鐵鹽膠束均相催化苯羥基化制備苯酚的反應

張鵬鵬，孟思寒，趙 宇，牟 杰,*

(1.徐州醫科大學 藥學院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇省新藥研究與臨床藥學重點實驗室，江蘇 徐州 221000)

苯羥基化是碳氫鍵的直接氧化反應，其產物苯酚具有重要的工業價值，日益引起人們關注[1]。五氧化二釩/過氧化氫是被首次報道的催化苯羥基化反應的催化體系，產物苯酚的選擇性和原料苯的轉化率均只有23%[2]。釩-雜多鎢酸鹽K7NiV13O38是催化苯羥基化的均相催化體系，苯酚選擇性高達98%，但苯轉化率低于10%[3]。氧釩(Ⅴ)羥肟酸[1]和鉬磷酸[5]等均相催化體系也被陸續報道。在鉬磷酸催化的Fenton反應，苯酚產率可達28.1%。偏釩酸鈉及其氧化產物雙過氧釩酸鹽和單過氧釩酸鹽對氧化型羥基化反應均有催化作用，苯酚產率最高可達13.5%，選擇性達94%[6]。在三氟醋酸助催作用下，偏釩酸鋁或乙酰丙酮合釩和鋅粉還原劑共同作用，產生還原性釩氧化苯和甲烷催化羥基化反應[7]。助催化劑醌可有效提高feton反應中苯酚的產率[8]。含鈦介孔分子篩對苯氧化為苯酚具有選擇性，苯的轉化率達到68%，苯酚的選擇性達到98%[9]。含鐵(Ⅲ)雜多配合物的配體對Feton反應的效率起著引導作用。鐵(Ⅲ)與吡嗪-3-羧酸N-氧化物的復合物是Feton反應的有效催化劑，但苯的轉化率很低[10]。Meng等[11]設計了Fe/ZSM-5分子篩納米片體系，以NO2為氧化劑，沿著分子篩晶體的B方向減少活性中心的數量，能強烈地抑制苯酚的二次反應，相應抑制催化劑失活的程度，對苯的氧化具有高效的催化性能。因為苯酚通過分子篩晶格的擴散率明顯低于苯，因此選擇性的在限制產物擴散的基質中嵌入高活性位點，可以同時實現高轉化率和選擇性。這些研究闡明鐵催化劑在選擇性碳氫化合物氧化中具有優越的性能[12]，但無水氯化鐵和聚氧乙烯配體1∶2比例制備的水溶性催化劑，苯酚的產率不高，說明鐵基均相催化反應體系還有待開發[11]。

過氧化氫-苯雙相氧化體系中，鐵-吡嗪羧酸配合物的均相催化效果優于傳統的Fenton試劑，苯酚選擇性達97%，但苯的轉化率只有8.6%，且更易生成副產物1,4-苯酚、苯醌和苯二酚[14]。研究表明催化劑在乙腈和水兩相體系中溶解度好，可重復使用[15]，但需要大量有機溶劑萃取產物，提純困難[16]。十二烷基苯磺酸鈉可使水-苯-醋酸形成微乳體系，苯酚選擇性高達92.9%，但苯轉化率僅為22%[17]。離子液體-水的均相催化體系中，苯的轉化率較低，后處理尤為困難[18]。反應控制相轉移催化劑K3PV4O24催化苯合成苯酚，苯酚選擇性達99%[19]。納米氧化釩團簇離子將O-自由基直接結合到氧化釩表面，并通過納米(VxOy)O-活性位點的催化，實現室溫下一步氧化制苯酚[20]。N-酰基氨基酸以及氨基酸二肽可以激活催化劑P450BM3，避免在苯羥基化中形成副產物[21]。Tada等[22]以NH3為氧化劑，在553 K下制備了活性N-間質Re10簇用于苯羥基化反應，苯酚選擇性為91.6%～93.9%，在穩態反應中轉化率為82.4%～87.7%。Acharyya等[23]發現以NH3活化苯和O2后，在堿/堿土金屬離子、過渡金屬離子和貴金屬離子中，β孔cc離子直徑大于0.3 nm的Cs+和Ru+在氣相單程反應過程中有良好的催化性能。Wang等[24]以醌胺聚合物無金屬無還原劑條件下氧化苯，苯酚產率約為15%。

為了降低成本，提高苯酚的收率和選擇性，本課題組嘗試醋酸亞鐵催化過氧化氫-苯雙相氧化體系，發現苯轉化率為17.3%，苯酚選擇性為92%[25]。在研究中發現膠束對于碳雜鍵的形成有明顯的催化作用[26]。在本實驗中，我們嘗試了以醋酸亞鐵膠束為均相催化劑，三氟醋酸為助催化劑，35%過氧化氫為氧化劑，在乙腈中形成均相體系，為苯羥基化制苯酚提供新的方法。

1 材料與方法

氣相色譜儀(HP 6890系列，HP-5毛細管柱，氫火焰檢測器)；氣相色譜-質譜聯用儀(Agilent5973/6890N，GC-MS)。反應在密閉反應瓶中進行，用醋酸亞鐵催化，三氟醋酸助催化。0.007g(0.04 mmol)醋酸亞鐵和0.046g(0.4 mmol)三氟醋酸加入到1.6 mL (18 mmol)苯和11 mL乙腈混合物中。攪拌加熱到60℃后，用蠕動泵向混合物中加入18 mmol H2O2。每隔30 min采樣，用氣相色譜儀(HP 6890系列，HP-5毛細管柱，氫火焰檢測器)和氣質聯用儀(Agilent5973/6890N，GC-MS)對反應后樣品進行定性和定量分析，以對照標準品在GC上的出峰時間確定產物。以苯為基準計算轉化率，檢測到的副產物有對苯二酚、鄰苯二酚、苯醌和痕量的聯苯(圖1)。

圖1 苯均相氧化反應的副產物

Fig.1 Side products of homogeneous benzene oxidation to phenol

2 結果與討論

不同金屬催化劑的活性篩選結果見圖2。比較苯轉化率和苯酚選擇性兩個因素可以看出：銅鹽和釩鹽選擇性不高，鐵鹽和釩鹽催化活性較高，鐵鹽催化活性和選擇性均比較高。例如醋酸鐵催化反應2 h后，苯轉化率為17%，而釩鹽催化反應24 h后，苯轉化率僅有16%。當使用鐵-釩或鐵-銅混合催化劑時，幾乎不發生反應，轉化率低于4%。

Reaction conditions: 0.04 mmol catalyst,4 h,0.4 mmol Trifluoroacetic acid,1.6 mL benzene,11 mL Acetonitrile,60℃,18 mmol of H2O2.* After 24 h of reaction time.

圖2 催化劑活性篩選結果

Fig 2 Comparison of activity of metal catalysts

反應溫度對苯羥基化反應的影響見圖3。可以看出，苯的轉化率隨著溫度升高而增加，60℃時急劇增加，70℃時達峰值，為18.4%。繼續升溫苯轉化率反而降低，可能是溶劑和底物揮發導致的，因此本反應最好在高壓釜中進行。此外，溫度過高會發生過氧化氫分解的競爭反應，導致轉化率降低。產物苯酚的選擇性也受到溫度的影響，在40℃到90℃之間選擇性最高。在70℃時，過氧化氫會發生自分解反應[7]，導致產物選擇性明顯降低。

Reaction Conditions: 0.04 mmol Fe (II) acetate micells,0.4 mmol of Trifluoroacetic acid,11 mL Acetonitrile,1.6 mL Benzene,4 h,18 mmol of H2O2

圖3 溫度對苯羥基化反應的影響

Fig.3 Effects of temperature on the oxidation of Benzene

鐵催化劑和反應底物的投料比對苯轉化率的影響見表1。由表可知，苯的轉化率隨鐵催化劑用量的增加而增加，當鐵催化劑與反應物投料比為1∶450時，苯的轉化率達到16.5%，繼續增加催化劑用量，轉化率下降，反應選擇性也隨之降低，可能是因為過量的鐵會催化過氧化氫的自分解。

表1 鐵鹽用量對苯氧化反應的影響

注：Reaction conditions: 11 mL Acetonitrile,1.6ml Benzene,60℃,4 h,0.4 mmol of trifluroacetic acid,18 mmol of H2O2。

助催化劑用量對苯轉化率和苯酚選擇性的影響見圖4。在反應開始時，沒有三氟醋酸作為助催化劑，苯的轉化率僅為1.6%。無助催化劑三氟醋酸，即使催化劑醋酸亞鐵的用量增加1倍，苯的轉化率并無明顯增加。加入過量的催化劑和助催化劑，24 h后苯的轉化率提高到25%。可能是因為催化劑醋酸亞鐵不溶于反應體系，加入三氟醋酸后，有助于醋酸亞鐵與反應介質形成均相體系。圖4可見加入0.4 mmol三氟醋酸后，苯的轉化率最高達16%，苯酚選擇性為92%，繼續增加三氟醋酸用量，苯轉化率反而下降。由此可知，助催化劑最佳用量為0.4 mmol (30 μL)。

Reaction conditions: 0.04 mmol Fe (II) acetate,1.6 mL of benzene,11 mL Acetonitrile,60℃,4 h,18 mmol of H2O2

圖4 助催化劑用量對苯羥基化反應的影響

Fig.4 Influence of the amount of co-catalyst on benzene oxidation.

助催化劑加入時機對苯轉化率的影響見圖5。在反應開始階段就加入催化劑和助催化劑，苯的轉化率明顯高于在反應中間階段加入催化劑和助催化劑。說明苯轉化率的提高依賴于添加的助催化劑。

Reaction conditions: 11 mL Acetonitrile,1.6ml Benzene,60℃,4 h,0.4 mmol of trifluroacetic acid,18 mmol of H2O2

圖5 加入催化劑和助催化劑對苯羥基化反應的影響

Fig.5 Influence of the addition of catalyst and co-catalyst

苯和過氧化氫的投料比對苯羥基化反應的影響見表2。隨著氧化劑用量的增加，即苯和過氧化氫的投料比從1∶1增加到1∶3，苯酚選擇性從93%升高到97%，但苯轉化率卻從18%降至10%，副產物為對苯二酚、鄰苯二酚和1,4-氫醌。可能是由于過氧化氫濃度過大有利于發生自分解反應。

表2 氧化劑用量對苯羥基化反應的影響

注：Reaction Conditions: 0.04 mmol Fe (II) acetate,60℃,11mL Acetonitrile,0.4 mmol Trifluoroacetic acid,1.6 mL Benzene,4 h

溶劑對均相催化的苯羥化反應的影響見表3。以丙酮為溶劑時，苯轉化率和苯酚選擇性均不高。選擇能與酚形成復合物的環丁砜為溶劑時，苯轉化率提高，但苯酚選擇性降低。環丁砜為高偶極距、高介電常數的非質子溶劑，選用DMSO和二氧六環等極性非質子溶劑，苯羥基化反應均被抑制。乙腈為溶劑時，苯轉化率比在丙酮中提高16倍，苯酚選擇性高達92%，說明以過氧化氫為氧化劑時，乙腈是均相催化苯羥基化反應的最佳溶劑，可能是因為乙腈有助于苯和過氧化氫形成均相體系，穩定生成中間產物。

表3 溶劑對苯均相羥基化的影響

注：Reaction conditions: 0.04 mmol catalyst,1.6 mL of benzene,11 mL Acetonitrile,60℃,4 h,0.4 mmol of trifluoroacetic acid,18 mmol of oxidant

3 結論

在硫酸亞鐵和三氟醋酸的催化下，苯羥基化反應一般在兩相體系中進行，產物苯酚在水相和有機相中都有分布，萃取過程復雜且結果不可靠。本反應以乙腈為溶劑，三氟醋酸與醋酸亞鐵在乙腈中形成均相催化體系，有利于反應的進行。本反應體系的最佳反應條件為：原料苯18 mmol，H2O218 mmol，催化劑醋酸亞鐵0.04 mmol，助催化劑三氟醋酸0.4 mmol，溶劑乙腈11 mL，即原料苯和氧化劑過氧化氫的物質的量比約為1∶1，催化劑和原料的物質的量比約為1∶450，催化反應溫度為60℃，羥化適宜的反應時間為4 h時，苯轉化率為18%，苯酚選擇性達89%。