TS-1分子筛催化苯甲醛或环己酮氨肟化反应机理

杨永佳，夏长久，林 民，朱 斌，彭欣欣，罗一斌，舒兴田

(中国石化 石油化工科学研究院 石油化工催化材料与反应工程国家重点实验室，北京 100083)

肟类化合物具有多个反应位点且性质活泼，可发生多类化学反应转化为酰胺、腈、肟醚、肟酯和异恶唑等化合物。例如:环己酮肟可用于制备工程塑料尼龙-6单体己内酰胺[1];苯甲醛肟常用于制备含氮类抗菌药和降压药[2-5];丙酮肟、丁酮肟以及乙醛肟等常用作锅炉给水的除氧剂、杀菌剂，皮革抗结皮剂等[6-9]。工业生产肟类化合物的工艺路线有两种，包括羟胺路线和钛硅分子筛催化的氨肟化路线[10]。传统羟胺路线需先经多步氧化还原反应制备羟胺盐，羟胺盐再与碱反应产生羟胺，最终酮或醛与羟胺反应制得相应的肟，存在生产流程长、反应条件苛刻、污染严重并副产大量低价值铵盐等弊端[10]，不符合绿色化学要求。钛硅分子筛催化酮或醛直接与氨、双氧水反应生成酮肟或醛肟，反应条件温和，氮原子理论利用率为100%，且唯一副产物为水[11-13]。钛硅分子筛TS-1催化环己酮氨肟化环境友好，已实现工业化[1,14]。然而，苯甲醛较环己酮更活泼，采用TS-1催化苯甲醛氨肟化合成苯甲醛肟的选择性很难控制，因此有必要对其反应机理展开深入研究。

目前，研究认为TS-1分子筛催化酮或醛氨肟化反应存在两种可能机理。一种是亚胺路径，即酮或醛与氨首先反应得到亚胺中间体，亚胺再被 TS-1/H2O2催化氧化为肟，其反应路径见式(1)。Tvaruzkova等[15]采用傅里叶变换红外光谱仪扫描吸附有环己酮和氨水混合液的TS-1，通过对谱图分峰拟合，认为出现的1654 cm-1处吸收峰归属亚胺中间体C=N官能团。张向京等[16]也得到了相似结果，但1654 cm-1处吸收峰与水的特征吸收峰存在部分重叠，因此存在争议。另一种是羟胺路径，即氨首先被TS-1/H2O2催化氧化为羟胺中间体，酮或醛再与羟胺发生肟化反应得到肟，其反应路径见式(2)。Zecchina等[17]和章永洁等[18]研究了TS-1催化不同分子尺寸酮的氨肟化反应，发现无法扩散进入分子筛孔道的大分子酮(如4-叔丁基环己酮)也具有较高的氨肟化效率，因此认为氨肟化过程中生成了可在分子筛微孔内自由扩散的羟胺中间体。随后，Zecchina等[19]采用扩展X射线精细结构表征(EXAFS)等手段研究了环己酮氨肟化反应过程中Ti活性中心的结构变化，确认了NH3被TS-1/H2O2催化氧化为羟胺的反应。同时，酮类氨肟化过程中主要副产物为N2、N2O、亚硝酸铵和硝酸铵，均为羟胺的深度氧化产物[20]。这也间接证明反应过程存在羟胺中间体。

(1)

(2)

R1—Alkyl group; R2—Alkyl group or H

上述研究多为离线检测或分析，存在样品脱离实际反应体系弊端。在线红外光谱仪可通过监测反应体系中物质的特征“指纹峰”变化，实时跟踪反应过程，常用于反应进程监测和机理研究[21-23]。笔者采用ReactIRTM15在线红外光谱仪分别对苯甲醛、环己酮氨肟化反应过程进行了跟踪检测，并结合两步实验法，系统研究了TS-1/H2O2催化氧化体系下苯甲醛、环己酮氨肟化反应机理。

1 实验部分

1.1 试剂

苯甲醛、环己酮、氨水(质量分数25%)、双氧水(质量分数30%)、乙醇(质量分数95%)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司产品；去离子水，自制；钛硅分子筛TS-1，按照文献[24]自制，硅/钛摩尔比(n(Si)/n(Ti))为21.5。

1.2 实验仪器

Mettler-Toledo公司ReactIRTM15在线红外光谱仪，金刚石探头，MCT检测器，卤化银(AgX) 9.5 mm×2 m光纤。实验中扫描范围为3000～650 cm-1，扫描分辨率为8 cm-1，谱图采集间隔为15 s，数据处理采用iC IR 4.3软件。

Bruker公司AVANCE III 600WB型核磁共振波谱仪，4 mm双共振探头，Φ6 mm ZrO2转子。测试条件：13C检测核的共振频谱为125.74 MHz，其中1H去耦功率80 kHz，1H激发脉宽为2.65 μs(对应90°扳倒角)，循环延迟时间为5 s，扫描次数6000次。

1.3 实验方法

苯甲醛(或环己酮)氨肟化反应在250 mL带自动控温水浴、磁力搅拌和冷凝回流系统的三口瓶反应装置内进行。实验前先按要求加入液氮冷却在线红外光谱仪监视器，清洁红外探头并插入三口瓶内，确保探头可被反应液浸没。待加热水浴槽温度稳定在设定值后，启动在线红外光谱仪进行跟踪扫描。将溶剂乙醇、催化剂TS-1、苯甲醛(或环己酮)、氨水等按一定顺序依次加入三口瓶内，每次加入一种物质，待红外谱图稳定后再加入下一种物质，双氧水则采用蠕动泵最后匀速滴加至反应体系，滴加结束后再恒温反应30 min，终止在线红外光谱仪跟踪扫描过程，停止反应并降温。反应产物进行液、固分离，滤液中加入一定量内标物，取样进行气相色谱(Agilent公司6890N气相色谱仪)分析，计算苯甲醛(或环己酮)转化率(x)及苯甲醛肟(或环己酮肟)收率(y)和选择性(s)。计算公式如下：

x=[(n0-n1)/n0]×100%

(3)

s=[n2/(n0-n1)]×100%

(4)

y=(n2/n0)×100%

(5)

式中，n0为反应前加入苯甲醛(或环己酮)的物质的量，n1为反应后剩余苯甲醛(或环己酮)的物质的量，n2为反应后生成苯甲醛肟(或环己酮肟)的物质的量，单位均为mol。

2 结果与讨论

2.1 环己酮、苯甲醛氨肟化过程中反应物、产物红外谱图

由于ReactIRTM15在线红外光谱仪探头为金刚石，受金刚石红外屏蔽区影响，波数高于1950 cm-1段红外吸收峰不明显，故通常选取波数段1950～650 cm-1的吸收峰。图1为环己酮或苯甲醛氨肟化过程中各物质红外谱图。从图1可以看出：环己酮氨肟化过程中，环己酮(Cyclohexanone，简写为CH)在1704 cm-1处的吸收峰(C=O吸收峰[25])十分明显且不被其他物质吸收峰覆盖，可作为监测环己酮浓度变化的特征峰；环己酮肟(Cyclohexanone oxime，简写为CHO)在955 cm-1处的吸收峰(N—OH吸收峰[25])不被其他物质吸收峰覆盖，可作为监测环己酮肟的特征峰。同理，苯甲醛(Benzaldehyde，简写为BA)在1696 cm-1处吸收峰(C=O吸收峰)和苯甲醛肟(Benzaldehyde oxime，简写为BAO)在950 cm-1处的吸收峰(N—OH 吸收峰)可分别作为监测苯甲醛和苯甲醛肟的特征峰。

图1 环己酮或苯甲醛氨肟化过程中各物质红外谱图

2.2 环己酮或苯甲醛氨肟化过程中亚胺路径分析

2.2.1 双氧水加料方式对苯甲醛或环己酮氨肟化反应的影响

考虑到双氧水在碱性体系中易分解，影响TS-1/H2O2体系的催化氧化能力，因此首先考察了双氧水加料方式对苯甲醛或环己酮氨肟化反应的影响，如图2所示。由图2可以看出，与双氧水一次性加入体系(即滴加时间为0 min时)相比，采用匀速滴加双氧水方式有利于提高肟收率。随着双氧水滴加时间延长，苯甲醛肟和环己酮肟收率均得到一定程度提高，当双氧水滴加时间为60 min时，苯甲醛肟和环己酮肟收率分别为95.7%和97.7%。这是因为匀速滴加双氧水可有效避免H2O2在碱性氨水中因浓度较高而无效分解。进一步延长滴加时间至120 min，苯甲醛肟和环己酮肟收率基本不变。因此，双氧水采用蠕动泵匀速滴加入反应体系，滴加时间控制为60 min为宜。

图2 双氧水滴加时间对苯甲醛(BA)或环己酮(CH)氨肟化反应中苯甲醛肟(BAO)和环己酮肟(CHO)收率的影响

2.2.2 苯甲醛或环己酮氨肟化反应在线红外光谱分析

为考察氨肟化反应过程中是否历经亚胺路径，按照溶剂、苯甲醛(或环己酮)、氨水、TS-1、双氧水的加料顺序依次将各物质加入反应体系，并利用在线红外光谱仪进行实时追踪。

图3是环己酮氨肟化反应过程中1704 cm-1和955 cm-1处特征峰强度随时间的变化规律。由图3可以看出：加入环己酮瞬间出现C=O吸收峰(1704 cm-1)；随后分别加入氨水和催化剂TS-1，该峰强度均维持不变，表明该过程中环己酮中的 C=O 未参与反应，仍保持原有状态，环己酮未与氨水发生化学反应生成环己酮亚胺，即该体系不存在亚胺路径；进一步向体系内匀速滴入双氧水，环己酮的C=O吸收峰强度开始降低，同时出现环己酮肟的N—OH吸收峰(955 cm-1)，并随双氧水加入量增加而逐步增大，表明随着双氧水加入反应体系，环己酮开始逐步转化为环己酮肟；约60 min后随双氧水滴加结束，环己酮C=O吸收峰强度不再变化，环己酮肟N—OH吸收峰强度亦不再变化，表明反应终止。此时，环己酮转化率为99.1%，环己酮肟选择性为98.6%。

图3 环己酮(CH)氨肟化过程中1704 cm-1和955 cm-1处特征峰强度随加料变化规律

当反应底物为苯甲醛时，1696 cm-1和950 cm-1处特征峰强度随时间变化规律如图4所示。由图4可知：加入苯甲醛瞬间出现C=O吸收峰(1696 cm-1)；待峰稳定后加入氨水，C=O键吸收峰强度随即下降，表明苯甲醛与氨发生了反应；GC-MS结果证实了苯甲醛亚胺、苯甲醛缩合产物(如苯偶姻等)等物质的存在，表明苯甲醛与氨反应生成了苯甲醛亚胺，即该体系存在亚胺路径。加入TS-1分子筛，C=O吸收峰强度无明显变化；进一步向反应体系匀速滴入双氧水，苯甲醛肟 N—OH 吸收峰(950 cm-1)出现，并且随双氧水加入量增加，950 cm-1处峰强度逐步增大；而苯甲醛C=O吸收峰强度则呈现先小幅增大、后逐步降低的变化规律。这说明随着双氧水的加入，体系中苯甲醛亚胺逐步被氧化产生苯甲醛肟，而苯甲醛的含量则先增大后逐步降低，即双氧水加入后，初期存在苯偶姻分解生成苯甲醛的反应。约60 min后，随着双氧水滴加结束，苯甲醛和苯甲醛肟特征峰强度均不再变化，表明反应终止，此时苯甲醛转化率为99.9%，苯甲醛肟选择性为95.8%。

图4 苯甲醛(BA)氨肟化过程中1696 cm-1和950 cm-1处特征峰强度随加料变化规律

2.2.3 苯甲醛氨肟化亚胺路径分析

为进一步明确苯甲醛亚胺在苯甲醛氨肟化过程中的转化行为，设计如图5所示苯甲醛亚胺路径验证实验。首先将苯甲醛与氨水在70 ℃下反应30 min，产物室温冷却后加水析出固体物质，静置后进行固、液分离。液体部分加入内标物后进行色谱定量分析，其中主要为未转化的苯甲醛，其摩尔分数占初始苯甲醛原料的18%。固体部分置于 50 ℃ 烘箱12 h，干燥并脱除残留氨。取微量干燥固体样品进行1H-13C CP/MAS NMR分析，核磁谱图见图6。结果表明，干燥固体主要为苯甲醛亚胺、苯偶姻及其他缩合产物，其中苯甲醛亚胺为苯甲醛与氨反应所得，如图5式(1)所示；苯偶姻为苯甲醛经安息香缩合所得，如图5式(2)所示。之后将溶剂、催化剂TS-1加入至上述干燥固体中，并滴入双氧水进行反应。反应后产物加内标物后进行色谱定量分析，主要为苯甲醛肟、苯甲醛，以及少量的苯甲酸。其中，苯甲醛肟为苯甲醛亚胺被 TS-1/H2O2催化氧化所得，如图5式(3)所示，摩尔分数占初始苯甲醛原料的26%；苯甲醛为苯偶姻分解所得，如图5式(4)所示，摩尔分数占初始苯甲醛原料的55%；少量的苯甲酸为苯甲醛被H2O2氧化所得，如图5式(5)所示，摩尔分数占初始苯甲醛原料的1%。上述实验进一步验证了苯甲醛氨肟化过程中，苯甲醛与氨可发生反应得到苯甲醛亚胺，苯甲醛亚胺可进一步被TS-1/H2O2催化氧化为苯甲醛肟，即存在亚胺路径。

图5 苯甲醛(BA)氨肟化亚胺路径验证实验示意图及反应结果

图6 苯甲醛(BA)与氨水反应后固体沉淀1H-13C CP/MAS NMR谱图

2.3 环己酮或苯甲醛氨肟化过程中羟胺路径分析

为验证苯甲醛或环己酮氨肟化过程存在羟胺路径，设计“两步法”实验(如图7所示)进行验证，即第一步TS-1首先催化氨水与双氧水反应，随后反应产物快速进行固、液分离；无催化剂的滤液中加入苯甲醛(或环己酮)进行第二步反应，最终产物加内标物后进行色谱定量分析，实验结果如表1(Entry 1、2)所示。由表1的Entry 1、2结果可以看出，苯甲醛或环己酮无需与催化剂TS-1接触，仅与滤液反应即可转化为对应肟。这表明滤液中存在羟胺中间体，即第一步反应中 NH3·H2O 和H2O2在TS-1催化作用下可产生羟胺中间体，如图7 式(1)所示。之后，苯甲醛再与滤液中羟胺反应得到苯甲醛肟，如图7式(3)所示。由于苯甲醛性质活泼，可发生氧化、氧化酰胺化、缩合等副反应[26-27]，因此，第二步反应中苯甲醛转化率较高，苯甲醛肟选择性低，生成副产物苯甲酸(选择性为17.8%)、苯甲酰胺(选择性为18.9%)等。环己酮则主要与滤液中存在的羟胺中间体发生肟化反应，副反应较少，因而环己酮肟选择性高。

图7 苯甲醛(BA)氨肟化羟胺路径“两步法”验证实验示意图

与TS-1、氨水、双氧水和苯甲醛(或环己酮)一同加入的“一步法”反应结果(表1中Entry 3、4)相比，“两步法”氨肟化反应最终肟收率明显较低。这是因为羟胺中间体产生后未能及时与苯甲醛(或环己酮)反应，在固、液分离等过程中，部分羟胺分解或被深度氧化(图7式(2))，从而影响最终肟收率。由图2可知，采用匀速滴加双氧水方式可有效提高肟收率，一方面是由于避免了H2O2的无效分解，另一方面，是因为双氧水缓慢滴加入反应体系，可延缓羟胺产生速率，从而防止其大量产生后不能及时与醛/酮反应，造成羟胺无效分解或被深度氧化[28]。因此，在氨肟化反应过程中，双氧水应采用匀速滴加方式加料。

表1 苯甲醛或环己酮氨肟化羟胺路径“两步法”验证实验反应结果

3 结 论

(1)采用在线红外光谱仪对环己酮氨肟化反应过程进行跟踪检测，发现环己酮氨肟化过程中环己酮不与氨水反应生成环己酮亚胺，因此该过程不存在亚胺路径。

(2)通过在线红外光谱仪和固体核磁手段确认了苯甲醛与氨水反应生成苯甲醛亚胺，苯甲醛亚胺可进一步被TS-1/H2O2催化氧化为苯甲醛肟，说明该过程存在亚胺路径。

(3)氨水和双氧水经TS-1催化反应后滤去TS-1，再与苯甲醛和环己酮反应可得到对应的肟，即该过程存在羟胺中间体，因此两个反应过程体系均存在羟胺路径。采用缓慢匀速滴入双氧水的加料方式可抑制羟胺分解和深度氧化等副反应，从而提高氨肟化过程的效率。