2564-83-2/2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物的應(yīng)用

背景及概述^[1][2]

2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物，縮寫為TEMPO，是一種哌啶類的氮氧自由基。該產(chǎn)品為橘紅色易升華結(jié)晶或液體，易溶于水、乙醇和苯等溶劑。其具有捕獲自由基和猝滅單線態(tài)氧的功能，且是一種非常有效的氧化催化劑，能將伯醇氧化為醛、仲醇氧化為酮。具有產(chǎn)率高、選擇性好、穩(wěn)定性良好、可循環(huán)使用等優(yōu)點，在化學(xué)、生物學(xué)、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有較為廣泛的應(yīng)用。2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物的用途包括高效阻聚劑、接觸反應(yīng)氧化劑、控制活性聚合等，在糖化學(xué)和核苷化學(xué)上主要用于將醇直接氧化成酸；銅/2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物用于1位醇生成醛的接觸反應(yīng)。

2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物

應(yīng)用^[3]

2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物是一種常用催化劑。例如制備丙酮酸鈉：

乳酸乙酯與乙酸乙酯溶液以體積比為1:4混合，然后加入乳酸乙酯質(zhì)量2％的2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物催化劑；5℃滴加0.25倍乳酸乙酯質(zhì)量的質(zhì)量濃度為50％雙氧水氧化，5℃保溫1小時，升溫至25℃，繼續(xù)滴加0.35倍乳酸乙酯質(zhì)量50％雙氧水，25℃保溫2小時，繼續(xù)升溫至35℃，滴加0.4倍乳酸乙酯質(zhì)量50％雙氧水，反應(yīng)至乳酸乙酯剩余小于0.5％；減壓濃縮乙酸乙酯，減壓濃縮蒸出乙酸乙酯，得到濃縮溶液；將濃縮溶液降溫到室溫，加入10倍乳酸乙酯質(zhì)量的去離子水，升溫至60～65℃，保溫6小時；料液降溫至室溫，加入3％碳酸鈉中和料液，使得料液的pH值到達3～4，保溫攪拌1小時，離心得到丙酮酸鈉。滴加雙氧水時溫度變化不明顯，氧化反應(yīng)更平穩(wěn)、安全；GC圖譜檢測計算轉(zhuǎn)化率，收率為52％；黃色油狀層為2％。

制備^[2]

目前關(guān)于2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物的制備方法主要分為兩步：第一步，采用黃鳴龍反應(yīng)，將2,2,6,6-四甲基哌啶酮(TAA)與水合肼縮合為腙，再經(jīng)高溫脫氮得到2,2,6,6-四甲基哌啶(TEMP)；第二步，將2,2,6,6-四甲基哌啶采用合適的氧化體系氧化成TEMPO。整個反應(yīng)過程中比較關(guān)鍵的是第二步反應(yīng)，目前報道的反應(yīng)體系有很多種，但是現(xiàn)有的這些反應(yīng)體系均存在一些不足之處，磷鎢磷—過氧化氫體系產(chǎn)率太低，鎢酸鈉—過氧化氫—甲烷體系，反應(yīng)時間長(24h)，還有用鎢酸鈉—過氧化氫—乙二胺四乙酸二鈉鹽體系氧化，成本較高。

針對上述反應(yīng)體系存在的不足之處，卞惠芳報道了一種經(jīng)濟實用的反應(yīng)體系：二價金屬鹽—過氧化氫體系，通過摸索反應(yīng)條件，產(chǎn)率能達到80.17％，但是該反應(yīng)中用到的催化劑不能重復(fù)利用，而且甲醇用量比較大，產(chǎn)生的三廢多，無法工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用。近年來國家對環(huán)保問題非常重視，多次啟動中央環(huán)境保護督察組進駐到全國各地督查企業(yè)的環(huán)保問題，特別是化工類生產(chǎn)企業(yè)，是環(huán)保督查的重點對象，現(xiàn)有技術(shù)中公開的(例如卞惠芳等研究人員)2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基合成方法，后期三廢處理的成本太高，而且資源的浪費比較嚴重，因此肯定不適合工業(yè)化生產(chǎn)。但是2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基是一種重要的化工原料，市場需求量比較大，長期靠進口滿足市場需求是非常不利于我國經(jīng)濟發(fā)展的。因此研發(fā)一種環(huán)保、高效、經(jīng)濟的2.2.6.6-四甲基哌啶氧化物制備方法意義重大。

具體方法：

(1)取適量2.2.6.6-四甲基哌啶，加入催化劑和甲醇混合均勻，2.2.6.6-四甲基哌啶與催化劑、甲醇的質(zhì)量：質(zhì)量：體積比為10:2:3；同時還要加入芐基三乙基氯化銨，加入量為2.2.6.6-四甲基哌啶質(zhì)量的3％。2.2.6.6-四甲基哌啶由三丙酮胺與水合肼在氫氧化鉀的條件下反應(yīng)得到，將三丙酮胺加入反應(yīng)釜，加入80％水合肼和氫氧化鉀升溫還原反應(yīng)縮合為腙，然后再經(jīng)高溫脫氮得到2.2.6.6-四甲基哌啶。雙氧水的體積分數(shù)為30％，必須在24小時之內(nèi)滴加完，本實施例中滴加完需要22小時。

(2)將混合物加熱至50℃，滴加入雙氧水反應(yīng)，雙氧水的滴加量為2.2.6.6-四甲基哌啶的6倍，中控檢測使2.2.6.6-四甲基哌啶含量≤0.3％；

(3)將反應(yīng)結(jié)束后的溶液過濾，濾液用乙酸丙酯萃取，乙酸丙酯相進行蒸餾脫除乙酸丙酯，蒸餾溫度不超過100℃，控制在95℃左右，然后冷卻降溫結(jié)晶，離心得到2.2.6.6-四甲基哌啶氧化物，為紅色晶體。

主要參考資料

[1]李丹杰, 祝嘉政, & 王建黎. (2014). 離子液體橋連的聚苯乙烯負載型2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物催化劑的穩(wěn)定性. 工業(yè)催化, 22(8), 586-590.

[2] 丁彬, 葉應(yīng)慶, 尹強, 崔俊杰, 王克, & 羅健輝等. (2009). 2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物自由基選擇性氧化反應(yīng)用于羥丙基化半乳甘露聚糖c-6位取代度的表征研究. 化學(xué)學(xué)報, 067(012), 1383-1388.

[3] 王怡博, 黃大富, 梁子顥, & 丁凱. (2020). 2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物催化的高選擇性羥基氧化反應(yīng). 高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(10).