2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物的应用

背景及概述^[1][2]

2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物，缩写为TEMPO，是一种哌啶类的氮氧自由基。该产品为橘红色易升华结晶或液体，易溶于水、乙醇和苯等溶剂。其具有捕获自由基和猝灭单线态氧的功能，且是一种非常有效的氧化催化剂，能将伯醇氧化为醛、仲醇氧化为酮。具有产率高、选择性好、稳定性良好、可循环使用等优点，在化学、生物学、食品工业、农业等领域都有较为广泛的应用。2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物的用途包括高效阻聚剂、接触反应氧化剂、控制活性聚合等，在糖化学和核苷化学上主要用于将醇直接氧化成酸；铜/2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物用于1位醇生成醛的接触反应。

2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物

应用^[3]

2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物是一种常用催化剂。例如制备丙酮酸钠：

乳酸乙酯与乙酸乙酯溶液以体积比为1:4混合，然后加入乳酸乙酯质量2％的2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物催化剂；5℃滴加0.25倍乳酸乙酯质量的质量浓度为50％双氧水氧化，5℃保温1小时，升温至25℃，继续滴加0.35倍乳酸乙酯质量50％双氧水，25℃保温2小时，继续升温至35℃，滴加0.4倍乳酸乙酯质量50％双氧水，反应至乳酸乙酯剩余小于0.5％；减压浓缩乙酸乙酯，减压浓缩蒸出乙酸乙酯，得到浓缩溶液；将浓缩溶液降温到室温，加入10倍乳酸乙酯质量的去离子水，升温至60～65℃，保温6小时；料液降温至室温，加入3％碳酸钠中和料液，使得料液的pH值到达3～4，保温搅拌1小时，离心得到丙酮酸钠。滴加双氧水时温度变化不明显，氧化反应更平稳、安全；GC图谱检测计算转化率，收率为52％；黄色油状层为2％。

制备^[2]

目前关于2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物的制备方法主要分为两步：步，采用黄鸣龙反应，将2,2,6,6-四甲基哌啶酮(TAA)与水合肼缩合为腙，再经高温脱氮得到2,2,6,6-四甲基哌啶(TEMP)；第二步，将2,2,6,6-四甲基哌啶采用合适的氧化体系氧化成TEMPO。整个反应过程中比较关键的是第二步反应，目前报道的反应体系有很多种，但是现有的这些反应体系均存在一些不足之处，磷钨磷—过氧化氢体系产率太低，钨酸钠—过氧化氢—甲烷体系，反应时间长(24h)，还有用钨酸钠—过氧化氢—乙二胺四乙酸二钠盐体系氧化，成本较高。

针对上述反应体系存在的不足之处，卞惠芳报道了一种经济实用的反应体系：二价金属盐—过氧化氢体系，通过摸索反应条件，产率能达到80.17％，但是该反应中用到的催化剂不能重复利用，而且甲醇用量比较大，产生的三废多，无法工业化规模应用。近年来国家对环保问题非常重视，多次启动中央环境保护督察组进驻到全国各地督查企业的环保问题，特别是化工类生产企业，是环保督查的重点对象，现有技术中公开的(例如卞惠芳等研究人员)2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基合成方法，后期三废处理的成本太高，而且资源的浪费比较严重，因此肯定不适合工业化生产。但是2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基是一种重要的化工原料，市场需求量比较大，长期靠进口满足市场需求是非常不利于我国经济发展的。因此研发一种环保、高效、经济的2.2.6.6-四甲基哌啶氧化物制备方法意义重大。

具体方法：

(1)取适量2.2.6.6-四甲基哌啶，加入催化剂和甲醇混合均匀，2.2.6.6-四甲基哌啶与催化剂、甲醇的质量：质量：体积比为10:2:3；同时还要加入苄基三乙基氯化铵，加入量为2.2.6.6-四甲基哌啶质量的3％。2.2.6.6-四甲基哌啶由三丙酮胺与水合肼在氢氧化钾的条件下反应得到，将三丙酮胺加入反应釜，加入80％水合肼和氢氧化钾升温还原反应缩合为腙，然后再经高温脱氮得到2.2.6.6-四甲基哌啶。双氧水的体积分数为30％，必须在24小时之内滴加完，本实施例中滴加完需要22小时。

(2)将混合物加热至50℃，滴加入双氧水反应，双氧水的滴加量为2.2.6.6-四甲基哌啶的6倍，中控检测使2.2.6.6-四甲基哌啶含量≤0.3％；

(3)将反应结束后的溶液过滤，滤液用乙酸丙酯萃取，乙酸丙酯相进行蒸馏脱除乙酸丙酯，蒸馏温度不超过100℃，控制在95℃左右，然后冷却降温结晶，离心得到2.2.6.6-四甲基哌啶氧化物，为红色晶体。

主要参考资料

[1] 李丹杰, 祝嘉政, & 王建黎. (2014). 离子液体桥连的聚苯乙烯负载型2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物催化剂的稳定性. 工业催化, 22(8), 586-590.

[2] 丁彬, 叶应庆, 尹强, 崔俊杰, 王克, & 罗健辉等. (2009). 2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物自由基选择性氧化反应用于羟丙基化半乳甘露聚糖c-6位取代度的表征研究. 化学学报, 067(012), 1383-1388.

[3] 王怡博, 黄大富, 梁子颢, & 丁凯. (2020). 2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物催化的高选择性羟基氧化反应. 高等学校化学学报(10).