Fenton试剂室温下制备无氯苯甲醛的研究

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苯甲醛作为一种重要的有机中间体,广泛应用于染料、医药、食品和香料等工业生产中。以往工业上苯甲醛的生产常以甲苯为原料,通过氯化水解法或是直接氧化法制得,存在着反应压力大、环境污染严重等问题,且甲苯转化率和醛的选择性都偏低。以双氧水或分子氧为氧化剂,将苯甲醇选择性氧化为苯甲醛的方法,因其工艺简单、环境友好,引起了研究者的广泛关注。同时,以双氧水为氧化剂的Fenton体系,已经在环境化学中找到了它的位置,但是将其用于选择性氧化有机物的过程还少有研究,本论文拟以此为研究对象,将Fenton体系应用于选择性氧化醇类物质。  论文提出了在Fenton体系中加入适当的添加剂,以提高醇氧化反应的选择性的想法。在此设想的指导下,发现了在Fenton体系中加入活性自由基,N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI),可以提高苯甲醇氧化反应的转化率及选择性,并提出了可能的反应机理。基于以上结果,本文继续研究了Fenton/NHPI体系催化氧化苯甲醇制备苯甲醛的影响因素,使催化性能达到最优。与传统氧化苯甲醇制备苯甲醛的催化剂相比,此催化体系廉价、高效、且易控制,并有利于过程绿色化。论文进一步进行了催化剂回收利用研究,一方面验证了催化剂的可靠性,另一方面为相产业化提供了相关的基础研究。论文的目的并不局限于氧化苯甲醇制备苯甲醛,以氧化苯甲醇为探针反应,本文也研究了Fenton/NHPI体系对于苯乙烯及不同醇的催化性能,拓展了Fenton/NHPI的应用。  本论文首先对不同无机盐、离子液体、相转移剂及活性自由基对Fenton试剂氧化苯甲醇的影响进行了详细的研究。因为温度、催化剂用量、双氧水加入方式、反应时间等对反应有很大的影响,因此在研究初期对这些条件先进行了考察。研究结果表明在室温下反应时无机盐、离子液体、相转移剂的加入都不同程度地降低了反应的转化率,而加入NHPI作为助催化剂不仅使反应的转化率提高了,而且反应的选择性也增加了。在对产物的检测中,我们发现了中间产物羟苄醇的存在,因此在已有的研究基础上,提出了NHPI参与的水、油两相反应的机理,这一机理成功解释了NHPI参与的Fenton氧化体系能够同时提高转化率及选择性。以20 mmol苯甲醇为底物,以2.5 mol% FeSO4·7H2O/2.5 mol% NHPI为催化体系,0.2 ml/min的速度加入4.5 ml双氧水,在室温下反应半小时后,反应的转化率可达36.66%,苯甲醛与苯甲酸总选择性大于99%,苯甲醛选择性为93.36%。从催化剂产业化的可行性方面考虑,论文将此过程进行了放大实验,对反应的量依次扩大3.4、6.7、13.4、53.4倍,研究结果显示扩大后的反应选择性保持较好,且放大后的反应可降低双氧水的使用量,提高了氧化剂的利用率;在反应结束后,通过水、油分离及减压蒸馏的方法,很方便的对NHPI进行了回收利用。  本论文主要内容是提高Fenton体系氧化醇的选择性,采取的方法是添加适当的助催化剂,研究的目的是设计出高效、廉价、绿色、易于回收利用的催化体系,此体系不仅在氧化苯甲醇制备苯甲醛体现出优良的催化活性、高选择性,而且为其他醇类物质的氧化提供了可供参考的新思路及新方法。
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