一种制备苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的催化剂及制备苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的方法

摘要

本发明涉及一种甲苯直接液相氧化制备苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的生产过程。具体是在负载型离子液体和金属‑有机框架材料(MOFs)的协同催化作用下，以甲苯为原料，双氧水为氧化剂，在温和的反应体系中，通过高选择性液相控制氧化反应制备苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸。本发明的催化剂制备容易、可以良好回收重复使用，化学选择性高，反应条件温和，操作简单，双氧水利用率高，是一种高效、环境友好的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及负载型离子液体和金属-有机框架材料(MOFs)催化甲苯液相选择性控制氧化制备苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的新方法，属于化工技术领域。

技术背景

苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸是非常重要的化工产品，在工业上的用途很广，被广泛应用于染料、医药中间体、农药等化合物的合成。同时甲苯作为石油加工和煤化工中的主要产物，将甲苯进行深加工生成高附加值产品如苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸等具有重要的意义。目前，利用甲苯生产苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的主要方法有甲苯氯化水解法、甲苯气相氧化法和甲苯液相氧化法。三种方法中甲苯氯化水解法是目前工业上生产苯甲酸副产苯甲醇和苯甲醛使用最为广泛的方法。但是该方法存在较多不足：工艺流程长，产物分离困难，原子利用率低，排放酸性气体和有机废物，造成严重的环境污染。甲苯气相氧化法部分克服了甲苯氯化水解法的不足，但该方法的主要缺陷体现在：甲苯转化率低，尾气中甲苯回收利用困难，产物收率低，选择性低有过度氧化物生成，生产成本高。

近年来，甲苯液相选择性氧化制备苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸受到国内外化学工作者的广泛关注，是甲苯选择性氧化工艺研发的新热点。用分子氧和双氧水作氧化剂，对环境危害小，具有清洁环境友好的特点。空气(氧气)甲苯液相氧化法(CN101613269A，JP2003286210A，US6495726B1)的优点是反应条件温和，但是对反应设备要求较高，而且反应转化率较低、催化剂昂贵。双氧水甲苯液相选择性氧化制苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸(Z.Guo,B.Liu,Q.Zhang,W.Deng,Y.Wang,Y.Yang,Chem.Soc.Rev.,2014,43,3480；X.Wang,J.Wu,M.Zhao,Y.Lv,G.Li,C.Hu,J.Phys.Chem.C,2009,113,14270)，反应过程中惟一的副产物是水，具有转化率高、工艺路线短、原子经济性高等优点，因此被认为是一种具有广泛应用前景的清洁生产方法。

由于非均相催化具有易分离、催化剂稳定性好和可重复利用等优点，因此有一些化学工作者把非均相催化剂应用在了双氧水液相选择性氧化甲苯上。例如：CN101972646A利用制备的过渡金属钒酸盐Co-V-O催化剂，双氧水为氧化剂，在60℃通过液相氧化甲苯，结果甲苯的转化率接近50％，苯甲醛的选择性约为70％，苯甲醇选择性约为13％。Liu等(Appl.Catal.A:Gen.,2012,425-426,191)发现以HZSM-5-0.20分子筛为催化剂，双氧水为氧化剂，水为溶剂，90-95℃反应5小时，甲苯转化率仅32％，而苯甲醛、苯甲醇和苯甲酸的选择性分别只有25％、20.8％和27.5％，同时还有22.3％副产物酚类化合物的生成。Xia等(Catal.Commun.,2016,86,72)用制备的V-Mo-Fe-O做催化剂,双氧水为氧化剂，在80℃进行液相氧化反应，甲苯转化率仅为40.3％，苯甲醛选择性为84.5％。Silva等以配合物[Fe(BMPA)Cl₃]为催化剂(J.Mol.Catal.A:Chem.,2017,426,564)，双氧水为氧化剂，乙腈为溶剂，苯甲醛最高收率仅为10.5％、其选择性只有36％，而苯甲醇收率只有不到4％、其选择性为13％，同时还有大量副产物如酚醌过氧化物等生成。

总之，目前甲苯选择性氧化方法里，存在催化剂活性不高、反应选择性较低、工艺复杂等缺陷。

发明内容

本发明的目的是发展一种高转化率高选择性的甲苯直接氧化制苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的绿色方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种双氧水甲苯液相选择性氧化制苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的新方法，即以甲苯为原料，30％双氧水为氧化剂，金属改性ZSM-5分子筛负载型离子液体和金属-有机框架材料(MOFs)为催化剂，无溶剂条件下实现甲苯的选择性控制氧化反应。

上述助催化剂金属-有机框架材料(MOFs)为MIL-53(Fe)、MIL-53(Cr)、MIL-53(Al)、Ce-MIL-101(Fe)、Ce-MIL-101(Cr)中的一种。并以Mn、Cu、Co、Fe过渡金属改性ZSM-5分子筛负载型咪唑离子液体为主催化剂。

本发明所用的Mn、Cu、Co、Fe过渡金属改性ZSM-5分子筛负载型咪唑离子液体制备的化学反应原理和结构如下：

通式中离子液体阴离子可以是氯，FeCl₄,CuCl₃,CuClBr,SnCl₃负离子。过渡金属M可以是Mn，Cu，Co，Fe。通式M-ZSM-5@IL[anion]的催化剂的反应原理包括以下步骤：

(1)咪唑和3-氯丙基三乙氧基硅烷在甲苯溶剂中，在90-110℃下回流反应20-25小时，然后加入三乙胺后继续反应2小时，回收溶剂、干燥得中间体1，

(2)中间体1与1-氯己烷在甲苯中，在90-110℃下回流反应10-15小时，回收溶剂、干燥得中间体2，

(3)中间体2与金属改性分子筛M-ZSM-5在甲苯中，在90-110℃下回流反应20-25小时，过滤，干燥的离子液体3，

(4)离子液体3继续在乙腈溶剂中与氯化铁、氯化铜、溴化亚铜或氯化亚锡回流反应24小时后过滤、乙腈洗涤，干燥，得负载型咪唑离子液体催化剂。

步骤(1)中，咪唑、3-氯丙基三乙氧基硅烷、三乙胺的摩尔比为1：0.5-5：0.5-5；

进一步优选为，咪唑、3-氯丙基三乙氧基硅烷、三乙胺的摩尔比为1：1：1。

步骤(2)中，中间体1与1-氯己烷的摩尔比为1：0.5-2；

进一步优选为，中间体1与1-氯己烷的摩尔比为1：1。

步骤(3)中，中间体2与金属改性分子筛M-ZSM-5的质量比为1-3：1

进一步优选为，中间体2与金属改性分子筛M-ZSM-5的质量比为1.5：1

上述反应过程中，所添加的甲苯溶剂均过量。

本发明所用物料的摩尔比为甲苯：30％双氧水＝1:1～6，主催化剂用量为甲苯质量的1～10％，助催化剂用量为0.01～1.0g，所述的物料与MOFs和负载型离子液体催化剂按照比例投料混合搅拌反应。

本发明所述反应温度为25～70℃。

本发明所述反应时间为0.5～8小时。

本发明所述主催化剂为M-ZSM-5分子筛负载型咪唑氯化铁盐离子液体、M-ZSM-5分子筛负载型咪唑氯化铜盐离子液体、M-ZSM-5分子筛负载型咪唑氯溴化亚铜盐离子液体、M-ZSM-5分子筛负载型咪唑氯化亚锡盐离子液体中的一种。

本发明所述一种过渡金属改性ZSM-5分子筛负载型咪唑离子液体和MOFs协同催化甲苯双氧水液相控制氧化制苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的方法，反应结束后，冷却静置，催化剂颗粒沉于烧瓶底部，过滤回收催化剂可不经处理即可回收重复使用，按甲苯：30％双氧水＝1:1～6的比例投料进行下一批催化氧化反应。

本发明的催化氧化反应原理如下：

依据本发明提供的制备苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的方法，其关键技术是采用制备的改性M-ZSM-5分子筛负载型咪唑离子液体和MOFs协同催化甲苯双氧水液相控制氧化反应得到苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸。

本发明采用过渡金属改性ZSM-5分子筛负载型咪唑离子液体主催化剂和助催化剂MOFs作为非均相催化体系，在温和的条件下，催化甲苯双氧水液相控制氧化制备苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸，实验结果表明甲苯的转化率和苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸的选择性和收率可以得到显著提高。

本发明与现有技术相比，其优点为：(1)采用M-ZSM-5分子筛负载型咪唑离子液体和MOFs催化剂，制备容易，催化活性高，稳定性好，可循环使用。(2)反应为非均相协同催化氧化，产物和催化剂分离简单，催化剂可以方便回收重复使用。(3)整个反应体系绿色高效、反应条件温和，产物选择性高，双氧水利用率高，无溶剂环境友好。

具体实施方式

以下实施方式仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制，通过以下实施例进一步解释本发明的实质。

催化剂的制备：

(1)咪唑(1mol)和3-氯丙基三乙氧基硅烷(1mol)在甲苯(800mL)溶剂中，在105℃下回流反应22小时，然后加入三乙胺(1mol)后继续反应2小时，回收溶剂、干燥得中间体1，

(2)接着1(0.5mol)与1-氯己烷(0.5mol)在甲苯(350mL)中，在105℃下回流反应12小时，回收溶剂、干燥得中间体2，

(3)中间体2(0.05mol)与金属改性分子筛M-ZSM-5(15g)甲苯(300mL)中，在105℃下回流反应24小时，过滤，干燥的离子液体3，

(4)离子液体3(10g)继续在乙腈(100mL)溶剂中与氯化铁(0.02mol)、氯化铜(0.02mol)、溴化亚铜(0.02mol)或氯化亚锡(0.02mol)回流反应24小时，

(5)过滤、乙腈洗涤，干燥，得负载型咪唑离子液体主催化剂4。依次为：M-ZSM-5分子筛负载型咪唑氯化铁盐离子液体、M-ZSM-5分子筛负载型咪唑氯化铜盐离子液体、M-ZSM-5分子筛负载型咪唑氯溴化亚铜盐离子液体、M-ZSM-5分子筛负载型咪唑氯化亚锡盐离子液体。

实施例1

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Mn-ZSM-5@IL[CuCl₃](5.5g)，MIL-53(Fe)(0.15g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.1mol)，后在50℃继续搅拌反应3.5小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率87％，苯甲醛选择性74％，苯甲酸选择性24％，苯甲醇及其他产物选择性2％。

实施例2

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Cu-ZSM-5@IL[CuCl₃](6.0g)，MIL-53(Fe)(0.2g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1mol)，后在55℃继续搅拌反应3小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率78％，苯甲醛选择性82％，苯甲醇选择性10％，苯甲酸及其他产物选择性8％。

实施例3

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Co-ZSM-5@IL[CuCl₃](5.5g)，MIL-53(Fe)(0.3g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.1mol)，后在55℃继续搅拌反应2.5小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率84％，苯甲醛选择性87％，苯甲醇选择性5％，苯甲酸及其他产物选择性8％。

实施例4

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Fe-ZSM-5@IL[CuCl₃](6.0g)，MIL-53(Fe)(0.25g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.2mol)，后在50℃继续搅拌反应2小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率90％，苯甲醛选择性80％，苯甲醇选择性2％，苯甲酸及其他产物选择性18％。

实施例5

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Co-ZSM-5@IL[CuCl₃](5.5g)，MIL-53(Cr)(0.35g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.1mol)，后在45℃继续搅拌反应2小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率86％，苯甲醛选择性85％，苯甲醇选择性10％，苯甲酸及其他产物选择性5％。

实施例6

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Co-ZSM-5@IL[CuCl₃](6.0g)，Ce-MIL-101(Fe)(0.5g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1mol)，后在50℃继续搅拌反应3小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率92％，苯甲醛选择性75％，苯甲醇选择性23％，苯甲酸及其他产物选择性2％。

实施例7

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Co-ZSM-5@IL[CuCl₃](8.0g)，MIL-53(Al)(0.8g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.2mol)，后在65℃继续搅拌反应5小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率62％，苯甲醛选择性79％，苯甲醇选择性8％，苯甲酸及其他产物选择性13％。

实施例8

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Cu-ZSM-5@IL[CuCl₃](5.0g)，Ce-MIL-101(Cr)(1.0g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.1mol)，后在40℃继续搅拌反应6小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率83％，苯甲醇选择性47％，苯甲醛选择性45％，苯甲酸及其他产物选择性8％。

实施例9

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Cu-ZSM-5@IL[CuCl₃](8.0g)，Ce-MIL-101(Cr)(0.7g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.1mol)，后在40℃继续搅拌反应8小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率85％，苯甲醇选择性59％，苯甲醛选择性38％，苯甲酸及其他产物选择性3％。

实施例10

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Co-ZSM-5@IL[SnCl₃](7.0g)，Ce-MIL-101(Cr)(0.8g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.1mol)，后在60℃继续搅拌反应4小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率85％，苯甲醛选择性83％，苯甲醇选择性8％，苯甲酸及其他产物选择性9％。

实施例11

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Co-ZSM-5@IL[SnCl₃](6.0g)，Ce-MIL-101(Cr)(0.9g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(1.3mol)，后在55℃继续搅拌反应5小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率92％，苯甲醛选择性90％，苯甲酸选择性8％，苯甲醇及其他产物选择性2％。

实施例12

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Fe-ZSM-5@IL[FeCl₄](8.0g)，Ce-MIL-101(Fe)(0.6g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(3mol)，后在605℃继续搅拌反应7小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率90％，苯甲酸选择性91％，苯甲醛及其他产物选择性9％。

实施例13

在反应烧瓶中，加入甲苯(1mol)，负载型离子液体Mn-ZSM-5@IL[FeCl₄](9.0g)，Ce-MIL-101(Fe)(0.8g)，搅拌下缓慢加入30％双氧水(4mol)，后在60℃继续搅拌反应5小时。冷却、过滤回收催化剂。GC-MS分析结果表明，甲苯转化率94％，苯甲酸选择性93％，苯甲醛及其他产物选择性7％。

实施例14

将实施例3中的催化剂回收，按实施例3中的各条件进行催化反应，重复使用回收催化剂3次，实验结果显示催化剂活性不减，甲苯转化率76～84％，苯甲醛选择性82～87％。

实施例15

将实施例11中的催化剂回收，按实施例11中的各条件进行催化反应，重复使用回收催化剂4次，实验结果显示催化剂活性不减甲苯转化率86～92％，苯甲醛选择性85～90％。

实施例16

将实施例13中的催化剂回收，按实施例13中的各条件进行催化反应，重复使用回收催化剂4次，实验结果显示催化剂活性不减，甲苯转化率90～94％，苯甲酸选择性90～93％。