选择性氧化褐煤制备羧基化学品及抑制二氧化碳生成的研究

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褐煤储量丰富,含氧量高,可通过氧化方法制备羧基化学品。羧基化学品是重要的化工基础原料,其中苯羧酸的生成和褐煤的结构密切相关,常根据其收率分布构建褐煤的结构模型,因此通过选择性氧化方法能否得到高(或接近理论)收率的苯羧酸是褐煤高值利用和构建的结构模型准确性的关键问题。褐煤结构复杂,无法计算其得到苯羧酸的理论收率,但可以通过模型化合物间接探索所用的氧化方法得到的苯羧酸收率与理论收率的差距。基于此,本课题以褐煤及其模型化合物为原料,采用三种氧化方法(碱氧氧化法、碱性高锰酸钾氧化法及催化氧气氧化法)进行了氧化,考察了反应条件对羧基化学品特别是苯羧酸收率的影响,探究了褐煤模型化合物氧化生成羧酸化学品的规律;探究了碱氧氧化法和碱性高锰酸钾氧化法得到不同收率苯羧酸的原因,并对比了两种氧化方法反演褐煤芳环结构的不同。褐煤氧化过程会生成大量CO2,添加甲醇可以抑制褐煤在Na VO3催化氧化体系中二氧化碳的生成,但机理不明,对此利用模型化合物探究了甲醇抑制二氧化碳生成的规律。主要结论如下:(1)碱氧氧化法氧化模型化合物得到产物的摩尔收率为理论收率的20%~60%;高锰酸钾氧化法得到产物的摩尔收率均在理论收率的70%以上,因此高锰酸钾氧化褐煤可得到接近理论收率的苯羧酸。(2)碱氧氧化法氧化小龙潭褐煤可得到20.5 wt%的苯羧酸和38.2 wt%小分子酸,碱性高锰酸钾氧化可得到31.4 wt%的苯羧酸和28.5 wt%小分子酸。两种氧化方法得到的苯羧酸收率分布不同,是苯羧酸在碱性体系下被过氧化所致。(3)小龙潭褐煤的芳环结构主要由单环和双环组成,根据苯羧酸收率定量了褐煤中可生成苯羧酸的芳环结构含量为1.067 mmol/g,提出了苯羧酸生成的主要路径。(4)以褐煤的模型化合物为原料,探究了Na VO3催化氧气氧化制羧酸化学品的规律,苯羧酸是由苯环上不接氧原子的芳环结构生成。对于添加甲醇可以抑制褐煤氧化过程中CO2生成的情况,同样以模型化合物为原料,探究了该催化体系中添加甲醇抑制CO2生成的规律。结果表明:在Na VO3催化体系添加甲醇后,对于苯环上不接氧的结构和苯环上有一个或没有羟基的苯羧酸结构,可有效降低其氧化过程中CO2的生成;在体系中相对稳定的小分子酸(如富马酸)可以与甲醇发生酯化反应,从而保护其不被氧化。
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