环己烷氧化是化工生产中非常重要的反应, 其氧化产物环己醇和环己酮是制备尼龙重要材料己二酸和己内酰胺的前躯体[1, 2]. 环己烷氧化是一个复杂的自由基反应. 该反应机理如图式1所示[3], 环己烷上的C–H键首先被氧化成过氧化氢键(反应(1)); 然后环己基过氧化氢发生均裂或异裂反应生成自由基(反应(2)). 后者可以夺取环己烷上的氢原子而生成环己基自由基(反应(3)). 环己基自由基可进一步被氧化成CyOO自由基(反应(4)), 该自由基是链增长的重要一环. 链终止反应为两分子的CyOO自由基生成环己醇和环己酮以及氧气(反应(5)). 在自由基的链式反应中会产生大量的副产物. 实际的生产过程中, 为了降低副反应的进行, 环己烷氧化反应常在140–160 °C, 1–1.5 MPa下进行, 环己烷的转化率需控制在5%以下, 环己醇和环己酮的总选择性为70%–85%.
一些过渡金属离子, 如Co2+, Cr3+和Mn2+等, 可以加速自由基反应[4], 可用作环己烷氧化的催化剂, 但很难将它们从反应体系里分离出来. 另外, 这些金属阳离子会慢慢形成一些难溶的物质, 黏在管道上而引起管道堵塞. 一些非均相催化剂如改性分子筛[5, 6, 7]、金属负载型催化剂[8, 9]、金属有机骨架结构[10, 11, 12, 13, 14]和炭材料[15, 16]也被用作环己烷氧化的催化剂, 表现出一定的活性. 与Co2+或Mn2+等一起使用时, 羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)在碳氢化合物的官能化反应中具有较好的催化活性; 在特定的溶剂中, 它可催化氧气直接氧化环己烷为己二酸[17]. Q
97;另外, 环己烷催化氧化反应大多使用溶剂, 从而可能影响反应结果. 我们的前期结果表明, 不加任何催化剂, 环己烷在甲醇、水等溶剂中都有很高的转化率, 溶剂本身可能对该反应具有一定的催化活性. 在此基础上, 我们初步探索了有机小分子催化环己烷氧化的可能性, 同时对其反应历程进行推测.
本文选用几种具有不同官能团的痕量极性有机小分子用于无溶剂下环己烷氧化反应, 所用试剂均为高纯试剂. 几种酮、醛、酯、醇和胺的催化活性如表1所示. 可以看出, 无催化剂时, 反应4 h环己烷的转化率为1.4%, 产物为环己醇与环己酮. 苯酚及其氧化产物苯醌是良好的自由基捕获剂, 当以苯酚为催化剂时, 环己烷没有转化, 这进一步确认环己烷氧化为自由基反应. 环己酮和丙酮等酮类催化活性较高, TOF值分别为8.3和5.2 h–1, 但环己酮和环己醇的选择性仅为74%与76%. 气质联用分析结果(图1)表明, 当以丙酮为催化剂时, 主要产物中有环己醇、环己酮与环己酮过氧化物, 其中环己酮过氧化物容易发生开环反应, 进一步被深度氧化; 环己酮催化活性表明, 环己烷氧化是一个自催化反应. 另外, 二苯酮的催化活性远低于环己酮和丙酮, 反应4h环己烷的转化率为2.1%, 对应TOF值仅为2.7 h–1.
醛与酮类似, 都含有羰基, 可能存在催化活性. 当以苯甲醛及其同系物苯乙醛为催化剂时, 环己烷氧化反应活性较高. 苯甲醛为催化剂时, 环己烷转化率为14.9%, TOF值为10.5 h–1, 环己醇与环己酮的总选择性可达94%, 明显高于丙酮和环己酮为催化剂时的选择性. 当以链长更长的苯乙醛为催化剂时, 环己烷转化率降低, 其TOF值为5.1 h-1, 环己醇与环己酮的选择性达92%. 醛的催化活性随着碳链长度增加而明显降低.
本文还考察了乙酸乙酯、丁酸乙酯和碳酸二乙酯等小分子脂催化剂的环己烷氧化反应性能. 结果表明, 乙酸乙酯和丁酸乙酯的TOF值分别为7.5 h–1和5.8 h–1. 这与小分子醛为催化剂时的规律相同: 催化剂活性随着其碳链数的增长而减小. 另外, 碳酸二乙酯的TOF值为6.5 h–1. 以酯为催化剂时, 环己醇与环己酮的选择性与小分子酮的相当, 比小分子醛的略低. 气质联用分析结果(图1)表明, 以碳酸二乙酯为催化剂时, 环己烷氧化产物主要为环己醇、环己酮和环己基过氧化氢, 另外还含有少量的6-羟基己酸和己酸副产物.
酮、醛、酯催化剂均含有羰基, 在环己烷氧化反应中表现出较高的催化活性. 因此推测催化剂活性可能与C=O存在一定关系. 酯中除了C=O键外还存在C–O单键, 为了研究C–O单键中的氧是否具有活性, 选取乙醚作为催化剂. 结果表明, 反应4 h环己烷的转化率为8.3%, 环己醇和环己酮的选择性分别为45%和43%. 气质联用分析结果显示, 副产物为环己基过氧化氢和己酸. 由此可见C–O对该反应也有一定的催化作用. 乙醚的TOF值为6.0 h–1, 略低于乙酸乙酯. 另外, 每个碳酸二乙酯中含有两个C–O键和一个C=O双键
, 其TOF值却与乙酸乙脂的相当. 可见催化剂TOF值与官能团的数量不呈线性关系, 它并不仅仅取决于特定的官能团的数量, 还可能与有机分子的某些特性有关.
前文所用的酮、醛、酯与醚催化剂均为极性分子, 并且都含有O原子, 可与环己烷上的H原子形成氢键. 据此我们认为, 催化剂分子的极性及氢键的形成是其影响活性的重要因素, 可能的反应历程如图式2所示: 在氢键和极性分子的诱导作用下, 环己烷的C–H键长变长, 键能减小, 易于断裂生成环己基自由基, 再与氧气反应生成CyOO自由基. 或是氧原子更容易与环己烷反应生成环己烷的过氧化物, 从而有利于后续反应的进行和转化率的提高. 催化剂的极性越高, 越有利于反应的进行. 随碳链的增长, 分子的极性减小, 因此催化剂所表现出来的TOF值随碳链的增长而减小.
在本文反应条件下, 环己基过氧化氢容易发生均裂反应生成CyO自由基和通过氢键连接到极性分子上的羟基自由基. 羟基自由基具有非常高的活性, 它可以夺取环己酮过氧化物的α-H而生成新的自由基, 该自由基容易发生β裂解而导致开环反应, 并生成一系列的深度氧化产物[18]. 然而, 当羟基自由基通过氢键连接到较大的极性分子上时, 其活性将会降低. 另外, 上述所用催化剂极性分子均具有α-H, 比环己烷的H原子更容易被夺取. 因此, 如图式2反应(3)所示, 与极性分子相连的羟基自由基发生重排反应并脱去一分子水而生成新的自由基. 新生成的R1OCHR2自由基继续夺取环己烷上的H而恢复到原先的催化剂分子. ̳
7;二苯酮具有较大的共轭体系, 可以稳定自由基分子. 因此, 当以二苯酮为催化剂时, 反应过程中生成的自由基与二苯酮发生加成反应, 从而不利于反应的继续进行.
醇中的O原子也可以与环己烷中的H原子形成氢键, 因而醇可能也有一定的催化活性. 本文选取了一些醇作为环己烷氧化的催化剂, 结果见表1. 根据上面所提到的规律, 甲醇的TOF值应该大于乙醇与丁醇的, 而实际上它与乙醇非常相近, 分别为2.5 h–1和2.6 h–1. 甲醇也是一种很好的自由基清除剂, 醇羟基上的氢被自由基夺取后生成的甲氧基仍然不稳定, 还可以继续失去一个氢而生成甲醛. 甘油的TOF值只有0.3 h–1. 这是因为甘油是一种多羟基醇, 具有非常好的自由基捕获能力, 不利于反应进行. 以甲醇和乙醇为催化剂时, 所得产物经由气质联用分析, 结果如图1所示, 两者产物中均未检测到己二酸, 产物中都含有环己醇、环己酮、环己基过氧化氢与过氧化环己酮, 其中以甲醇做催化剂时, 产物中还可检测出己内酯, 以乙醇为催化剂时, 产物中环己基过氧化氢的比率远高于甲醇的.
乙腈经常用作环己烷氧化反应的溶剂, 但关于乙腈对该反应的影响却未见报道. 本文结果表明, 以乙腈为溶剂时, 反应4 h后环己烷的转化率达13.2%, TOF值可达4.8 h–1, 环己醇和环己酮的选择性为78%, 副产物过氧化环己酮的选择性可达18%, 产物中还含有少量的己内酯. 可见, 乙腈的催化活性与大多数多相催化剂的接近. 乙腈是一种强极性分子, 并且具有活泼的α-H, 也可以形成氢键, 因此以乙腈为催化剂时, 图式2所描述的历程仍然成立. 我们将4.5 mL的乙腈和0.5 mL的环己烷在140 oC、氧气分压为1.5 MPa下反应4 h后, 环己烷转化率可高达35%(产物: 环己醇15%, 环己酮66%, 环己基过氧化氢1%, 己烯醇8%, 过氧化环己酮8%, 己内酯1%). 因此, 当以乙腈作为环己烷氧化的溶剂时, 其自身催化活性不容忽略.
在上述研究基础上, 我们试图设计高活性有机小分子催化剂应用于环己烷氧化过程. 由于有机胺是极性分子且具有活泼的α-H, 因此本文研究了几种典型有机胺的催化活性, 结果列于表1. 可以看出, 有机胺小分子均表现出很高的催化活性. 正丙胺的TOF值为7.5 h–1, 且随着胺中N上取代基的增加, 催化剂的TOF也在增加: 二丙胺的TOF值为10.6 h–1, 三丙胺的TOF值可高达22.6 h–1. 由于小分子胺不与自由基直接作用, 没有任何清除自由基的能力, 因此活性高. 尽管环己酮和环己醇的总选择性差别不大(约80%), 过氧环己酮和环己基过氧化氢的选择性却有较大的差别: 随N上取代基的增加, 环己基过氧化氢的选择性增加, 过氧化环己酮的选择性减小. 三乙胺在环己烷氧化反应中的TOF值为13.3 h–1, 明显低于三丙胺. 与三丙胺相比, 三乙胺的空间位阻减小、极性也强, 但催化活性却较低. 这可能是由于N上电子云密度的影响, 取代基的碳链变短, 给电子能力越弱, N上电子云的密度减小, 氢键也随之减弱, 影响了环己烷的活化.
总之, 几种酮、醛、酯、醇和胺的有机分子均具有一定的催化环己烷氧化活性, 推测其催化反应历程如下: 催化剂与环己烷形成氢键, 在催化剂的诱导极化和氢键的作用下, 碳氢键变长变弱, 断裂成环己基自由基或被氧化成COOH, 而COOH均裂生成CyO自由基或与催化剂通过氢键相连的羟基自由基, 进一步实现环己烷氧化为环己醇与环己酮. 催化剂的活性与其极性的强弱、与环己烷形成氢键的强弱、α氢的活性及清除自由基的能力有关: 当催化剂的极性大、形成的氢键能力强时, 转化率较高; α氢的活性高有利于反应进行, 但过高则容易清除体系内的自由基, 反而抑制反应的进行. 另外, 对于环己烷催化氧化反应, 必须考虑溶剂的催化效应. 总之, 有机小分子有望应用于环己烷氧化的催化剂.
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