堿式硝酸銅的制備及催化氧化四氫糠醇的性能

秦卓榮，陳小妮，王國勝

（沈陽化工大學 化學工程學院，遼寧 沈陽 110142）

化石能源的消耗及日益枯竭導致的環境問題迫在眉睫，使人們急需從可再生能源中選擇性生產高附加值含氧有機化學品［1］。四氫糠醇（THFA）可利用價廉、豐富的原料糠醛制得［2-4］，是一種含氧充足的生物質。四氫糠醇酯為呋喃類雜環化合物［5］，由于具有天然獨特的香氣而作為香料廣泛用于食品、日化用品及煙草等行業，香氣突出、閾值低、香味表達性好等特點［6-7］使其具有極大的應用潛力。

合成糠醇酯的傳統方法是用濃硫酸作為催化劑。近年來，王歌云等［8］將糠醇和丁酰氯反應，以氧化鈣和碳酸鈉為縛酸劑，合成了丁酸糠醇酯。姚立紅等［9］用4-吡咯基吡啶和4-二甲氨基吡啶作催化劑合成了糠醇酯。梁婭等［10］使用改性ZSM-5 分子篩催化有機酸與THFA 反應合成了糠醇酯。張國華等［11］用固體超強酸催化合成了乙酸糠酯。上述方法雖然均獲得了較高產率但存在廢水污染、處理工藝復雜、催化劑難回收等問題，因此尋找一種高效、綠色的方法非常必要。堿式硝酸銅具有原料易得、反應無污染、催化效率高、反應后易回收等優點，近年來已被廣泛應用于催化反應中［12-14］。

本工作采用簡單的水熱法，以水合氫氧化銅及硝酸銅為原料制備了堿式硝酸銅，將其作為催化劑催化氧化THFA 生成四氫糠醇酯，利用FTIR，SEM，XRD，TG，XPS 等方法對堿式硝酸銅的結構進行了表征，考察了它催化氧化THFA 的單因素條件，同時分析了催化性能，探討了催化機理。

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

Cu（NO3）2·3H2O、NaOH 顆粒、乙醇：AR，國藥集團化學試劑有限公司；THFA：純度99%（w），上海麥克林生化科技有限公司

CJF-0.25 型高溫高壓反應釜：大連通達反應釜廠；SHZ-D（Ⅲ）型循環水式真空泵：鞏義市予華儀器責任有限公司。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 水合氫氧化銅的制備

水浴溫度30 ℃下攪拌使NaOH 充分溶解，按Cu（NO3）2與NaOH 摩爾比為1∶2 加入Cu（NO3）2，在攪拌轉速300 r/min 下，反應得到藍色懸濁液，即為水合氫氧化銅。

1.2.2 堿式硝酸銅的制備

稱0.604 g Cu（NO3）2溶于10 mL 水中，一次性加入水合氫氧化銅溶液中，充分攪拌后倒入水熱反應釜中，在120 ℃下反應3 h，離心后經過3 次水洗和3 次醇洗，在真空干燥箱中50 ℃下干燥即得到堿式硝酸銅粉末，反應原理見式（1）。

1.3 測試與表征

采用THERMO 公司 Nicolet? LR 64912C N3896型傅里葉變換紅外光譜儀對試樣進行FTIR 表征；采用日本電子公司JSM-6360LV 型掃描電子顯微鏡觀察試樣的晶體形貌、尺寸及分布；采用布魯克公司D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀進行XRD測試；采用PE 公司 STA449 型綜合熱分析儀進行TG 分析；采用Thermo 公司Scientific k-Alpha ESCALAB XI+型X 射線光電子能譜儀對堿式硝酸銅中的Cu 元素價態進行分析。

1.4 催化劑性能評價

稱取堿式硝酸銅、150 mL THFA 加入至250 mL 高溫高壓反應釜中，使用1 MPa 氧氣排空釜內空氣，在反應溫度110～150 ℃、壓力2～4 MPa下反應，直至釜內壓力不再降低為止。反應后將產物過濾，回收催化劑，將濾液倒入250 mL 圓底燒瓶中，于170 ℃下減壓蒸餾，紅棕色產物經乙酸乙酯萃取后為紅棕色油狀物，用安捷倫科技有限公司7890A/5975C 型氣質聯用儀對它進行GC-MS 表征，用峰面積歸一化法定量分析。

2 結果與討論

2.1 堿式硝酸銅的表征結果

2.1.1 FTIR 表征結果

為驗證改性的水合氫氧化銅分子結構特征，對它進行FTIR 表征，結果見圖1。從圖1 可看出，705.52 cm-1處的吸收峰變寬是由O—H 鍵的面外彎曲振動引起的；2 076.42，1 634.39 cm-1處的吸收峰歸屬于殘留的NaOH；1 351.93 cm-1處的吸收峰歸屬于硝酸根N—O 鍵的振動；殘留的Cu（NO3）2導致在1 384.08 cm-1處出現一個細窄的吸收峰；2 827.22 cm-1處的吸收峰偏移至3 060.56 cm-1，說明分子結合方式發生了變化，3 467.29 cm-1處的強寬吸收峰歸屬于水合氫氧化銅中結晶水O—H 鍵的伸縮振動。FTIR 表征結果顯示，制備產物為水合氫氧化銅，且穩定性較好。

圖1 改性前后氫氧化銅的FTIR 譜圖Fig.1 FTIR spectra of copper hydroxide before and after modification.

2.1.2 晶體形貌預測

采用Materials Studio 軟件的Dmol3 模塊和Morphology模塊，Dmol3計算方法選用GGA/PBE 泛函，基組選擇DNP，以密度泛函理論為基礎［15-16］對堿式硝酸銅進行結構優化有較高的精度［17］。Morphology 模塊選用Bravais-Friedel Donnay-Harker［18］方法，可得到堿式硝酸銅在真空理想狀態下的結晶習性。堿式硝酸銅晶體的長徑比為1.376 5，（001）和（00-1）晶面在晶體中占有相同的面積，共占總面積的40.24%，（010），（0-10），（100），（-100）4 個晶面占用的面積相同，共占總面積的58.34%，（011），（0-1-1）兩個晶面共占總面積的0.942%，因此堿式硝酸銅晶體形貌為棱柱狀八面晶體。在實際反應中，由于壓力、溫度等條件的影響，晶體形貌與模擬結果不完全一致。堿式硝酸銅晶體形貌見圖2。從圖2 可看出，堿式硝酸銅公開的實驗晶型為規則的藍綠色六棱柱八面體，相比模擬晶型，（011），（0-1-1）兩個晶面的面積略有增長，但總體上與模擬晶型基本一致，說明計算方法的選擇較為合理。

圖2 堿式硝酸銅的晶體形貌Fig.2 Crystal morphology of copper nitrate.

2.1.3 SEM 表征結果

堿式硝酸銅的SEM 照片見圖3。從圖3 可看出，采用水熱法制備的堿式硝酸銅呈柱狀，表面有顆粒突起，呈規律性晶體結構，這與堿式硝酸銅的實驗晶型和模擬晶型相對應，表明制備的堿式硝酸銅晶體形貌良好。

圖3 堿式硝酸銅的SEM 照片Fig.3 SEM images of copper nitrate.

2.1.4 XRD 表征結果

堿式硝酸銅的XRD 譜圖見圖4。由圖4 可知，制備的堿式硝酸銅中2θ=12.8°處對應的（001）衍射面的結晶度最好，其次是2θ=25.7°處對應的（002）衍射面，2θ=58.1°，58.9°處對應的（302），（-321）衍射面的相對面積較大，說明晶相含量較高。所得堿式硝酸銅XRD 譜圖與數據庫標準譜圖中的峰位與峰強度吻合較好，表明制備的產品為純度較高的堿式硝酸銅。

圖4 堿式硝酸銅的XRD 譜圖Fig.4 XRD pattern of copper nitrate.

2.1.5 TG 表征結果

堿式硝酸銅的TG 曲線見圖5。由圖5 可知，堿式硝酸銅在200～350 ℃左右失重量約為33.65%（w），Cu（NO3）2和Cu（OH）2在170～200 ℃下脫去硝基和羥基生成CuO，CuO 在800 ℃時開始分解為Cu2O。理論上堿式硝酸銅在300 ℃左右的失重量約為33.78%（w），1 100 ℃左右的失重量約為10.06%（w），實驗測得300 ℃左右的失重量為33.38%（w），1 100 ℃左右的失重量為7.75%（w），與TG 結果基本一致，經過對比文獻和理論值［19-22］，可以推測制備的堿式硝酸銅結構式應為Cu（NO3）2·3Cu（OH）2。

圖5 堿式硝酸銅的TG 曲線Fig.5 TG curve of copper nitrate.

2.1.6 XPS 表征結果

為探究反應中堿式硝酸銅中Cu 的價態變化，驗證反應過程中催化劑的機理，利用XPS 對堿式硝酸銅中的Cu 價態進行探究，結果見圖6。從圖6 可看出，在931.8～939.6 eV 處存在Cu2+的特征峰，在928.7～935.8 eV 處存在Cu+的特征峰，說明催化劑中Cu 存在Cu2+和Cu+兩種價態，并以Cu2+為主。在反應過程中Cu2+和Cu+間存在電荷轉移，Cu2+在反應中得到電子變成Cu+，Cu+在加熱的情況下容易吸附氣態氧，使其形成親電O2-及O-，則Cu+又轉變為Cu2+，同時還在催化劑表面形成氧空位，增加表面化學吸附氧量，從而提高催化劑的氧化性能［23］。

圖6 反應前催化劑的XPS 譜圖Fig.6 XPS spectra of the catalyst before reaction.

2.2 反應條件的影響

堿式硝酸銅催化氧化THFA 采用液相高壓熱催化方式，為了優化轉化率及產物四氫糠醇酯的選擇性，對反應壓力、催化劑用量、反應溫度及攪拌轉速等進行了單因素測試，由于反應以氧氣不再消耗為終點，所以不考慮反應時間的影響，THFA 用量為150 mL（占反應釜體積的75%）。

2.2.1 反應壓力的影響

壓力的影響見圖7。由圖7 可看出，壓力對反應的轉化率和選擇性影響不大，這是由于THFA 為液體，體積不易被壓縮，增大壓力很難縮小THFA體積、升高濃度、提高反應效率。由于反應消耗氧氣，如果壓力太低則需要頻繁補氧，極易出現操作上的失誤，導致實驗難度增大，因此選用反應壓力為4 MPa。

圖7 不同壓力下的轉化率和選擇性Fig.7 Conversion and selectivity under different pressure.Conditions：120 ℃，300 r/min，catalyst 2.5 g，tetrahydrofurfuryl alcohol(THFA) 150 mL.

2.2.2 催化劑用量的影響

催化劑用量的影響見圖8。由圖8 可知，隨催化劑用量的增加，活性位點數量增加，增大了反應底物與催化劑活性位點結合的幾率，即參與反應的反應物數量增加，從而提高轉化率。選擇性與反應體系的濃度、壓力、催化劑種類有關，催化劑用量對選擇性影響不大［24］，但本反應過程中發生了Tandem 串聯反應，底物先轉化為中間產物，中間產物再轉化成最終產物，所以轉化率與選擇性均隨催化劑用量的增大而提高。當轉化率到達最高后，催化劑用量繼續增大，轉化率不再明顯增加，這是由于催化劑的活性位點與反應物結合量已達峰值。綜合考慮成本，選擇催化劑用量為2.5 g較適宜。

圖8 不同催化劑用量下的轉化率和選擇性Fig.8 Conversion and selectivity under different catalyst amount.

2.2.3 反應溫度的影響

反應溫度的影響見圖9。由圖9 可以看出，隨溫度升高，活化分子數及分子間碰撞反應幾率增大，轉化率和選擇性增大。當溫度超過140 ℃以后，繼續升高溫度，選擇性降低，轉化率基本不變。這是由于溫度較高時，活化分子數達到峰值，分子碰撞頻率穩定，故轉化率維持不變。隨溫度的升高，副反應增加，導致主產物的選擇性降低。所以適宜的反應溫度為140 ℃。

圖9 不同溫度下的轉化率和選擇性Fig.9 Conversion and selectivity at different temperature.

2.2.4 攪拌轉速的影響

攪拌轉速對反應的影響見圖10。

圖10 不同攪拌轉速下的轉化率和選擇性Fig.10 Conversion and selectivity at different stir speed.

從圖10 可看出，轉速對選擇性影響不大；當轉速在100～300 r/min 時，隨轉速的增大，分子間的碰撞幾率增大，轉化率增大；當轉速大于300 r/min 后，隨轉速的增大，轉化率反而下降，主要是由于轉速過高會使一部分催化劑黏附在反應釜內壁上，并未參與催化反應。因此，適宜的攪拌轉速為300 r/min。

綜上所述，堿式硝酸銅作為催化劑催化氧化150 mL THFA 適宜的反應條件為：催化劑用量2.5 g、反應溫度140 ℃、反應壓力4 MPa、攪拌轉速300 r/min。在該條件下，合成丁二酸戊基四氫糠醇酯的選擇性為91.794%、轉化率為65.67%。

2.3 堿式硝酸銅催化劑性能

2.3.1 循環使用性能

催化劑循環使用性能見圖11。從圖11 可知，隨著循環次數的增加，催化劑選擇性略微降低，這是因為隨著反應的進行，催化劑有一定程度的氧化，副產物增多，導致主產物選擇性略微降低。循環5 次后的轉化率僅略微降低，選擇性仍能達到80.4%，催化劑表現出較好的循環穩定性。

圖11 循環催化劑的轉化率和選擇性Fig.11 Conversion and selectivity of the reused catalyst.

2.3.2 反應前后堿式硝酸銅表征

反應前后堿式硝酸銅的XRD 譜圖見圖12。

圖12 反應前后堿式硝酸銅的XRD 譜圖Fig.12 XRD patterns of copper nitrate basic before and after reaction.

由圖12 可看出，反應前后的峰強度沒有明顯變化，并未出現多余的衍射峰，說明反應后堿式硝酸銅仍保持原有晶型結構，穩定性良好。

2.4 產物分析結果

2.4.1 GC-MS 分析

對優化條件下得到的產物進行GC-MS 分析，結果見表1。從表1 可看出，蒸餾所得底物中生成了長鏈物質，說明THFA 在氧氣和堿式硝酸銅的作用下發生了斷鏈反應。氧氣在堿式硝酸銅表面被吸附后解離生成活性氧，THFA 首先被吸附在Cu活性位上，后開環生成5-羥基戊醛，5-羥基戊醛再與THFA 發生加成反應生成四氫呋喃甲基戊酸酯。在堿性條件下銅基催化劑易使反應物分子中末端C—H 鍵斷裂脫去H-，同時體系中的O2-接受H-生成H2O［25］，使四氫呋喃甲基戊酸酯末端C 原子極化，易發生親電加成反應生成丁二酸戊基四氫糠醇酯。

表1 THFA 反應產物匯總Table 1 Summary of THFA reaction products

反應過程如圖13 所示。

圖13 催化反應過程示意圖Fig.13 Schematic diagram of catalytic reaction process.

3 結論

1）采用簡單的水熱法制備了高純度堿式硝酸銅晶體，結構式為Cu（NO3）2·3Cu（OH）2，呈顆粒狀，且具有良好的晶體形貌。

2）堿式硝酸銅作為催化劑催化氧化150 mL THFA 適宜的反應條件為：催化劑用量2.5 g、反應溫度140 ℃、反應壓力4 MPa、攪拌轉速300 r/min。在該條件下，合成了丁二酸戊基四氫糠醇酯，選擇性為91.794%，轉化率為65.67%。

3）堿式硝酸銅催化劑具有良好的穩定性，循環使用5 次后轉化率基本沒變化。