氧气氧化制备三甲基苯醌的异相钴催化剂设计制备及结构性能调控

TMBQ (trimethylbenzoquinone) is a key intermediate for the preparation of vitamin E. Inspired by the homogeneous Co(Salen)2 catalyst, we proposed the preparation and application of heterogeneous Co catalysts as many problems of source, energy and environment are presented in the process based on homogeneous Co(Salen)2 catalyst. Co catalysts supported on nitrogen hybrid carbon (CN) will be prepared and applied for the oxygenation of the trimethylphenol. And Co catalysts on the immobilized Salen ligands will be prepared and used for the oxidation. The Co catalysts will be investigated for the oxidation of TMP to TMBQ. Reaction conditions will be optimized for the oxygenation of the trimethylphenol, and the mechanisms of the oxidation reaction and the activation of O2 will be proposed, which are important for the oxidation phenols and for the oxidation with O2. Moreover, the application of the Co heterogeneous catalysts is essential to the separation of catalysts in the preparation of TMBQ, which can save sources and energy and reduce wastes to the environment.

三甲基苯醌（TMBQ）是维生素E生产的关键中间体。针对TMBQ生产中存在的资源、能源和环境问题，在均相席夫碱催化剂的启发下，项目提出氧气氧化制备TMBQ的异相钴催化剂设计、制备和结构与性能调控研究。项目将设计制备碳氮材料负载的钴催化剂和固载的钴席夫碱类催化剂，并研究该催化剂在催化氧气氧化制备TMBQ反应中的活性和选择性。项目将研究该反应的基本控制因素，研究溶剂，温度及压力等反应条件对该反应的影响规律。由此，建立氧气氧化制备TMBQ反应机理和氧气在该催化剂中的活化机理，探索钴催化剂的结构与性能调控规律，并获得该类催化剂的设计方案和制备方法。该异相钴催化剂催化的氧气氧化制备TMBQ反应研究对于苯酚的氧化和氧气分子的活化具有重要的科学意义。而且，项目获得的钴催化剂在TMBQ生产中具有重要的应用前景，将可促进TMBQ生产中催化剂的简单分离，降低维生素E生产中的能源、资源和环境问题。

项目设计制备了系列的碳氮材料和聚合物负载的钴催化剂，以及系列铜催化剂。应用扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM、光电子能谱XPS和粉末X光衍射XRD等光谱分析办法表征了这些催化剂的基础结构特征。测试了这些催化剂的BET比表面积和孔结构，等催化剂的表面结构特征。优化了催化剂的制备条件对于催化剂结构和性能的影响。应用这些钴和铜催化剂，用于氧气氧化三甲基苯酚合成三甲基苯醌反应。筛选了催化剂的影响，并优化了氧气氧化三甲基苯酚合成三甲基苯醌反应的基础反应条件。在此基础上，完成了氧气氧化三甲基苯酚合成三甲基苯醌反应工艺评估，形成了合理的三甲基苯醌反应工艺。项目取得了一系列研究成果，发表国内外论文10篇，申请专利3项。并与2家企业达成长期合作协议，共同研发三甲基苯醌的应用生产。项目发展了低压下氧气活化氧化工艺，并进一步论证了水溶液中三甲基苯醌生产的工艺可行性。