴组分会转变为无活性的苄溴,在纯醋酸溶剂中,催化剂会因苄溴的形成而发生催化剂失活现象;在醋酸-水混合溶剂中,由于水对苄溴的溶剂化作用会使苄溴还原为溴离子,一定程度上保持了催化剂活性;并且在一定范围内,含水量的提高有益于生成醛选择性的提高,研究表明,将混合溶剂的初始含水量控制在5-10wt.%是较为有利的。优化的反应条件下反应10h,对氯甲苯的转化率可达33.7%,生成醛的选择性为66.6%,对氯苯甲醛收率为22.4%,结果重现性良好。回收利用实验表明,在回收的催化剂中补加全部的溴组分和5%的金属组分,催化剂可以进行多次回收利用。该催化体系有较广泛的适用性,对甲苯、邻氯甲苯、2,4-二氯甲苯也具有较好的催化氧化性能。（3）将M（acac）n/CH3CHO仿生催化体系用于对氯甲苯的选择性氧化,研究了不同中心金属离子、催化剂用量、乙醛用量、氧气压力、反应时间及反应介质对反应的影响。在金属配合物中Co（acac）3的催化性能最好,在其用量为0.764 mmol、乙醛用量为反应物物质的量的10%、氧气压力为2MPa时,以乙腈为反应介质,室温下反应11h,反应的转化率和选择性可达15.3%,87.2%,对氯苯甲醛收率可达13.3%;反应也可在无溶剂时进行,此时反应的转化率、选择性及醛的收率分别为:8.1%,89.1%,7.2%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 甲苯类化合物电解氧化法合成芳香醛
• 1.1.1 间接电氧化法
• 1.1.2 成对电氧化法
• 1.1.3 超声电氧化法
• 1.2 甲苯类化合物化学计量氧化剂氧化法制备芳香醛
• 1.3 甲苯类化合物空气/氧气氧化法合成芳香醛
• 1.3.1 甲苯类化合物的气相选择性氧化
• 1.3.2 甲苯类化合物的液相选择性氧化
• 1.4 小结
• 1.5 研究的目的和意义
• 1.6 研究内容
• 参考文献
• 2 分析方法的建立
• 2.1 仪器与试剂
• 2.2 气相色谱分离条件
• 2.3 色谱分离
• 2.4 内标标准溶液和样品标准溶液的配制
• 2.5 样品待测标准溶液的配制
• 2.6 内标工作曲线的绘制
• 2.7 分析方法的准确度和精密度
• 2.7.1 加标回收标准溶液的配制
• 2.7.2 加标回收实验数据
• 2.8 其它甲苯类化合物及其相应醛的定量分析
• 2.9 本章小结
• 参考文献
• 3 醋酸-水混合溶剂中对氯甲苯的选择性氧化
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要试剂
• 3.1.2 主要仪器
• 3.1.3 对氯甲苯的选择性氧化
• 3.1.4 原子吸收分光光度法测定沉淀M中的锰含量
• 3.2 沉淀M的成份分析
• 3.2.1 沉淀M的XRD分析
• 3.2.2 沉淀M的FT-IR分析
• 3.2.3 原子吸收分光光度法（AAS）测定沉淀M中的锰含量
• 2·4H₂O的沉淀机理'>3.3 Mn（OAc）₂·4H₂O的沉淀机理
• 3.3.1 氧气氧化锰组分对沉淀形成的贡献
• 3.3.2 二氧化锰沉淀形成机理
• 3.4 反应条件对二氧化锰形成的影响
• 3.4.1 混合溶剂中的初始含水量对二氧化锰形成的影响
• 3.4.2 Co/（Co+Mn）摩尔比对二氧化锰形成的影响
• 3.4.3 Br/（Co+Mn）摩尔比对二氧化锰形成的影响
• 3.5 反应条件对对氯甲苯选择性氧化的影响
• 2O混合溶剂中的初始含水量对反应的影响'>3.5.1 HOAc-H₂O混合溶剂中的初始含水量对反应的影响
• 3.5.2 Co/（Co+Mn）摩尔比对反应的影响
• 3.5.3 Br/（Co+Mn）摩尔比对反应的影响
• 3.5.4 催化剂用量对反应的影响
• 3.5.5 对氯甲苯/溶剂体积比对反应的影响
• 3.5.6 反应温度对反应的影响
• 3.5.7 反应时间对反应的影响
• 3.5.8 氧气流量对反应的影响
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 4 MC（Mid-century）三组分催化剂的改进
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 主要仪器与试剂
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 MC催化剂三组分催化体系的筛选
• 4.2.1 第二金属组分的筛选
• 4.2.2 不同的钴锰盐或配合物的筛选
• 4.2.3 不同溶剂的筛选
• 4.2.4 不同引发剂的筛选
• 4.3 MC三组分催化体系的优化
• 4.3.1 Co/（Co+Mn）摩尔比对反应的影响
• 4.3.2 Br/（Co+Mn）摩尔比对反应的影响
• 4.3.3 反应温度对反应的影响
• 2O混合溶剂中的初始含水量对反应的影响'>4.3.4 HOAc-H₂O混合溶剂中的初始含水量对反应的影响
• 4.3.5 催化剂的回收利用实验
• 4.4 其它甲苯类化合物的氧化
• 4.5 MC催化氧化体系的反应历程
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• n/CH₃CHO催化下对氯甲苯的选择性氧化'>5 M（acac）_n/CH₃CHO催化下对氯甲苯的选择性氧化
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 仪器和试剂
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 反应体系的优化
• 5.2.1 不同乙酰丙酮配合物的催化性能
• 3用量对反应的影响'>5.2.2 不同Co（acac）₃用量对反应的影响
• 5.2.3 不同乙醛用量对反应的影响
• 5.2.4 不同氧气压力对反应的影响
• 5.2.5 反应时间对反应的影响
• 5.2.6 反应介质对反应的影响
• 5.3 反应机理推测
• 5.4 本章小结
• 参考文献:
• 6 结束语
• 6.1 本论文的主要结论
• 6.2 本论文的主要创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 附录
• 作者在博士论文工作期间发表的论文