H 2O2/乙腈體系下MgO催化環己酮Baeyer-Villiger綠色氧化合成ε-己內酯的研究

朱倩倩，靳海波，郭曉燕，何廣湘，馬磊，張榮月，谷慶陽，楊索和

（北京石油化工學院化學工程學院/燃料清潔化及高效催化減排技術北京重點實驗室，北京102617）

引 言

ε-己內酯是一種重要的新型聚酯單體和有機合成中間體，其開環聚合所得的聚己內酯具有良好的生物相容性、生物降解性、滲藥性、熱塑性并且無毒，常用作人工合成組織、藥物釋放載體、醫用涂層的生產等，且在臨床上得到廣泛應用，同時還可與交聯淀粉共混改性制備具有良好力學性能的可降解材料[1-5]。Baeyer-Villiger（B-V）氧化反應是將脂肪族酮氧化為酯，將環狀酮氧化為內酯的反應，在有機合成中起著重要作用[6-8]，ε-己內酯可由B-V氧化環己酮制備。目前，工業上主要使用有機過氧酸作氧化劑制備ε-己內酯，該方法會產生酸性廢棄物對環境造成污染，并且過氧酸易于分解，具有一定的危險性[9-10]；氧氣氧化法常以醛類作為共氧化劑，但反應過程中副產大量有機酸，且不易分離[11-13]；而生物氧化法雖具有高效性、專一性，且反應條件溫和、無污染，但是技術成本高、穩定性差、效率低，仍停留在實驗室階段[14-15]。因此，從綠色安全的氧化劑及高效的催化劑入手開發環己酮綠色氧化新工藝具有非常大的經濟與社會效益。

相較于過氧酸氧化，采用雙氧水氧化副產物為水，清潔無污染。Olszówka等[16-17]使用雙氧水作為氧化劑、鎂鋁類水滑石為催化劑進行了環己酮氧化合成ε-己內酯的研究，并研究了鎂鋁配比及其結晶度等對催化性能的影響，發現當Mg/Al=5.62時，ε-己內酯具有最高收率（50%），結晶度較低的水滑石催化劑具有較高的選擇性，從而滿足了綠色化學的要求。Pillai等[18-19]以乙腈為共氧化劑與雙氧水共同參與反應，其中乙腈不僅起到溶劑的作用，而且乙腈與過羥基陰離子物質（HOO—）反應，生成了過氧縮酰亞胺酸，進一步氧化被活化的環己酮。Yang等[20-21]制備了Mg、Sn、Al和W等金屬氧化物催化劑，經800℃煅燒得到錫鎢摩爾比為2的復合金屬氧化物，催化效果最佳，75℃下反應10 h，環己酮轉化率可達88%。Ruiz等[22]將鎂鋁比為4∶1的水滑石催化劑用于B-V氧化催化環己酮反應，具有良好活性。清潔高效合成己內酯已日益成為一種趨勢，而對其反應機理的探索也具有一定理論意義。Pillai等[18]研究發現環己酮氧化過程中H2O2分子與環己酮共同被激活，反應遵循過氧縮酰亞胺酸路線。Ma等[23]研究了過渡金屬氧化物為催化劑的環己酮B-V氧化反應，MoO3和WO3具有較高的催化活性，并提出了MoO3和WO3的反應機理。Corma等[24]認為反應過程中只有環己酮被激活，H2O2分子直接進攻羰基碳原子，反應為一步反應。由于H2O2綠色清潔，乙腈極性強溶于多種有機物與無機物，乙腈與環己酮和過氧化氫水溶液均互溶，可使反應體系很好混合，產生單一液相反應混合物，比兩相反應更易于處理。因此，本文以沉淀法制備MgO催化劑用于H2O2/乙腈體系下B-V氧化環己酮合成ε-己內酯，系統考察了MgO制備條件對其結構及催化性能的影響，并對反應條件進行進一步的優化。使用在線原位紅外光譜對反應過程實時分析，進一步驗證了其反應機理。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

Mg(NO3)2·6H2O，分析純，西亞試劑；Na2CO3，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；環己酮、30%H2O2、乙腈、氯仿，分析純，北京化工廠。

高低溫平行反應儀WP-TEC-1020HC，西安華泰科思實驗設備有限公司；氣相色譜GC-2010，日本島津公司；氣質聯用儀Agilent 7890B-5977A，安捷倫科技有限公司；原位紅外ReactIR 15，瑞士梅特勒-托利多；馬弗爐；烘箱。

1.2 催化劑的制備

稱取60 g Mg(NO3)2·6H2O溶于200 ml去離子水，電磁攪拌下滴加質量分數為5%的Na2CO3溶液，沉淀完全后，繼續滴加2 mol/L NaOH溶液調節pH，攪拌1 h后，在室溫下靜置老化24 h，用去離子水洗滌，將洗滌后所得白色沉淀在60℃烘箱中烘12 h，研磨后將其置于馬弗爐內以5℃/min的升溫速率升溫至一定溫度下煅燒，冷卻至室溫，得到所需MgO。

1.3 催化劑的評價及產物分析

向100 ml的三口圓底燒瓶中依次加入0.1 mol環己酮，2.5 g催化劑，50 ml乙腈溶劑，并加入80 ml雙氧水，加熱至60℃反應5 h，反應結束后，冷卻1 h，抽濾分離催化劑，用氯仿萃取反應液中有機相，對萃取后的反應液進行分析。

樣品分析：使用GC-2010氣相色譜儀，HP-5色譜柱（50 m×0.200 mm），FID檢測器，初始溫度120℃保持3 min，10℃/min升溫至240℃，保持15 min。

MgO催化環己酮的氧化反應的性能評價指標為環己酮的轉化率（X）和己內酯的收率（Y），分別采用式(1)、式(2)計算。

式中，m環己酮為環己酮加入的質量，g；m總為反應液的質量，g；w環己酮為反應液中環己酮的質量分數；w己內酯為反應液中己內酯的質量分數。

1.4 催化劑表征及條件

XRD：日本理學株式會社SmartLab-9 Kw X射線衍射儀；輻射源為Cu靶，Kα輻射源（λ=0.15418 nm），管電壓為40 kV，管電流為30 mA，掃描速率4(°)/min，掃描范圍20°～80°。

SEM：日本電子株式會社JEOL JSM-7600超高分辨熱場發射掃描電子顯微鏡；測試電壓1.5 kV，放大倍數為2千倍和10萬倍。

2 結果與討論

2.1 催化劑制備條件優化

沉淀法制備的金屬氧化物催化劑，其煅燒溫度以及煅燒時間是影響催化劑性能的重要因素，圖1是考察催化劑制備的煅燒溫度及煅燒時間對反應效果的影響。從圖中可以看出，環己酮轉化率及ε-己內酯收率隨溫度的增加而緩慢增加，在600℃時環己酮轉化率及ε-己內酯收率達到最大，分別為74.7%和67.1%，之后環己酮轉化率及ε-己內酯收率隨溫度的升高而減少；煅燒時間在2 h之前，環己酮轉化率及ε-己內酯收率隨煅燒時間的增加而增加，2 h時環己酮轉化率及ε-己內酯收率達到最高，分別是87.7%和68.1%，2 h之后則開始減少。在較高的煅燒溫度條件及較長的煅燒時間下催化劑的活性出現降低。這是因為煅燒溫度過高會造成催化劑中金屬氧化物的結構改變，催化劑活性組分晶粒生長較快，形成晶粒尺寸變大（這與XRD表征結果一致），使得反應物分子在催化劑活性中心上的吸附與脫附變得困難，或使活性組分結構發生變化，活性位數量減少。因此，煅燒溫度為600℃、煅燒時間為2 h為最佳條件。

2.2 催化劑表征

2.2.1 催化劑XRD表征 MgO是典型的立方晶相結構。所制備MgO催化劑XRD譜圖如圖2所示，400℃時由于煅燒溫度較低，前體煅燒分解不完全，有非晶相MgCO3·3H2O存在，并未完全分解為MgO，500～800℃下催化劑特征衍射峰尖銳(36.94°、42.92°、62.30°、74.69°和78.63°)，五個晶面分別為（111）（200）（220）（311）（222）,且與國際標準圖譜庫JCPP中MgO（PDF＃NO.45-0946）的特征衍射峰完全一致，由圖可知隨著煅燒溫度的升高，衍射峰強度逐漸增大，說明催化劑結晶度也在增大。因此，MgO在500℃以上煅燒較為合適。

圖1 不同制備條件對催化劑性能的影響Fig.1 Effect of different preparation conditions on catalyst performance

圖2 不同煅燒溫度下MgO的XRD譜圖Fig.2 XRDpatterns of MgOat different calcination temperatures

由圖1可知，隨煅燒溫度的升高，產率先增加后降低；但催化劑的接觸角[25]由40°降低到28°，這也表明結晶度較低的MgO親水性較強，有助于表面堿性中心上的H2O2接近和活化，而結晶度高的MgO的親水性較差使得催化劑更易于與有機底物相互作用，隨后進行非選擇性轉化[26-27]。根據Scherrer公式計算得到500～800℃MgO樣品的晶粒尺寸依次為9.53、12.48、17.71、29.49 nm。這可能是因為溫度較低時晶粒的生成較快，而晶核的生長較慢，所以晶粒尺寸較小；而在高溫階段晶粒生長速度要高于晶核形成速度，所以溫度高有利于形成尺寸較大晶粒，并且在高溫處理過程中，初級粒子的表面原子活性將進一步增強，有可能使粒子間的軟團聚轉化為硬團聚，晶粒長大。因此，煅燒溫度對粒徑大小的影響至關重要，在保證納米粒子前體充分分解的基礎上應降低鍛燒溫度[28-29]。

2.2.2 催化劑SEM表征 圖3為不同煅燒溫度下所制備MgO的SEM圖像，由圖3（a）～（d）可以看出MgO呈棒狀，對比圖3（e）～（h）可以看出500℃時棒狀MgO表面幾乎平滑，有少量結晶，600℃、700℃和800℃下MgO表面不再平滑，開始在表面出現類似球狀顆粒，且粒徑逐漸增大，這可能是因為隨著溫度升高，表面細小顆粒開始團聚，晶粒長大，圖3（d）顯示800℃時MgO出現燒結，與前述一致。而煅燒溫度為600℃催化劑有最佳催化活性，說明MgO形貌對MgO催化活性有著重要影響。

2.3 反應條件的考察

2.3.1 催化劑用量的影響 催化劑用量對有機合成反應有一定的影響，圖4為催化劑用量對反應效果的影響。從圖4可以看出，ε-己內酯的產率隨催化劑的量的增加而增大，在催化劑摩爾比為0.45∶1時，ε-己內酯產率達最大為71.6%，繼續增加催化劑摩爾比時ε-己內酯產率無明顯變化，分析認為MgO催化反應時，環己酮分子首先由反應體系進入MgO內部，經過MgO催化劑的活化中心活化后，再經過脫附與H2O2分子結合，當體系內反應底物量確定時，需要的催化劑量也一定，因此，當MgO用量增加到一定量時，轉化率不再增加，所以最佳的催化劑摩爾比為0.45∶1。

2.3.2 溶劑用量的影響 溶劑在有機反應中有著重要作用，其中溶劑的偶極矩和介電常數是影響溶劑溶解溶質能力的兩個重要因素。乙腈是一種優良的溶劑，具有較大的偶極矩和介電常數。本反應以乙腈作為溶劑，可以起到提高反應的傳質速率，同時增加反應傳熱的作用，且乙腈還會與反應物環己酮結合，從而加快反應的進行，改變反應歷程[30]，反應機理部分對此做了詳細討論。

圖5為溶劑用量對反應效果的影響，可以看出ε-己內酯隨溶劑摩爾比先增加后減少，溶劑摩爾比為1∶12時ε-己內酯產率達到最大為73.6%，這是因為反應過程中有機相環己酮和無機相H2O2在乙腈溶劑中相結合，增大反應底物接觸面積，提高傳質速率，從而加快反應進行，當乙腈達到最佳量即1∶12時，再增加乙腈用量則會使反應物濃度降低，不利于反應的進行。因此，1∶12為最佳溶劑摩爾比。

2.3.3 雙氧水用量的影響 環己酮氧化過程中，H2O2作為氧化劑其用量對產物ε-己內酯有較大的影響。由于H2O2氧化劑氧化能力較弱，通常需要過量使用。由圖6可以看出，隨H2O2量的增多，環己酮轉化率在逐漸增大，當H2O2與環己酮摩爾比增大至1∶10時，ε-己內酯收率達最大為74.9%，但當其摩爾比在1∶10之后時，ε-己內酯產率有所下降。分析認為H2O2量增加時，體系水的量也相應增加，同時，雙氧水呈弱酸性，這都會加劇產物ε-己內酯的水解，因此，在環己酮轉化率增加的同時，出現了ε-己內酯產率下降現象，故H2O2與環己酮適宜的摩爾比為1∶10。

圖3 不同煅燒溫度下MgO的SEM圖Fig.3 SEM imagesof MgOat different calcination temperatures

圖4 催化劑用量對反應的影響(反應條件:環己酮30 mmol;30%(質量分數)雙氧水35 ml;乙腈20 ml;60℃;5 h)Fig.4 The influence of the amount of catalyst on the reaction

圖5 溶劑用量對反應的影響(反應條件:環己酮30 mmol;30%(質量分數)雙氧水35 ml;催化劑0.54 g;60℃;5 h)Fig.5 The effect of the amount of solvent on the reaction

2.3.4 反應溫度的影響 考察反應溫度對ε-己內酯收率的影響，圖7表明，在70℃之前，隨反應溫度的升高，ε-己內酯產率增加，70℃時達到最大為77.0%，繼續升高溫度，ε-己內酯產率反而下降，這是因為較高的溫度會加快H2O2的分解，同時，體系含水量增加，導致ε-己內酯水解增多，不利于反應進行，ε-己內酯產率降低，故選擇最適宜的反應溫度為70℃。

2.3.5 反應時間的影響 圖8為反應時間對ε-己內酯產率的影響，在反應時間為6 h之前，環己酮轉化率與ε-己內酯產率隨反應時間的增加而增大，在6 h時環己酮轉化率與ε-己內酯產率達到最大，分別為95.2%、83.1%；反應繼續進行，雖然轉化率繼續增大，但收率緩慢減小。這是由于隨著反應的進行，H2O2分解速率逐漸增加，同時反應產物ε-己內酯發生部分水解，ε-己內酯的選擇性降低，收率不再增加，故適宜的反應時間為6 h。

圖6 雙氧水用量對反應的影響(反應條件:環己酮30 mmol;乙腈15 ml;催化劑0.54 g;60℃;5 h)Fig.6 The effect of hydrogen peroxide on the reaction

圖7 反應溫度對反應的影響(反應條件:環己酮30 mmol;30%(質量分數)雙氧水30.7 ml;催化劑0.54 g;5 h)Fig.7 The effect of temperature on the reaction

2.4 副產物分析

在優化的反應條件下，當ε-己內酯產率最高為83.1%時，環己酮轉化率為95.2%，選擇性為87.3%，這說明環己酮氧化反應中還生成了副產物。為確定副產物組成，反應后的反應液用GC-MS進行定性分析，從而揭示反應的規律。環己酮隨著反應的進行而不斷減少，ε-己內酯不斷增加；當ε-己內酯增加到一定程度后，由于體系中水含量較大，ε-己內酯發生水解，從而降低了反應的選擇性。水解生成的6-羥基己酸在過量雙氧水的作用下還可能進一步生成少量己二酸。另外，環己酮還可能發生加成反應生成2-環己烯-1-酮，進一步發生環氧化生成7-氧雜二環[4.1.0]庚烷-2-酮，如圖9所示。

圖8 反應時間對反應的影響(反應條件:環己酮30 mmol;30%(質量分數)雙氧水30.7 ml;催化劑0.54 g;70℃)Fig.8 The effect of time on the reaction

圖9 環己酮B-V氧化副反應路線Fig.9 Cyclohexanone B-V oxidation side reaction route

2.5 反應機理

為了進一步探索其反應機理，使用在線原位紅外光譜對反應機理進行驗證。根據H2O2分子是否被活化，將反應機理分為以下兩種。

①通過與催化劑的路易斯酸位點配位而使環己酮羰基活化，從而導致羰基碳的親電性增強，促進H2O2分子的親核進攻，接著，H2O2分子進攻環己酮羰基碳后形成Criegee加合物(a)，(a)經過重排后形成ε-己內酯[26]。反應過程中僅環己酮的羰基碳被活化，而H2O2分子未被活化，此為一步反應路線，如圖10所示。

②被催化劑活化的H2O2進攻氧化鎂催化劑表面的堿中心，形成一種過氧中間體(a)，提高了雙氧水的親核能力；由于該過氧中間體不穩定，迅速與乙腈結合形成過氧縮酰胺中間體(b)；接著，在反應的第二步中，中間體(b)被催化劑的路易斯酸位點活化的環己酮的羰基進攻，形成類似Criegee的加合物(c)；最后，中間體(c)經過重排，生成ε-己內酯和乙酰胺。反應過程中氧化劑H2O2和酮的羰基均被催化劑活化，使B-V反應加速，是一個兩步反應路線，如圖11所示。

圖10 路線Ⅰ：H2O2/乙腈體系下MgO催化環己酮B-V氧化反應機理（僅酮基碳被活化）Fig.10 RouteⅠ:MgO-catalyzed oxidation mechanismof cyclohexanone B-V in H2O2/acetonitrile system

圖11 路線Ⅱ：H2O2/乙腈體系下MgO催化環己酮B-V氧化反應機理（酮羰基與H2O2分子均被活化）Fig.11 RouteⅡ:MgO-catalyzed oxidation mechanismof cyclohexanone B-V in H2O2/acetonitrile system

為了驗證H2O2/乙腈體系下MgO催化環己酮BV氧化反應機理，用原位紅外對反應體系進行實時在線分析，測定的紅外光譜如圖12所示，可觀察到1558 cm-1處過氧縮酰胺中C N伸縮振動及1410 cm-1處乙酰胺中C—N伸縮振動。路線Ⅰ中乙腈未參與反應，即反應過程中不會出現C N與C—N伸縮振動，而路線Ⅱ中H2O2與MgO催化劑所形成的中間體與乙腈結合會形成過氧縮酰胺，反應最后Criegee加合物重排后形成乙酰胺，分別有C N與C—N的伸縮振動。因此，驗證了路線Ⅱ所示的反應機理。

圖12 MgO催化環己酮B-V氧化合成ε-己內酯原位紅外光譜圖Fig.12 In-situ infrared spectroscopy of MgOcatalytic cyclohexanone B-V oxidation toε-caprolactone

圖13 MgO催化B-V氧化合成ε-己內酯中乙酰胺與過氧縮酰胺原位紅外光譜峰強變化Fig.13 MgOcatalyzed oxidation of B-V to synthesizeεcaprolactone acetamide and peroxyacetal in-situ infrared spectrumpeak intensity changes

進一步對路線Ⅱ反應機理進行驗證，原位紅外測定不加環己酮反應時C N與C—N的伸縮振動與加入環己酮實驗進行對比（圖13為加入環己酮與不加環己酮反應6 h的C—N及C N伸縮振動峰的變化）。不加環己酮時出現1410 cm-1C—N，這是由于乙腈在H2O2存在的酸性環境下水解生成乙酰胺。從圖13可以看出在1410 cm-1處C—N及1558 cm-1處C N伸縮振動峰都在增加。但兩圖對比可以發現，不加環己酮時1558 cm-1處C N伸縮振動峰比加入環己酮時峰強更強，而1410 cm-1處C—N伸縮振動峰比加入環己酮時峰強更弱，這說明形成的過氧縮酰胺中間體進行第二步反應與被活化的環己酮結合生成ε-己內酯，以使過氧縮酰胺的量減少而乙酰胺的量增多（即C N伸縮振動峰變弱，C—N伸縮振動峰增強），從而進一步驗證了路線Ⅱ反應機理。

3結 論

以Mg(NO3)2·6H2O為原料通過沉淀法合成MgO，考察了催化劑的煅燒時間及煅燒溫度對催化劑活性的影響，得到其最佳煅燒溫度及煅燒時間分別為600℃、2 h，并對催化劑進行XRD及SEM表征分析，并用X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）進行了分析，由分析可知隨溫度升高MgO晶粒尺寸逐漸增大，在500～800℃范圍內，MgO晶粒尺寸為9.53～29.49 nm，分析表明隨溫度升高，催化劑結晶度不斷升高，其催化性能先增強后減弱；對反應條件進行優化，最佳反應條件為n（催化劑）∶n（環己酮）=0.45∶1，n（環己酮）∶n（乙腈）=1∶12，n（環己酮）∶n（雙氧水）=1∶10，反應溫度70℃，反應時間6 h，反應收率可達83.1%；分析了其反應副產物主要為由己內酯水解產生的6-羥基己酸及環己酮加成所生成的2-環己烯-1-酮；用在線原位紅外光譜對反應進行實時在線分析，驗證了其過氧縮酰胺反應路徑。