烴類選擇氧化過程中自由基的調控策略與工業(yè)氧化應用研究進展

周賢太，薛燦，紀紅兵

（1 中山大學精細化工研究院，化學工程與技術學院，廣東珠海519082；2 中山大學精細化工研究院，化學學院，廣東廣州510275；3 廣東石油化工學院化學工程學院，廣東茂名525000）

化學工業(yè)是我國國民經濟的支柱產業(yè)，而有機化工又是化學工業(yè)的主導產業(yè)，包括基本有機化工、精細化工、三大高分子合成材料等。其中有機產品的合成，約90%以上是以三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）、甲烷和乙炔等為基礎原料，經催化氧化、磺化、鹵化、硝化等有機分子“官能化”反應得到。因此，上述烴類的“官能化”反應已成為有機化工的關鍵過程，而通過氧化反應獲得的化學品又占整個化學品的30%以上，可見烴類選擇氧化反應在化學工業(yè)中占有極其重要的地位。

氧化反應是許多基本結構化學單元官能化的基礎，是現(xiàn)代化學工業(yè)生產過程中重要的化學反應。催化氧化可將烷烴、烯烴等烴類化合物轉化為醇、醛、酮等含氧化工產品，是提供合成樹脂、合成纖維和合成橡膠等大宗化學品以及各類精細化學品的基本石油化工加工工藝。由于碳氫化合物中的C—H鍵活化能較高，一般所需的反應條件苛刻，而且容易深度氧化成CO2和H2O，選擇性難以控制。因此碳氫化合物的選擇性氧化是有機分子“官能化”反應中最具挑戰(zhàn)性的工藝之一[1]。

目前工業(yè)上的氧化過程按所用氧化劑大致可分為兩大類：一類為采用化學氧化劑，如重鉻酸鉀、高錳酸鉀、硝酸等；另一類采用綠色氧化劑，如氧氣、空氣、過氧化氫等。使用化學計量氧化劑存在環(huán)境污染、設備腐蝕以及成本昂貴等問題。因此，使用清潔的氧氣/空氣作為氧化劑替代傳統(tǒng)的計量氧化劑，選擇合適的催化劑和有效的反應路徑，采用對環(huán)境危害少或無毒的溶劑，是實現(xiàn)清潔氧化反應的關鍵技術之一，是實現(xiàn)綠色催化氧化工藝的重要手段，但也一直是當前研究的熱點和難點問題[2]。

碳氫化合物的氧化過程涉及碳氫鍵和氧分子的活化。氧分子的基態(tài)是三線態(tài)分子，三線態(tài)排布的氧分子與碳氫化合物的反應屬于能量和自旋禁阻的反應。因此，反應的活化能也較高，通常情況下氧分子表現(xiàn)出非常惰性的化學行為。為了實現(xiàn)氧氣直接氧化烴類的反應，需要找到高活性的催化劑來改變氧分子的電子構型，從而達到活化分子氧的目的。目前的碳氫化合物氧化工業(yè)普遍存在選擇性差、能耗和物耗高且環(huán)境不友好、安全隱患高等問題。如乙烯氣固相催化環(huán)氧化的反應溫度高于200℃，丙烯選擇性氧化制丙烯酸的反應溫度在300℃以上，對二甲苯氧化制對苯二甲酸反應溫度高于190℃。

目前我國石油化工行業(yè)已進入轉型的關鍵時期，烴類的選擇性催化氧化可以提供高檔次、高附加值的下游產品，是石化產品結構調整的核心工藝。實現(xiàn)催化選擇性的精確控制是綠色化學的重要概念之一，更是工業(yè)催化可持續(xù)發(fā)展的重要驅動力[3]。反應轉化率和產物選擇性之間的矛盾是目前烴類催化氧化過程的瓶頸。而提高氧化反應效率和選擇性的關鍵在于催化劑的選擇，催化劑是氧化工藝的核心。反應轉化率和產物選擇性之間的矛盾是目前烴類催化氧化過程的瓶頸和催化化學、工業(yè)界的國際性難題。烴類的空氣氧化均涉及到自由基的過程，這其中的自由基穩(wěn)定性、傳遞過程及定向性等都最終影響到產物的選擇性。本文從催化烴類氧化技術、自由基機理等角度，對催化劑設計及自由基調控等相關科學問題進行了綜述和展望。

1 催化氧化的研究進展

目前大宗含氧有機化學品的工業(yè)生產過程中，絕大部分工藝都采用氧氣或空氣作氧化劑，多數(shù)以液相（均相）催化工藝為主。液相體系由于反應物與催化劑同相，不存在固體表面上活性中心性質及分布不均勻的問題，作為活性中心的過渡金屬特定活性高、選擇性好，同時還具有反應條件不太苛刻、反應比較平穩(wěn)、易于控制等優(yōu)點。

典型的液相氧化工業(yè)工藝有：異丁烷氧化制備叔丁基過氧化氫和異丙苯氧化制備異丙苯過氧化氫，這都是兩步法制備環(huán)氧丙烷的重要一步。環(huán)己烷氧化制備環(huán)己醇和環(huán)己酮（KA 油）是工業(yè)生產己內酰胺和己二酸的前端工藝。甲苯和對二甲苯選擇性氧化生成芳酸化合物，芳酸是作為生產聚酯纖維、薄膜、醫(yī)藥、有機顏料和農藥等重要工業(yè)原料的前體，需求量逐年增長。常見的烴類液相選擇性氧化工藝及催化體系如表1所示。

從表1可以看出，由于烴類選擇性氧化的條件都比較苛刻，需要較高溫度和壓力下通過催化過程采用強制氧化過程來使得碳氫鍵均裂產生自由基而實現(xiàn)。另外，所用的催化劑以鈷鹽和錳鹽為主，主要是乙酸鈷、乙酸錳、NH4Br或四溴乙烷組成的混合催化劑（MC 催化劑）。該催化體系廣泛應用于芳烴側鏈化合物及其他烴類物質的選擇性氧化。但該工藝使用具有強腐蝕性的溴化物，存在環(huán)境和安全等方面的問題。

催化劑的開發(fā)是發(fā)展綠色催化氧化工藝的關鍵，國內外研究者開發(fā)了許多用于催化氧化反應的新型高效催化劑，包括均相催化劑、非均相催化劑、仿生催化劑等。均相催化劑主要包括改進的乙酸鈷/乙酸錳催化劑、過渡金屬化合物、自由基引發(fā)劑等，非均相催化劑主要包括分子篩、雜多酸、金屬有機框架化合物、金屬納米粒子等，仿生催化劑主要包括金屬卟啉和其他仿酶催化劑等。

表1 典型的烴類液相選擇性氧化工藝及反應條件

1.1 均相催化劑

過渡金屬無機鹽或與各種配體形成的有機金屬配合物是目前常用的均相催化劑[4-7]，催化機理一般可以歸類為直接氧化底物，或者與活性氧反應生成高價金屬氧物種，通過高價活性物種將氧傳遞給底物，實現(xiàn)底物的氧化。

Murahashi等[8]報道了一種使用銅金屬鹽催化氧化烷烴的方法。該方法使用乙醛作為助劑，在乙腈/二氯甲烷混合溶劑中，70℃下能高效實現(xiàn)烷烴的催化氧化（圖1所示）。以環(huán)己烷為模型反應物，環(huán)己醇和環(huán)己酮產率分別能達到22%和29%。值得注意的是，使用其他的銅鹽，例如CuCl2、CuBr2、CuOAc、CuCN和[Cu(CH3CN)4](PF6)等皆具有相似的催化活性，即使是零價的銅粉末也能催化該反應。推測可能是因為銅鹽在乙腈溶劑體系中都會轉化成亞銅鹽形式的配合物[Cu(CH3CN)m(X)]（X=Cl,Br,OAc等）。

圖1 乙酸銅催化烷烴C—H鍵氧化

Kantam 等[9]對工業(yè)甲苯氧化的MC 催化劑進行改進，用NaBr代替ZnBr2，降低了催化體系中的Br量，并考察了分別以乙酸和苯甲酸作為溶劑對甲苯選擇性氧化反應的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，不同溶劑對甲苯選擇性氧化反應的產物分布有顯著影響。以乙酸鈷為溶劑、甲苯轉化率為38.3%時，苯甲醛收率可達17.3%。釩酸鹽被發(fā)現(xiàn)是有效催化烷烴羥基化的催化劑，進一步通過機理研究發(fā)現(xiàn)，五價的釩酸鹽通過還原變成具有催化活性的六價物種，該物種加氧后形成釩過氧化合物，釩金屬過氧化合物通過自由基均裂生成羥基自由基和釩氧自由基。羥基自由基是催化氧化體系的活性基團，與烷基自由基結合生成醇類化合物[10]。另外，由Barton教授提出的Gif催化體系，其催化劑組成包括乙酸、FeCl3、Zn、吡啶等，該催化劑可在室溫或低溫的條件下將烷烴或烯烴中的仲碳氧化生成酮[11]。在催化環(huán)己烷氧化中，環(huán)己烷的轉化率一般在20%～30%，環(huán)己酮幾乎是唯一產物，沒有過度氧化現(xiàn)象發(fā)生[12-13]。

自由基的引發(fā)對烴類選擇性氧化過程至關重要，Ishii教授[14]發(fā)現(xiàn)N-羥基鄰苯二甲酰胺（NHPI）及其衍生物在鈷鹽作用下，可高效催化乙烷、異丁烷及環(huán)己烷等烴類氧化生成醇和酮。大多數(shù)以NHPI 為催化劑的反應需要過渡金屬鹽（例如Co[15]、Mn[16]、Cu[17]和Fe[18]）或者非均相催化劑[19-22]共同催化反應，也可以通過加入過氧化物[23]、單電子轉移試劑、光照[24-25]或者加熱[26-27]的方式活化NHPI而引發(fā)反應。NHPI獨特的反應活性是源于其O—H 鍵解離能（88.17kcal/mol，1cal=4.1840J）大于或接近大多數(shù)有機分子的C—H 鍵解離能（85～100kcal/mol），因而能夠從底物上奪取氫，使其轉化為活潑的自由基衍生物，達到活化底物分子的效果（圖2）[28]。相比之下，2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMOH）的O—H 鍵的鍵解離能僅69.6kcal/mol，較大的能量差異很難催化烴類C—H鍵活化，常用作醇類化合物氧化的催化劑[29]。

NHPI 及其衍生物催化碳氫化合物氧化的過程如圖3所示。目前普遍認為此類有機催化劑，無論有無金屬催化劑參與，該反應的起始過程都是將NHPI 轉化為鄰苯二甲酰亞胺N—O 自由基（PINO）。PINO 能夠從烷烴上奪氫，將其活化為烴基自由基，并重新轉化為NHPI，實現(xiàn)氮氧自由基催化劑的循環(huán)。與此同時，活潑的烴基自由基與分子氧迅速反應生成烴基過氧自由基，過氧自由基可以從NHPI上奪氫生成PINO（路徑a）。在共催化體系中，金屬催化劑在高價氧化態(tài)也能促進NHPI 轉化為PINO（路徑b）。烴基過氧化物受熱或金屬催化劑作用下O—O鍵分解得到氧化物。

圖2 常見有機催化劑和C—H鍵的鍵解離能

圖3 NHPI參與下的C—H鍵氧化機理

在甲苯氧化反應中，生成的苯甲醛比甲苯更容易發(fā)生氧化，在反應過程中苯甲醛會過度氧化苯甲酸，這是甲基芳烴化合物在氧化過程中常發(fā)生的問題。Gaster 等[30]使用六氟異丙醇（HFIP）作為反應溶劑，實現(xiàn)了甲苯高選擇性催化轉化為苯甲醛，如圖4。他們推測可能是因為HFIP 與醛類化合物會形成強氫鍵作，抑制了醛基上的C—H鍵的過度氧化[31-32]，并且底物同時有多個甲基取代基的情況下，利用該反應體系也可以實現(xiàn)單一甲基選擇性氧化為醛基。

圖4 Co/NHPI催化芳烴側鏈的選擇性氧化

雖然NHPI在C(sp3)—H鍵選擇性氧化中表現(xiàn)優(yōu)異，但是NHPI生成PINO往往需要高溫條件（80℃以上），而該條件下PINO易分解成鄰苯二胺、鄰苯二酸酐或形成不活潑的三聚物[33-34]。為了增強NHPI的穩(wěn)定性，人們研究將NHPI 固定在載體上，同時便于回收利用。

1.2 非均相催化劑

在非均相催化反應中，催化劑的相和反應底物的相不同，因此相較于均相催化劑更容易分離，但是其活性一般比均相催化劑低。從結構上看，非均相催化劑可以分為活性組分、助催化劑和載體。其中，在催化反應中起到催化活性作用的決定性物質是活性組分。它可以是一種物質也可以是多種物質組成。助催化是添加到催化劑中的少量組成成分，起輔助催化劑活性組分的作用，一般情況下自身無催化活性或活性較低，但是能夠通過改變催化劑的化學性質、中心離子價態(tài)、表面結構和物理性質等，從而增強催化劑的活性和穩(wěn)定性，是不可或缺的一部分。載體主要起承載活性組分和助催化劑的作用，其物理結構和性質在某種程度上對催化劑活性具有決定性的影響。金屬氧化物、金屬有機框架化合物和各種碳材料（如石墨烯、碳納米管）是常用的多相催化劑材料[35-39]。

金屬-有機框架材料（MOFs）是過渡金屬離子與有機配體通過自組裝的方式形成的一類具有周期性結構的晶體多孔材料。雖然關于MOFs材料的報道很多，但是關于其在催化領域的應用相對較少[40-41]。MOFs 材料的一大優(yōu)點是制備簡單，容易對有機結構框架進行修飾，可以對催化劑的結構和活性進行調控。此外，由于其高比表面積和孔隙率，它們是金屬納米粒子的優(yōu)良載體。Li等[42]報道了一種將Au-Pd 雙金屬合金納米粒子負載在MIL-101上的催化劑，在催化環(huán)己烷氧化方面具有優(yōu)異的性能，反應過程如圖5。MIL-101 是由對苯二甲酸和鉻鹽形成的一種沸石型金屬有機框架化合物[43]。環(huán)己烷的選擇性氧化一直是工業(yè)上的一個難題，很難做到在保持高轉化率的情況下能高選擇性的得到KA 油。值得注意的是，使用Au-Pd/MIL-101 催化劑在環(huán)己烷轉化率達到30%以上時KA 油仍然具有很高的選擇性（＞80%）。這種高選擇性可能是由于雙金屬Au-Pd 納米粒子的協(xié)同合金化效應。

圖5 Au-Pd/MIL-101催化氧化環(huán)己烷

Unnarkat 等[44]報道了在無溶劑條件下用分子氧在鈷鉬氧化物催化劑上氧化環(huán)己烷。以三種不同Co∶Mo 物質的量之比（1∶1、1∶2、2∶1）的檸檬酸鹽和不同的氧化物制備催化劑，并進行了比較研究。所有催化劑均表現(xiàn)出顯著的活性和選擇性，與其他催化劑相比，1∶1 配比的CoMoO4的轉化率最高，轉化率為7.38%，KA油的選擇性為94.3%。

Mistri 等[45]首次報道的銅離子取代鋁酸鹽中的MAl2O4（M=Mg,Mn,Fe,Ni,Zn），尖晶石CuxM1-xAl2O4（x=0.03, 0.05） 通過單步溶劑燃燒法合成。Cu0.03Fe0.97Al2O4在乙腈中，以過氧化氫為氧化劑氧化環(huán)己烷的反應活性（轉化率為92%，選擇性為99%）明顯高于其他含銅類似物。而浸漬催化劑中含有分散良好的CuO 微晶。循環(huán)作用（重復三次）對銅離子取代的鐵鋁酸鹽活性幾乎沒有影響。相比之下，由于分散的CuO 微晶存在，類似的浸漬催化劑在連續(xù)循環(huán)中表現(xiàn)出相當大的活性損失[45]。雜多化合物催化劑催化環(huán)己烷氧化時，一般需要一定量的自由基引發(fā)劑或還原劑，以及降低反應溫度，才能抑制反應的進一步深度氧化。

1.3 仿生催化劑

金屬卟啉配合物是細胞色素P-450單加氧酶的有效模擬物，相對化學催化劑而言，金屬卟啉仿生催化劑能在較溫和的條件下實現(xiàn)對分子氧的活化[46-49]。而四苯基金屬卟啉是最簡單的金屬卟啉仿生催化劑，易于合成且結構非常簡單，但催化性能較差，穩(wěn)定性不太好，容易分解。因此，在仿生催化氧化體系中會對金屬卟啉催化劑進行基團的改性，以提高其催化性能和選擇性。

目前還尚未有金屬卟啉仿生催化乙烯、乙烷及丙烷選擇性氧化方面的相關報道。而針對丙烯，由于其結構中具有活潑α氫，α氫的性質比雙鍵更活潑，因此催化丙烯選擇性環(huán)氧化的研究是非常具有挑戰(zhàn)性的[50-52]。環(huán)氧丙烷又是一類用途極廣的有機合成中間體，廣泛應用于石油化工、精細化工和有機合成等領域。本文作者課題組[53]通過在仿生催化體系中加入遞氫體后，以MnTPPCl（1×10-4mol/L）為催化劑、乙腈為溶劑、80℃的反應條件下獲得了66%的丙烯轉化率和89%的PO 選擇性，實現(xiàn)了金屬卟啉仿生催化丙烯環(huán)氧化過程中轉化率和選擇性的有效統(tǒng)一。通過原位技術手段、量子化學計算等方法的機理研究表明，其作用機制為過酸氧化和高價活性金屬物種共同作用（如圖6）。

對于金屬卟啉催化低碳烷烴如碳四、碳五烷烴的氧化，報道的例子不是很多。早期Ellis等[54]研究了氯代苯基金屬卟啉催化氧化異丁烷制備叔丁醇，研究中發(fā)現(xiàn)，當金屬卟啉外環(huán)上有取代基時，可以提高催化劑的催化性能和抗氧化性能，叔丁醇的選擇性達到90%以上，其中催化劑活性轉化數(shù)高于13000。隨后Lyons等[55]報道了在80℃的條件下，對比了不同金屬離子的催化效果，用取代基相同但金屬離子不同的卟啉為催化劑，乙苯為溶劑，氧氣氧化異丁烷氧化制備叔丁醇，研究發(fā)現(xiàn)鐵卟啉性能最好，活性高于鉻卟啉和錳卟啉。由此他們認為當金屬還原電位越高時，相應的金屬卟啉催化性能往往越好。

環(huán)己烷氧化得到的主要產物環(huán)己酮是生產己內酰胺和己二酸的基本原料。湖南大學郭燦城等[56-57]開展了系列金屬卟啉催化環(huán)己烷氧化制備環(huán)己酮、環(huán)己醇（KA 油）的仿生催化氧化體系，并建立了中試裝置，進行了連續(xù)的實驗。較現(xiàn)有生產工藝，金屬卟啉仿生催化環(huán)己酮空氣氧化可實現(xiàn)轉化率提高將近一倍，環(huán)己酮選擇性可以達到90%。而簡單結構的鐵卟啉可以實現(xiàn)環(huán)己烷一步氧化到己二酸，己二酸的收率可高達21.4%，催化劑的活性轉換數(shù)高達25000[58]。以四(4-氯苯基)卟啉氯化錳(Ⅲ)為催化劑，苯甲酸為助催化劑，O2為氧化劑，140℃實現(xiàn)了環(huán)己烷的催化氧化，高選擇性合成己二酸和戊二酸，無溶劑條件下環(huán)己烷轉化率達到16.4%，己二酸和戊二酸的總選擇性達到56%[59]。

圖6 金屬卟啉仿生催化丙烯液相選擇性環(huán)氧化的性能與原位紫外表征

同時以簡單的卟啉鈷(Ⅱ)和卟啉銅(Ⅱ)組成二元催化劑，O2為氧化劑，120℃實現(xiàn)了環(huán)烷烴的催化氧化，高選擇性合成環(huán)烷醇和環(huán)烷酮。以四(2-氯苯基)卟啉鈷(Ⅱ)和T(4-氯苯基)卟啉銅(Ⅱ)為催化劑，無溶劑條件下環(huán)己烷的單程轉化率達到4.41%，環(huán)烷醇和環(huán)烷酮的總選擇性達到97%。環(huán)庚烷、環(huán)辛烷和環(huán)十二烷為底物，醇酮選擇性均在99%以上[60]。

Po?towicz 等[61]研究了以氧氣為氧化劑，Mn、Co、Fe 卟啉為催化劑催化氧化環(huán)辛烷，實驗結果表明金屬卟啉Mn(TPFP)Cl 的活性最好，產物主要是以環(huán)辛酮為主，其中環(huán)辛酮和環(huán)辛醇的收率分別為17.2%、3.2%，催化劑活性轉化數(shù)高達23584。Haber 等[62]在環(huán)辛烷的催化氧化反應中，當在催化反應中用以—Cl為軸向配體，吡咯β位用—Br取代的Mn(TPFPβBr8P)Cl 為催化劑時，環(huán)辛酮收率高達20%，活性轉化數(shù)44242。但是這一類催化劑的合成工藝復雜，成本昂貴。

在金屬卟啉催化芳烴化合物的氧化方面，主要有甲苯、乙苯、對二甲苯等的氧化。Huang 等[63-64]在溫度165℃、壓力0.8MPa、0.04m3/h 的空氣流速連續(xù)通氧的條件下，采用鈷卟啉作為催化劑對甲苯進行催化氧化，轉化率可以達到8.9%，同時醛醇選擇性可以達到近60%，催化劑的轉化數(shù)約為25000，反應條件為工業(yè)可接受的溫和條件，且反應具有比較高的選擇性。進一步提高反應溫度和壓力后（200℃，壓力1.2MPa），反應轉化率可達14.7%，但是醛醇的選擇性下降到40%，產物苯甲醛和苯甲醇的收率僅為5.9%。

佘遠斌教授團隊[65]以簡單的金屬卟啉和NHPI組成二元催化劑、O2為氧化劑、120℃實現(xiàn)了芳烴芐位伯C—H鍵的催化氧化，高選擇性合成芳烴羧酸。以四(2-甲氧基苯基)卟啉鈷(Ⅱ)和NHPI 為催化劑，無溶劑條件下甲苯轉化率達到35%，苯甲酸選擇性達到92%。該催化體系對其他芳烴芐位伯C—H 鍵的催化氧化也具有很好的底物普適性。該團隊進而以簡單的金屬卟啉為催化劑，氧氣為氧化劑，溫和條件下實現(xiàn)了芳烴芐位仲C—H鍵的催化氧化，高選擇性地合成芳香酮。以四(2,3,6-三氯苯基)卟啉鈷(Ⅱ)為催化劑、120℃、無溶劑條件下4-硝基乙苯轉化率達到47%，4-硝基苯乙酮選擇性達到87%。該催化體系對其他芳烴芐位仲C—H鍵的催化氧化也具有很好的底物普適性[66]。

佘遠斌教授團隊[67]在溫和條件下，以簡單結構的金屬卟啉為催化劑，氧氣為氧化劑，實現(xiàn)了芳烴芐位叔C—H鍵的催化氧化直接合成芐位叔醇。以四(2,3,6-三氯苯基)卟啉錳(Ⅱ)為催化劑，70℃、無溶劑條件下異丙苯轉化率達到57%，2-苯基-2-丙醇選擇性達到70%。該催化體系對其他芳烴芐位叔C—H鍵的催化氧化也具有很好的底物普適性。

2 催化氧化的自由基研究進展

2.1 催化氧化的自由基機理

催化氧化涉及到碳氫化合物底物和分子氧的活化，碳氫化合物和分子氧的結構特征決定二者的反應為自旋禁阻反應。一般地，氧氣需要被金屬催化劑活化，變成單線態(tài)形式的M/O2物種，或者C—H鍵被自由基或強堿活化，變成碳自由基或碳負離子中間體，然后二者之間才能發(fā)生C—H鍵的羥基化反應。

Hong 等[68]用Co/ZSM-5 催化環(huán)己烷選擇性氧化制備KA 油，并提出了催化環(huán)己烷氧化的機理如式(1)～式(6)，在反應條件下環(huán)己烷脫氫環(huán)己烷自由基（C6H11·），該自由基迅速與分子氧反應生成環(huán)己基過氧化氫自由基（C6H11OO·）。環(huán)己基過氧化氫自由基（C6H11OO·）可以進一步與一個環(huán)己烷分子（C6H12）反應生成環(huán)己基過氧化物C6H11OOH（CHHP），并生成另一個環(huán)己烷自由基（C6H11·）生成。催化劑Co3+與環(huán)己基過氧化物C6H11OOH 生成環(huán)己基過氧化氫自由基（C6H11OO·）。Co2+與C6H11OOH 生成環(huán)己基烷氧基自由基（C6H11O·）。環(huán)己基烷氧基自由基（C6H11O·）結合環(huán)己烷分子的氫后生成環(huán)己醇（C6H11OH）和另一個自由基（C6H11·）。兩個自由基（C6H11OO·）重排生成環(huán)己醇（C6H11OH）和環(huán)己酮（C6H10O）。

催化烴類選擇性氧化機理中的關鍵步驟是自由基的引發(fā)，因為C—H鍵的鍵能較高，所以所需的條件較苛刻。常規(guī)碳氫化合物的空氣氧化主要通過氧化型金屬鹽類催化或無催化的氣-液反應，反應經歷了稱為Haber-Weiss 循環(huán)的以活化碳氫鍵均裂為鏈引發(fā)的自由基反應[69]。金屬卟啉作為仿生催化劑，在催化烴類氧化中，通過催化劑來實現(xiàn)氧氣的活化，形成PorM-OO·，進而引發(fā)底物形成自由基。如鈷卟啉催化環(huán)烷烴的選擇性氧化的過程中，不同取代基的金屬卟啉其活性有差異，結果發(fā)現(xiàn)含有吸電子基團越多的催化活性越高[70]。通過密度泛函理論（DFT）計算表明吸電子取代基越多的鈷卟啉越容易形成Por-Co-O2中間體[71-72]。以環(huán)辛烷為模型底物，該研究提出了一個鈷卟啉催化環(huán)辛烷氧化的自由基鏈式反應機制，如式(7)～式(15)。

金屬卟啉催化劑催化烷烴的氧化過程中，普遍被認可的機理是類似細胞色素P-450單充氧酶的催化機理，即反應經歷以活化分子氧為特征的高價鐵氧正離子自由基提取碳氫化合物氫原子的籠內自由基反應歷程[73]。該反應首先由鈷卟啉活化分子氧，從而形成超氧化物物種[式(7)]。下一步，后者從環(huán)辛烷上奪氫，形成環(huán)烷基自由基R·[式(8)]，然后環(huán)烷基自由基R·和分子氧耦合，得到環(huán)烷基過氧自由基ROO·[式(9)]。環(huán)烷基過氧自由基ROO·可進一步與另一分子環(huán)辛烷反應生成環(huán)烷基過氧化氫ROOH 和環(huán)烷基自由基R·，從而實現(xiàn)鏈式循環(huán)[式(10)]。在式(11)中，在鏈終止反應中ROO·的重排則可以形成環(huán)酮和環(huán)醇衍生物。二價鈷卟啉可以還原O—O 鍵進而得到環(huán)烷氧基自由基RO·和氫氧根負離子[式(12)]，而三價鈷卟啉可以繼續(xù)氧化環(huán)烷基過氧化氫ROOH 形成環(huán)烷基過氧自由基ROO·[式(13)]。環(huán)辛醇的另一個來源是在式(12)中產生的環(huán)烷氧基自由基RO·奪氫產物[式(14)]。在上述步驟中產生的環(huán)辛醇也可以在催化劑的存在下進一步氧化為環(huán)辛酮[式(15)]。

由此可知，不同的催化體系所導致經歷的自由基歷程有所區(qū)別。不同的自由基歷程所對應的反應條件、產物選擇性必然有較大差異。因此，如何通過自由基的調控，實現(xiàn)溫和條件下自由基的引發(fā)和傳遞是解決氧化反應總轉化率和選擇性之間矛盾的關鍵。

2.2 自由基的調控

一般而言，金屬催化劑對氧氣直接活化所需的條件比較苛刻。為了實現(xiàn)溫和條件下氧氣的活化，通過模擬生物酶催化反應的歷程，提出了引入遞氫體調變氧氣的活化歷程。在構筑的仿生催化體系中，以醛類物質、烯烴及烷烴等作為遞氫體，在金屬卟啉的作用下脫氫生成自由基，通過自由基的調變完成了溫和條件下氧氣的活化。與大多傳統(tǒng)化學氧化中氧氣的活化方式不同，遞氫體的引入由于改變了直接由催化劑活化氧氣的途徑，才使得溫和條件下的氧氣活化得以順利實現(xiàn)。同時，遞氫體結構的調變也使自由基的生成速率、氧氣活化過程也得到了調控（如圖7）。

本文作者課題組[74]在金屬卟啉仿生催化二苯甲烷直接氧化的研究中發(fā)現(xiàn)在較苛刻的反應條件（150℃、2.0MPa）下，反應8h 后二苯甲烷的轉化率僅為7.6%。而當在體系中加入環(huán)己烯作為遞氫體后，即使將反應溫度降低到110℃，反應壓力降為1.0MPa時，二苯甲烷的轉化率可達到42.5%，為之前的6倍。進一步的機理研究發(fā)現(xiàn)，加入環(huán)己烯后改變了氧氣的活化模式，環(huán)己烯失去α-H 后形成自由基，通過該活性自由基來實現(xiàn)氧氣的活化，該自由基與氧氣結合，生成過氧自由基，過氧自由基進而與金屬卟啉作用，生成烷氧自由基和高價金屬卟啉氧代物。烷氧自由基可以使烷烴二苯甲烷脫氫，形成烷基自由基，高價金屬氧代物可將氧直接傳給底物，實現(xiàn)烷烴的羥基化，生成二苯甲醇或二苯甲酮。

圖7 鐵卟啉仿生催化的氧氣活化過程

在金屬卟啉催化甲苯的液相氧化中，加入在以環(huán)己烯為遞氫體的仿生催化甲苯氧化反應中，以MnTPP 作為催化劑、乙腈作溶劑，通過優(yōu)化，獲得了優(yōu)化的反應條件，即反應溫度160℃，壓力1.2MPa，催化劑用量為1.0×10-3mmol，反應4h 后，甲苯轉化率達到12.5%。利用原位紫外和原位電子順磁共振等表征手段證明了該反應機理，環(huán)己烯易失去α-H 生成活性自由基，該活性自由基易活化分子氧生成過氧化物，進一步與金屬卟啉相互作用生成具有高活性的金屬-氧高價化合物，從而促進甲苯催化氧化反應的進行。具體來說，環(huán)己烯失去α-H 生成的活性自由基易于活化分子氧，與O2結合生成過氧自由基，在體系內奪得一個質子，生成過氧化物。過氧化物在金屬卟啉的作用下，分解成氧自由基，同時金屬卟啉被氧化成高價氧化物。該高價氧化物和過氧化物可進一步活化底物甲苯生成芐基自由基，芐基自由基與氧氣反應生成芐基過氧自由基，芐基過氧自由基奪取體系中的一個質子，生成芐基過氧化物。芐基過氧化物進一步在金屬卟啉的作用下，分解產生芐基氧自由基，最終生成苯甲醇。另一條路徑，由芐基過氧化物脫去一分子H2O 生成苯甲醛，并進一步氧化生成苯甲酸[75]，如圖8所示。

在仿生催化氧化體系的自由基調控研究中，原位電子順磁共振表征是重要的表征方法。通過設計合理的實驗以及相關的模擬方法，可以探究仿生催化氧化體系中自由基的形成過程及形成規(guī)律，探究自由基的穩(wěn)定性，并對所有的自由基進行歸屬。

如在錳卟啉（MnTPPCl）驅動叔碳基自由基活化O2及催化氧化過程中電子轉移機制的研究中，利用原位電子順磁共振表征技術，重點分析了體系中自由基傳遞過程對烴自由基形成的促進作用機理、烴自由基形成的活化能影響等（如圖9）。

圖8 錳卟啉仿生催化甲苯-環(huán)己烯共氧化

在常壓和80℃下，環(huán)氧化物收率達到59%～99%，酮收率達到50%～96%。以二苯甲烷氧化為模型反應，共底物的特異性研究顯示苯環(huán)有助于叔碳基自由基的穩(wěn)定，并且共底物的給電子基團不利于底物氧化。米氏動力學顯示MnTPPCl/異丙苯催化體系是一個類酶動力學過程。通過原位紫外可見吸收光譜和原位電子順磁共振，研究了氧化反應過程中的電子轉移機制。結果顯示：共底物異丙苯氧化是一個自由基反應，中間產物異丙苯過氧化氫與MnTPPCl 相互作用，通過O—O 鍵異裂得到高價錳氧自由基正離子（MnⅣ==O?+）；它進而奪取底物二苯甲烷的氫原子得到烷基自由基，該自由基傾向于從自由基籠中逃離，與殘余的MnⅣ==O?+通過自由基偶聯(lián)得到二苯甲酮[76]。

圖9 仿生催化二苯甲烷氧化中的自由基傳遞和可能機理

2.3 仿生催化氧化法制備ε-己內酯的連續(xù)化工業(yè)級中試示范

ε-己內酯是一種重要的高分子聚合單體，作為新型聚酯單體，被廣泛應用于合成各種不同用途的聚己內酯和共混改性樹脂。目前全球僅有瑞典Perstorp、日本大賽璐和美國BASF 三家公司生產。在各自的生產工藝中，都是通過Baeyer-Villiger 氧化反應來生產ε-己內酯，采用的氧化劑通常是有機過酸如過氧甲酸、過氧乙酸、過氧苯甲酸等，使用該類氧化劑不僅費用高，而且在實際操作中存在著諸多安全隱患，特別是其合成前期過氧酸的濃縮以及后續(xù)純化過程所產生的濃度過高、易爆的過氧化物使得該工藝的實際應用受到限制。

本文作者課題組在研究仿生催化氧化的基礎研究之上，解決了復雜反應動力學、高精度要求的反應器設計、產品分離難度大等技術難題，研究了氧氣在反應溶液中的擴散系數(shù)、構建了包含傳質因素在內的反應動力學模型，設計了100L 的中試反應器，同時提出了兩段精餾的分離工藝；建立了仿生催化氧化的中試裝置（300t/a 的規(guī)模），實現(xiàn)了仿生催化環(huán)己酮氧化制備ε-己內酯的連續(xù)化中試工藝。目前已在山東淄博試車成功，環(huán)己酮的轉化率為40%，ε-己內酯選擇性為86%。研究團隊攻克了溫和條件下實現(xiàn)氧氣活化的科學難題，通過自由基的調控和傳遞控制，實現(xiàn)了工藝的高效性、高選擇性及高安全性。該工藝技術具有安全、綠色、低能耗等特點，完全具有自主知識產權，填補了國內外相關技術的空白（如圖10）。

圖10 仿生催化氧化制備ε-己內酯300t/a的中試現(xiàn)場及裝置

3 結語與展望

本文系統(tǒng)總結了目前催化氧化制備大宗含氧化學品及高附加值精細化學品方面的研究進展，并詳細綜述了仿生催化烴類選擇性氧化的研究現(xiàn)狀，圍繞催化氧化的自由基機理，介紹了溫和條件下氧氣的活化機制、活性氧的傳遞規(guī)律、自由基穩(wěn)定性和定向性調控機制等方面的研究現(xiàn)狀，介紹了仿生催化氧化制備ε-己內酯和環(huán)氧環(huán)己烷的工業(yè)化示例。

未來，在催化烴類選擇性氧化的自由基調控方面，重點要建立涉及自由基的傳遞速率模型和調控方法，發(fā)展基于自由基傳遞速率模型的科學計算方法，并建立基于自由基調控理論的工業(yè)應用示范裝置。通過催化工藝的革新，引領催化氧化的產業(yè)技術革命，有助于推進我國在烴類仿生催化氧化基礎研究進入國際前沿，促進我國石油和化學工業(yè)通過自主技術創(chuàng)新以實現(xiàn)跨越式發(fā)展，鞏固和發(fā)展我國在碳氫化合物仿生催化氧化工業(yè)應用方面的領先地位和產業(yè)競爭力。