Sn-W复合金属氧化物催化环戊酮Baeyer-Villiger氧化制备δ-戊内酯

郭鲁玉 ,  樊志鹏 ,  张世鹏 ,  靳海波 ,  马磊

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (5) : 156 -162.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (5) : 156-162. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.05.027
科研与开发

Sn-W复合金属氧化物催化环戊酮Baeyer-Villiger氧化制备δ-戊内酯

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Catalytic Baeyer-Villiger oxidation of cyclopentanone to δ-valerolactone over Sn-W composite metal oxides

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摘要

Baeyer-Villiger(B-V)氧化法是环酮制备酯类最常用的方法之一,δ-戊内酯由于在许多方面都有着重要作用,因此开发B-V氧化环戊酮生产δ-戊内酯具有重要的意义。采用共沉淀的方法制备了一系列Sn-W复合金属氧化物催化剂用于催化环戊酮氧化制δ-戊内酯。首先采用多种表征手段对催化剂的结构进行分析,发现催化剂结构为SnO2的四方晶系以及WO3的三斜晶系,形态为不规则粒状或块状集合体。接着,将上述催化剂用于催化环戊酮氧化制δ-戊内酯反应时,发现催化剂Sn-W-2-800有很好的催化性能。最后在此基础上进一步进行了反应条件优化,得到最优条件为:双氧水投加量为理论值的2.1倍,酮(环戊酮)与酸(丙酸)摩尔比为1∶20.25,催化剂投加量为8.8 g/L,反应时间为5 h,反应温度56℃。在此条件下,环戊酮转化率为81.47%,δ-戊内酯选择性为63.83%,收率达到52%。

Abstract

The Baeyer-Villiger oxidation is one of the most commonly used methods for the preparation of esters from cyclic ketones.δ-Valerolactone plays a significant role in many aspects,thus the development of a B-V oxidation of cyclopentanone to produce δ-valerolactone is of great significance.In this paper,a series of Sn-W composite metal oxide catalysts were prepared by the co-precipitation method for the oxidation of cyclopentanone to δ-valerolactone.Firstly,the structure of the catalyst was analyzed by various characterization methods,and it was found that the catalyst structure was a tetragonal crystal system of SnO2 and a triclinic crystal system of WO3,and the morphology was irregular granular or massive aggregates.Subsequently,when the above catalysts were used to catalyze the oxidation of cyclopentanone to δ-valerolactone,it was found that the catalyst Sn-W-2-800 had excellent catalytic performance.Finally,on this basis,the reaction conditions were further optimized,and the optimal conditions were obtained as follows:the addition amount of hydrogen peroxide was 2.1 times the theoretical value,the molar ratio of ketone (cyclopentanone) to acid (propionic acid) was 1∶20.25,the catalyst addition amount was 8.8 g/L,the reaction time was 5 h,and the reaction temperature was 56℃.Under these conditions,the conversion rate of cyclopentanone was 81.47%,the selectivity of δ-valerolactone was 63.83%,and the yield reached 52%.

Graphical abstract

关键词

Baeyer-Villiger氧化反应 / Sn-W复合金属氧化物催化剂 / 环戊酮 / δ-戊内酯

Key words

Baeyer-Villiger oxidation reaction / Sn-W composite metal oxide catalyst / cyclopentanone / δ-valerolactone

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郭鲁玉,樊志鹏,张世鹏,靳海波,马磊. Sn-W复合金属氧化物催化环戊酮Baeyer-Villiger氧化制备δ-戊内酯[J]. 现代化工, 2026, 46(5): 156-162 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.05.027

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δ-戊内酯是一种重要的精细化工中间体。它容易发生开环聚合,不仅可发生自身的聚合反应生成高相对分子质量的聚酯,还可与其他酯类等发生开环聚合生成聚交酯[1]。因此具有重要的经济和社会效益。然而目前只有美国、德国和日本的少数几家公司掌握成熟的δ-戊内酯工业化生产技术[2-3],国内只有河南省濮阳迈奇科技有限公司自主研发的δ-戊内酯合成新工艺实现产业化应用,填补了国内生产空白[4]。但这远不能满足国内市场需求,我国δ-戊内酯主要依赖进口,而国外对δ-戊内酯原材料及价格的控制又限制了中国对下游产品的开发和应用,因此研究开发适宜的δ-戊内酯工业化生产工艺具有良好的发展前景。
目前,文献中有大量关于δ-戊内酯合成方法的报道,如1,5-戊二醛法[5]、四氢呋喃法[6]、2,3-二氢吡喃法[5]α-呋喃醛法[7]、2-丁烯酸甲酯法[8]、1,5-戊二醇法[9-10]δ-羟基戊醛法[11]δ-氯戊酸法[12]、2,5-二烃基吡喃法[13]δ-羟基戊酸法[14]等。但用上述原料制备δ-戊内酯的过程中,普遍存在原料来源有限、成本高、反应条件较苛刻(需在高温高压下进行),或反应步骤较多导致δ-戊内酯收率较低等问题,因此存在较大的工业化难度。相对其他工艺来说,环戊酮BV氧化制δ-戊内酯,具有原料来源广泛、过程操作简单、设备要求低等优点[15]。该反应过程是一种典型的Baeyer-Villiger(以下简称B-V)氧化反应[16],根据氧化剂不同,又可分为过氧酸氧化法[17]、过氧化氢氧化法[18-19]、氧气氧化法[20]、生物氧化法[21]。这些方法中过氧化氢氧化法具有清洁无污染,不引入其他杂质等优点。因此本文主要采用过氧化氢氧化法来深入探究。
本文主要采用共沉淀法制备出Sn-W-2-800固体催化剂,该催化剂对于催化环戊酮氧化制δ-戊内酯反应具有很好的效果。该反应主要通过两步完成,第一步用丙酸作为溶剂,在过氧化氢作用下,使其转化为过氧丙酸和水;第二步为过氧丙酸氧化环戊酮合成δ-戊内酯,同时生成的过氧丙酸会被还原成丙酸,在反应前后丙酸没有发生本质的变化,只是起介质的作用。此方法相较于过氧酸氧化法来说,完全避免了较难储存与运输等情况,降低了成本以及安全隐患。与此同时,该反应使用清洁无污染的过氧化氢作为氧化剂,使得该反应更加符合绿色化学。本文主要考察了反应时间、反应温度、催化剂的用量、溶剂的用量以及过氧化氢用量等因素对合成工艺的影响,并通过单因素实验得到了最优的合成条件。

1 实验部分

1.1 实验试剂

δ-戊内酯、环戊酮,均为色谱纯,上海阿拉丁科技股份有限公司;丙酸、二氯甲烷,均为分析纯,北京迈瑞达科技有限公司;30%过氧化氢、甲苯、丙酮,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;钨酸钠,分析纯,天津市福晨化学试剂厂;五水合四氯化锡,分析纯,上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 实验仪器

主要仪器:Agilent 7890A型气相色谱仪[氢火焰离子化检测器(FID)],SX-G07123型马弗炉,DF-101S型集热式恒温磁力搅拌器,梅特勒托利多AG204型分析天平,电热鼓风干燥箱,SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵。

1.3 色谱条件

柱箱温度50℃,检测器温度250℃,汽化室温度250℃;毛细管柱(FFAP)30 m×0.25 mm×0.25 μm;进样量为0.2 μL;载气种类:N2;氢气压力:0.4 MPa。升温程序:初始柱箱温度50℃,保持 4 min,然后以20℃/min的速率升至125℃,保持 4 min,再以20℃/min升至180℃,保持5 min,然后降温至50℃。

1.4 Sn-W催化剂的制备

采用共沉淀法制备Sn-W氢氧化物前驱体[22]。根据不同锡/钨摩尔比,取a mmol Na2WO4·2H2O溶于去离子水中,然后用滴加的方式将溶于去离子水的b mmol SnCl4·5H2O加入其中。在室温下搅拌 1 h(22~23℃),然后滴加去离子水(60 mL),接着搅拌24 h,将得到的Sn-W氢氧化物的白色沉淀物过滤,并用大量去离子水冲洗,洗去其中的氯离子。然后将其放入烘箱干燥12 h,随后转移至马弗炉中,于不同温度(600、700、800、900℃)下煅烧3 h,即得到不同焙烧温度下的Sn-W复合金属氧化物,并命名为Sn/W-x-T(xb/aT为煅烧温度)。

1.5 催化剂表征

X射线衍射(XRD):日本Rigaku SmartLab SE型号,测试靶材选用Cu靶,扫描范围5~90°,扫描速度2°/min,连续式扫描。透射电子显微镜(TEM):日本JEOL JEM-F200型,分散剂为乙醇,选择铜网进行制样,超声5 min。傅里叶变换红外光谱(FT-IR):美国Thermo Fisher Scientific Nicolet iS20公司生产的傅里叶红外光谱仪,扫描范围为400~4 000 cm-1;检测器:DTGS KBr;分束器:KBr;光源:红外光源;分辨率:4 cm-1。拉曼光谱(Raman):日本Horiba LabRAM HR Evolution型号,激光器波长为532 nm,测试波数范围50~4 000 cm-1。扫描电子显微镜(SEM):德国ZEISS GeminiSEM 300型冷场发射扫描电子显微镜。N2物理吸附(BET):美国NOVA 2200e型比表面仪,比表面积的测定采用BET方法,孔径分布的测定采用BJH方法。

1.6 实验步骤

图1所示,在100 mL的圆底三口烧瓶中加入一定量的环戊酮和丙酸,上方接入回流装置,搅拌条件下加入一定量的催化剂,当体系温度达到设定值时,开始滴加30%过氧化氢,滴加完成后开始计时,在此条件下达到规定反应时间后停止。冷却,抽滤,萃取,接着用无水硫酸钠除水,经滤头过滤后用微量进样针抽取0.2 μL进样分析。
典型反应液的气相色谱图如图2所示,称取适量二氯甲烷进行萃取,然后向其中添加适量无水硫酸钠用于除去其中的水分,再加入适量的内标物甲苯,过滤,进色谱检测。其中保留时间1.715 min的峰为二氯甲烷,保留时间3.018 min为内标物甲苯,保留时间5.653 min为环戊酮,保留时间8.89 min为丙酸,保留时间13.424 min为δ-戊内酯。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的表征

2.1.1 透射电子显微镜(TEM)分析

图3可知,测得SnO2的晶格间距为d=0.337 5 nm,对应XRD中的(110)晶面;测得WO3的晶格间距为d=0.383 94 nm,对应XRD中的(002)晶面。经分析,PDF卡片与TEM中的晶格间距吻合,由此证明该催化剂合成成功。

2.1.2 X射线衍射(XRD)分析

图4可知,复合金属氧化物中SnO2衍射峰的位置与其四方晶系[空间群为P42/mnm(136)]的位置一致,WO3衍射峰的位置与其三斜晶系[空间群为P-1(2)]位置一致。由此表明,在Sn-W氢氧化物前驱体中主要形成了类似SnO2和WO3的相,并且多钨酸盐物种在氧化锡上高度分散或嵌入至氧化锡基质中。其中氧化物的晶系结构受温度影响很大,复合金属氧化物在焙烧温度600℃和700℃下的XRD衍射峰与氢氧化物很相似,W=O键的伸缩强度与氢氧化物前驱体也基本一样。当焙烧温度上升到800℃时,XRD图谱可以看到三斜晶系WO3的衍射峰,同时在拉曼光谱图中W=O键相关信号的强度有所减弱。由此说明多钨酸盐物种可能在800℃时开始发生聚集[23]。并且根据拉曼光谱图和XRD图谱所示,在900℃时大部分钨酸盐物种转化成了WO3微晶。在本文研究的Sn-W-2-800锡钨氧化物体系中,聚集的多钨酸盐物质上会产生强的布朗斯特酸位点,因为这些聚集物质上的电子密度可以离域[23]

2.1.3 红外光谱(FT-IR)以及拉曼光谱(Raman)的分析

图5为不同焙烧条件下催化剂的FT-IR图谱和Raman光谱图。如图所示,在复合金属氧化物锡钨催化剂中,958 cm-1的位置出现了W=O的伸缩振动峰。并且在所有条件下都出现了750~900 cm-1的W—O—W的伸缩振动峰和600~700 cm-1的Sn—O—Sn的伸缩振动峰,这些特征证实了多钨酸盐物种(很可能是同多钨酸盐簇)的存在[24]

2.1.4 扫描电镜(SEM)分析

图6所示,经过扫描电镜看到氢氧化物成块状,而氧化物粒径随着煅烧温度的增加渐渐显示出来,且温度越高,氧化物变得越来越分散。当温度达到900℃时,颗粒聚集,框架倒塌。其中我们看到的颗粒大小不一,可能是研磨所致。由图看出符合SnO2的四方晶系和WO3的三斜晶系,呈现不规则粒状或者块状集合体。

2.1.5 N2物理吸附分析

用N2物理吸附来分析样品的空隙特性。表1为混合金属氧化物的结构参数。用BET和BJH方法来分别测取比表面积以及孔径分布。当焙烧温度从600℃升到900℃时,复合金属氧化物的比表面积从110.452 m2/g降到48.283 m2/g,而孔径却从3.368 nm上升到8.432 nm。经分析比表面积越大,催化剂表面活性位点与原料的接触面积越大,催化效果也就越好。如图7所示,600~900℃焙烧下得到的复合氧化物的N2吸附-脱附等温线带有回滞环,均属于典型的第Ⅳ类型吸附-脱附曲线。

2.2 催化剂制备条件的考察

2.2.1 Sn-W摩尔比影响

表2可知,催化剂对该环戊酮氧化制δ-戊内酯反应效果的影响很大,在不加催化剂的情况下,环戊酮转化率为52.39%,δ-戊内酯收率为21.03%。加入单金属锡和钨时,效果有所提升,但总体仍然较差。当引入双金属Sn-W氧化物催化剂时,原料转化率以及产品收率都有明显的提高。由此可知,采用共沉淀法制备的Sn-W双金属催化剂对该反应具有优异的催化性能。据此方法,后续制备了一系列不同锡钨摩尔比的双金属催化剂,其中摩尔比为Sn/W-2-800时,效果最好,环戊酮转化率为81.47%,δ-戊内酯收率为52%。

2.2.2 催化剂焙烧温度的影响

该催化剂主要通过共沉淀法制备,其中焙烧温度对钨元素影响很大,因为钨酸盐需要在高温下才能煅烧出三氧化钨。由图8可知,未焙烧的催化剂效果要比焙烧的催化剂效果差,根据催化剂表征XRD分析可知,当焙烧温度增加到800℃,钨酸盐则变为三氧化钨,达到最优效果。其中环戊酮转化率为81.47%,δ-戊内酯收率为52%。

2.3 反应条件考察

为了更全面地考察各个实验因素对整个反应效果的影响,有必要对工艺进行优化。本文重点考察了反应时间、反应温度、催化剂的用量、溶剂的用量以及过氧化氢用量等因素对合成工艺的影响,所有产物均按照1.6节的方法进行定量分析。

2.3.1 反应时间的影响

图9(a)可知,反应时间为4 h时,δ-戊内酯收率为18.01%,在5 h时δ-戊内酯收率达到最大,为33.75%,继续延长反应时间,转化率虽然会增加,但是其收率则会降低。分析可能造成这种情况的原因是随着反应时间的延长,过氧化氢将会逐步分解,导致δ-戊内酯发生水解反应,因此其产物收率会逐渐降低。环戊酮则是继续参与反应,所以转化率会逐渐上升,故最适宜的反应时间为5 h。

2.3.2 反应温度的影响

图9(b)所示,在46℃时,δ-戊内酯收率为20.85%,随着温度升高到56℃时,收率升至最大值33.75%,若再升高温度,δ-戊内酯收率反而会下降,经分析可能是因为温度对催化剂的活性影响很大,导致催化剂活性降低,因此收率也会降低。同时温度过高也会使过氧化氢加速分解,从而导致产物的水解,进而不利于向正反应方向进行,因此选择最佳反应温度56℃。

2.3.3 催化剂用量的影响

图9(c)所示,不加催化剂时,δ-戊内酯的收率仅为11.35%。当加入催化剂后,催化剂可能会通过活化底物的酮羰基,增加羰基碳上的正电性,从而促进H2O2的氧化;并且也可能会与H2O2发生作用,使H2O2的亲核性能增加,从而促使其进攻底物中的羰基。随着催化剂的增加,在0.2 g时收率最大,环戊酮转化率为80.13%,δ-戊内酯收率为35.86%。继续增加则呈现下降趋势,经分析可能是当催化剂过量时,反应液粘稠,不利于反应传质。故选择催化剂用量为0.2 g。

2.3.4 溶剂用量的影响

溶剂丙酸的用量在反应中有着无比重要的影响,如图9(d)所示,随着n(环戊酮)∶n(丙酸)的摩尔比增加,δ-戊内酯收率也随之增加,当其摩尔比为1∶20.25时,环戊酮的转化率为81.47%,δ-戊内酯收率为52%,接着增加其溶剂的量,收率反而会降低。经分析当溶剂的量持续增大,会导致过氧丙酸的加速合成,以至于反应加速进行。当其增加到过量时,反而会起到稀释反应的作用,致使δ-戊内酯收率降低。因此,本实验选择n(环戊酮)∶n(丙酸)的摩尔比为1∶20.25。

2.3.5 过氧化氢用量的影响

研究表明,过氧化氢在该反应中占主导地位,主要是其可以提供氧原子以便促使丙酸生成过氧丙酸,进而生成δ-戊内酯。如图9(e)所示,随着过氧化氢用量增加到2.7 mL时,δ-戊内酯收率逐渐增至最大52%,环戊酮的转化率为81.47%。如果继续增加过氧化氢的用量收率则会下降,经分析是因为过多的过氧化氢会带大量的水,从而导致产物水解。因此选择2.7 mL的30%过氧化氢进行反应。

3 结论

(1)当不加催化剂或加入单金属SnO2、WO3或其混合物时,原料的转化率及产物的收率都不及通过共沉淀法制备出的锡钨复合金属氧化物,其中以Sn/W摩尔比为2∶1,催化剂焙烧温度为800℃时效果最好,δ-戊内酯收率达到52%,环戊酮转化率为81.47%。
(2)用Sn-W-2-800催化剂进行表征,通过XRD图谱显示出SnO2和WO3的晶面与TEM中的晶格间距相吻合,从而证实该催化剂制备成功。通过SEM图看出该催化剂符合SnO2的四方晶系以及WO3的三斜晶系,呈现不规则粒状或块状集合体。以及红外和拉曼证实了W O、W—O—W和Sn—O—Sn伸缩振动峰的存在。BET分析结果表明,该催化剂比表面积为66.499 m2/g、孔容为0.083 cm3/g、孔径为5.042 nm。
(3)将Sn-W-2-800催化剂用于催化环戊酮氧化制δ-戊内酯反应,通过单因素分析得到了最优条件:环戊酮12.5 mmol,30%过氧化氢投加量为理论值的2.1倍,n(环戊酮)∶n(丙酸)=1∶20.25,催化剂8.8 g/L,时间5 h,温度56℃,在此条件下效果达到最好,其δ-戊内酯收率为52%,环戊酮转化率为81.47%。

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