научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ГЕКСАМЕТИЛФОСФОРТРИАМИДА ИЛИ ДИМЕТИЛФОРМАМИДА НА МЕХАНИЗМ КАТАЛИЗА ТРИС(АЦЕТИЛАЦЕТОНАТОМ) ЖЕЛЕЗА(III) ПРИ ОКИСЛЕНИИ ЭТИЛБЕНЗОЛА МОЛЕКУЛЯРНЫМ КИСЛОРОДОМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ГЕКСАМЕТИЛФОСФОРТРИАМИДА ИЛИ ДИМЕТИЛФОРМАМИДА НА МЕХАНИЗМ КАТАЛИЗА ТРИС(АЦЕТИЛАЦЕТОНАТОМ) ЖЕЛЕЗА(III) ПРИ ОКИСЛЕНИИ ЭТИЛБЕНЗОЛА МОЛЕКУЛЯРНЫМ КИСЛОРОДОМ»

НЕФТЕХИМИЯ, 2007, том 47, № 1, с. 42-51

УДК 547.534.1:542.943.7:546.21-121

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ГЕКСАМЕТИЛФОСФОРТРИАМИДА ИЛИ ДИМЕТИЛФОРМАМИДА НА МЕХАНИЗМ КАТАЛИЗА ТРИС(АЦЕТИЛАЦЕТОНАТОМ) ЖЕЛЕЗА(Ш) ПРИ ОКИСЛЕНИИ ЭТИЛБЕНЗОЛА МОЛЕКУЛЯРНЫМ КИСЛОРОДОМ

© 2007 г. Л. И. Матиенко, Л. А. Мосолова

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва E-mail: matienko@sky.chph.ras.ru Поступила в редакцию 15.03.2006 г.

Проведено кинетическое исследование влияния электронодонорных монодентатных лигандов L2: гек-саметилфосфортриамида (ГМФА)и диметилформамида (ДМФА), на механизм катализа трис(ацетил-ацетонатом) железа(Ш) окисления этилбензола молекулярным кислородом. Установлено, что добавки L2 вызывают неаддитивное (синергическое) увеличение скорости катализированного Fe(III)(acac)3 окисления этилбензола, а также рост селективности (5ФЭГ) и/или степени конверсии (С) окисления этилбензола в а-фенилэтилгидропероксид (ФЭГ) по сравнению с катализом Fe(III)(acac)3 в отсутствие L2, что связано с формированием более активных комплексов: mFe(III)(acac)3nL2, Fe(II)(acac)2L2 (L2 = ГМФА, ДМФА) и продуктов трансформации Fe(III)(acac)3L2 (L2 = ДМФА). Наиболее значительный эффект влияния лигандов L2 на параметры 5ФЭГ и С установлен при катализе системой {Fe(III)(acac)3 + ГМФА} при 80°С. В присутствии каталитической системы {Fe(III)(acac)3 + ДМФА} метилфенилкарбинол (МФК) образуется с селективностью 5МФК « 58%, превышающей 5ФЭГ = 25-30% на начальник стадиях реакции окисления этилбензола. Установлен механизм образования основных продуктов окисления этилбензола - ФЭГ, ацетофенона (АФ) и МФК при катализе Fe(II)(acac)2 в присутствии ГМФА и ДМФА.

Проведена оценка активности комплексов Fe(III)(acac)3L2, формирующихся в процессе катализируемого {Fe(III)(acac)3 + L2} (L2 = ГМФА, ДМФА) окисления этилбензола, в микростадиях зарождения (активация O2) и продолжения цепи в присутствии катализатора (Кт) (Кт + ro2 —►) и роль этих стадий в механизме катализируемого комплексами железа окисления этилбензола в ФЭГ.

ВВЕДЕНИЕ

Решение проблемы селективного окисления углеводородов в целевые продукты с использованием в качестве окислителя молекулярного кислорода является приоритетным направлением катализа и предполагает использование металло-комплексных катализаторов.

Одной из наиболее трудных задач является селективное окисление углеводородов в гидропе-роксиды, первичные продукты окисления, поскольку широко применяемые катализаторы, соединения металлов переменной валентности, эффективно разрушают гидропероксиды. Вместе с тем проблема селективного окисления алкила-ренов, таких как этилбензол и кумол в ROOH, требует создания эффективных катализаторов этих процессов в связи с использованием ROOH в многотоннажных производствах: мономеров оксида пропилена и стирола (а-фенилэтилгидропе-роксид) или фенола и ацетона (гидропероксид ку-мола). В работах авторов [1, 2, 3-6] впервые предложен и реализован метод электронодонорной

модификации гомогенных катализаторов добавками разнообразных моно- и мультидентатных лигандов для увеличения активности бис(ацетилацето-натных) комплексных катализаторов селективного окисления этилбензола и кумола в соответствующие гидропероксиды. Было установлено, что трис(ацетилацетонат^е(Ш), Fe(Ш)(acac)3, является менее эффективным катализатором окисления этилбензола в а-фенилэтилгидропероксид (ФЭГ) (5ФЭГ ~ 46-65% (120°С) в широком диапазоне концентраций Кт [1] по сравнению с ранее изученными №(П)(асас)2 и Со(11)(асас)2, для которых установлен факт значительного увеличения 5ФЭГ, тах ~ 90% (120°С) при уменьшении концентрации катализатора ([Кт] = (0.5-1.5) х 10-4 М) [2, 3] за счет снижения активности в реакциях распада ROOH (гемолитического, цепного, и в случае катализа никелем также гетеролитического).

В работе [1] установлено, что в реакции окисления этилбензола, катализируемой Fe(Ш)(acac)3, в отличие от катализа комплексами никеля и кобальта продукты реакции АФ и МФК, образуются

не при распаде ФЭГ, а параллельно с ФЭГ. Изменение скорости и селективности в подобных условиях развития цепной реакции, как следует из результатов настоящей и последующих работ, возможно при изменении активности Кт в стадиях

зарождения и продолжения цепи (Кт + Я02 —►) путем его модификации добавками различных ли-гандов, как моно- , так и мультидентатных. Ранее нами было установлено, что добавки ГМФА или ДМФА в реакцию окисления, катализируемую Fe(Ш)(acac)3 при 120°С, увеличивают скорость реакции, но оказывают незначительное влияние на селективность и степень конверсии окисления этилбензола в ФЭГ [2].

В настоящей работе проведено более подробное кинетическое исследование влияния добавок ДМФА и ГМФА на механизм катализа окисления этилбензола комплексом Fe(Ш)(acac)3, проведена оценка активности формирующихся комплексов железа с ГМФА и ДМФА в микростадиях радикально-цепного процесса катализированного окисления - стадиях зарождения (активация 02) и продолжения цепи (Кт + Я02 —►).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Влияние электронодонорных лигандов L2 = = ГМФА и ДМФА на механизм катализа окисления этилбензола комплексом Fe(Ш)(acac)3 исследовали при концентрации [Кт]0 = 5.0 х 10-3 М (120°С, 80°С). При этих условиях, как было установлено в [1], концентрация ФЭГ, а также степень конверсии С, при которой 5ФЭГ ~ 46% (120°С) и ^ФЭг ~ 42% (80°С) достигают наиболее высоких значений (С = 6% (120°С) и С = 4% (80°С)). Не происходит изменений в механизме катализа, Fe(Ш)(acac)3 не подвергается трансформации в ходе реакции. Концентрацию L2 меняли в диапазоне (0.5-10)-2 М.

Этилбензол и продукты его окисления - ме-тилфенилкарбинол (МФК), ацетофенон (АФ) и фенол (Ф) анализировали методом ГЖХ по известной [1, 2] методике, концентрацию гидропероксида (ФЭГ) измеряли иодометрически. Суммарную скорость окисления определяли по скорости накопления суммы продуктов. Установлен баланс по расходованию RH и накоплению продуктов: ДрН] = = ЦФЭГ] + [Р] + [Ф.], где Р = АФ + МФК.

Скорости реакции (у>), а также скорости накопления отдельных продуктов определяли методом [5], позволяющим оценить эти величины с точностью ±(0.5-5)%. Реакция катализированного окисления молекулярным 02 проводилась в стеклянном реакторе барботажного типа в условиях отсутствия диффузионного торможения в двухфазной системе 02-контактный раствор.

О последовательности образования ФЭГ, АФ и МФК судили по зависимости соотношения продуктов от времени при ? —- 0. Изменение соотношения скоростей во времени оценивали методом графического дифференцирования [1, 3]. Селектив-

Г ФЭГ 1

ность окисления по ФЭГ: 5ФЭГ = х 100%,

Д[ КН ]

степень конверсии окисления: С = ^ Г КН 1 х 100%.

Г КН]0

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В присутствии добавок ГМФА при 120°С реакция окисления этилбензола развивается автоката-литически. Основные продукты окисления ФЭГ, АФ и МФК образуются с периодом автоускорения, большим, чем при катализе Fe(Ш)(acac)3 в отсутствие добавок [1]. Скорость реакции быстро становится w = wmax = wlim, большей, чем в отсутствие добавок лиганда за счет ускорения образования ФЭГ, АФ и МФК в стационарном режиме (рис. 1а, б, в). Добавки ГМФА не оказывают влияния на кинетику накопления фенола, который накапливается практически с той же скоростью, как и в отсутствие добавок ГМФА (рис. 1а). Отличительной особенностью катализа окисления этилбензола в присутствии каталитических систем ^е(Ш)(асас)3 + L2} = ГМФА, ДМФА, 120°С) является значительное увеличение [ФЭГ]тах. ([ФЭГ]тах возрастает от ~0.24 М до ~0.35 М) (рис. 1а). Введение добавок ГМФА в реакцию окисления этилбензола, катализируемую Fe(Ш)(acac)3, изменяет характер зависимости 5ФЭГ от С (рис. 2.) Селективность катализированного окисления в ФЭГ на начальных стадиях окисления, до ~0.5% конверсии, возрастает от 5ФЭГ = 46% до 5ФЭГ = 6065%. При С > 0.5-1% 5ФЭГ снижается до 5фЭпш ~ ~ 50-45%, что можно объяснить преобразованием координационно-насыщенных комплексов Fe(Ш) в координационно ненасыщенные Fe(П). При С > > 8-10% ЗФЭГ < 40%. По-видимому, формирующиеся комплексы железа(П) с ГМФА также не подвергаются трансформации в ходе окисления, поскольку скорость реакции практически не меняется до [ФЭГ]тах ^ = Wmax = Wlim) (рис. 1а).

Уменьшение температуры до 80°С, как следует из данных, приведенных на рис. 3а, б, по-видимому, не приводит к существенным изменениям механизма катализа ^е(Ш)(асас)3 + ГМФА}. В развившейся реакции, как и при 120°С, w = wlim и также превосходит wlim без добавок лиганда. Увеличиваются периоды автоускорения на кинетических кривых накопления ФЭГ, АФ, МФК. Характер зависимости ЗФЭГ от С не меняется. Однако, как видно на рис. 36, при увеличении [ГМФА] от 5 х 10-3 до 5 х 10-2 наблюдается увеличение ^адт окисления этилбензола от = 42% до 5ФЭГДт =

= 55-57% (при w = wlim), что превышает З^^^

[ФЭГ] х 102, [Ф] х103, М

40

35

30

25

20

15

10

5

[АФ], [МФК] х 102, М 30

25 20 15 10 5

0 30

25

20

15

10

5

150 0

100

I, мин

Рис. 1. а) Кинетика накопления ФЭГ и Ф в реакции окисления этилбензола, катализируемой Ре(Ш)(асае)з, в отсутствии добавок L2 (♦, X) и в присутствии ГМФА (□ и □ ) и ДМФА (А, •). [Ре(Ш)(асас)3] = 5 х 10-3М, [ГМФА] = [ДМФА]= 5 х 10 М, 120° С.

б) Кинетика накопления АФ и МФК в реакции окисления этилбензола, катализируемой Ре(Ш)(асас)з, в отсутствии добавок L2 (♦, □) и в присутствии ГМФА (А, х). [Ре(Ш)(асас)3] = 5 х 10-3М, [ГМФА] = 5 х 10-2 М, 120°С.

в) Кинетика накопления МФК и АФ (□ и ♦) в реакции окисления этилбензола, катализируемой Ре(Ш)(асас)з, в присутствии добавок L2 = ДМФА. [Ре(Ш)(асас)3] = 5 х 10-3М, [ДМФА] = 5 х 10-2 М, 120°С.

при катализе {Ре(Ш)(асас)3 + ГМФА} при 120°С. При дальнейшем увеличении [ГМФА] 5ФЭГ, Цт снижается. Наблюдаются более высокие значения степени конверсии С ~ 12% при 5ФЭГ = 57-40% (рис. 36). [ФЭГ]тах возрастает от ~0.35 М (120°С) до ~0.45 М (80°С) (рис. 1а, 3а).

Катализ окисления этилбензола Ре(Ш)(асас)3 в присутствии ДМФА заметно отличается от действия Ре(Ш)(асас)3 при использовании ГМФА в качестве активирующего лиганда. Реакция окисления этилбензола, катализируемая {Ре(Ш)(асас)3 + + ДМФА}, после незначительного пери

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком