第8章.精细有机合成氧化

1、（Oxidation）8.1 概述概述8.2 液相催化氧化液相催化氧化8.3 气相催化氧化气相催化氧化8.4 氨氧化制腈氨氧化制腈8.5 化学试剂氧化化学试剂氧化8.1 概述概述 氧化反应在有机合成中是常用的一类重要反应，涉及到很多产品的合成。CH3CH3COCOOCH-CCH-COOOCHCH3CH3C- O- OHCH3CH3酸解OHCH3CH2OHCHOCOOHCnH2n+1CH3石蜡CnH2n+ 1CH2OHCnH2n+ 1COOHArCH3ONH3ArCNHHHO2O HHO己二酸氧化反应的分类，根据所用氧化剂和氧化工艺主要分三类： 1. 空气催化氧化：工业上用得最多，尤其是大吨位品

2、种多采用这种方法。该法使用廉价空气作氧化剂，不消耗化学氧化剂，对环境污染小，根据反应温度及反应物聚集状态分为液相氧化、气相氧化。2. 化学试剂氧化：适用面广，特别适用于小吨位产品的生产，常用氧化剂有无机的高价化合物 KMnO4、K2Cr2O7、NaClO3、HNO3、H2O2；有机过氧化物，硝基化合物，亚硝基化合物等。3. 电解氧化：在电能作用下进行的反应，能得到专一选择性产物（控制电压、选择电极）分为直接电解和间接电解氧化两类，目前应用不是很广泛。8.2 液相催化氧化液相催化氧化 液体有机化合物在催化剂作用下通空气进行的氧化反应。应用的对象：烷烃(包括直链烷烃、环烷烃)及芳烃侧链的烷基氧化。

3、 烷烃氧化深度不同可得到醇、醛、酮、羧。对直链烷烃来说，低C的采用气相催化氧化，高C烷烃一般采用液相催化氧化制高C脂肪酸或高C脂肪醇。高C醇是表面活性剂的重要原料，高C脂肪酸用于制肥皂、抗冻剂、增塑剂、泥浆和混凝土的添加剂。环烷烃氧化: 己二酸 甲苯、异丙苯氧化也属于此类反应。液相催化氧化工艺过程应用广泛。 HHHO2O HHO8.2.1 氧化反应历程 是自由基历程，分为三个阶段，即自由基引发，链的传递，链的终止。关键是自由基引发，一旦生成自由基，传递很快。 分子均裂形成自由基的难易用键的离解能来衡量。下表给出键的离解能： 各种C-H的离解能介于 435-314kJ/mol C-C的离解能介于

4、 368-301kJ/mol 而Cl2 是 243kJ/mol 、 O2是 494kJ/mol 氯化反应是 Cl2 2Cl RH + Cl R + HCl.R + Cl2 RCl + Cl.而氧化反应是： RH R + H. . R + O2 RO-O. .ROO +RH RO-OH + R. 下面具体介绍石蜡氧化的反应历程： 石蜡氧化在各个位置C上的氢都有被取代的可能，但位置不同反应活性不同，仲C伯C，即非端位C比端位C容易被氧化，而且从上表可见，C-C离解能与C-H离解能差异不是很大，所以还存在C-C断键问题。石蜡氧化是带分支的自由基反应，至今没完全搞清楚，一般认为包括三个阶段：1.烷烃离

5、解形成自由基，进一步转化为过氧化氢物;2.过氧化氢物再离解得烷氧自由基，进一步转化为醇、酮; 3.酮被氧化成酸或羰基化合物。1. 过氧化氢物的生成 由于氧分子离解能较大，所以石蜡氧化的引发过程是烃类脱氢形成烷基自由基:.R1CH2CH2CH2R2 R1CH2CHCH2R2 + H.R1CH2CHCH2R2 + O2 R1CH2CHCH2R 2.-O-O.2. 过氧化氢物离解进一步反应得醇、酮 上述生成的过氧化氢物离解能很低(125168 kJ/mol),受热很容易离解成两个新自由基：R1CH2CHCH2R2 R1CH2CHCH2R 2 + OH-O-O-OH.R1CH2CHCH2R2 + R1

6、(CH2)3 R2-O-OH-O-O.R1CH2CHCH2R2 + R1CH2CHCH2R2.或催化分解：再进一步反应：.R1CH2CHCH2R2 + RH R1CH2CHCH2R 2 + R-OH-O. 2R1CH2CHCH2R2 R1CH2CHCH2R 2 +R1CH2CCH2R2-O.-OH.=O醇又可转化为烷氧基自由基,然后再转化为酮。3.酮进一步氧化为酸 酮通过另一个自由基历程转化为酸，由于烷基自由基是亲核的，容易进攻酮分子中羰基邻位的C，形成新的过氧化物： R1CH2CCH2R2 R1CH2CCHR 2 R1CH2CCHR2O=O=O=R.O2-O-OH .R1CH2CHCH2R2

7、 + Mn R1CH2CHCH2R 2 + Mn + OH-O-O-OHn+(n+1)+-然后C-C键断裂生成一分子酸和一分子醛： R1CH2CCHR2 R1CH2COOH + R2CHO=O-OHO= 4. 生成的酸有可能进一步被氧化成羟基酸、内酯、交 酯、酮酸、二元酸等副产。 由此可见，在石蜡氧化液中除主产脂肪酸外，还含有未氧化的石蜡、醇、醛、酮等中间氧化物，以及过氧化副产物等。8.2.2 石蜡液相氧化催化剂 烃类液相氧化催化剂的作用是引发自由基，一般采用可变价态的过渡金属，目前生产上石蜡氧化普遍采用锰化合物作催化剂，此外钴、铬、钼、铁、镍等金属也都可以。还有加入过氧化物，或采用r射线照射

8、引发的。 为进一步提高氧化速度，减少副反应发生，用过渡金属催化剂氧化时，还须加助催化剂钾或钠化合物。工业上多用锰-钠、锰钾催化剂。锰的作用是通过电子得失引发烷基自由基生成，促进烷基过氧化物分解为烷氧自由基，在氧化过程中Mn价态发生改变；Na、K助催化剂的作用是加快主反应，抑制过氧化发生。 工业上使用方便，且效果很好的是KMnO4，但成本较高，现改用工业上回收的Mn2(SO4)3、MnO2 与KOH(NaOH)，催化剂用量要适中。 用其他过渡金属Co、Cr、Fe、Ni等催化剂研究工作也有人做，但在生产上尚未使用。 石蜡氧化过程可以采用间歇方法，也可采用连续方法。液相氧化属于非均相反应，反应是气-

9、液或气-液-固多相催化过程，反应发生在相接触面上，必须考虑传质问题。另外，氧化时又有大量反应热放出，必须考虑传热问题，而且在反应初期引发阶段又需要加热，使温度保持在130，设计反应器应考虑这些要求。 氧化器设计为釜式和塔式两种，下图为液相催化氧化反应器示意图，图（c）为塔式反应器， 有加热和冷却用的蛇管，没有搅拌，传质通过空气鼓泡实现，在反应器下部有气体分布器，有时为了强化传质， 使气-液接触更好，提高反应速度，可将分布器上小孔用喷嘴代替。在连续生产工艺中，反应的液体物料用泵强制循环。8.2.3 石蜡氧化工艺过程空 气蒸 汽水水物 料空 气水空 气物 料( a )( b )( c )图：液相催

10、化氧化器示意图水洗皂化管式炉热处理节流闪蒸酸化分馏氧化物水洗闪蒸酸化分馏皂化热处理H2O 级不皂化320400 2MPa120 C1-5酸NaOHNa2CO3 级不皂化水洗：分出能溶解于水的C1-5低C脂肪酸，高C脂肪酸尚在有机相中。皂化：120下加Na2CO3或NaOH使高C脂肪酸成Na盐溶于水中，部分酯水解为酸的钠盐溶于水中，称粗皂液在下层；水中不溶物在上层（包括未反应的石蜡、醇、醛、酯等，称级不皂化物）返回反应器重新氧化。去氧化 石蜡氧化工艺过程中氧化部分并不是很复杂 ，但是由于氧化产物中副产较多，后处理过程复杂，其分离步骤有： 为提高生产效率，采用连续氧化工艺，其优点是节省加料、出料时

11、间，提高生产能力20%，主要问题在于氧化物料容易堵管，须采取适当措施解决。闪蒸：在汽液分离器中进行闪蒸，水和不皂化物被汽化，由分离器上口排出，冷凝为水+级不皂化物，后者也送去重新氧化。酸化：分离器下部的脂肪酸钠盐用H2O溶解，再用H2SO4酸化，得粗脂肪酸，最后进行蒸馏分离出不同分子量脂肪酸。热处理：粗皂液中仍含有一部分氧化不完全的不皂化物，将其在压力，高温加热处理。 上面介绍的是石蜡氧化制脂肪酸，如果对氧化过程进行适当控制，可使氧化停留在醇这一步，是制高C脂肪醇的途径之一。由石蜡氧化制高C脂肪醇的条件是：氧化剂空气量要小，所用空气是含氧34.5%（体积百分数）的贫氧空气；使氧化停留在醇这一步

12、，避免进一步氧化发生，需加45%硼酸，使得到的醇形成硼酸酯： 8.2.4 石蜡氧化制脂肪醇3ROH + B(OH)3 B(OR)3 + H2OH2OROH然后水解得醇。这种生产高C醇的方法还没有得到推广，在日、美、前苏联已实现工业化。 生产脂肪醇另有途径： 1.以天然油脂为原料，经酯交换，加氢得到； 2.以石油化工原料，低碳烯烃齐聚得-烯烃，羰基化，加氢制醇。 前者醇的质量好，工艺较简单，成本低；后者工艺复杂，定额高，能耗大，成本高,原料来源丰富。8.2.5 芳环侧链烷基及环烷烃的液相催化氧化 这类氧化也是游离基历程，与直链烷烃氧化的不同之处是，这类氧化副反应较少，其原因在于：直链烷烃C上H的

13、离解能较高，而且各个位置上离解能差异不是太大，都有被氧化的可能，氧化过程中伴随有C-C键断裂。而环烷烃和芳环侧链烷基上H的离解能相对较低，比较容易被氧化，而且分子上各个位置C的活性差异较大，所以这类氧化反应位置选择性好，副反应较少。 这类氧化用的催化剂以钴盐最有效，有油溶性的环烷酸钴、硬脂酸钴、油酸钴、水溶性的醋酸钴。 对于较易氧化的，可以不加催化剂，如异丙苯氧化只要热引发即可。 1.烷基苯（甲、乙、丙、多甲苯）的氧化 甲苯液相催化氧化的产物有苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸。氧化控制在不同的反应条件下，得到的产物不同，如：HAc Co(OAc)2 甲乙酮150Co-Mn有机酸盐130160.P.溴化钠

14、苯甲酸(89%)，控制甲苯转化30%左右苯甲醛(26%) + 苯甲醇(30%) +苯甲酸(24%) 乙苯、 丙苯液相氧化，反应发生在苯环侧链的-C上, ， （缓和条件）；若在较高温度下氧化得到的是苯甲酸。C H3CC H3OCC2H5O二甲苯氧化： 邻二甲苯大多通过气相催化氧化制邻苯二甲酸酐。 间二甲苯和对二甲苯是采用液相氧化工艺制间苯二甲酸和对苯二甲酸。苯环上二个甲基中当有一个被氧化成羧基后起钝化作用，使第二个甲基氧化活性大大下降，所以二甲苯氧化可以停留在甲基苯甲酸阶段。工业上采用HAc作溶剂，醋酸钴、醋酸锰及溴化物为催化剂，在170230，22.5MPa下反应，一步法制苯二甲酸。2. 异丙

15、苯氧化 由于叔C上的H-C键容易被氧化，故不用催化剂。工业上控制过氧化氢物含量在2528%，若浓度太大，尤其是物料呈酸性时，易发生热分解：(二甲基苯甲醇)(苯乙酮)CH(CH3)2空气105 120C -O -O HC H3C H3C -O -O HC H3C H3C -OC H3C -C H3C H -O HC H3C H3C H3O 异丙苯氧化反应器：装有冷却管的塔式设备，塔内是泡罩塔板或筛板，以使空气泡均匀分散，工艺过程有两类：a.逆流操作，异丙苯由塔上通入，空气由下部通入，氧化液由塔底排出；b.并流操作，异丙苯、空气都从塔下部进入，氧化液从塔上部排出。两者比较，并流操作比逆流要好过氧化

16、氢物选择性好，副产相对少些，消耗定额低。 异丙苯氧化是制苯酚的重要方法之一，采用类似的工艺可制得相应的酚类： CH(CH3)2OC-O-OHCH3CH3HOH3.环烷烃氧化 CH3CH(CH3)2OCH3C-O-OHCH3CH3HCH3OHCH(CH3)2CH(CH3)2OC-O-OHCH3CH3C-O-OHCH3CH3HOHOH加HHO硬脂酸钴100105HOHHHOC4H8OCHOCCOOO 有些芳烃、环烷烃、烯烃要在较高温度下，催化剂存在下被空气氧化，这些烃类在高温下呈气体状态，是气相催化氧化。 8.3 气相催化氧化气相催化氧化CH3CH3CCOOOoo 气相催化氧化都采用连续化生产，其

17、优点是：反应速度快，生产效率高，后处理简单，设备投资费用低，便于自动化控制，催化剂可长期使用。但也有局限性：催化剂选择较难，而且通用性差；由于反应温度高，要求反应原料和目的产物在反应条件下具有稳定性。 8.3.1 催化剂 气相催化氧化属多相催化，使用的催化剂是以过渡金属氧化物为主要成份，工业上主要用钒的氧化物 V2O5、V2O4、V2O3，此外还有TiO2, WO3, MoO2, CrO3，为提高氧化选择性，有时加K2O, SO3, P2O5作助催化剂，气相催化氧化的催化剂都是载体型的，一般用二氧化硅、氧化铝、氧化钛、浮石。 萘氧化制苯酐多用催化剂V2O5、K2SO4/SiO2，既适用于固定床

18、，也可用于流化床，选择性达90%，近期开发的V2O5、TiO2在无孔载体表面涂层型催化剂，具有高选择性。8.3.2 气相催化氧化反应器气相催化氧化是连续化工艺，反应器要满足以下几项要求： 要有稳定的流动和传质要求；足够的传热表面； 有使烃类和空气均匀混合的混合器。 根据物料和催化剂运动的状况,氧化器分为固定床和流化床两种: 固定床氧化器： ()原料熔盐熔盐产物 一般氧化温度较高，300500，氧化器结构与列管式换热器相似，催化剂装在列管内，管外是高温载热体熔盐（45%NaNO2+55%KNO3）m.p. 140左右。熔盐将反应热带出，送到一特制锅炉中用来发生高压蒸汽。 这样一个反应器，生产能力

19、由列管设计的数目决定，要使反应进行得好，就要保持床层温度均匀，因此列管不能太粗，催化剂颗粒不能太大。目前设计的列管数达几万根，直径25mm左右，熔盐需要强制循环。流化床反应器： 是一个塔式设备 三部分：下部是反应区；中部是沉降区；上部是分离区。 中部沉降区：大颗粒催化剂下沉，催化剂逐渐稀薄。 顶部扩大的圆筒：少量被带出的催化剂粉末通过管式过滤器或旋风分离器捕集下来。 反应物料从反应区下部进入，热空气通过分布板上泡罩吹入反应区，将分布板上催化剂吹起，使之处于沸腾状态，换热装置采用蛇管或笼型列管式，发生蒸汽。产物蒸汽水原料图：气相催化氧化流化床反应器 两种反应器都有使用，原吉林染料厂萘氧化使用固定

20、床；原大连染料厂使用流化床，各有利弊。 相比之下，固定床用的多些，八十年代初美国有2/3厂家用固定床。固定床固定床流化床流化床反应器反应器催化剂催化剂结构、设计简单，加工制造结构、设计简单，加工制造复杂（管细且多，焊缝不漏）复杂（管细且多，焊缝不漏）外加汽化混合器，熔盐锅炉外加汽化混合器，熔盐锅炉设计复杂（要得到理想的设计复杂（要得到理想的流化状态，设计工艺参数流化状态，设计工艺参数多），制造加工要求不严，多），制造加工要求不严，不需另加熔盐锅炉。不需另加熔盐锅炉。催化剂不会磨损，但催化剂不会磨损，但装、卸麻烦装、卸麻烦催化剂磨损较大催化剂磨损较大经济指标经济指标产品质量好，原料消耗低产品质量

21、好，原料消耗低8.3.3萘和邻二甲苯氧化制邻苯二甲酸酐工艺过程萘和邻二甲苯氧化固定床工艺流程相似。+ 4.5O2+ 2CO2 + 2H2OCCOOO理论重量比 1: 4.9实际 1: 1725 空气过量35倍,主要从安全考虑,两者混合物是爆炸性气体，控制在爆炸极限以外。工艺条件:V2O5、K2SO4/SiO2 温度：355365接触时间：0.5 5 S 汽化混合氧化冷凝热处理减压蒸馏(H2SO4或Na2CO3)空气翅片式热熔冷凝器,冷热油交替(大染引进意大利AcNa公司) 流化床工艺条件: 催化剂同上萘:空气(重量比)=1:10温度 345385 邻二甲苯氧化只能采用固定床,至今没有选出适合流

22、化床的催化剂。8.3.4其他烃类气相催化氧化V2O5 MoO3/Al2O3P2O5,350400转化率9599%CH-CO=CH-COO（选择性80%）OCHOV2O5MoO3B2O3TiO2270 沸石转化率 97%V2O5 , P2O5400CH3CH2CH=CH2CH3CH=CHCH3O=OFe2O3 V2O5 /沸石270 这些烃类气相催化氧化主催化剂都是V2O5,助催化剂和载体针对具体反应选定。在空气和氨的作用下,使活泼的-CH3转变为-CN。 R-CH3+NH3+3/2O2 RCN+3H2O 此法制腈在工业上是有意义的，另外途径是卤基置换或重氮基置换。适用于与共轭体系相连接的较活泼

23、的甲基，如：CH2=CH-CH3 最初只用于丙烯氨氧化制丙烯腈，六十年代研究出各种甲基的氨氧化，大部分是采用气相催化氧化。NCH38.4氨氧化制腈氨氧化制腈注意:氨氧化反应温度较高，使用不同的催化剂，要求温度不同，一般温度范围：350480。反应温度低，转化率低，反应中间产物含量高；而温度过高，易引起烃类分解和过氧化的发生，生成HCN、CO2、CO。HCN是剧毒的，应特别注意。氨氧化过程必须保持NH3大过量，而且空气的用量也要大过量才好，否则酰胺等副产增多，腈的选择性下降。 氨氧化用的催化剂主要是钒氧化物为主的载体型催化剂，载体有Al2O3 、SiO2、 TiO2等。助催化剂为Mo、Cr、W、

24、Co、Ba、Sb等氧化物,有时为抑制过度氧化和NH3的分解,在V2O 5中加P2O5很有效。例： 分散染料中间体 2-氰基-4-硝基苯胺Cl2FeCl3V.Cr.Ni氧化物/Al2O3420HNO3NH3CH3CH3ClCNClCNClNO2NH2NO2CN 另外,间二甲苯、对二甲苯通过气相氨氧化,使其中一个甲基转变为氰基。8.5 化学试剂氧化化学试剂氧化 用化学试剂进行氧化是传统的方法，目前有不少品种逐渐改用催化氧化法。这种氧化法具有适应性广，选择性好，过程简单，方便灵活等优点，特别适合小吨位产品。 化学试剂氧化的主要问题是氧化剂和氧化条件的选择。 高价金属氧化剂，主要是Mn、Cr。Mn：

25、KMnO4用得很多，是强氧化剂，工业上多在中性或碱性条件下使用（酸性条件氧化性太强，选择性不好）。主要用于醇、醛或芳环、杂环侧链烷基氧化成羧基。MnO2+4、Mn2(SO4)3 较温和：+3CH3CHOCr：六价铬化合物是重要的氧化剂,常用的是K2Cr2O7(Na) 或CrO3 。在酸性介质中使用,容易引起有机分子破坏,适用于较稳定有机物的氧化,在适当条件下,可将仲醇氧化成酮,将芳烃侧链烷基氧化成醛。CrO3 + 络合物是比较缓和的氧化剂，如：RCH=CHCH2OH RCH=CHCHO 香兰素NOCH3HOCH2OHONN(CH3)2OCH3HOCHO有机氧化剂用得少，氧化性缓和，可将醇氧化成醛。CH