袁洋春，戴紅旗，戴 路，李偉克

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037）

Mg（OH）2/硅藻土催化合成2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基（TEMPO）

袁洋春，戴紅旗，戴 路，李偉克

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037）

該文采用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)Minitab數(shù)據(jù)分析軟件找出影響合成反應(yīng)的主要因子是反應(yīng)溫度和投料比；然后結(jié)合單因素法分析得到合成2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基（TEMPO）最適宜的工藝條件為：pH=7.5，雙氧水滴加時(shí)間為2 h，催化劑用量為0.20 g，反應(yīng)溫度為70℃，H2O2和2，2，6，6-四甲基哌啶（TEMP）的投料比為2.5∶1。在此工藝條件下合成TEMPO的得率為94.15%，產(chǎn)品純度為100%。

2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基；催化；合成

哌啶類氮氧自由基是20世紀(jì)60年代以來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新型的穩(wěn)態(tài)自由基。由于它在理論及自旋標(biāo)記法上的廣泛應(yīng)用而引起人們的關(guān)注，成為自由基化學(xué)的主要發(fā)展方向之一[1]。在眾多的氮氧自由基中，2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基（TEMPO）是最簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的自由基，它對(duì)光熱極其穩(wěn)定，能夠分解過(guò)氧化物、捕捉自由基并且具有順磁性和選擇氧化性，尤其是TEMPO-NaClO-NaBr組成的選擇氧化性體系對(duì)糖類C6位伯羥基的氧化作用近年來(lái)獲得了廣泛研究。除此之外，它在醫(yī)藥、塑料工業(yè)、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)化工、水處理及輕紡工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。因此，關(guān)于哌啶類氮氧自由基及其衍生物的制備和性質(zhì)的基礎(chǔ)研究日益受到人們重視。美國(guó)、日本、法國(guó)及俄羅斯等國(guó)科學(xué)家在這方面做了大量工作。

哌啶類氮氧自由基的合成一般都采用均相催化氧化工藝。用H2O2或叔丁基過(guò)氧化氫為氧化劑，以鎢酸鈉、金屬羰基化合物和碳酸銨等作催化劑，氮氧自由基產(chǎn)率低于92%[2－6]，且催化劑不可以重復(fù)利用。1999年田禾等人提出用H2O2做氧化劑，以附載SnⅡ離子的離子交換樹脂為催化劑制備立體受阻胺氮氧自由基的新方法[7]。

本論文采用了一種低廉、高效專一和環(huán)保的新型催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與設(shè)備

主要試劑有：30%H2O2（AR），2，2，6，6-四甲基哌啶（CP），甲醇（AR），正已烷（AR）和催化劑 Mg（OH）2/硅藻土（自制）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：電動(dòng)攪拌器，恒溫水浴鍋，循環(huán)水式多用真空泵，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，恒壓滴液漏斗，紅外分光光度計(jì)，氣質(zhì)聯(lián)用色譜儀和電子自旋共振波譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在三頸圓底燒瓶中加入催化劑、2，2，6，6-四甲基哌啶和甲醇，在一定恒溫回流攪拌條件下，利用恒壓滴液漏斗勻速滴完一定量的H2O2。滴加完畢后，繼續(xù)反應(yīng)4 h后終止反應(yīng)。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)液的顏色逐步加深，原為微淡黃色，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由微淡黃色變成橙色，最終轉(zhuǎn)變成橘紅色。

反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾催化劑，此催化劑可以重復(fù)利用。然后將反應(yīng)裝置改裝成減壓蒸餾裝置，進(jìn)行減壓蒸餾，溫度控制在50℃以下。減壓蒸餾后將三頸圓底燒瓶中的產(chǎn)物收集，并用真空干燥器干燥4天。然后將這些產(chǎn)品置于稍低于室溫（約10℃）的條件下，這些產(chǎn)品很快結(jié)晶為針狀晶體。

在實(shí)驗(yàn)所得的粗產(chǎn)品中加入少量正己烷，溫?zé)崾蛊淙芙?，然后自然冷卻，當(dāng)降至一定溫度時(shí)，有大量針狀晶體析出，倒出母液，取出晶體。為確保產(chǎn)品純度，再重結(jié)晶數(shù)次，以得到高純度產(chǎn)品待分析檢測(cè)用。

1.3 產(chǎn)品得率計(jì)算

產(chǎn)品得率的計(jì)算公式如下：

式中：D為TEMPO的得率，%；M0為TEMP的摩爾質(zhì)量（141 g/mol）；M 為 TEMPO 的摩爾質(zhì)量（156 g/mol）；m0為稱取的TEMP質(zhì)量，g；m為純化所得TEMPO的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響TEMPO得率的主要因子篩選

在合成反應(yīng)中，反應(yīng)液的pH對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)率及速率有一定的影響。經(jīng)過(guò)前期的摸索實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)pH為7.5時(shí)反應(yīng)得率最高。這可能是因?yàn)樵趶?qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下，H2O2的分解速率過(guò)快，導(dǎo)致H2O2的消耗量增加，副反應(yīng)增多，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，并且哌啶類氮氧自由基在酸性溶液中將發(fā)生自衰變反應(yīng)[8]1086-1089。而在弱堿性條件下，H2O2的分解速率恰好可以給合成反應(yīng)提供相應(yīng)量的氫氧自由基，從而使得氫氧自由基得以充分利用。因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將pH控制在7.5左右。

除了pH之外，影響TEMPO得率因子還有很多，例如本實(shí)驗(yàn)中所提及的4種因子：投料比[m（H2O2）∶m（TEMP）]、反應(yīng)溫度、H2O2滴加時(shí)間和催化劑用量等。本文采用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案對(duì)影響TEMPO得率的因子進(jìn)行2水平篩選實(shí)驗(yàn)，確定4個(gè)影響因子中對(duì)TEMPO得率影響最大的因子。實(shí)驗(yàn)方案詳見(jiàn)表1和表2。

表1 因子標(biāo)簽及水平分布表

表2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件和隨機(jī)順序完成16組實(shí)驗(yàn)后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果錄入到表2的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中即可使用Minitab軟件進(jìn)行下一步的統(tǒng)計(jì)分析，以便確定影響TEMPO的主要因子。

通過(guò)使用Minitab統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)所得之?dāng)?shù)據(jù)繪制 Pareto圖可以確定影響TEMPO得率的主要因子，從而為下一步確定研究對(duì)象。此外，參考基準(zhǔn)線的位置隨 Alpha值變化而改變，本實(shí)驗(yàn)所選定的 Alpha值為 0.01，代表Pareto圖顯示結(jié)果的可信度為99%。根據(jù)上述規(guī)則，由圖1顯示的圖形信息可以發(fā)現(xiàn)，影響TEMPO得率最大的因子為投料比和反應(yīng)溫度。

圖1 TEMPO得率的Pareto圖

影響TEMPO得率最大的因子為投料比和反應(yīng)溫度的原因可能是：（1）此合成反應(yīng)是個(gè)吸熱反應(yīng)，當(dāng)體系溫度太低時(shí)，未達(dá)到反應(yīng)活化能，反應(yīng)難以進(jìn)行；另外，當(dāng)體系溫度過(guò)高時(shí)，H2O2分解速度快于合成反應(yīng)所需的氫氧自由基，使氫氧自由基轉(zhuǎn)化為氫氧根離子，相當(dāng)于降低了H2O2有效用量；（2）根據(jù)反應(yīng)機(jī)理可以發(fā)現(xiàn)，TEMP與H2O2是按一定比例進(jìn)行反應(yīng)的；因此，投料比直接影響產(chǎn)品的得率，與Minitab軟件分析結(jié)果一致。

2.2 影響產(chǎn)品得率的主要因子的優(yōu)化

由以上分析可知，反應(yīng)溫度和投料比是影響產(chǎn)品得率的主要因子，H2O2滴加時(shí)間和催化劑用量為次要因子。為了節(jié)省生產(chǎn)成本，以下實(shí)驗(yàn)將固定H2O2滴加時(shí)間為2 h；由于催化劑價(jià)格低廉，用量少，可重復(fù)利用，并且用量的增加對(duì)合成反應(yīng)有適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)效應(yīng)，因此催化劑用量固定為0.20 g，以下對(duì)反應(yīng)溫度和投料比進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)分析。

2.2.1 反應(yīng)溫度對(duì)得率的影響

取投料比 m（H2O2）∶m（TEMP）=4（過(guò)量），分別在 50、55、60、65、70、75 和 80 ℃條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)得率的影響

圖2顯示，當(dāng)反應(yīng)溫度低于70℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的上升得率明顯增大；而當(dāng)溫度繼續(xù)上升時(shí)，得率反而有下降。原因可能是在吸熱反應(yīng)中，反應(yīng)溫度是有機(jī)反應(yīng)中的一個(gè)重要指標(biāo)，溫度越高反應(yīng)活性越大，更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。但在升高溫度的同時(shí)，副反應(yīng)也有可能增加，H2O2的分解速度同時(shí)也在加快，不利于反應(yīng)中H2O2的充分利用，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物得率降低，因此必須選擇最有利于生成目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)溫度。另外，溫度過(guò)高H2O2受熱分解速率加快， 70℃左右是H2O2分解速率的過(guò)渡溫度，當(dāng)溫度超過(guò)70℃時(shí)，分解速率會(huì)明顯提高，過(guò)量的氫氧自由基來(lái)不及與TEMP反應(yīng)即轉(zhuǎn)化成氫氧根離子，這樣將會(huì)提高生產(chǎn)成本。

由以上分析可知，在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度的控制很重要，在滴加的過(guò)程中溫度不應(yīng)超過(guò)70℃。

2.2.2 投料比對(duì)得率的影響

取反應(yīng)溫度為70℃，在投料比分別為1、1.5、2、2.5、3、3.5和4進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)?？疾炝薍2O2與TEMP配比對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物得率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 投料比對(duì)得率的影響

由圖3可以看出，隨著H2O2用量的增加，TEMP的轉(zhuǎn)化率有所提高。這主要是由于隨著H2O2用量的增加，TEMP與H2O2分子間的有效碰撞概率增加，從而使TEMP的轉(zhuǎn)化率相應(yīng)增加。另外，由于H2O2具有弱酸性，所以過(guò)量的H2O2會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)體系呈弱酸性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，氮氧自由基類化合物在酸性條件下會(huì)發(fā)生自衰變反應(yīng)[8]1086-1089。而當(dāng)投料比達(dá)到2.5∶1時(shí)，轉(zhuǎn)化率基本無(wú)明顯增加，這是因?yàn)楫?dāng)投料比為達(dá)到2.5時(shí)，TEMP可以完全轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)證明，H2O2與 2，2，6，6-四甲基哌啶的質(zhì)量比為2.5∶1，此投料比最符合實(shí)際生產(chǎn)要求，且在此工藝條件下合成的產(chǎn)品得率高達(dá)94.15%。

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鑒定

TEMPO是一種紅棕色片狀晶體。此產(chǎn)品熔點(diǎn)為36～40℃，易揮發(fā)，具有強(qiáng)烈的刺激性氣味。

2.3.1 氣質(zhì)聯(lián)用色譜分析

圖4為TEMPO分子的GS譜圖。

圖4 TEMPO分子的GS譜圖

由圖4可知，此產(chǎn)品的GS譜圖只有1個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，從而可以推斷出該產(chǎn)品的純度為100%。

圖5為TEMPO分子的質(zhì)譜圖。

圖5 TEMPO分子的質(zhì)譜圖

由圖5可知，該產(chǎn)品的相對(duì)分子質(zhì)量為156，正好和TEMPO的相對(duì)分子質(zhì)量是一致的，并且從質(zhì)譜分析軟件輸出數(shù)據(jù)可以知道該產(chǎn)品分子式為C9H18NO，相對(duì)分子質(zhì)量為156.14，匹配度為93。

2.3.2 紅外光譜分析

圖6為TEMPO產(chǎn)品的紅外光譜圖。

圖6 TEMPO產(chǎn)品的紅外光譜圖

Ingold等對(duì)氮氧自由基的IR光譜作了深入研究，認(rèn)為氮氧自由基的N—O的伸縮振動(dòng)峰的位置、強(qiáng)度和自由基的結(jié)構(gòu)有關(guān)，吸收頻率可在較大的波數(shù)范圍內(nèi)變化，一般情況下N—O特征峰在1 340～1 370 cm-1之間[9]，由圖6也可以發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在1 348.08 cm-1處的吸收峰，從而進(jìn)一步證明產(chǎn)品中存在氮氧自由基。

2.3.3 ESR分析

電子自旋共振或順磁共振（ESR）技術(shù)是研究和鑒定自由基最常用和最方便的方法。哌啶類氮氧自由基的順磁共振一次微分曲線都很相似，均呈現(xiàn)單峰。由圖7可以明顯發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品存在哌啶類氮氧自由。

圖7 TEMPO產(chǎn)品ESR圖

3 結(jié)論

影響合成反應(yīng)的主要因子是反應(yīng)溫度和投料比，合成TEMPO最適宜的工藝條件為：pH為7.5，H2O2滴加時(shí)間為 2 h，催化劑 Mg（OH）2/硅藻土的用量為0.20 g，反應(yīng)溫度為70℃，H2O2和TEMP的投料比為2.5∶1。在此工藝條件下合成TEMPO的得率為94.15%。本實(shí)驗(yàn)制備了一種新型的催化劑——Mg（OH）2/硅藻土。該催化劑價(jià)格低廉、用量少、催化效率高、無(wú)污染，并且可以重復(fù)利用。通過(guò)GS檢測(cè)，合成出來(lái)的產(chǎn)品純度高達(dá)100%。

［1］ 張自義，魏陸林.穩(wěn)定氮氧自由基TMPO和TMPRO的合成與應(yīng)用［J］.有機(jī)化學(xué)，1998，18（8）：300-310.

［2］ Rozanzev E G，Neiman M B.Organic radical reactions involving no free valence［J］.Tetrahedron，1964（20）：131-137.

［3］ Rauekman E J，Rosen GM，Donia M B.Improved method methods oxidation of secondary amines to nitroxides［J］.Synthetic Communications，1975（5）：409-413.

［4］ SenVD，GolubevVA，EfremoraNN.Kineticsofmechanismof tungstate（2-）-catalyzed oxidation of di-di-tert-alkylamines and di-tert-alkyl hydroxyl-amines by hydrogen peroxide to nitroxyl radicals［J］.Izv Akad Nauk SSSR Ser Khim，1982（1）：61-72.

［5］ Winter R A E，Malherbe R F.Process for preparing nitroxyls of Sterically hidered amines：US，4665185［P］.1987-05-12.

［6］ Pastor S D，Smith A R，Bessonen K M.Hydrogen peroxide oxidation of 4-hydroxy-2，2，6，6-tetramethylpiperdine and of a 4-agylamino-2，2，6，6-tetramethylpiperdine：WO，9717327［P］.1997-05-15.

［7］ 田禾，陳孔常，郭霖.立體受阻胺氮氧自由基的制備方法：CN，1235946A［P］.1999-11-24.

［8］ 劉有成，江致勤，張發(fā).氮氧自由基的研究.氮氧自由基對(duì)維生素G氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)ESR 研究［J］.化學(xué)學(xué)報(bào)，1985，43（4）.

［9］ D A C Compton，K U Ingold.Infrared and Raman spectra of N，N-bis（trifluoromethyl）hydroxylamine and bis（trifluoromethyl） nitroxide［J］.J PHys Chem，1981（85）：3093.

Synthesis of 2，2，6，6-tetramethylpiperidine （TEMPO） Catalyzed by Mg（OH）2/Diatomite

YUAN Yang-chun，DAI Hong-qi，DAI Lu，LI Wei-ke
（Jiangsu Province Key Lab of Pulp and Paper Science of Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

2，2，6，6-tetramethylpiperidine（TEMPO） is new catalyzer.The software Minitab， as a tool of statistical design of experiments（DOE）， was used to study the factors influencing the synthesis of（TEMPO）.The main factors were found to be reaction temperature and reactant ratio.Combining the results of single factor analysis method，the optimum synthesis conditions were found to be as follows：pH 7.5，reaction time 2 h，reaction temperature 70 ℃，the molar ratio of hydrogen peroxide to 2，2，6，6-tetramethylpiperidine 2.5∶1.0， under which the yield of TEMPO was 94.15%，and its purity was high.

TEMPO； catalysis；synthesis

TS727+.1

A

1007-2225（2011）03-0024-05

2011-01-11（修回）

袁洋春先生（1984-），碩士研究生；研究方向：造紙化學(xué)與工程。

戴紅旗先生，教授；研究方向：造紙化學(xué)與工程；E-mail：daihq@vip.sina.com。

本文文獻(xiàn)格式：袁洋春，戴紅旗，戴路，等.Mg（OH）2/硅藻土催化合成 2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基（TEMPO）[J].造紙化學(xué)品，2011，23（3）∶24-28.