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，戴红旗，戴 路，李伟克

（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 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，戴红旗，戴 路，李伟克

（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）

该文采用DOE实验设计方案进行实验，通过Minitab数据分析软件找出影响合成反应的主要因子是反应温度和投料比；然后结合单因素法分析得到合成2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基（TEMPO）最适宜的工艺条件为：pH=7.5，双氧水滴加时间为2 h，催化剂用量为0.20 g，反应温度为70℃，H2O2和2，2，6，6-四甲基哌啶（TEMP）的投料比为2.5∶1。在此工艺条件下合成TEMPO的得率为94.15%，产品纯度为100%。

2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基；催化；合成

哌啶类氮氧自由基是20世纪60年代以来发现的一种新型的稳态自由基。由于它在理论及自旋标记法上的广泛应用而引起人们的关注，成为自由基化学的主要发展方向之一[1]。在众多的氮氧自由基中，2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基（TEMPO）是最简单且稳定的自由基，它对光热极其稳定，能够分解过氧化物、捕捉自由基并且具有顺磁性和选择氧化性，尤其是TEMPO-NaClO-NaBr组成的选择氧化性体系对糖类C6位伯羟基的氧化作用近年来获得了广泛研究。除此之外，它在医药、塑料工业、食品工业、农业化工、水处理及轻纺工业等领域都有着广泛的应用。因此，关于哌啶类氮氧自由基及其衍生物的制备和性质的基础研究日益受到人们重视。美国、日本、法国及俄罗斯等国科学家在这方面做了大量工作。

哌啶类氮氧自由基的合成一般都采用均相催化氧化工艺。用H2O2或叔丁基过氧化氢为氧化剂，以钨酸钠、金属羰基化合物和碳酸铵等作催化剂，氮氧自由基产率低于92%[2－6]，且催化剂不可以重复利用。1999年田禾等人提出用H2O2做氧化剂，以附载SnⅡ离子的离子交换树脂为催化剂制备立体受阻胺氮氧自由基的新方法[7]。

本论文采用了一种低廉、高效专一和环保的新型催化剂进行实验。

1 实验部分

1.1 试剂与设备

主要试剂有：30%H2O2（AR），2，2，6，6-四甲基哌啶（CP），甲醇（AR），正已烷（AR）和催化剂 Mg（OH）2/硅藻土（自制）。

实验设备有：电动搅拌器，恒温水浴锅，循环水式多用真空泵，电热恒温鼓风干燥箱，恒压滴液漏斗，红外分光光度计，气质联用色谱仪和电子自旋共振波谱仪。

1.2 实验方法

在三颈圆底烧瓶中加入催化剂、2，2，6，6-四甲基哌啶和甲醇，在一定恒温回流搅拌条件下，利用恒压滴液漏斗匀速滴完一定量的H2O2。滴加完毕后，继续反应4 h后终止反应。整个反应过程中反应液的颜色逐步加深，原为微淡黄色，随着反应的进行，由微淡黄色变成橙色，最终转变成橘红色。

反应结束后过滤催化剂，此催化剂可以重复利用。然后将反应装置改装成减压蒸馏装置，进行减压蒸馏，温度控制在50℃以下。减压蒸馏后将三颈圆底烧瓶中的产物收集，并用真空干燥器干燥4天。然后将这些产品置于稍低于室温（约10℃）的条件下，这些产品很快结晶为针状晶体。

在实验所得的粗产品中加入少量正己烷，温热使其溶解，然后自然冷却，当降至一定温度时，有大量针状晶体析出，倒出母液，取出晶体。为确保产品纯度，再重结晶数次，以得到高纯度产品待分析检测用。

1.3 产品得率计算

产品得率的计算公式如下：

式中：D为TEMPO的得率，%；M0为TEMP的摩尔质量（141 g/mol）；M 为 TEMPO 的摩尔质量（156 g/mol）；m0为称取的TEMP质量，g；m为纯化所得TEMPO的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 影响TEMPO得率的主要因子筛选

在合成反应中，反应液的pH对反应的产率及速率有一定的影响。经过前期的摸索实验，发现pH为7.5时反应得率最高。这可能是因为在强酸或强碱条件下，H2O2的分解速率过快，导致H2O2的消耗量增加，副反应增多，不利于反应的进行，并且哌啶类氮氧自由基在酸性溶液中将发生自衰变反应[8]1086-1089。而在弱碱性条件下，H2O2的分解速率恰好可以给合成反应提供相应量的氢氧自由基，从而使得氢氧自由基得以充分利用。因此，实验过程中将pH控制在7.5左右。

除了pH之外，影响TEMPO得率因子还有很多，例如本实验中所提及的4种因子：投料比[m（H2O2）∶m（TEMP）]、反应温度、H2O2滴加时间和催化剂用量等。本文采用DOE实验设计方案对影响TEMPO得率的因子进行2水平筛选实验，确定4个影响因子中对TEMPO得率影响最大的因子。实验方案详见表1和表2。

表1 因子标签及水平分布表

表2 实验方案设计表

按照实验设计所规定的实验条件和随机顺序完成16组实验后，将实验结果录入到表2的实验设计表中即可使用Minitab软件进行下一步的统计分析，以便确定影响TEMPO的主要因子。

通过使用Minitab统计分析软件对实验所得之数据绘制 Pareto图可以确定影响TEMPO得率的主要因子，从而为下一步确定研究对象。此外，参考基准线的位置随 Alpha值变化而改变，本实验所选定的 Alpha值为 0.01，代表Pareto图显示结果的可信度为99%。根据上述规则，由图1显示的图形信息可以发现，影响TEMPO得率最大的因子为投料比和反应温度。

图1 TEMPO得率的Pareto图

影响TEMPO得率最大的因子为投料比和反应温度的原因可能是：（1）此合成反应是个吸热反应，当体系温度太低时，未达到反应活化能，反应难以进行；另外，当体系温度过高时，H2O2分解速度快于合成反应所需的氢氧自由基，使氢氧自由基转化为氢氧根离子，相当于降低了H2O2有效用量；（2）根据反应机理可以发现，TEMP与H2O2是按一定比例进行反应的；因此，投料比直接影响产品的得率，与Minitab软件分析结果一致。

2.2 影响产品得率的主要因子的优化

由以上分析可知，反应温度和投料比是影响产品得率的主要因子，H2O2滴加时间和催化剂用量为次要因子。为了节省生产成本，以下实验将固定H2O2滴加时间为2 h；由于催化剂价格低廉，用量少，可重复利用，并且用量的增加对合成反应有适当的促进效应，因此催化剂用量固定为0.20 g，以下对反应温度和投料比进行单因素实验分析。

2.2.1 反应温度对得率的影响

取投料比 m（H2O2）∶m（TEMP）=4（过量），分别在 50、55、60、65、70、75 和 80 ℃条件下进行实验，结果见图2。

图2 反应温度对得率的影响

图2显示，当反应温度低于70℃时，随着反应温度的上升得率明显增大；而当温度继续上升时，得率反而有下降。原因可能是在吸热反应中，反应温度是有机反应中的一个重要指标，温度越高反应活性越大，更有利于反应的进行。但在升高温度的同时，副反应也有可能增加，H2O2的分解速度同时也在加快，不利于反应中H2O2的充分利用，导致目标产物得率降低，因此必须选择最有利于生成目标产物的反应温度。另外，温度过高H2O2受热分解速率加快， 70℃左右是H2O2分解速率的过渡温度，当温度超过70℃时，分解速率会明显提高，过量的氢氧自由基来不及与TEMP反应即转化成氢氧根离子，这样将会提高生产成本。

由以上分析可知，在反应过程中，反应温度的控制很重要，在滴加的过程中温度不应超过70℃。

2.2.2 投料比对得率的影响

取反应温度为70℃，在投料比分别为1、1.5、2、2.5、3、3.5和4进行单因素实验。考察了H2O2与TEMP配比对目标产物得率的影响，实验结果见图3。

图3 投料比对得率的影响

由图3可以看出，随着H2O2用量的增加，TEMP的转化率有所提高。这主要是由于随着H2O2用量的增加，TEMP与H2O2分子间的有效碰撞概率增加，从而使TEMP的转化率相应增加。另外，由于H2O2具有弱酸性，所以过量的H2O2会导致反应体系呈弱酸性。据文献报道，氮氧自由基类化合物在酸性条件下会发生自衰变反应[8]1086-1089。而当投料比达到2.5∶1时，转化率基本无明显增加，这是因为当投料比为达到2.5时，TEMP可以完全转化为目标产物。实验证明，H2O2与 2，2，6，6-四甲基哌啶的质量比为2.5∶1，此投料比最符合实际生产要求，且在此工艺条件下合成的产品得率高达94.15%。

2.3 产品结构鉴定

TEMPO是一种红棕色片状晶体。此产品熔点为36～40℃，易挥发，具有强烈的刺激性气味。

2.3.1 气质联用色谱分析

图4为TEMPO分子的GS谱图。

图4 TEMPO分子的GS谱图

由图4可知，此产品的GS谱图只有1个很强的吸收峰，从而可以推断出该产品的纯度为100%。

图5为TEMPO分子的质谱图。

图5 TEMPO分子的质谱图

由图5可知，该产品的相对分子质量为156，正好和TEMPO的相对分子质量是一致的，并且从质谱分析软件输出数据可以知道该产品分子式为C9H18NO，相对分子质量为156.14，匹配度为93。

2.3.2 红外光谱分析

图6为TEMPO产品的红外光谱图。

图6 TEMPO产品的红外光谱图

Ingold等对氮氧自由基的IR光谱作了深入研究，认为氮氧自由基的N—O的伸缩振动峰的位置、强度和自由基的结构有关，吸收频率可在较大的波数范围内变化，一般情况下N—O特征峰在1 340～1 370 cm-1之间[9]，由图6也可以发现该产品在1 348.08 cm-1处的吸收峰，从而进一步证明产品中存在氮氧自由基。

2.3.3 ESR分析

电子自旋共振或顺磁共振（ESR）技术是研究和鉴定自由基最常用和最方便的方法。哌啶类氮氧自由基的顺磁共振一次微分曲线都很相似，均呈现单峰。由图7可以明显发现该产品存在哌啶类氮氧自由。

图7 TEMPO产品ESR图

3 结论

影响合成反应的主要因子是反应温度和投料比，合成TEMPO最适宜的工艺条件为：pH为7.5，H2O2滴加时间为 2 h，催化剂 Mg（OH）2/硅藻土的用量为0.20 g，反应温度为70℃，H2O2和TEMP的投料比为2.5∶1。在此工艺条件下合成TEMPO的得率为94.15%。本实验制备了一种新型的催化剂——Mg（OH）2/硅藻土。该催化剂价格低廉、用量少、催化效率高、无污染，并且可以重复利用。通过GS检测，合成出来的产品纯度高达100%。

［1］ 张自义，魏陆林.稳定氮氧自由基TMPO和TMPRO的合成与应用［J］.有机化学，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，陈孔常，郭霖.立体受阻胺氮氧自由基的制备方法：CN，1235946A［P］.1999-11-24.

［8］ 刘有成，江致勤，张发.氮氧自由基的研究.氮氧自由基对维生素G氧化反应动力学ESR 研究［J］.化学学报，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-），硕士研究生；研究方向：造纸化学与工程。

戴红旗先生，教授；研究方向：造纸化学与工程；E-mail：daihq@vip.sina.com。

本文文献格式：袁洋春，戴红旗，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].造纸化学品，2011，23（3）∶24-28.