原位产生的H2O2用于酮高效催化合成肟
文章出处：Richard J. Lewis, Kenji Ueura, Xi Liu, Yukimasa Fukuta, Thomas E. Davies, David J. Morgan, Liwei Chen, Jizhen Qi, James Singleton, Jennifer. K. Edwards, Simon J. Freakley, Christopher J. Kiely, Yasushi Yamamoto, Graham J. Hutchings. Highly efficient catalytic production of oximes from ketones using in situ-generated H2O2. Science 2022, 376, 615-620.
摘要：用H2O2氨肟化环己酮是目前生产尼龙6的重要原料环己酮肟的商业应用。作者证明，通过负载型AuPd合金纳米粒子与钛硅酸盐-1 (TS-1)催化剂结合使用，H2O2可以根据需要在原位生成，生成选择性大于95%的环己酮肟，可与目前的工业路线相媲美。还证明了其它几个简单酮的氨肟化。作者的方法消除了运输和存储高浓度、稳定的H2O2的需要，潜在地实现了大量的环境和经济节约。这种方法可以为目前依赖预成型H2O2和TS-1组合的多种化学转化提供替代途径，同时允许相当大的过程强化。
环己酮肟是己内酰胺生产的关键前体，己内酰胺是一种用于合成聚酰胺尼龙-6的商品化学品。预计到2024年，全球尼龙-6的年产量将达到890万吨，预计环己酮肟的需求也将同步增长。生产环己酮肟的传统途径包括环己酮与硫酸羟胺反应，主要的副产物为硫酸铵(一种应用有限的低价值肥料)。由于需要持续保持较低的反应pH值(通过复杂和能源密集型的提取步骤)或对所需产品的低选择性，发展替代合成路径受到阻碍。一种克服这些挑战的一步法的氨肟化工艺已经被开发出来：以硅酸钛-1 (TS-1)为催化剂，环己酮、氨和预合成的H2O2为反应物。在此过程中，TS-1在原位催化生成羟胺，然后与环己酮进行非催化反应生成肟。TS-1对H2O2的催化活性，在许多选择性氧化过程的发展中是至关重要的，通常认为TiIV位点具有易于同多种物种配位的能力，在环己酮氨肟化的情况下，这是羟胺形成的关键。尽管催化剂设计的广泛进步导致了一系列硅酸钛的开发，这些硅酸钛对环己酮氨肟化具有高度选择性，并提供了更大的催化稳定性[包括Ti-MOR、Ti-Beta、TS-2和Ti-MWW]，但TS-1仍然被广泛认为是涉及H2O2反应的工业标准。
尽管基于H2O2/TS-1(占全球肟产量约600万吨·年-1)的工业氨氧化工艺提供了良好的催化选择性，在相关的反应条件下(升高的温度和高pH值)，氧化剂的稳定性较低，通常需要过量的H2O2，导致工艺成本升高。此外，预合成的H2O2需要从生产中心点运输，其生产浓度大大超过氨肟化过程所需的浓度；必要的稀释有效地浪费了以前用于蒸馏和浓缩步骤的能量。此外，H2O2的不稳定性需要添加酸和卤化物稳定剂，以防止其在运输和存储过程中降解，这反过来会限制催化剂的稳定性，通过腐蚀降低反应器的寿命，并产生与从产品流中去除它们相关的大量成本。同样，所有使用预合成H2O2的化学转化都会在一定程度上受到这些缺陷的影响。
作者以前已经开发了直接合成H2O2的催化剂，这些催化剂可以提供高的合成速率和大于99%的H2利用率。然而，到目前为止，直接法还不能与目前工业生产H2O2的方法相竞争，主要是由于为了避免潜在的爆炸风险，需要稀释的H2和O2流，限制了可达到的H2O2产品浓度。如果H2O2产生后在原位迅速消耗，则这种不利条件不再适用。事实上，原位生成H2O2的应用一直是许多化学原料价格化的长期目标，有报道称对一系列选择性氧化反应的调查，包括丙烯环氧化、醇氧化和甲烷的部分氧化。然而，早期的工作并没有展示出一种可行的替代现有的相应工业过程，并且通常受到低转化率或对所需产品选择性差的阻碍。事实上，在许多情况下，原位法往往会导致无法预见的并发症，例如产生潜在的危险副产品，这通常是由相互竞争的氢化反应造成的。此外，与催化剂失活有关的问题，以及对不良溶剂体系或昂贵添加剂的要求，阻碍了采用原位生成H2O2的路线进行选择性氧化。
乍一看，将这种原位法应用于环己酮氨肟化不仅受到早期研究中概述的潜在缺陷的阻碍，而且还受到反应序列的两个关键过程之间条件的巨大差距的阻碍。低pH和低于环境温度有利于H2O2的直接生成，而高反应温度和与氨肟化过程相关的基本条件不利于H2O2的稳定性。作者报道，可以弥补反应条件上的这一差距，并将H2O2直接合成与环己酮氨肟化配对，用以生产肟，其产量可与当前使用预合成H2O2的商业工艺中观测到的产量相媲美(图1)。这是通过在AuPd纳米粒子与商业TS-1催化剂一起原位生成H2O2来实现的。
通过共浸渍方法和随后的焙烧，将氯基的Au和Pd盐负载在一系列载体材料上，以生产对直接合成H2O2具有高活性的合金纳米粒子催化剂，已被广泛报道。通过这种工业可行的催化剂制备方法，作者首先制备了一系列AuPd催化剂，将一定范围的总金属负载于TiO2上，并对其进行氧化热处理[标记为AuPd/TiO2(Chloride-O)]。作者发现，在H2O2产量最优的反应条件下(即低pH和低于环境温度)，总金属负载和催化性能之间存在着直接合成H2O2的相关关系。
随后，作者使用不同总金属载量的AuPd/TiO2(Chloride-O)催化剂与商业TS-1的物理混合物，确定了高效的原位产H2O2的环己酮氨肟化的方法。在最佳催化剂配比为0.33%Au-0.33%Pd/TiO2(Chloride-O) (金属负载为重量百分比)的情况下，作者观测到基于H2 (即通过H2O2生成肟所消耗的H2的摩尔数)的肟产率和选择性分别为77%和71%。作者没有观测到不必要的有机副产物的形成，如硝基环己烷或环己基环己酮(副产物的分析检测阈值相当于约0.005 M)。图中给出了TS-1材料的详细表征，并通过扫描透射电子显微镜(STEM)进行了进一步表征。采用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和X射线能谱仪(XEDS)对0.33%Au-0.33%Pd/TiO2(Chloride-O)催化剂进行了分析，发现催化剂的粒径分布呈双峰型，粒径-成分关系明显：较小的颗粒(3-10 nm)是富Pd合金，而较大的颗粒(10-30 nm)是富Au合金，通常采用富Au核和富Pd壳层形貌。用这种共浸渍法合成的AuPd催化剂的类似的观测结果已经报道过。
与单独使用任何一种组分相比，使用H2和O2与N2稀释剂组成的气态反应物混合物可显著提高环己酮肟的产率。事实上，原位法也能提高环己酮肟的产率(77%)，相比于使用预合成的H2O2时的产率(41%)，在H2O2浓度与可以预合成的浓度相当的情况下，H2在原位反应中被转化为H2O2。当使用商业的H2O2时，活性相对较低，这是因为H2O2在反应开始时就完全加入了；众所周知，在反应过程中不断增加H2O2的加入会影响当前工业过程的催化性能。进一步的研究表明，无论载体是TiO2、SiO2、CeO2、Al2O3、Nb2O5或ZrO2，均能获得良好的催化性能(对环己酮肟的选择性大于95%)。
图1
当Au和Pd固定在相同的载体上时，环己酮肟的产率增加，0.33%Au-0.33%Pd/TiO2(Chloride-O)和TS-1体系(77%的肟产率)的活性明显优于由单金属催化剂或其物理混合物组成的类似物(图2A)。事实上，已知Au与Pd的合金化在抑制O-O键解离(抑制H2O的生成)和促进H2O2从催化表面释放方面是非常有效的。因此，可以认为Au的作用是促进H2O2(或过氧物种)从贵金属表面脱附，并在随后扩散到TS-1框架内的TiIV位点。TS-1反过来催化羟胺中间体的形成，在没有硅酸钛或AuPd负载催化剂的情况下，只观测到有限的氨肟化活性(≤ 15%的肟选择性)。进一步分析了0.33%Au-0.33%Pd/TiO2(Chloride-O)和TS-1双催化剂体系，结果表明，当反应不受环己酮有效性的限制时，H2选择性较高，反应1小时，H2选择性为98%，环己酮转化率为30% (图2B)。
作者还扩展了自己的研究，以评估小范围内的其它酮(环戊酮、环庚酮、环辛酮和苯乙酮)的氨肟化，其中许多相应的肟在药物合成中得到了应用。使用0.33%Au-0.33%Pd/TiO2(Chloride-O)和TS-1催化剂(图2C)，所有底物的肟选择性大于95%，表明了原位产H2O2合成肟方法的多功能性。酮转化率的变化主要与酮与羟胺的内在反应性不同有关，此外，较大的酮进入硅酸钛孔结构内部的能力有限。
进一步优化Au: Pd比例发现，在3小时的反应中，0.55%Au-0.11%Pd/TiO2(Chloride-O)和TS-1催化剂的物理混合物的环己酮肟产率为96%，表观周转频率(TOF)为223 moloxime·molmetal-1·hour-1，远高于0.33%Au-0.33%Pd/TiO2(Chloride-O)和TS-1催化剂的物理混合物的TOF值(143 moloxime·molmetal-1·hour-1) (图2D)。催化性能提升的部分原因可能是由于连续Pd位点数量的减少(Pd位点对O-O键的裂解具有很高的活性)，从而提高了H2O2的利用率。作者对H2选择性的测定支持了这一假设，与相应的贫Au催化剂相比，富Au催化剂和TS-1的组合提供了更强的选择性。类似地，富Au组分在理想的直接合成条件下可以降低H2O2的降解率。
虽然使用助催化剂体系可以获得高产率的环己酮肟，但在工业规模上的应用需要使用一种复合催化剂，既可以合成H2O2，又可以催化羟胺的生成。因此，作者研究了负载于商业TS-1上的AuPd纳米粒子对环己酮氨肟化的效能，催化剂是通过将PdCl2和HAuCl4共浸渍到TS-1上，然后焙烧制备的[标记为0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Chloride-O)]。这种催化剂生成H2O2的速率与使用一系列氧化物载体时观测到的结果相当，双功能催化剂对肟的选择性大于95%。该催化剂的环己酮转化率(44%)低于0.33%Au-0.33%Pd/TiO2(Chloride-O)和TS-1的共催化剂体系(80%)。这种催化性能的差异是由于TiIV位点被屏蔽，正如之前Hölderich课题组观测到的一样，而STEM-HAADF成像和XEDS元素图证明了在负载于硅酸钛载体上时Au和Pd金属成分的混合不良。
图2
作者随后证明，通过连续的浸渍法制备钛硅酸盐负载催化剂，有可能进一步提高催化性能：使用Pd(OAc)2和HAuCl4前驱体连续浸渍于TS-1载体上，然后焙烧[标为0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O)]，之后进行还原热处理(400 oC，5%的H2/Ar，2小时) [标为0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)]。与0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Chloride-O)或0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Chloride-O R)类似物相比，环己酮氨肟化反应的催化性能明显提高：0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂的肟产率与0.33%Au-0.33%Pd/TiO2(Chloride-O)和TS-1物理混合物的肟产率相当(图3A)。事实上，作者使用原位合成H2O2合成肟的最佳结果可以与文献中报道的一系列常用氧化剂(包括预合成的H2O2)的结果相媲美，表明这种方法有潜力取代目前的环己酮肟工业路线。
根据催化剂表面的性质(特别是活性金属的氧化状态对获得高催化性能至关重要)，作者用X射线光电子能谱(XPS)分析了钛硅酸盐负载的AuPd催化剂。将0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O)催化剂进行还原热处理(400 oC，5%的H2/Ar，2小时)导致Pd的氧化态完全转变为Pd0，这与观测到的H2O2合成和环己酮氨肟化催化性能的提升结果相一致(图3A)。对0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂的详细STEM分析发现，TiO2少数相和TS-1多数相上都有明显的金属负载(图3B)。HAADF-STEM成像和相应的XEDS元素图显示，在少数TiO2相上存在的金属纳米粒子主要由较大(5-20 nm)的AuPd合金组成，以及一些较小(1-3 nm)的Pd颗粒组成。TS-1多数相的对比分析表明，Pd优先固定，明显没有Au或AuPd合金。
使用0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂进行的在线时间研究表明，当环己酮的可用性不受限制时，H2的高选择性(94%)是可能的，表明在延长反应时间，H2通过H2O2降解或非催化途径非选择性地消耗，而氨的选择性，无论反应时间如何，均发现相对较高(约75%)。
对反应后溶液的电感耦合等离子体质谱分析表明，Au在标准的3小时环己酮氨肟化反应中具有很高的稳定性。然而，在同一时期观测到Pd的大量浸出(18.6%)。进一步的研究确定了0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂在多次使用时的稳定性，发现在二次使用时Pd的额外浸出很少。值得注意的是，在第三次使用后没有观测到金属损失，并且在连续三次氨肟化反应(肟产率 ≥ 80%)中，催化剂的效能确实保持了下来(图3C)。
对使用三次的催化剂进行了详细的STEM-HAADF分析(图3D)，发现所观测到的Pd浸出与较小的非合金Pd纳米颗粒的损失有关，这些纳米颗粒主要存在于制备材料的TS-1多数相上。在少量TiO2组分上的AuPd纳米合金经过多次使用后，其组成和分散性仍保持不变。用TS-1代替0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂的热过滤实验表明，浸出的物种对环己酮肟的生成没有贡献。然而，在没有负载贵金属的情况下(即当只有TS-1存在时)，观测到一些额外的酮转化(7%)，这与作者之前的观测结果一致，这可以归因于TS-1在没有H2O2的情况下促进有害副产物的形成。进一步的研究表明，与单金属Pd类似物相比，0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂的稳定性有所提高。表明NH3和H2O2的结合促进了活性金属的溶解。与作者的STEM-HAADF分析一致(图3D)，发现Au与Pd的合金化在很大程度上抑制了金属浸出，即使在苛刻的反应条件下。这些观测结果，与作者早期比较负载型AuPd催化剂与单金属类似物的活性(图2A)以及均相Pd物种微不足道的活性的研究相结合，研究表明，在TS-1载体中，负载AuPd合金纳米粒子的TiO2少数相是获得高催化性能的关键，而非合金的Pd纳米颗粒主要是旁观者。
目前环己酮肟工业路线的一个主要挑战是与TS-1催化剂的失活有关，通过形成TiO2-SiO2域，可以在反应物流中存在相对高浓度的氨。与这些观测结果一致，作者的XPS分析表明，在氨肟化反应中，Ti的形态在连续重复使用中发生了微小的变化，表明形成了类似TiO2的表面物种，尽管没有观测到催化活性的损失。近年来，通过TS-1的后期合成处理，开发了空心硅酸盐钛(HTS-1)，发现这些材料在氨肟化反应中比母体TS-1材料具有更大的稳定性。因此，作者认为，在潜在的工业应用中，TS-1组件的任何失活都可以通过采用HTS-1或替代的硅酸钛载体轻松克服。
图3
作者之前已经证明，在优化的H2O2选择性条件下，负载型AuPd纳米粒子对H2O2的产生具有很高的稳定性。考虑到这些观测结果，并考虑到到氨源的原位途径的独立性，接下来，作者评估了0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂通过原位产H2O2氨肟化环己酮的稳定性：使用连续流反应器，环己酮和氨浓度与工业氨氧化过程中使用的浓度相当。在本例中，催化剂在还原热处理(200 oC，H2，2小时)之前，首先接受了氧化热处理((110 oC，静态空气，16小时))，并表现出与在批量条件下接受高温热处理的材料类似的性能(图3A)。这些连续流动研究表明，在间歇条件下观测到的高催化稳定性(图3C)可以很容易地转化为流动系统(图4)，其中液体(环己酮和氨)和气体(H2和O2)试剂连续引入到反应器中。事实上，使用这种连续流反应器，观测到环己酮肟的产率和H2的选择性在几个小时的反应流中保持稳定，分别为48%和70%，在40小时的反应中没有观测到催化稳定性的损失。此外，考虑到氨的有限可用性(环己酮: NH3 = 1: 0.5)，这种试剂的几乎完全利用(96%的氨选择性)，这将避免原位产H2O2的氨肟化在任何潜在的工业应用过程中与试剂分离和回收相关的大量成本。进一步的研究表明，通过反应条件优化，环己酮肟的产率可以显著提高(87%)，但与作者早期的研究一致(图2B)，H2的选择性与环己酮的有效性存在内在联系。
为了建立环己酮原位产H2O2的氨肟化路线的工业可行性，作者重点研究了0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂的稳定性，在工业相关的反应条件下进行了延长寿命的研究，在反应流中运行超过248小时。虽然通过X射线衍射对反应后催化剂的分析没有表明TS-1结晶度有任何实质性的损失，但作者的XPS评估显示Ti的形态有轻微的变化，可能表明在硅酸钛成分中形成了TiO2域，正如之前在工业应用中观测到的那样。作者的STEM分析显示，在反应过程中，贵金属纳米粒子没有明显的团聚，AuPd纳米合金的维持也没有明显的变化。这与之前在批量条件下观测到的AuPd物种的高稳定性相一致，进一步强调了催化剂在未来工业条件下的长期稳定性。
图4
最后，作者进行了详细的技术经济评估，在Zhu课题组之前的评估的基础上，作者比较了原位产H2O2的方法和目前使用预合成的H2O2的工业流程。假设0.33%Au-0.33%Pd/TS-1(Acetate-O R)催化剂的寿命与目前工业路线中报道的TS-1相当，TS-1组分的活性也相当(即0.3 kg的TS-1催化1吨环己酮肟的生产)，作者的计算证明了原位产H2O2方法的经济可行性，单是材料成本，作者估计可以节约13%(假设催化剂的使用寿命为2.3年)。事实上，即使假设催化剂的寿命非常有限(0.75年)，作者的经济评估也显示，原位产H2O2法的材料成本与目前的工业工艺相当。这一评估没有考虑到原位产H2O2法相关的大量节约，即与H2O2的运输和存储相关的节约以及反应器寿命的增加，因为反应器腐蚀是预合成的H2O2中存在的稳定剂造成的。此外，这种关键的平台化学品的低碳制造工艺还大大节约了环境成本。因此，原位产H2O2法是朝着更可持续的选择性化学转化迈出的积极一步，有可能取代目前环己酮肟的工业转化途径。更广泛地说，作者认为这种方法可能在目前依赖于TS-1与预合成的H2O2的其它工业氧化反应中得到更广泛的应用。
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