分子氧选择性氧化醇为醛、酮的研究

论文摘要

由醇选择性氧化制备相应的醛或酮是有机合成中一个非常重要的官能团转换。传统的氧化工艺大多采用化学计量氧化剂如CrO3/H2SO4、CFO3（Py）2、PCC、DMSO/（COCl）2、MnO2和SeO2等,这些氧化剂存在影响环境和成本较高等问题,并且反应要消耗大量有机溶剂。为了解决这一问题,近年来开发绿色、温和、经济、高效的反应催化体系,以H2O2、O2或空气作为清洁氧化剂液相催化氧化醇类至醛酮化合物成为研究热点,特别是氧气或空气,因为氧气（空气）是所能得到的最丰富、廉价、安全及环境友好的氧化剂。因此,深入研究此类氧化反应不但对于实验室范围内很有价值,而且对于工业生产也有重要意义。本论文在以分子氧为氧化剂的醇选择性氧化体系方面作了一些有益的探索。制备了离子液体固定化TEMPO（TEMPO-IL）,并将其应用于TEMPO-IL/CuCl催化体系,以离子液体[bmim][PF6]为溶剂或无溶剂条件下催化醇类的氧化,该体系对苄醇和烯丙醇的氧化均有较好的催化效果,但对于脂肪醇和杂环醇的催化效果较差,即使延长反应时间也很难完全反应。研究还发现,该催化体系的选择性很高,各种醇类均未发现氧化到酸的情况,且烯丙醇的双键也不会被氧化。TEMPO-IL/CuCl催化体系在离子液体中和无溶剂条件下都有很好的循环使用性能,经多次循环使用转化率和收率无明显下降。探讨了TEMPO-IL/CuCl催化体系的催化机理,铜离子是反应的活性中心。针对TEMPO/CuCl催化体系反应速度较慢的问题,研究了碱对TEMPO/CuCl体系的促进作用。研究发现,除了碳酸氢钠以外,其他碱无论是无机碱和有机碱都对TEMPO/CuCl催化体系有促进作用,其中吡啶、N-甲基咪唑、NaOH的醇溶液的促进效果较好。研究发现,碱类能起促进作用的原因之一是其碱性,在碱性环境中可能有利于醇上氢的离去;另一个原因可能是有些碱如吡啶和N-甲基咪唑具有一定的配位能力,与Cu离子形成的络合物与醇的结合能适中,更有利于反应的进行。将TEMPO/CuCl/pyridine催化体系应用于多种醇的分子氧氧化发现,该体系能高效、选择性地将苄醇、杂环醇和烯丙醇氧化为醛或酮,对于一些活泼醇（如肉桂醇）,反应体系中存在吡啶情况下,反应速率比不加吡啶快近十倍。由于TEMPO和碱的流失,TEMPO/CuCl/pyridine催化体系难以回收和循环使用,为了解决此问题,改用3A分子筛（MS3A）与TEMPO-IL分别代替碱与TEMPO也能很好的提高氧化反应的速度,且具有很好的回收和循环使用性能。在离子液体[bmim][PF6]中,TEMPO/Cu（NO3）2体系能催化各种醇的氧化,研究了该体系的反应机理,发现该催化体系的催化作用实际是TEMPO、Cu（NO3）2和卤素离子共同作用的结果。提出了TEMPO/X-/HNO3无过渡金属催化醇氧化体系,该体系反应效率高,选择性好,和其他无过渡金属催化氧化体系相比,对环境的不良影响更小。讨论了TEMPO/Cu（NO3）2体系和TEMPO/X-/HNO3体系催化醇氧化的机理,认为这两种体系都是氧化氮活化分子氧从而催化醇的氧化。水相中TEMPO/CuCl体系能将醇催化氧化为醛或酮,但转化率和选择性较低。TEMPO/CuCl/H2O体系中加入碱和表面活性剂均能提高反应的转化率和选择性。考察了离子液体固定化和SiO2负载TEMPO在反应中的循环使用性能,由于TEMPO与载体材料之间的连接键容易断裂而使体系的循环使用性能较低。合成了系列OMS-2材料,并对其进行了BET、TG、XRD、SEM和EDS分析。将系列OMS-2材料应用于催化醇的分子氧氧化,结果表明,OMS-2材料在离子液体中有较好的催化氧化性能,反应的选择性较高。金属离子的掺杂对OMS-2在离子液体中催化氧化并无明显促进作用,反而降低了其催化选择性。采用手工研磨或球磨机研磨的方法,探索了OMS-2催化固相研磨选择性氧化固态醇的可能性,结果表明,采用研磨的方式也能高选择性地氧化醇,但由于反应生成水的不利影响,使转化率偏低。OMS-2材料催化醇的氧化可能按Mars-van Krevelen机理进行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词表
• 1 绪论
• 1.1 均相催化体系中醇的氧气氧化
• 1.1.1 金属离子催化氧化醇的可能途径
• 1.1.2 钌（Ru）催化体系中醇的氧化
• 1.1.3 钯（Pd）催化体系中醇的氧化
• 1.1.4 铜（Cu）催化体系中醇的氧化
• 1.1.5 钴（Co）催化体系中醇的氧化
• 1.1.6 钒（V）催化体系中醇的氧化
• 1.1.7 其它金属催化体系中醇的氧化
• 1.2 非均相催化体系中醇的氧气氧化
• 1.2.1 Ru基催化剂
• 1.2.2 Pd基催化剂
• 1.2.3 Au基催化剂
• 1.2.4 分子筛
• 1.3 不同溶剂或介质中醇的氧化
• 1.3.1 水相中氧化
• 1.3.2 离子液体中氧化
• 1.3.3 无溶剂氧化
• 1.3.4 其他溶剂中醇的氧化
• 1.4 本论文研究的目的及意义
• 1.5 本论文的研究内容
• 参考文献
• 2 离子液体固定化TEMPO/CuCl催化醇的选择性分子氧氧化
• 2.1 引言
• 2.2 离子液体中TEMPO-IL/CuCl催化醇的选择性分子氧氧化
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.2 反应条件对苯甲醇氧化的影响
• 6]中TEMPO-IL/CuCl催化各种醇的选择性分子氧氧化'>2.2.3[bmim][PF₆]中TEMPO-IL/CuCl催化各种醇的选择性分子氧氧化
• 6]体系循环使用性能'>2.2.4 TEMPO-IL/CuCl/[bmim][PF₆]体系循环使用性能
• 2.3 无溶剂条件下TEMPO-IL/CuCl催化醇的选择性分子氧氧化
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 无溶剂条件下TEMPO-IL/CuCl催化醇的选择性分子氧氧化
• 2.3.3 无溶剂条件下TEMPO-IL/CuCl催化体系循环使用性能
• 2.4 反应机理
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 3 碱促进TEMPO/CuCl体系催化醇的选择性分子氧氧化
• 3.1 引言
• 3.2 碱促进TEMPO/CuCl催化醇的选择性分子氧氧化
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 反应条件对p-硝基苯甲醇氧化影响的结果与讨论
• 3.2.3 TEMPO/CuCl/pyridine催化各种醇的选择性分子氧氧化结果
• 3.2.4 碱促进机理分析
• 3.3 3A分子筛促进的TEMPO-IL/CuCl催化醇的选择性分子氧氧化
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 TEMPO-IL/CuCl/MS3A催化各种醇的选择性分子氧氧化结果
• 3.3.3 TEMPO-IL/CuCl/MS3A体系循环使用性能
• 3.3.4 MS3A促进机理分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 4 硝酸及其盐促进的TEMPO催化醇氧化与机理研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 醇的催化氧化
• 6]的制备'>4.1.2 离子液体1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐[bmim][PF₆]的制备
• 3体系催化醇氧化及机理分析'>4.2 离子液体中TEMPO/CuCl/HNO₃体系催化醇氧化及机理分析
• 4.2.1 TEMPO/CuCl/HNO3催化p-硝基苯甲醇的氧化
• 3催化各种醇的氧化'>4.2.2 TEMPO/CuCl/HNO₃催化各种醇的氧化
• 3催化醇氧化机理的初步分析'>4.2.3 TEMPO/CuCl/HNO₃催化醇氧化机理的初步分析
• 3）2体系催化醇氧化及影响因素和机理分析'>4.3 TEMPO/Cu（NO₃）2体系催化醇氧化及影响因素和机理分析
• 3）₂体系催化p-硝基苯甲醇氧化'>4.3.1 TEMPO/Cu（NO₃）₂体系催化p-硝基苯甲醇氧化
• 3）₂催化体系的影响'>4.3.2 卤盐和溶剂对TEMPO/Cu（NO₃）₂催化体系的影响
• 3）₂催化体系的影响'>4.3.3 离子液体中的杂质对TEMPO/Cu（NO₃）₂催化体系的影响
• 3）₂催化体系的促进作用'>4.3.4 不同卤素离子对TEMPO/Cu（NO₃）₂催化体系的促进作用
• -/Cu（NO₃）₂体系催化各种醇的选择性分子氧氧化'>4.3.5 TEMPO/X^-/Cu（NO₃）₂体系催化各种醇的选择性分子氧氧化
• -/HNO₃体系催化醇氧化及机理分析'>4.4 TEMPO/X^-/HNO₃体系催化醇氧化及机理分析
• -/HNO₃体系催化机理分析'>4.4.1 TEMPO/X^-/HNO₃体系催化机理分析
• -/HNO₃体系催化各种醇的选择性分子氧氧化'>4.4.2 TEMPO/X^-/HNO₃体系催化各种醇的选择性分子氧氧化
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 5 水相中醇的选择性氧化
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 醇的催化氧化与体系循环使用
• 5.2.2 水溶性离子液体固定化TEMPO的制备
• 5.2.3 硅胶负载的TEMPO的制备
• 5.3 水相中醇的选择性氧化
• 5.3.1 水相中TEMPO/CuCl的催化性能
• 5.3.2 碱对水相中TEMPO/CuCl体系催化性能的影响
• 5.3.3 表面活性剂对水相中TEMPO/CuCl体系催化性能的影响
• 2O-[bmim][BF₄]混合溶剂中TEMPO/CuCl体系的催化性能'>5.3.4 H₂O-[bmim][BF₄]混合溶剂中TEMPO/CuCl体系的催化性能
• 5.3.5 碱和表面活性剂的协同作用
• 5.4 催化体系的循环使用性能
• 5.4.1 亲水性TEMPO-IL/CuCl催化体系的循环使用性能
• 2-TEMPO/CuCl催化体系的循环使用性能'>5.4.2 SiO₂-TEMPO/CuCl催化体系的循环使用性能
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 6 氧化锰八面体分子筛催化醇的选择性分子氧氧化
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 系列OMS-2的制备
• 6.2.2 系列OMS-2的表征方法
• 6.2.3 OMS-2催化醇的氧化
• 6.3 离子液体中OMS-2催化醇的分子氧氧化
• 6.3.1 系列OMS-2的表征结果与讨论
• 6.3.2 系列OMS-2催化性能对比
• 6.3.3 反应条件对氧化的影响
• 6.3.4 OMS-2的循环使用性能
• 6.3.5 OMS-2催化各种醇的选择性氧化
• 6.4 固相研磨法选择性氧化醇
• 6.5 OMS-2催化醇氧化机理分析
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 7 结论
• 7.1 结论
• 7.2 本课题的创新点
• 7.3 本课题的发展趋势
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文