王洪宇,吳振豪,張 龍
(長春工業大學 吉林省石化資源與生物質綜合利用工程實驗室,吉林 長春 130012)
2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷銅配合物的合成及其催化苯酚羥基化反應的活性
王洪宇,吳振豪,張 龍
(長春工業大學 吉林省石化資源與生物質綜合利用工程實驗室,吉林 長春 130012)
以2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷與Cu(CH3COO)2?H2O為原料,在甲醇溶液中成功合成了2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷銅配合物;利用FTIR、元素分析及質譜對該配合物的結構進行了表征。以2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷銅配合物為催化劑,進行苯酚羥基化反應,研究了反應條件對苯酚羥基化反應的影響。實驗結果表明,反應的最佳條件為:催化劑用量50 mg、苯酚濃度1.0 mol/L、30%(w)H2O21.8 mL、反應溫度60 ℃、反應時間4 h。在此條件下,苯酚轉化率達63.5%,苯二酚的選擇性達到100%(鄰苯二酚和對苯二酚的選擇性分別為50.2%和49.8%)。重復使用實驗結果表明,催化劑的重復使用性能較好。
二吡咯甲烷;2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷銅配合物;苯酚羥基化反應;苯二酚
苯酚羥基化反應的產物鄰苯二酚和對苯二酚是重要的精細化工產品[1]。自1970年以來,國內外的科研工作者一直致力于尋找一種實用的方法來實現苯酚羥基化[2]。在先后嘗試過電化學氧化法、光催化氧化法、光-電化學催化氧化法和超臨界氧化法后,發現以H2O2為氧化劑的液相催化氧化法可以實現苯酚在溫和條件下高效轉化為鄰苯二酚和對苯二酚[3]。該方法由于具有苯酚轉化率高、產物選擇性好和環境友好的特點而日益成為研究重點,而開發高效的羥基化反應催化劑是研究的關鍵。分子篩[4-5]、雜多酸[6-7]、金屬氧化物[8]、金屬配合物[9]和類水滑石[10-11]等均被用作苯酚羥基化反應的催化劑,但大都存在制備過程復雜、成本高、對苯酚羥基化反應選擇性差等不足。
近年來,Schiff堿與過渡金屬的配合物作為模擬的過氧化物酶已用于H2O2為氧化劑的苯酚羥基化反應中[12-14]。Schiff堿金屬配合物用作苯酚羥基化反應的催化劑,可使苯酚轉化率達42.3%,苯二酚選擇性達86.6%。但Schiff堿金屬配合物催化劑很容易被降解或二聚生成氫氧基金屬配合物,從而導致催化劑失活,且難以分離回收,不能循環使用,在工業中難以應用。2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷金屬配合物制備工藝簡單,合成成本低,反應活性高,選擇性好,使用過程中對生產設備無腐蝕,對環境無不良影響,是一種環境友好型催化劑。相對于已被廣泛研究的各種Schiff堿類過渡金屬配合物,二吡咯甲烷類過渡金屬配合物用于苯酚羥基化反應還鮮有報道。
本工作合成了2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷銅配合物(簡稱銅配合物),采用FTIR、元素分析和基質輔助激光飛行時間串聯質譜等方法對其結構進行了表征,考察了其對苯酚羥基化反應的催化活性。
1.1 試劑和儀器
甲醇、三氯甲烷、30%(w)H2O2:分析純,北京化工廠;Cu(CH3COO)2?H2O、苯酚:分析純,天津市光復精細化工研究所;2,2'-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷:參照文獻[15]的方法制備;去離子水:自制。
X-6型自動顯微熔點測定儀:上海精科天美科學儀器有限公司;Nicolet Magna 560型傅里葉變換紅外光譜儀:Nicolet公司;基質輔助激光飛行時間串聯質譜儀:AB SCIEX公司;元素分析儀:EuroVector公司;GC-6890型氣相色譜儀:Agilent公司。
1.2 銅配合物的制備
將6.0 mmol的2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷和1.4 mmol的Cu(CH3COO)2?H2O溶于30 mL甲醇中,回流5 h,抽濾,用三氯甲烷和熱去離子水洗滌濾餅至濾液無色,在40 ℃下真空干燥后得到0.84 g深棕色粉末,即為銅配合物,收率為67.0%。
1.3 苯酚羥基化反應
將干燥后的銅配合物研細,過80目篩,然后稱取50 mg銅配合物加入到裝有1.0 g苯酚及30 mL蒸餾水的三口燒瓶中,在60 ℃水浴中加熱,再緩慢滴入1.8 mL 30%(w)H2O2(30 min內滴完),每間隔30 min取樣分析羥基化反應液的組成。苯酚轉化率(X)和苯二酚選擇性(S)由下式計算:

式中,nb和na分別表示反應前后苯酚的物質的量,mol;np表示產物苯二酚的物質的量,mol。
1.4 分析及表征方法
銅配合物的結構由FTIR、元素分析和基質輔助激光飛行時間串聯質譜(基質為2,5-二羥基苯甲酸)確定。
采用GC-6890型氣相色譜儀對羥基化液的組成進行分析,分析條件:N2為載氣;FID檢測;INNOWax色譜柱;進樣口溫度250 ℃;檢測器溫度250 ℃;程序升溫,起始溫度80 ℃,以10 ℃/min的速率升溫至250 ℃,保持3 min。
2.1 銅配合物的合成
Cu(CH3COO)2與2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷的配位產物可能有2種:1 mol的Cu(CH3COO)2與1 mol的2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷發生配位反應,得到配合物Ⅰ;1 mol的Cu(CH3COO)2與2 mol的2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷發生配位反應,得到配合物Ⅱ(見圖1)。由于配合物Ⅱ比配合物Ⅰ具有更大的共軛結構,更有利于電子的流動,因此具有更好的氧化還原性能,所以傾向于得到配合物Ⅱ。

圖1 銅配合物的合成路線Fig.1 Synthesis routes of 2,2′-(4-nitrophenyl) dipyrromethanes copper complex(copper complex).
2.2 銅配合物的表征
2.2.1 FTIR表征結果
2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷和銅配合物的FTIR譜圖見圖2。由圖2可見,對于底物2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷,3 400,3 360 cm-1處的吸收峰歸屬于N—H鍵的伸縮振動;2 980,2 930 cm-1處的吸收峰歸屬于飽和C—H鍵的對稱和不對稱伸縮振動。在形成銅配合物后,N—H鍵的伸縮振動峰消失,3 430 cm-1處出現—OH的締合峰,1 040 cm-1處出現明顯的N—Cu鍵的伸縮振動峰,說明Cu2+與2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷成功配位,形成配位鍵。

圖2 2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷(a)和銅配合物(b)的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of 2,2′-(4-nitrophenyl)dipyrromethanes(a) and the copper complex(b).
2.2.2 元素分析結果
根據銅配合物的元素分析結果確定其分子式為C30H18O4N6Cu,測定值C 60.32%,H 3.68%,O 10.87%,N 14.37%,與計算值C 60.65%,H 3.73%,O 10.77%,N 14.15%相近,證明合成的配合物為配合物Ⅱ。
2.2.3 質譜分析結果
銅配合物的質譜圖見圖3。

圖3 銅配合物的質譜圖Fig.3 MS spectrum of the copper complex.
由圖3可見,在質核比m/z=592.4[M-H]-處出現明顯的母離子峰,與配合物Ⅱ的相對分子質量(593.1)一致,表明合成的配合物為配合物Ⅱ。
根據FTIR、元素分析及質譜表征結果,證實在實驗條件下得到的配合物為配合物Ⅱ。
2.3 反應條件對苯酚羥基化反應的影響
2.3.1 催化劑用量的影響
以銅配合物為催化劑,考察了其用量對苯酚羥基化反應的影響,實驗結果見圖4。從圖4可見,隨催化劑用量的增加,苯酚轉化率先增加后降低,當催化劑用量為50 mg時苯酚轉化率最大,達46.1%。這可能是因為催化劑用量的增加加速了H2O2分解,使羥基化反應的氧源減少。當催化劑用量從15 mg增至100 mg時,鄰苯二酚的選擇性基本保持不變;對苯二酚的選擇性隨催化劑用量的增加而增大。產物中鄰苯二酚與對苯二酚選擇性的比值隨催化劑用量的增加逐漸減小,最后接近1∶1。苯醌的選擇性隨催化劑用量的增加先增大后減小,這可能是因為催化劑用量的增大使H2O2分解加快,苯二酚被進一步氧化成苯醌的能力變弱。綜上所述,當催化劑用量為50 mg時,苯酚羥基化反應活性最好。

圖4 銅配合物用量對苯酚羥基化反應的影響Fig.4 Effects of the copper complex dosage on the phenol hydroxylation.Reaction conditions:phenol concentration 1.0 mol/L,30%(w)H2O21.8 mL,water 30 mL,70 ℃,5 h.CAT:pyrocatechol;HQ:hydroquinol;BQ:benzoquinone.Phenol conversion;CAT selectivity;HQ selectivity;BQ selectivity
2.3.2 苯酚濃度的影響
為考察苯酚濃度對苯酚羥基化反應的影響,改變苯酚濃度,不改變H2O2的量,在相同溫度下進行反應,實驗結果見圖5。從圖5可看出,當苯酚濃度為1.0 mol/L時,苯酚轉化率最高,達到46.1%;苯酚濃度大于或小于1.0 mol/L時,苯酚轉化率均降低。改變苯酚濃度對鄰苯二酚與對苯二酚選擇性的比值沒有太大影響,基本保持在1.25∶1。當苯酚濃度由0.5 mol/L增至1.0 mol/L時,苯醌選擇性增大,繼續增加苯酚濃度,苯醌選擇性反而下降;苯酚濃度在2.0~4.0 mol/L范圍內變動時,苯二酚選擇性為100%,沒有苯醌生成。這是因為苯酚濃度越高,它對H2O2的分解抑制作用越弱,從而導致參加羥基化反應的H2O2減少,沒有氧源繼續將苯二酚深度氧化為苯醌。因此,適宜的苯酚濃度為1.0 mol/L。

圖5 苯酚濃度對苯酚羥基化反應的影響Fig.5 Effects of phenol concentration on the phenol hydroxylation. Reaction conditions:copper complex 50 mg,30%(w)H2O21.8 mL,water 30 mL,70 ℃,5 h.Phenol conversion;CAT selectivity;HQ selectivity;BQ selectivity
2.3.3 反應溫度的影響
反應溫度對苯酚羥基化反應的影響見圖6。

圖6 反應溫度對苯酚羥基化反應的影響Fig.6 Effects of reaction temperature on the phenol hydroxylation. Reaction conditions:phenol concentration 1.0 mol/L,copper complex 50 mg,30%(w)H2O21.8 mL,water 30 mL,5 h.Phenol conversion;CAT selectivity;HQ selectivity;BQ selectivity
當反應溫度從30 ℃升至60 ℃時,苯酚轉化率隨溫度的升高而增加,在60 ℃時達63.5%;當溫度高于60 ℃后,苯酚轉化率隨溫度的升高而有所下降。這是由于溫度過高加速了H2O2的分解,使參與羥基化反應的H2O2減少,苯酚轉化率降低。苯二酚的選擇性始終保持在90%左右,其中鄰苯二酚的選擇性在50%附近波動,對苯二酚的選擇性先降低后增大;鄰苯二酚與對苯二酚選擇性的比值先增大后減小,在40~50 ℃時,兩者的比值最大,接近2∶1。苯醌選擇性隨溫度的升高而增加,這是因為反應溫度的升高加快了苯二酚繼續氧化的進程,且較高的溫度可使苯醌進一步氧化生成焦油,反應液的顏色隨反應溫度的升高而加深也驗證了這一觀點。因此,適宜的反應溫度為60 ℃。
2.3.4 反應時間的影響
反應時間對苯酚羥基化反應的影響見圖7。由圖7可見,反應時間為1~2 h內,苯酚轉化率快速增加,從22.3%增至45.4%;當反應時間超過2 h后,苯酚轉化率增幅減緩。對苯二酚的選擇性在反應1 h時最高,達到70.5%,隨后降低;鄰苯二酚選擇性隨反應時間的延長呈增大的趨勢。鄰苯二酚與對苯二酚選擇性的比值逐漸增大,反應1 h時接近1∶3,反應4 h時接近1∶1。在反應時間超過4 h后,苯醌選擇性增大,說明一部分對苯二酚進一步被H2O2氧化成了苯醌。因此,適宜的反應時間應為4 h。

圖7 反應時間對苯酚羥基化反應的影響Fig.7 Effects of reaction time on the phenol hydroxylation. Reaction conditions:phenol concentration 1.0 mol/L,copper complex 50 mg,30%(w)H2O21.8 mL,water 30 mL,60 ℃.Phenol conversion;CAT selectivity;HQ selectivity;BQ selectivity
綜合以上實驗結果,確定了苯酚羥基化反應的最佳條件:催化劑用量50 mg、苯酚濃度1.0 mol/ L、30%(w)H2O21.8 mL、反應溫度60 ℃、反應時間4 h。在此條件下,苯酚轉化率達63.5%、苯二酚的選擇性為100%(鄰苯二酚和對苯二酚的選擇性分別為50.2%和49.8%)、鄰苯二酚與對苯二酚選擇性的比值約為1∶1。
2.3.5 催化劑的重復使用性
為進一步了解催化劑的穩定性,為催化劑的實際應用提供基礎數據,在最佳反應條件下設計了評價催化劑重復使用性能的實驗:在每次反應后,分離回收催化劑,用乙醇洗滌3次,常溫干燥,用于下次苯酚羥基化反應,共進行3次反應。催化劑的重復使用性能見表1。由表1可見,3次反應均無苯醌生成,鄰苯二酚與對苯二酚選擇性的比值均接近1∶1,催化劑的重復使用性能較好。苯酚轉化率略有降低可能是由于催化劑在回收過程中流失所致,但苯二酚的選擇性保持恒定,3次反應均為100%。

表1 催化劑的重復使用性能Table 1 Reusability of the copper complex
2.4 反應機理的探討
銅配合物催化苯酚羥基化反應生成苯二酚可能按式(1)~(3)的機理進行[16-17]。


以H2O2為氧化劑時,芳香族化合物的羥基化通常是按照自由基機理發生的[18]。在銅配合物催化苯酚羥基化反應中,由于配合物中存在對硝基苯基這一芳香基團,銅離子的氧化還原性被加強。當電荷在配體與金屬離子之間相互轉移時,配合物的催化能力進一步提高,同時Cu2+與苯二酚形成螯合物中間體,抑制反應過度進行[19]。銅配合物催化劑(A)與H2O2反應,失去一個正電荷形成中間體(B)并生成HO2?自由基(式(1));中間體B接著又與H2O2作用,生成HO?羥基自由基同時自身被還原為初始結構——催化劑A(式(2));由于苯酚羥基的鄰對位效應,故羥基自由基進攻苯酚羥基的鄰對位,生成鄰苯二酚和對苯二酚(式(3))。
1)以2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷為原料合成了2,2′-(4-硝基苯基)二吡咯甲烷銅配合物,并將其用于苯酚羥基化反應。苯酚羥基化反應結果表明,該配合物對苯酚羥基化反應具有很高的催化活性。
2)在銅配合物用量50 mg、苯酚濃度1.0 mol/ L、30%(w)H2O21.8 mL、反應溫度60 ℃、反應時間4 h的最佳反應條件下,苯酚轉化率為63.5%,鄰苯二酚和對苯二酚的選擇性分別為50.2%和49.8%。該反應條件溫和,催化劑的選擇性和活性高,具有進一步工業化應用的前景。
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(編輯 王 萍)
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1000 - 8144(2014)02 - 0138 - 06
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A
2013 - 07 - 24;[修改稿日期] 2013 - 11 - 11。
王洪宇(1988—),男,吉林省遼源市人,碩士生,電話 18943626102,電郵 my834804030@126.com。聯系人:張龍,電話 0431 - 85717216,電郵 Zhanglongzhl@163.com。