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基于分子氧活化的新型醇高效选择性氧化催化体系研究

作　者: 敬元元
导　师: 杨贯羽
学　校: 郑州大学
专　业: 有机化学
关键词: 醇有氧氧化硝酸钴丁二酮肟 TEMPO
分类号: O643.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

醇被氧化为相应醛和酮在基础研究和工业生产中占有十分重要的地位。将分子氧作为氧化剂来进行醇氧化的方法具有经济和环境友好的特点。近年来,有机小分子催化剂2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧自由基(TEMPO)由于其高效性和高选择性,被广泛应用于醇的有氧氧化中。然而单独的TEMPO不能催化醇的有氧氧化,需要组合具有活化分子氧功能的助催化剂才能有效催化醇的氧化。目前已报道的助催化剂主要有氮氧化物和过渡金属化合物。前者通常需要具有腐蚀性溴源的辅助；后者主要集中于铜类助催化剂,但铜类助催化剂对于脂肪醇的氧化效率十分低下,且所研究的体系越来越复杂。因此,对于开发高效、廉价、高选择性的TEMPO催化醇有氧氧化方法仍需做出大量努力。本论文采用Co(NO3)2和丁二酮肟(DH2)为助催化体系,将二者与TEMPO组合,建立一种温和条件下高效、高选择性的醇有氧氧化催化体系,并对其催化性能和机理进行了详细研究。本论文主要进展如下：1.以苯甲醇有氧氧化为模板反应,在相同条件下比较了钴盐与铜、铁、锰、镍等其它各种金属盐的催化活性,实验数据表明Co(NO3)2的催化活性明显高于其它金属盐,与DH2和TEMPO组合能快速催化苯甲醇的氧化。2.对Co(N03)2/DH2/TEMPO催化下醇有氧氧化的反应条件进行优化。实验结果表明,该催化体系较适宜的反应条件为：催化剂投料摩尔比1：4：1(Co(NO3)2:DH2:TEMPO),反应温度70℃,溶剂二氯甲烷,反应压力0.4 MPa。在该条件下进行苯甲醇的氧化,使用1 mo1%的Co(NO3)2,3 h内苯甲醇达到完全转化,苯甲醛的选择性为100%。3.在最优条件下,各种醇包括芳香醇、烯丙基醇、脂肪醇和脂环醇等都能被迅速、定量的转化为相应的羰基化合物。GC检测反应结束后,通过简单的柱层析洗脱即可得到产物醛或酮,纯度达99%以上。4.提出了Co(NO3)2/DH2/TEMPO催化氧化机理,认为首先Co(NO3)2与DH2反应原位生成钴肟络合物cobaloxime和氮氧化物两个催化物种；此两个物种经有效活化分子氧,引发两个氮氧阳离子催化醇有氧氧化的催化路径,且二者之间存在一定的协同作用。总之,本论文开发了一种醇有氧氧化的新型高效催化体系Co(NO3)2/DH2/TEMPO,该体系能够在温和条件下实现醇向醛和酮的转化,表现出了优异的催化性能,具有良好的应用前景。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章文献综述  10-33
  1.1 引言  10-11
  1.2 TEMPO催化醇有氧氧化综述  11-22
    1.2.1 TEMPO催化醇氧化的氮羰基阳离子机理  11-12
    1.2.2 用于TEMPO催化体系氧化剂的研究进展  12
    1.2.3 氮氧化物/TEMPO催化醇有氧氧化研究进展  12-17
    1.2.4 过渡金属/TEMPO催化醇有氧氧化研究进展  17-22
  1.3 用于活化分子氧的过渡金属络合物  22-27
    1.3.1 分子氧的特点及其活化  22-24
    1.3.2 金属加氧络合物的各种模型  24-25
    1.3.3 用于活化分子氧的金属卟啉、酞菁类配合物  25-26
    1.3.4 用于活化分子氧的金属Schiff碱类配合物  26-27
  1.4 丁二酮肟过渡金属络合物对分子氧的活化  27-32
    1.4.1 钴肟络合物Cobaloxime(Ⅱ)催化的有氧氧化  28-31
    1.4.2 铁肟络合物Ferroxime(Ⅱ)催化的有氧氧化  31-32
  1.5 小结及本论文研究思路  32-33
第二章实验部分  33-38
  2.1 主要原料、试剂和仪器  33-35
    2.1.1 主要原料和试剂  33-34
    2.1.2 主要实验仪器  34-35
  2.2 有氧氧化通用实验操作  35
  2.3 产物分离操作  35
  2.4 无氧计量氧化实验操作  35
  2.5 配合物tris(dimethylglyoximato)cobalt(Ⅲ)[Co(DH)_3]的制备  35-38
第三章 Co/DH_2/TEMPO催化性能研究  38-51
  3.1 Co盐与其他过渡金属盐催化活性的对比  38-40
  3.2 反应溶剂的选择  40-42
  3.3 反应条件的优化  42-47
    3.3.1 DH_2与Co(NO_3)_2摩尔比例在各种温度下对反应的影响  42-45
    3.3.2 TEMPO与Co(NO_3)_2摩尔比例在各种温度下对反应的影响  45-47
  3.4 Co(NO_3)_2/DH_2/TEMPO体系对其它醇的催化氧化  47-49
  3.5 本章小结  49-51
第四章 Co(NO_3)_2/DH_2/TEMPO催化醇有氧氧化机理讨论  51-61
  4.1 研究思路  51
  4.2 Co(NO_3)_2/DH_2/TEMPO无氧计量氧化苯甲醇  51-54
  4.3 Co(NP_3)_2/DH_2/TEMPO催化醇有氧氧化机理推测  54-59
    4.3.1 NO活化分子氧催化醇有氧氧化路径  54-56
    4.3.2 Cobaloxime活化分子氧催化醇有氧氧化路径  56-59
  4.4 本章小结  59-61
第五章结论  61-64
参考文献  64-73
致谢  73-74
攻读硕士学位期间所发表的论文  74

基于分子氧活化的新型醇高效选择性氧化催化体系研究

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