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        L-谷氨酸鈷(Ⅱ)配合物催化分子氧氧化環(huán)己烯的性能研究

        2020-10-09 10:04:50魏雅娜新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油與化學(xué)工程系新疆奎屯833200
        化工管理 2020年26期
        關(guān)鍵詞:催化劑

        魏雅娜(新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院,石油與化學(xué)工程系,新疆 奎屯 833200)

        0 引言

        環(huán)己烯氧化反應(yīng)是一類重要的有機(jī)反應(yīng),其氧化產(chǎn)物常常用于精細(xì)化學(xué)品的合成,廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、表面活性劑和高分子材料等精細(xì)有機(jī)化工領(lǐng)域。環(huán)己烯氧化采用的催化劑主要有雜多酸類、金屬卟啉類、金屬希夫堿類以及金屬吡啶雜環(huán)類配合物等[1-3]。使用以上催化劑時(shí),雖然得到的環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率很高,但是有的污染較大,運(yùn)輸技術(shù)要求高,成本高,不符合當(dāng)今時(shí)代倡導(dǎo)的綠色環(huán)?;瘜W(xué)要求。環(huán)己烯氧化使用的氧化劑通常有過氧酸、次氯酸鈉(NaClO)、亞碘酰苯(PhIO)等。這些氧化劑雖然產(chǎn)物的選擇性很高,但是氧化過程中常常伴有大量的有害物質(zhì)產(chǎn)生,對(duì)環(huán)境污染較大[4]。因此采用清潔氧源氧化環(huán)己烯的研究受到廣泛關(guān)注[5-6]。以分子氧作為氧源不僅成本低,且環(huán)境友好型,無污染,是目前研究中最理想的氧源。

        研究表明,L-Glu-Co(II)配合物具有較好的活化分子氧的能力[7-9],因此為了實(shí)現(xiàn)環(huán)己烯的綠色氧化,本文利用L-Glu-Co(II)配合物為催化劑,氧氣為氧源,進(jìn)行環(huán)己烯的氧化實(shí)驗(yàn)。研究了不同反應(yīng)溶劑、不同反應(yīng)溫度、不同催化劑比例、不同底物用量及不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物的影響。用氣相色譜對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物進(jìn)行了定量分析,得到了催化分子氧氧化環(huán)己烯的最佳反應(yīng)條件。這為進(jìn)一步研究L-谷氨酸鈷(II)配合物活化分子氧,實(shí)現(xiàn)環(huán)己烯的綠色氧化提供了合適的研究條件。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 儀器與試劑

        L-谷氨酸、醋酸鈷[Co(CH3COO)2·4H2O]均為市售分析純;環(huán)己烯(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)為化學(xué)純;乙腈為色譜純(SIGMA公司);環(huán)氧環(huán)己烷、環(huán)己烯醇和環(huán)己烯酮(SIGMA公司);O2(純度為99.2%)。

        十萬分之一電子天平:XS105DU(Mettler Toledo公司);SHIMAZU GCMS-QP2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)儀(日本島津公司)。

        色譜條件:RXT-5色譜柱;程序升溫:初始柱溫80℃,保持1min,升溫速率5℃/min,升溫到200℃,進(jìn)樣量1μL,氮?dú)庾鲚d氣,流速1mL/min,分流比20:1,進(jìn)樣室溫度250℃,檢測器溫度280℃。

        質(zhì)譜條件:電子轟擊離子源:70eV;SCAN全掃模式,掃描范圍:m/z50-500。

        樣品處理:氧化產(chǎn)物經(jīng)過0.22μm有機(jī)系微孔濾膜與催化劑分離。移液槍準(zhǔn)確移取1.0μL甲苯,4.0μL樣品原液,用乙腈稀釋定容至1mL,稀釋樣品進(jìn)GC-MS進(jìn)行分離分析。

        1.2 環(huán)己烯的催化氧化實(shí)驗(yàn)

        稱取一定量的L-Glu-Co(II)配合物,與一定量環(huán)己烯混合,添加磁子,抽真空后連通充有氧氣的氣球,系統(tǒng)置于恒溫水浴鍋中,加熱攪拌,待反應(yīng)結(jié)束后,產(chǎn)物經(jīng)過膜與催化劑分離,繼而利用GCMS-QP2010氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)儀進(jìn)行產(chǎn)物的分離分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 催化氧化環(huán)己烯產(chǎn)物分析

        以分子氧為氧源,L-谷氨酸鈷(Ⅱ)配合物為催化劑,催化氧化環(huán)己烯,產(chǎn)物經(jīng)GC-MS分析,并與混合標(biāo)準(zhǔn)品總離子流圖對(duì)比得,主產(chǎn)物有環(huán)己烯醇、環(huán)己烯酮和環(huán)氧環(huán)己烷。

        2.2 反應(yīng)溶劑對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物影響

        表1展示了反應(yīng)體系在有機(jī)溶劑的條件下,通過與未添加有機(jī)溶劑的體系對(duì)比來觀察環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率及氧化產(chǎn)物選擇性的變化趨勢(shì)。從表1中可以看出,不添加溶劑時(shí),環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率相對(duì)較高,達(dá)到76.3%。分析原因,主要因?yàn)橛袡C(jī)溶劑的添加起到稀釋作用,從而減小了L-Glu-Co(II)配合物與分子氧的接觸機(jī)會(huì),不利于L-Glu-Co(II)配合物吸收分子氧,從而使得活化分子氧的量減少,導(dǎo)致環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率降低。

        2.3 催化劑比例對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物影響

        表2展示了不同催化劑比例對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物的影響,從表中可以看出,當(dāng)L-谷氨酸:醋酸鈷的摩爾比為1:1時(shí),環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率最高,達(dá)到82.5%,環(huán)己烯氧化產(chǎn)物總選擇性達(dá)到93.2%。分析原因可能為,在比例1:1的情況下形成的L-Glu-Co(II)配合物在環(huán)己烯溶液中的吸氧性能較好,及具有較好活化分子氧的能力。因此確定催化劑的比例為1:1,該條件下有利于環(huán)己烯的催化氧化。

        表1 反應(yīng)溶劑對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物的影響

        表2 催化劑比例對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物的影響

        2.4 反應(yīng)溫度對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物影響

        表3列出了不同反應(yīng)溫度對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物的影響,從圖中可以看出,隨著反應(yīng)溫度的逐漸升高,環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率逐漸增大,當(dāng)溫度達(dá)到75℃時(shí),環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率為85.4%,環(huán)己烯氧化產(chǎn)物總選擇性為94.0%,但在反應(yīng)溫度為75℃時(shí),環(huán)己烯的揮發(fā)較為嚴(yán)重,這將使得計(jì)算得到的環(huán)己烯轉(zhuǎn)化率與實(shí)際環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率偏差較大,因此反應(yīng)溫度應(yīng)控制在75℃以下,根據(jù)上述表格結(jié)果可以看出,反應(yīng)溫度為70℃時(shí),環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率為82.5%,環(huán)己烯氧化產(chǎn)物總選擇為93.2%,且此時(shí)環(huán)己烯的揮發(fā)現(xiàn)象較弱,由此確定該體系的最佳反應(yīng)溫度為70℃。

        表3 反應(yīng)溫度對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物的影響

        2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)環(huán)己烯產(chǎn)物影響

        表4顯示了其他反應(yīng)條件不改變,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率逐漸增大,同時(shí)環(huán)己烯酮的選擇性也隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增加,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長為24h時(shí),環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率為82.5%,環(huán)己烯氧化產(chǎn)物總選擇性為93.2%,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長12h,雖然環(huán)己烯氧化產(chǎn)物總選擇性提高了5.4%,但環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率卻僅增加了0.6%,增加幅度很小,由此可見,繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間對(duì)環(huán)己烯轉(zhuǎn)化率的提高影響不大,因此反應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在24h。

        表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)環(huán)己烯氧化產(chǎn)物的影響

        3 結(jié)語

        分析結(jié)果顯示,最佳反應(yīng)條件為:在無有機(jī)溶劑體系中,L-Glu-Co(II)配合物(nL:nCo=1:1)用量為0.02mmol,反應(yīng)溫度為70oC,反應(yīng)時(shí)間為24 h。在最佳反應(yīng)條件下,環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值82.5%,環(huán)己烯主要氧化產(chǎn)物環(huán)氧環(huán)己烷、2-環(huán)己烯-1-醇和2-環(huán)己烯-1-酮的總選擇性達(dá)到93.2%。

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