不管是在工业应用还是基础研究中,以分子氧为氧化剂选择性地氧化C-H键都是一项十分关键的技术。对羟基苯甲醛类化合物,如香兰素、丁香醛、3,5-二甲基-4-羟基苯甲醛等,是合成香精香料、医药、聚合物和染料的重要中间体或原料。一步直接氧化对甲酚类化合物苄位的C(sp3)-H到对羟基苯甲醛是一种极具吸引力的合成方法。尽管近年该领域得到了迅速的发展,可依然面临着不少挑战,主要包括如下三个方面:第一,关于催化剂真实形态(均相或非均相催化剂)鉴定的研究还非常薄弱;第二,空气氧化有取代基的对甲酚类化合物普遍使用均相催化剂,不可避免地会有反应选择性低、催化剂易失活、难回收等问题。因此,设计开发一种高活性、高选择性、易回收的非均相催化剂具有重要的理论意义和工业价值;第三,多种反应机理被提出,真实的反应路径暂无可靠定论。基于以上问题,本论文对对甲酚类化合物空气氧化中的催化剂开发与机理进行了详细的研究。论文的第一部分探讨了以钴盐、钴的氧化物、氢氧化物和配合物为催化剂,在碱性条件下催化氧化4-甲基愈创木酚到香兰素的研究。利用一系列的逻辑实验和谱学检测研究了反应中催化剂的真实形态。实验结果表明:初始加入反应体系中钻盐和钴配合物转化为钴氧化物和氢氧化物的纳米颗粒[CoOx(OH)y],而该纳米颗粒才是真正的催化剂,而且纳米颗粒的大小对催化性能有着决定性的影响。受到第一部分工作的启发,论文的第二部分探索了一种纳米钴/钴氧化物负载在氮掺杂炭(CoOx@CN)的磁性催化剂在对甲酚类化合物氧化中的应用。在CoOx@CN的催化下,底物4-甲基愈创木酚的转化率为100%,目标产物香兰素的收率为90%。当CoOx@CN被应用于其它对甲酚类化合物氧化时,也表现出良好的催化活性和选择性。该催化剂具有铁磁性,可以通过磁铁快捷方便地实现回收套用。几十年来,关于对甲酚类化合物氧化的反应机理一直存在争议,尤其是苄基自由基机理和酚氧自由基机理之间的争论尤为多。论文的第三部分以CoCl2/NaOH催化体系为研究对象,用一系列实验和谱学手段探究了对甲酚类化合物的氧化机理。之前的研究者认为底物和催化剂之间发生的是单电子转移,而本文提出的新机理认为底物和催化剂发生的是双电子转移。总的来说,本论文以选择性氧化对甲酚类化合物到对羟基苯甲醛为研究对象,系统地研究了催化剂的真实形态和反应机理,为进一步研究C-H键的氧化,尤其是烯丙基/苄基烃的氧化提供了一定的理论依据。该论文还设计合成了一种有磁性、易回收的CoOx@CN催化剂,可应用于大部分对甲酚类化合物的氧化中。