工艺与机理研究

为深入贯彻落实浙江省人民政府关于贯彻《计量发展规划（2021-2025年）》的实施意见，推动浙江汽车制造产业高质量发展，近日，浙江省计量院副院长林桢一行赴吉利汽车集团下属义乌吉利动力总成有限公司开展“大走访大调研大服务大解题，助企开门红”走访调研，并出席吉利汽车集团、浙江省计量院、中国计量大学三方合作共建的“计量检测技术研究中心”（以下简称“中心”）揭牌仪式。吉利汽车自创始以来，坚守实业，坚定不移地推动企业健康可持续发展，是国内汽车行业公认的标杆企业。调研期间，林桢一行参观了吉利动力计量检测中心，深入了解吉利汽车计量检测能力、计量检测专业资源合作和新能源转型方面计量测试需求。林桢对吉利汽车长期一贯重视计量基础性工作、专注提升汽车制造业整体计量检测能力给予高度评价。他表示，近年来省计量院持续以全方位服务产业为导向，与企业共谋质量基础设施各要素、全链条、全产业链整体解决方案。针对吉利汽车集团当前在推进产业质量基础提升、加快企业新能源转型、建设智能工厂过程中面临的产品研发制造关键参数计量测试、工艺与生产过程在线监测、产品性能在线检测等一系列问题，浙江省计量院将积极利用自身优势资源、专家团队和先进技术，聚焦汽车制造产业开展溯源链、产业链、产品生命周期和前瞻性产业计量测试服务，以建设现代先进测量体系为抓手，推动测量活动数字化、网络化、智能化升级，实现计量服务与汽车制造深度融合，确保“测得出、测得快、测得准、造得精”。随后，林桢一行出席中心揭牌仪式。吉利汽车集团、义乌吉利动力总成有限公司、中国计量大学机电学院和现代科技学院、义乌市市场监管局、义乌市科技局相关负责人，以及德国马尔、卡尔蔡司、克林贝格等国际知名仪器仪表制造商中国区代表参加仪式。该中心是基于省计量院与义乌吉利动力总成有限公司2022年签订的框架性战略合作协议，由产学研三方合作打造的涵盖知识与技术创新、技术服务与成果转化、人才培养与技能培训一体的综合平台。仪式期间，林桢代表省计量院致辞，并与中国计量大学、义乌市市场监管局、义乌市科技局相关负责人为中心揭牌。仪式现场，吉利汽车集团副总裁杨奎为省计量院陈宁、陈欢、缪建三名高级工程师颁发“测量咨询师”聘书。测量咨询师作为省计量院和吉利汽车的中枢纽带，将着力提升吉利汽车的测量管理能力和技术水平。中心的顺利揭牌，标志着浙江省计量院扎根服务汽车制造产业更上一个新台阶。此次与吉利汽车、中国计量大学合作建设该中心，是浙江省计量院强化计量显性作用发挥，推进检验检测与现代测量体系深度融合发展，服务产业转型升级的重要举措，旨在推进企业为主体、市场为导向、产学研相结合的计量技术创新与应用体系建设，推动吉利汽车为代表的浙江汽车制造产业高质量发展。

p 　　现代化学工业原料主要依赖于石油裂解产生的乙烯丙烯等低碳烯烃。我国作为一个石油进口国，石油进口依存的现实限制了石化产品的发展。以中科院大连化学物理研究所刘忠民院士，魏迎旭研究员的团队，在甲醇制烯烃的生成机理方面取得了新的进展。这一技术进步我国石化产业发展，实现“石油替代”战略，保证我国能源安全具有重大战略意义。这一团队又创造了新的功勋。 /p p 　　乙烯、丙烯等低碳烯烃是重要的基本化工原料，随着我国国民经济的发展，特别是现代化学工业的发展对低碳烯烃的需求日渐攀升，供需矛盾也日益突出。目前，乙烯、丙烯主要依赖于石化路线生产，但我国石油资源短缺，石油进口依存度逐年增加，在一定程度上限制了以石化路线生产乙烯和丙烯产品的发展。 /p p 　　甲醇制烯烃(Methanol to Olefins，MTO)是重要的C1化工新工艺，是指以煤合成的甲醇为原料，借助类似催化裂化装置的流化床反应形式，生产低碳烯烃的化工技术。由于我国特殊的能源结构特点——煤炭资源相对富裕，这种以煤炭资源为原料的，非石油路线制取低碳烯烃的技术表现出了很大的优势。 /p p 　　什么是DMTO? /p p 　　DMTO是中国科学院大连化学物理研究所的专利专有技术，MTO代表甲醇制烯烃技术，D代表二甲醚/大连/double的意思，最初的研究是基于二甲醚制烯烃，后来技术改进从甲醇开始，而从甲醇开始的过程也包含甲醇转化为二甲醚，二甲醚转化烯烃的过程，故引用double的意思 由于大连化物所地处大连，大部分人认为这个D也是大连的意思。 /p p style=" text-align: center " img title=" 01.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/93dc63c8-3fe4-45b0-9038-bd1079fd8afc.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong DMTO技术荣获2014年国家技术发明一等奖 /strong /p p 　　DMTO工业化技术解决了煤制烯烃的技术瓶颈，是连接煤化工和石油化工的桥梁，为煤化工行业和煤制烯烃产业提供了有力的技术支撑。DMTO工业化技术可缓解我国石油资源的不足，使低碳烯烃生产原料多元化。在当今国内石油资源短缺的背景下，该技术对于实现我国“石油替代”战略，保证我国的能源安全具有十分重大的战略意义。 /p p 　　DMTO技术目前的发展 /p p 　　DMTO工业化技术研发成功，对于减少我国石油进口、开辟我国烯烃产业新途径具有重要意义。同时，这也标志着我国甲醇加工能力将由万吨级装置一举跨越到百万吨级大型装置。DMTO成套技术的开发与应用，无论从经济上还是战略上对我国发展新型煤化工产业、实现“石油替代”的能源战略都具有极其重要的意义。2010年甲醇制烯烃国家工程实验室与合作单位研发的具有自主知识产权的DMTO技术成功应用于世界首套煤制烯烃工业项目、国家示范工程神华包头年产180万吨甲醇制取年产60万吨烯烃装置，技术指标达到国际领先水平。目前DMTO技术已实现技术实施许可1313万吨烯烃/年，已投产646万吨烯烃/年。 /p p style=" text-align: center " img title=" 02.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/f46d15fd-c2b3-41bd-a8ba-9e51c85c645f.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 2015年底第九套神华榆林年产180万吨甲醇制取年产60万吨烯烃DMTO装置投产 /strong /p p style=" text-align: center " img title=" 03.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/16d0361f-b74f-4b59-9bb3-28ce81cbe63e.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 至2015年底已经投产的九套DMTO装置 /strong /p p style=" text-align: center " img title=" 04.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/f0058c83-9e05-42ce-b6ad-11485cd9fd79.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 甲醇制烯烃国家工程实验室下属部分研究组 /strong /p p 　　DMTO机理研究再升级 /p p 　　甲醇制烯烃国家工程实验室一直坚持应用研究与基础研究并重，不但在MTO过程工业化方面取得巨大成功，而且长期致力于该化学过程中的基础科学问题研究。虽然MTO过程稳态反应阶段的间接机理已形成广泛的共识，但MTO反应中从C1物种甲醇或者二甲醚生成第一个C-C键的反应一直是C1化学中极具挑战性和争议性的课题。由于转化发生在反应的最初始阶段，难以捕获中间物种，一直以来所提出的反应机理缺乏直接证据。 /p p 　　最近，大连化学物理研究所刘中民院士、魏迎旭研究员团队在甲醇制烯烃初始C-C键生成机理方面取得新进展，相关研究成果以热点文章形式发表在《德国应用化学》(Angewandte ChemieInternational Edition)杂志上(doi: 10.1002/anie.201703902)，并被推荐为内封面文章。 /p p style=" text-align: center " img title=" 05.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/2fc60744-3054-46ac-8e25-b01bfc64fb6c.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 刘中民院士 /strong /p p style=" text-align: center " img title=" 06.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/bd29ddc7-114e-4d33-9913-0e12d736492a.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 魏迎旭研究员 /strong /p p style=" text-align: center " img title=" 07.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/151b78ee-4a38-4db9-a765-e6708247d5ab.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 研究成果论文文章 /strong /p p 　　本项工作中，研究人员通过在线监测最初始反应阶段，推测初始烯烃来源于催化剂表面C1吸附物种的直接转化 随后通过催化剂液氮淬冷和固体核磁表征，确定了催化剂上最初始反应阶段存在的表面C1吸附物种(甲醇和二甲醚)和C1活性物种(表面甲氧基和三甲基氧鎓离子) 进一步通过原位固体核磁研究，在真实甲醇转化反应条件下，成功捕捉到二甲醚C-H键活化后生成的类亚甲氧基(methyleneoxy analogue)物种，由此获取了C1物种活化生成第一个C-C键的直接证据 在此基础上提出了初始烯烃生成的反应路径—表面甲氧基/三甲基氧鎓离子协助甲醇/二甲醚活化转化的协同反应机理。 /p p style=" text-align: center " img title=" 08.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/9041f9be-cf2f-4f62-8d8b-748c8a90871e.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 反应机理示意图 /strong /p p 　　这是首次在MTO反应过程中原位观测到C1物种的初始活化和转化，这一发现将关联甲醇初始转化的直接机理和高效转化阶段的间接机理，建立甲醇转化反应完整的反应历程。此前在MTO反应稳定阶段烃池(Hydrocarbon Pool)机理的研究中，研究人员曾直接捕捉到最为重要的反应中间物种—苯基和环戊烯基碳正离子中间体，并确定了分子筛催化甲醇制烯烃的催化循环途径(J. Am. Chem. Soc. 2012，134(2)，836—839 Angew. Chem. Int. Ed. 2013，52(44)，11564-11568)。 /p p style=" text-align: center " img title=" 09.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/7439a642-45a7-4f32-88e1-0ba6fe8afebd.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 分子筛催化甲醇制烯烃的催化循环途径 /strong /p p 　　这些基础机理研究的工作，不但丰富了C1催化化学的基本理论，也对DMTO的工业应用具有重要的促进和支撑作用。 /p

研究简介科学期刊OPRD在2021年7月16日这一期（第7期，第25卷）刊登了来自大连理工大学的孟庆伟教授课题组利用康宁反应器进行苄基催化氧化的最新连续流工艺研究成果，并将其作为封面文章进行了特别报道。本文将详细介绍本研究成果。[1]苄基的直接氧化已广泛应用于药物和精细化学品的合成，很多市售药物分子结构中含有一个或多个被氧化的苄基位置（图1）。传统工艺上，苄基氧化反应需要引入金属催化剂，如 Co、Ru、Ni、Mn 和 Cu。难以避免的金属杂质残留限制了这些体系在药物中的应用。近几年研究者希望能够通过应用非金属催化剂实现苄基的氧化，分子氧被认为是一种理想的氧化剂。有研究者采用O2作为氧化剂建立了从苄基化合物中获得酮的绿色方法[2-7]。但反应时间长，从几十小时到几天不等，效率相对较低。微通道反应器持液量低、高效传热特性可以降低纯氧气与易燃溶剂相互作用时发生局部过热而失控的风险。特别是康宁微反应器独特的内部结构，允许反应物连续分散并充分混合，从而消除了气液反应中的传质限制。传质和温度会影响反应动力学，温度升高反应时间缩短。图2. 反应体系示意图孟教授课题组的苄基催化氧化连续流工艺，选用非金属催化，停留时间54s，获得了高达90.3%的收率，且催化剂和溶剂均可实现循环利用（分别获得了92.6%和94.5%的回收率），且该方法具有很好的底物普适性，为奥卡西平等药物的合成，提供了易于放大的工艺。 研究过程实验以1,2,3,4-四氢萘（1a）的氧化反应为模型反应。对苯基sp3 C - H键进行选择性氧化生成相应的酮类化合物。N-羟基邻苯二甲酰亚胺 (NHPI) 作为催化剂，亚硝酸叔丁酯 (TBN) 作为自由基引发剂。一、反应条件优化研究者选择O2作为氧化剂对溶剂、反应温度、停留时间和物料比等进行了优化实验。1、研究者对溶剂体系进行了考察（图3）通过实验得出最佳溶剂为MeCN和DMK的混合溶剂，该体系仅在54s内便获得最高的收率75.1%（条目7）。图3. 溶剂系统筛选2、接下来分别对反应温度、物料比和停留时间做了优化实验,实验结果见下图：图4. 在微通道反应器中进行的温度和物料比条件优化实验 底物1a的转化率与温度的升高呈正相关。然而在高温条件下，副产物2,3-二氢萘-1,4-二酮（3a）的产率增加。 最佳反应温度为100℃（2a收率80.4%；图4（1））。 TBN的数量和1a的转换之间存在近似线性关系见图4（2）.选择最佳1.5摩尔当量的TBN来优化反应选择性。 如图4（3）NHPI增加到0.75摩尔当量后继续增加对反应产率基本没有影响，故选择0.75摩尔当量NHPI。 此外，在间歇反应中NHPI的用量减少到0.2个当量时，反应收率仍可达到75.3%。同时，NHPI几乎可以完全回收而不被消耗。这些结果证明NHPI在反应中起到了催化剂的作用。 最佳的液体−气体流速比为1:20（图4条目1−3)。当液体流速（Vl）为1.0ml/min，氧气流速（Vg）为20ml/min，停留时间54s时收率最高。二、放大实验研究者应用康宁高通量微通道G1反应器进行了放大实验研究。实验显示连续运行28小时，产物2a的总收率为79.5%（1H-NMR），1小时可生产0.87g（图5）。图5：规模化连续流动苄基羰基化三、底物扩展实验结果最后，在优化条件下进行了底物扩展研究实验（图6）。由不同苄基化合物制备相应的各种酮，均获得了较高的收率。 图6. 苄基sp3 C的快速氧化−氢键得到相应的酮基 关于反应机理及催化剂的讨论为了进一步了解可能的反应机理，研究者进行了一系列平行反应（图7）。图8. 反应机理反应条件筛选和提出的自由基反应机理均表明NHPI不会在反应中被消耗。研究者在实验后收集NHPI，来验证其是否可用于回收（图10）。经过4个循环后，收率仍高于78%。本实验证实了NHPI作为自由基转运剂的作用，并进一步表明该工艺具有规模化商业回收的潜力，可有效降低成本。结果讨论 该研究描述了在 MeCN 和 DMK 的混合溶剂中，通过NHPI 和 TBN 催化苄型 sp3 C-H 键的选择性氧化生成相应的酮。反应时间仅为54s，远低于间歇工艺。 作为催化剂的NHPI可以回收利用。多次循环的收率变化在1%以内。 NHPI的回收率也在90%以上。 作者对连续流工艺进行了放大研究，结果显现，在相同的工艺条件下，该工艺可实现安全连续化生产。 通过拓展实验，作者从苄基亚甲基中获得了一系列有价值的酮，收率为 41.2%~90.3%。 利用康宁微反应器进行快速的开发，不但可以对反应机理进行研究，也便于拓展底物，建立化合物库。 康宁反应器无缝放大的技术优势使该工艺具有很大的商业化潜力，特别是对于氧气氧化这一类在釜式工艺中存在较多困难的反应。Reference：[1] Lei Yun, Jingnan Zhao, Xiaofei Tang, Cunfei Ma, Zongyi Yu, and QingWei Meng*. Selective Oxidation of Benzylic sp3 C–H Bonds using Molecular Oxygen in a Continuous-Flow Microreactor Org. Process Res. Dev. 2021, 7, 1612–1618.[2] Dobras, G. Kasperczyk, K. Jurczyk, S. Orlinska, B. NHydroxyphthalimide Supported on Silica Coated with Ionic Liquids Containing CoCl2 (SCILLs) as New Catalytic System for SolventFree Ethylbenzene Oxidation. Catalysts 2020, 10, 252−264.[3] Mukherjee, M. Dey, A. Electron Transfer Control of Reductase versus Monooxygenase: Catalytic C−H Bond Hydroxylation and Alkene Epoxidation by Molecular Oxygen. ACS Cent. Sci. 2019, 5,671−682.[4] Li, J. Bao, W. H. Tang, Z. C. Guo, B. D. Zhang, S. W. Liu, H. L. Huang, S. P. Zhang, Y. Rao, Y. J. Cercosporin-bioinspired selective photooxidation reactions under mild conditions. Green Chem. 2019, 21, 6073−6081.[5] Hwang, K. C. Sagadevan, A. Kundu, P. The sustainable room temperature conversion of p-xylene to terephthalic acid using ozone and UV irradiation. Green Chem. 2019, 21, 6082−6088.[6] Liu, K. J. Duan, Z. H. Zeng, X. L. Sun, M. Tang, Z. L. Jiang,S. Cao, Z. He, W. M. Clean Oxidation of (Hetero)benzylic Csp3−H Bonds with Molecular Oxygen. ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7,10293−10298.[7] Li, S. L. Zhu, B. Lee, R. Qiao, B. K. Jiang, Z. Y. Visible lightinduced selective aerobic oxidative transposition of vinyl halides using a tetrahalogenoferrate(iii) complex catalyst. Org. Chem. Front. 2018, 5, 380−385.