基于環(huán)己酮路線制備ε-己內(nèi)酯工藝研究進(jìn)展及工藝安全分析

王洪宇

(1.化學(xué)品安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

ε-己內(nèi)酯是一種綠色無(wú)毒且應(yīng)用廣泛的有機(jī)化學(xué)中間體,作為高性能聚合物合成單體,主要用于自聚合成聚己內(nèi)酯(PCL)及相關(guān)脂類共聚高分子聚合物[1]。PCL是一種可完全降解的高分子材料,具有良好的熱塑性、成型加工性、以及生物相容性和獨(dú)特的滲藥性,可制成多種用途的環(huán)保塑料,且在醫(yī)用材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。ε-己內(nèi)酯下游產(chǎn)品聚己內(nèi)酯多元醇可與二異氰酸酯反應(yīng)制備得到高性能材料聚氨酯,可用于合成汽車(chē)涂料、鞋底料以及膠黏劑、彈性體等。ε-己內(nèi)酯與丙交酯或乙交酯的共聚物可作為手術(shù)縫合線、可降解醫(yī)用繃帶及生物降解塑料袋等[3]。此外,ε-己內(nèi)酯可溶解樹(shù)脂,改善樹(shù)脂的透明度、增加光澤度、降低粘性等。

ε-己內(nèi)酯產(chǎn)業(yè)雖已歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展,但其生產(chǎn)工藝仍被少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷,我國(guó)ε-己內(nèi)酯絕大部分依賴進(jìn)口。近年,ε-己內(nèi)酯價(jià)格飛速增長(zhǎng),隨著國(guó)內(nèi)ε-己內(nèi)酯產(chǎn)業(yè)鏈的拓展,開(kāi)發(fā)我國(guó)自主的ε-己內(nèi)酯工業(yè)化工藝路線已迫在眉睫。

1 ε-己內(nèi)酯合成工藝路線簡(jiǎn)介

ε-己內(nèi)酯合成工藝分為環(huán)己酮路線和非環(huán)己酮路線[4]。其中環(huán)己酮路線根據(jù)氧化劑種類不同,可分為過(guò)氧酸氧化法、氧氣氧化法、雙氧水氧化法及生物氧化法等;非環(huán)己酮路線則由己二酸、己二醇出發(fā)經(jīng)6-羥基己酸分子內(nèi)縮合制得ε-己內(nèi)酯結(jié)構(gòu)。其中,環(huán)己酮氧化法利用Baeyer-Villiger(BV)氧化過(guò)程將環(huán)己酮氧化后重排獲得ε-己內(nèi)酯,工藝路線較成熟,也是目前工業(yè)上生產(chǎn)ε-己內(nèi)酯最有效的方法。

BV氧化過(guò)程是指將直鏈酮或環(huán)酮氧化成相應(yīng)的酯或內(nèi)酯的有機(jī)合成反應(yīng),即酮類在氧化劑的作用下,將氧原子插入至羰基與鄰近羥基之間,可獲得相應(yīng)的酯類,所提及的氧化劑通常為過(guò)氧酸和過(guò)氧化氫。Baeyer,等[5]在1899年首次選擇過(guò)硫酸鈉和濃硫酸為氧化劑將薄荷酮氧化成相應(yīng)的內(nèi)酯,該法合成的內(nèi)酯收率高且質(zhì)量好,從此BV氧化反應(yīng)被應(yīng)用于有機(jī)合成領(lǐng)域,主要用于有機(jī)中間體和高分子材料單體的合成。該過(guò)程可用于酯類化合物的合成,具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]:①過(guò)氧化物僅氧化酮羰基,其它不飽合鍵不受影響(如C=C雙鍵);②通過(guò)可遷移基團(tuán)的手性與遷移性有效定向合成產(chǎn)物;③多種氧化劑(如過(guò)氧酸、H2O2、O2及烷基過(guò)氧化物)和酸性催化劑均可用于該反應(yīng);④適用于多種含碳化合物的氧化反應(yīng),如環(huán)酮氧化成內(nèi)酯、醛氧化成羧酸和二酮氧化成酸酐等。

2 基于環(huán)己酮路線的ε-己內(nèi)酯制備方法

2.1 過(guò)氧酸氧化法

以環(huán)己酮為原料生產(chǎn)ε-己內(nèi)酯工藝路線中,過(guò)氧酸氧化法是最為經(jīng)濟(jì)的方法,所采用的脫水劑和溶劑均能循環(huán)使用,綠色無(wú)污染且成本低,在一定程度上也降低了安全隱患。

新興鑄管股份有限公司（1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24）

2.1.2 過(guò)氧酸直接氧化環(huán)己酮制備ε-己內(nèi)酯

過(guò)氧酸氧化法是經(jīng)BV氧化反應(yīng)將環(huán)己酮氧化成ε-己內(nèi)酯的方法,其反應(yīng)機(jī)理是由Griegee提出的,反應(yīng)過(guò)程中過(guò)氧酸為氧化劑[7],如圖1所示。

圖1 過(guò)氧酸氧化環(huán)己酮制己內(nèi)酯反應(yīng)機(jī)理

反應(yīng)具體包括4步:①過(guò)氧酸攻擊環(huán)己酮羰基中的碳原子進(jìn)行親核加成得到四面體中間體;②中間體中的過(guò)氧鍵發(fā)生斷裂,并脫去一分子過(guò)氧酸對(duì)應(yīng)的羧酸,形成氧正離子中間體;③發(fā)生重排得到相應(yīng)的碳正離子中間體;④氫離子離去,得到ε-己內(nèi)酯。重排反應(yīng)是速控步驟,基團(tuán)遷移的難易程度是反應(yīng)的關(guān)鍵。通常認(rèn)為穩(wěn)定正電荷能力越強(qiáng)的基團(tuán)越先遷移。除電子效應(yīng)外,中間體構(gòu)象的穩(wěn)定性及空間效應(yīng)都會(huì)影響基團(tuán)的遷移能力。

2.1.1 反應(yīng)機(jī)理

過(guò)氧酸氧化環(huán)己酮合成ε-己內(nèi)酯工藝中常用的過(guò)氧酸種類有短鏈脂肪族過(guò)氧酸、芳香族過(guò)氧酸以及三氟過(guò)氧乙酸等。其中,三氟過(guò)氧乙酸在BV氧化反應(yīng)中副產(chǎn)三氟乙酸,易導(dǎo)致ε-己內(nèi)酯發(fā)生開(kāi)環(huán)聚合,大規(guī)模使用時(shí)成本較高,不適于工業(yè)化應(yīng)用。芳香族過(guò)氧酸可在較低的溫度下高產(chǎn)率合成ε-己內(nèi)酯,但該工藝后續(xù)分離過(guò)程繁瑣,目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。Kaneda,等[8]以過(guò)氧苯甲酸為氧化劑、水滑石為催化劑,1,2-二氯乙烷為溶劑進(jìn)行多種酮類的氧化反應(yīng)。催化劑制備過(guò)程中,通過(guò)改變類水鎂石層中陰陽(yáng)離子種類來(lái)調(diào)控水滑石的堿度與層間距。優(yōu)化后的催化工藝酯收率在75%～99%。

采用短鏈脂肪族過(guò)氧酸作為氧化劑,成本低,過(guò)程易控,低溫下不易分解,環(huán)己酮可完全轉(zhuǎn)化,粗己內(nèi)酯后續(xù)可經(jīng)精餾塔分離,適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。其中,短鏈脂肪族過(guò)氧酸中過(guò)氧乙酸和過(guò)氧丙酸易合成且沸點(diǎn)低,較易分離,常用于ε-己內(nèi)酯合成。19世紀(jì)60年代,美國(guó)聯(lián)碳公司采用過(guò)氧乙酸為氧化劑,環(huán)己酮為原料,丙酮或乙酸乙酯為溶液,合成ε-己內(nèi)酯,收率高達(dá)90%,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)[9]。日本大賽璐集團(tuán)是亞洲最大的ε-己內(nèi)酯生產(chǎn)企業(yè),產(chǎn)能約5×104t/a,其采用流動(dòng)式反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)式ε-己內(nèi)酯合成,設(shè)計(jì)的三塔分離工藝,如圖2所示。通過(guò)壓力與溫度的合理匹配,在第一塔塔頂脫除溶劑輕組分,并在第三塔塔頂高真空度下得到ε-己內(nèi)酯。該工藝生產(chǎn)效率高,拓寬了過(guò)氧酸的應(yīng)用濃度范圍。利用先進(jìn)的精餾提純技術(shù),獲得高品質(zhì)的ε-己內(nèi)酯產(chǎn)品。該亞洲企業(yè)是我國(guó)主要的ε-己內(nèi)酯供應(yīng)來(lái)源。

圖2 日本大賽璐集團(tuán)制ε-己內(nèi)酯工藝流程[10]

此外,較多文獻(xiàn)也報(bào)道以硼酸為催化劑,有機(jī)酸先經(jīng)雙氧水氧化合成過(guò)氧酸,再氧化環(huán)己酮制備ε-己內(nèi)酯過(guò)程。硼酸作為弱酸,催化制備得到的過(guò)氧酸無(wú)需將催化劑分離,帶至下游ε-己內(nèi)酯制備過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物較少,降低了生產(chǎn)成本。周小文,等[11]發(fā)明了一種連續(xù)制備ε-己內(nèi)酯的方法,在反應(yīng)精餾塔中進(jìn)行負(fù)壓操作,硼酸催化過(guò)氧酸合成,塔頂餾出有機(jī)相與水相,塔釜得到含有過(guò)氧酸、有機(jī)酸、有機(jī)溶劑和硼酸的過(guò)氧酸溶液,將上述溶液與環(huán)己酮混合后加入至攪拌釜中,逐級(jí)溢出,最終得到ε-己內(nèi)酯溶液。稻葉悠紀(jì)夫,等[12]也將有機(jī)酸和過(guò)氧化氫在硼酸催化下反應(yīng)首先得到“過(guò)氧酸粗溶液”,隨后進(jìn)入ε-己內(nèi)酯制備單元加以利用,對(duì)于上述間歇工藝,物料的加入與放出、升溫與降溫都需要占用生產(chǎn)時(shí)間,嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率。而且,ε-己內(nèi)酯在強(qiáng)酸與水存在的溶液中極不穩(wěn)定,易發(fā)生水解開(kāi)環(huán),故所合成的過(guò)氧酸必須無(wú)水,而此工藝需使用高濃度雙氧水,國(guó)外一般采用70%～90%的雙氧水制備過(guò)氧酸,這無(wú)疑增加了燃爆風(fēng)險(xiǎn),從而增加了產(chǎn)品分離和有機(jī)物回收再利用的生產(chǎn)成本,因此該工藝仍需進(jìn)一步研究改進(jìn)。

2.1.3 酸酐間接氧化環(huán)己酮制備ε-己內(nèi)酯

與過(guò)氧酸路線相似,實(shí)驗(yàn)室研究中也常采用酸酐與雙氧水反應(yīng)合成目標(biāo)過(guò)氧酸用于制備ε-己內(nèi)酯。丁頌東,等[13]采用30%雙氧水在冰水浴中與乙酸酐反應(yīng),無(wú)需催化劑,控制反應(yīng)溫度低于20 ℃合成過(guò)氧乙酸,向上述反應(yīng)液中滴加環(huán)己酮,后經(jīng)氯仿萃取、減壓蒸餾獲得產(chǎn)率37%的ε-己內(nèi)酯。南愛(ài)斌[14]在低溫條件下采用過(guò)氧化氫氧化醋酸酐合成過(guò)氧乙酸,利用含水的過(guò)氧酸物料氧化環(huán)己酮合成ε-己內(nèi)酯,過(guò)氧酸中間物無(wú)需除水,從而提高了工藝安全性,該工藝對(duì)原料配比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、催化劑用量等因素進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率為92%,ε-己內(nèi)酯收率達(dá)80%。胡萬(wàn)鵬,等[15]利用微反應(yīng)器強(qiáng)化醋酸酐與過(guò)氧化氫混合,反應(yīng)溫度為10～70 ℃,停留時(shí)間為2～10 min,合成出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～30%的過(guò)氧乙酸,該法生成的高濃度過(guò)氧酸不含水,可以穩(wěn)定暫存和使用。通常,醋酐路線反應(yīng)放熱劇烈,且反應(yīng)過(guò)程中可能生成危險(xiǎn)的二酰基過(guò)氧化物,導(dǎo)致反應(yīng)失控,故從安全角度考量,該法不如過(guò)氧酸路線穩(wěn)定安全。

“提高果品質(zhì)量，打造過(guò)硬品牌，是促進(jìn)林果產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，也是幫助果農(nóng)增產(chǎn)增收、實(shí)現(xiàn)共同富裕的重要保障。”商黎英表示，本次大賽為廣大果農(nóng)搭建了一個(gè)相互了解、相互交流、相互學(xué)習(xí)的平臺(tái)，希望廣大果農(nóng)能以此為契機(jī)，牢固樹(shù)立科技興農(nóng)、品牌興農(nóng)的意識(shí)，提高果品質(zhì)量、打造過(guò)硬品牌，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、品質(zhì)化管理、品牌化運(yùn)作，依靠科技創(chuàng)新提質(zhì)增效，瞄準(zhǔn)市場(chǎng)需求做精做強(qiáng)，努力打造全國(guó)知名的威縣特色農(nóng)產(chǎn)品品牌。

綜上所述,過(guò)氧酸作為氧化劑氧化效果較優(yōu),但過(guò)氧鍵長(zhǎng)而弱,穩(wěn)定性較差,遇熱及金屬雜質(zhì)易分解,不適合長(zhǎng)期貯存;過(guò)氧酸在制備、運(yùn)輸及使用過(guò)程中均存在較大的安全隱患,極大限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,需進(jìn)一步通過(guò)反應(yīng)強(qiáng)化與過(guò)程強(qiáng)化等手段完善過(guò)氧酸制備過(guò)程,開(kāi)發(fā)高效的無(wú)水過(guò)氧酸安全制備技術(shù)是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

2013年,江蘇飛翔化工股份有限公司與中山大學(xué)開(kāi)發(fā)了分子氧氧化路徑新方法[37]:以Mg、Sn卟啉化合物為主催化劑,以分子篩或Fe、Mn、Co等金屬氧化物為助催化劑,苯甲醛為犧牲劑,采用氧氣氧化環(huán)己酮合成ε-己內(nèi)酯,金屬卟啉類催化劑可活化氧分子,且自身亦可形成高價(jià)活性物,具有強(qiáng)氧化性能,分子篩等助催化劑可增強(qiáng)酮羰基碳原子的正電性,促進(jìn)分子氧與羰基氧發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),有利于ε-己內(nèi)酯合成,該過(guò)程極大降低犧牲劑苯甲醛用量,同時(shí)也縮短了反應(yīng)時(shí)間。

2.2 雙氧水氧化法

雙氧水作為清潔類的氧化劑,理論上其氧化環(huán)己酮制備ε-己內(nèi)酯副產(chǎn)物僅有水,無(wú)污染且后處理簡(jiǎn)單,是一條綠色的化工工藝路線,受到人們的持續(xù)研究與關(guān)注。濃度較低的雙氧水由于氧化能力較弱,需合理引入酸性催化劑以提高催化活性,酸性催化劑主要包括Sn基金屬氧化物、Sn摻雜分子篩和其它金屬氧化物等,酸性催化劑的引入開(kāi)拓了BV氧化反應(yīng)的工業(yè)化應(yīng)用前景。

2.2.3 其它催化劑

2.2.1 Sn基催化劑

Sn基金屬氧化物在環(huán)己酮體系的BV氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的催化性能,學(xué)者針對(duì)制備方法、催化劑結(jié)構(gòu)及活性物種等問(wèn)題開(kāi)展研究。李竑樾,等[16]采用共沉淀法制備負(fù)載型催化劑Mg-Sn/TS-1用于ε-己內(nèi)酯合成。以雙氧水為氧源,確定了最優(yōu)的雙金屬氧化物摩爾比及負(fù)載量,活性組分可均勻負(fù)載于TS-1表面,此時(shí)環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率可達(dá)91.3%,ε-己內(nèi)酯選擇性為95.5%。王媛媛,等[17]將共沉淀法與水熱合成法相結(jié)合合成Mg-Sn雙金屬氧化物催化劑。以十六烷基三甲基氯化銨為模板劑所合成的催化劑結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,顆粒分散度較高,催化效果最佳:環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率達(dá)89.6%,ε-己內(nèi)酯選擇性為92.3%。

2.2.2 Sn摻雜分子篩

2015年?yáng)|京警視廳的數(shù)據(jù)顯示，一年中有1.3998萬(wàn)人借錢(qián)，借出去的金額為688.7346萬(wàn)日元（約40萬(wàn)元人民幣），歸還率是78.6%，這一數(shù)據(jù)比2009年的64.3%有了很大進(jìn)步。但是，也可以看出，超過(guò)20%的人，還是借錢(qián)沒(méi)還。

Sn摻雜分子篩具有Lewis酸性位,在BV氧化反應(yīng)中應(yīng)用廣泛。Corma,等[18]通過(guò)水熱合成法制備了不同Sn含量的Sn-MCM-41介孔分子篩催化劑,并以35% H2O2為氧源,甲基叔丁基醚為溶劑,56 ℃下催化氧化環(huán)己酮合成ε-己內(nèi)酯。隨著分子篩中Sn含量的增加,環(huán)己酮的轉(zhuǎn)化率逐漸升高,同時(shí)ε-己內(nèi)酯選擇性維持在95%。當(dāng)碳碳雙鍵存在時(shí),該催化劑選擇活化酮羰基,增強(qiáng)羰基碳原子的正電性,從而促進(jìn)H2O2對(duì)其親核攻擊。Snβ分子篩是應(yīng)用于H2O2氧化酮類的BV氧化反應(yīng)中最有效的非均相催化劑之一。由于呈現(xiàn)Lewis酸性的活性位點(diǎn)SnIV作用并活化底物的羰基,致使該反應(yīng)選擇性較高。Conrad,等[19]報(bào)道了Snβ催化H2O2氧化環(huán)己酮的BV氧化反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)吸附的影響,通過(guò)改變分子篩結(jié)構(gòu)中的硅醇含量,制備一系列Snβ分子篩,結(jié)合紅外及水吸附量量化催化劑的親水性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)后處理脫鋁方式制備的Snβ催化劑具有適宜的親水性,導(dǎo)致催化劑具有較高的催化活性。Yang,等[20]制備的含Sn介孔硅球在H2O2氧化金剛烷酮的BV氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出高活性,這得益于四面體Sn物種在介孔通道中高度分散,最優(yōu)條件下金剛烷酮轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%,所制硅球強(qiáng)度高,催化反應(yīng)5次后形貌保持完整,經(jīng)簡(jiǎn)單過(guò)濾即可分離,此材料也可向ε-環(huán)己酮氧化方向拓展應(yīng)用。

邊界層采用YSU方案,陸面過(guò)程及長(zhǎng)、短波輻射方案分別為:5層熱力輻散方案、RRTM方案和Dudhia方案。36 km和12 km均采用Lin微物理方案和Kain-Fritsch積云對(duì)流參數(shù)化方案。

除Sn作為活性金屬外,其它金屬氧化物、腈類體系也表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。朱倩倩,等[21]以Mg(NO3)2·6H2O為前驅(qū)體,采用沉淀法制備得到MgO催化劑。MgO顆粒尺寸隨著焙燒溫度升高從9.53 nm增至29.49 nm。600 ℃下焙燒2 h制得的催化劑氧化性能最佳:70 ℃反應(yīng)6 h獲得環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率達(dá)95.2%,ε-己內(nèi)酯收率為83.1%。采用原位紅外光譜驗(yàn)證了環(huán)己酮氧化過(guò)程為過(guò)氧縮酰胺反應(yīng)路徑。Ghosh,等[22]以十六烷基三甲基溴化銨為陽(yáng)離子,表面活性劑經(jīng)水熱路徑合成Ag/WO3納米棒,TEM表明材料為類棒狀結(jié)狀,Ag顆粒尺寸為2～7 nm,負(fù)載于單斜向WO3載體表面,在H2O2氧化環(huán)己酮反應(yīng)中,80 ℃下環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率為97%,ε-己內(nèi)酯選擇性為99%,為活性能夠保持需重復(fù)使用5次,該催化劑也可應(yīng)用于其它酮類氧化反應(yīng)。Li,等[23]以SBA-15與CNK-3為模板劑,制備得到高度有序二維六邊形結(jié)構(gòu)的介孔MgO,通過(guò)控制水熱溫度調(diào)節(jié)介孔尺寸,大孔MgO具有更多的堿性位點(diǎn),以苯甲腈和1,4-二氧六環(huán)為溶劑,70 ℃下反應(yīng)8 h,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率為90.5%,ε-己內(nèi)酯選擇性為100%,較大的介孔孔徑更有利于反應(yīng)物擴(kuò)散至活性位,適宜的堿度促進(jìn)了氫過(guò)氧化物及碳化物中間體的形成,從而提高了催化性能。

殼聚糖是一種具有獨(dú)特功能特性的天然陽(yáng)離子聚合物，是由自然界中廣泛存在的甲殼素經(jīng)過(guò)脫乙酰作用得到的，主要由D-氨基葡萄糖通過(guò)β-1,4-糖苷鍵連接而成。大量研究表明殼聚糖在食品、化工、醫(yī)藥及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但由于殼聚糖的分子量較大，只能溶于某些酸性溶液中，阻礙了殼聚糖的有效利用。殼寡糖又名殼聚寡糖，是殼聚糖經(jīng)殼聚糖酶降解后的產(chǎn)物，具有分子量低，溶解性高，更容易被生物體吸收等特點(diǎn)，殼聚糖某些特殊功能只有將其降解成殼寡糖才能表現(xiàn)出來(lái)。

綜上所述,在工業(yè)化生產(chǎn)中,低濃度雙氧水作為氧化劑存在以下的缺點(diǎn):①濃度低氧化能力相對(duì)較弱,必須配合引入催化劑活化底物才能氧化酮類化合物;②原料水與生成水,會(huì)導(dǎo)致內(nèi)酯發(fā)生開(kāi)環(huán)水解,生成6-羥基己酸或己二酸,這將進(jìn)一步引發(fā)己內(nèi)酯發(fā)生聚合;③氧化反應(yīng)的溫度過(guò)高,或催化劑帶入雜質(zhì),則H2O2會(huì)快速分解產(chǎn)生大量自由基和氧氣,增加了燃爆分險(xiǎn)也降低了H2O2的有效利用率。所以,氧化反應(yīng)過(guò)程需保持原料及裝置無(wú)金屬雜質(zhì),合理匹配系統(tǒng)壓力,控制雙氧水濃度,使反應(yīng)安全平穩(wěn)順利進(jìn)行。

2.3 氧氣氧化法

氧分子是一種安全性高、價(jià)格低廉且對(duì)環(huán)境污染小的綠色氧化劑。因氧分子的氧化能力較弱,且O-O鍵較穩(wěn)定,很難將其活化。故將其應(yīng)用于BV氧化反應(yīng)中需以醛類作為共氧化劑促進(jìn)酮類轉(zhuǎn)化為酯。醛類首先被氧氣氧化成相應(yīng)的過(guò)氧酸,過(guò)氧酸作為強(qiáng)氧化劑將酮類選擇性氧化成相應(yīng)的酯或內(nèi)酯。

(4)臺(tái)階爆破的最大一段起爆藥量，除有特殊要求外應(yīng)不大于300kg；鄰近設(shè)計(jì)建基面和設(shè)計(jì)邊坡的臺(tái)階爆破以及緩沖孔爆破的最大一段起爆藥量，應(yīng)不大于100kg。

2.3.1 Sn基金屬氧化物

糖尿病對(duì)患者的身體以及心理的影響是十分巨大的[1]。本次研究為了分析研究在老年糖尿病患者中，實(shí)施心理護(hù)理干預(yù)對(duì)患者的焦慮抑郁情緒的影響，特選取我院80例患者進(jìn)行研究，報(bào)道如下。

以金屬氧化物為催化劑,學(xué)者們開(kāi)展了廣泛研究。Ma,等[24]制備了混合金屬氧化物催化劑Fe-Sn-O應(yīng)用于氧氣、苯甲醛體系,催化環(huán)己酮BV氧化過(guò)程制備ε-己內(nèi)酯,Fe-Sn-O催化劑具有四角形谷物狀結(jié)構(gòu),顆粒尺寸為29.3 nm,小試放大后,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率仍高達(dá)96.7%,ε-己內(nèi)酯收率為96.5%,催化劑循環(huán)使用5次后活性無(wú)明顯下降。Liu,等[25]通過(guò)蒸氣自組裝方法制備了Sn物種摻雜含量更高的介孔Sn-TiO2催化劑,應(yīng)用于分子氧氧化環(huán)己酮的BV氧化反應(yīng)。有序介孔的銳鈦礦TiO2經(jīng)乙二胺處理后具有更好的熱穩(wěn)定性,這是由于乙二胺將TiO2覆蓋,抑制其生長(zhǎng),這有利于更多的Sn物種進(jìn)入TiO2骨架,多種表征表明:乙二胺預(yù)處理后,更多四面體形態(tài)的Sn物種與TiO2結(jié)合,導(dǎo)致催化劑具有更多的Lewis酸量。Liu,等[26]以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為分散劑利用溶膠凝膠法制備了Sn-Ti微球,考察其在環(huán)己酮BV氧化反應(yīng)中的催化性能,PVP作為穩(wěn)定劑與分散劑能夠調(diào)節(jié)鈦、錫前驅(qū)體在乙醇中的水解速率,抑制聚合反應(yīng)發(fā)生,十六烷基胺作為沉淀加速劑和形貌控制劑通過(guò)增強(qiáng)氫鍵的相互作用力促進(jìn)球體形成,催化劑MTS-12表現(xiàn)出最優(yōu)的催化活性:在O2、苯甲醛體系中,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率為97.8%,ε-己內(nèi)酯選擇性為98.2%。該催化劑擁有更多的活性位點(diǎn)與更短的擴(kuò)散孔道,此設(shè)計(jì)可為工業(yè)化催化劑構(gòu)筑提供理論參考。

2.3.2 介孔材料負(fù)載型催化劑

在介孔材料改性方面,Kawabata,等[27]采用水熱合成法與模板離子交換法制備了Fe基介孔硅MCM-41催化劑,鐵含量可高至1.8%。通過(guò)XPS、M?ssbauer、XAFS等多種表征手段證實(shí):水熱合成的Fe-MCM-41-DHT催化劑中的Fe物種以四面體形式配位,而離子交換法制備的Fe物種以八面體配位形式為主。前者表現(xiàn)出更優(yōu)異的催化性能:在O2、苯甲醛體系中,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率達(dá)85%,產(chǎn)率達(dá)77%。Kaneda,等[28,29]研究發(fā)現(xiàn)四氯化碳的引入在40 ℃下會(huì)促進(jìn)氧氣氧化酮類得到高產(chǎn)率的酯和內(nèi)酯。此外,苯甲酰氯的加入可在進(jìn)一步提高反應(yīng)效率的同時(shí),將反應(yīng)溫度降至20 ℃,反應(yīng)5 h,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率為100%,ε-己內(nèi)酯產(chǎn)率為82%～90%。苯甲酰氯可以促進(jìn)苯甲醛氧化生成過(guò)氧苯甲酸,其在反應(yīng)過(guò)程中可完全轉(zhuǎn)化為苯甲酸,不會(huì)造成分離困難。針對(duì)此研究,他們制備了一系列多金屬水滑石,包括Mg、Al、Fe和Cu元素等,以1,2-二氯乙烷為溶劑,經(jīng)Fe、Cu置換得到催化劑Mg-Al-Fe和Cu-CO3水滑石在催化氧化環(huán)酮到相應(yīng)內(nèi)酯反應(yīng)中表現(xiàn)優(yōu)異,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率為92%,ε-己內(nèi)酯產(chǎn)率為83%。Zheng,等[30]通過(guò)兩步直接水熱合成法制備出Cu修飾Fe3O4負(fù)載型介孔硅球磁性催化劑Cu-Fe3O4@mSiO2,如圖3所示。

圖3 Cu-Fe3O4@mSiO2催化環(huán)己酮反應(yīng)路徑[29]

在空氣、苯甲醛體系中,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率大于99%,ε-己內(nèi)酯選擇性為99%,以混合酮為反應(yīng)物,該催化劑對(duì)小分子酮類的催化轉(zhuǎn)化效果更佳,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率為80%,這得益于催化劑孔道的擇形作用,且介孔空間提高了傳質(zhì)效率。同時(shí),Fe-Cu復(fù)合氧化物活性位的形成活化酮羰基。Zang,等[31]通過(guò)直接水熱合成法制備不同Cu負(fù)載量的Cu-MCM-41負(fù)載型催化劑,以苯甲醛為犧牲劑,反應(yīng)3 h,環(huán)己酮轉(zhuǎn)化率最高達(dá)99%,相應(yīng)的ε-己內(nèi)酯選擇性達(dá)100%,催化劑重復(fù)利用3次無(wú)明顯失活現(xiàn)象。表征結(jié)果表明,進(jìn)入分子篩骨架中獨(dú)立的Cu2+物種是催化活性位,二級(jí)孔有利于反應(yīng)物與產(chǎn)物的擴(kuò)散,催化活性高,且苯甲醛作為犧牲劑用量少,使該體系在經(jīng)濟(jì)與環(huán)境友好性上考量?jī)?yōu)勢(shì)顯著。

綜上所述,以分子氧為氧化劑進(jìn)行BV氧化過(guò)程合成ε-己內(nèi)酯工藝條件溫和,操作安全性高,選擇性高,具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。但以醛類作為犧牲劑,反應(yīng)后副產(chǎn)有機(jī)羧酸,且羧酸沸點(diǎn)較高,接近己內(nèi)酯,為后期精餾分離和提純帶來(lái)困難。此外,從經(jīng)濟(jì)角度考量,醛類作為犧牲劑額外增加了生產(chǎn)成本。針對(duì)特定反應(yīng)進(jìn)行高效催化劑開(kāi)發(fā),從根本上提高反應(yīng)進(jìn)程是該工藝路線研發(fā)的關(guān)鍵。

2.4 生物氧化法

自然界中的鮑曼不動(dòng)桿菌、節(jié)桿菌、諾卡氏菌等細(xì)菌存在于多種生物體內(nèi),其含有可完成BV氧化反應(yīng)過(guò)程的生物轉(zhuǎn)化酶[32]。它們可以利用空氣氧作為氧化劑直接氧化酮類化合物獲得酯或內(nèi)酯,其中一個(gè)氧原子進(jìn)入酯類分子,另一原子氧生成水脫除,此類酶被稱為BV單氧化酶。能夠催化氧化環(huán)己酮生成己內(nèi)酯的酶稱為環(huán)己酮單氧化酶,其由還原酶(NADPH)和氧化酶(黃素腺嘌呤二核苷酸)兩部分組成[33]。催化氧化機(jī)理[34]如圖4所示。

圖4 單氧化酶催化氧化反應(yīng)機(jī)理[34]

還原酶NADPH首先與氧化酶黃素腺嘌吟二核苷酸反應(yīng),將氧化酶還原;還原后的黃素腺嘌呤二核苷酸與氧氣接觸形成過(guò)氧化物中間體;此過(guò)氧化物氧化環(huán)己酮經(jīng)BV氧化反應(yīng)重排后得到己內(nèi)酯,羥基黃素脫水后重新回至初始還原酶NADPH狀態(tài)。Li,等[35]開(kāi)展類似研究,利用可見(jiàn)光催化環(huán)己烷發(fā)生連串反應(yīng)直接生成ε-己內(nèi)酯:①環(huán)己烷在Au-TiO2或g-C3N4上發(fā)生光催化反應(yīng),以O(shè)2為氧源,生成環(huán)己酮與水,考察了反應(yīng)時(shí)間、光強(qiáng)度、反應(yīng)物濃度對(duì)環(huán)己酮含量的影響,確定最佳工藝條件;②在生物催化階段,環(huán)己酮在環(huán)己酮單氧化酶與還原酶NADPH作用下生成己內(nèi)酯,最高轉(zhuǎn)化率達(dá)41%,最優(yōu)光強(qiáng)度為149 μW/cm2。

綜上所述,生物氧化法有選擇性好、效率高等優(yōu)點(diǎn),具有良好的應(yīng)用前景。但生物酶受應(yīng)用環(huán)境影響極大,對(duì)反應(yīng)溫度、酸堿性有一定的應(yīng)用范圍,易失活。尋找合適的生物酶或微生物與目標(biāo)反應(yīng)相匹配是反應(yīng)的關(guān)鍵,此研究仍處于探索階段。

3 國(guó)內(nèi)外工業(yè)化研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外工業(yè)化研究進(jìn)展

在ε-己內(nèi)酯工業(yè)化進(jìn)程中,通常以環(huán)己酮為底物,低碳飽和過(guò)氧酸作為氧化劑合成己內(nèi)酯,此氧化劑由相應(yīng)的有機(jī)酸與雙氧水反應(yīng)經(jīng)硫酸催化制得。其中,過(guò)氧乙酸合成ε-己內(nèi)酯路線成本較低,后處理分離工藝簡(jiǎn)單,是目前工業(yè)化生成的主要路線,在國(guó)外已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。

過(guò)氧酸的合成與己內(nèi)酯的生產(chǎn)密切相關(guān),由環(huán)己酮為原料生產(chǎn)己內(nèi)酯工藝路線中,過(guò)氧酸間接氧化法是最為經(jīng)濟(jì)的方法,所采用的脫水劑和溶劑均能循環(huán)使用,綠色無(wú)污染且成本低,在一定程度上也降低了安全隱患。國(guó)外采用過(guò)氧酸間接氧化法生產(chǎn)己內(nèi)酯的企業(yè)主要有Ingevity、巴斯夫、日本大賽璐集團(tuán)、陶氏化學(xué)及美國(guó)UCC公司[9]。瑞典柏斯托公司曾是最大的己內(nèi)酯生產(chǎn)企業(yè),產(chǎn)能約6×104t/a。2018年12月,其將己內(nèi)酯業(yè)務(wù)包括沃靈頓的生產(chǎn)基地一同出售給Ingevity。日本大賽璐集團(tuán)是亞洲最大的己內(nèi)酯生產(chǎn)企業(yè),產(chǎn)能約5×104t/a,其采用過(guò)氧酸氧化法結(jié)合先進(jìn)的精餾提純技術(shù),獲得高品質(zhì)的己內(nèi)酯產(chǎn)品,是我國(guó)主要的己內(nèi)酯供應(yīng)來(lái)源。

3.2 國(guó)內(nèi)工業(yè)化研究進(jìn)展

南通醋酸廠在20世紀(jì)70年代建成50 t/a的己內(nèi)酯生產(chǎn)中試裝置[36]。制作過(guò)程為以空氣中的氧為氧源,氧化乙醛得到乙醛單過(guò)氧乙酸酯(AMP);在乙酸乙酯中,利用AMP氧化環(huán)己酮得到ε-己內(nèi)酯,精餾分離可獲得收率為45%的ε-己內(nèi)酯。但AMP作為氧化劑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,20 ℃下易發(fā)生劇烈分解爆炸,具有極高危險(xiǎn)性,該項(xiàng)目因爆炸事故停產(chǎn)。

4)企業(yè)效益的提升：在流程再造和大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的基礎(chǔ)上，促進(jìn)職能變革、提高業(yè)務(wù)效率、推動(dòng)體制創(chuàng)新、降低或杜絕安全生產(chǎn)事故，最終提升企業(yè)效益。

趙某散步時(shí)和劉某家的狗迎面相遇，劉某的狗突然躥至趙某身后咬了一口，事后，趙某經(jīng)就醫(yī)治療共花費(fèi)數(shù)千元。經(jīng)過(guò)民警調(diào)解，雙方未達(dá)成一致意見(jiàn)，故趙某將劉某訴至法院，要求其賠償醫(yī)療費(fèi)等各項(xiàng)費(fèi)用共計(jì)3000余元。

他們?nèi)缪輵蚺啪毮菢又鹁鋵?duì)好后，分別去正豐街和十六鋪的兩部電話上，按剛才“排練”的你講我聽(tīng)、我講你聽(tīng)復(fù)述一遍。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，確實(shí)是在與朋友、鄰居說(shuō)話，這才相信電話的神奇功能是真的。

我國(guó)在無(wú)水過(guò)氧酸-己內(nèi)酯合成領(lǐng)域研究起步較晚,國(guó)內(nèi)一般采用雙氧水間接氧化法制備無(wú)水過(guò)氧酸,再利用其氧化環(huán)己酮制備ε-己內(nèi)酯。該路線借鑒日本宇部20世紀(jì)末提出的弱酸催化工藝[12],弱酸硼酸用于催化無(wú)水過(guò)氧酸合成,該物料無(wú)需分離催化劑可直接用于ε-己內(nèi)酯合成,典型代表為巴陵石化雙氧水-丙酸路線。中國(guó)石化巴陵石化分公司是較早應(yīng)用該工藝制備己內(nèi)酯的企業(yè),2008年底已建成200 t/a中試裝置;2012年,其設(shè)計(jì)了1×104t/a有機(jī)溶劑共沸脫水連續(xù)制備無(wú)水過(guò)氧丙酸的工藝;2014年公布由丙酸、過(guò)氧化氫和環(huán)己酮連續(xù)制備己內(nèi)酯的工藝流程。該技術(shù)以硼酸為催化劑,過(guò)氧丙酸生成慢且能耗高,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

由此可見(jiàn),我國(guó)的ε-己內(nèi)酯工業(yè)化進(jìn)程遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家,積極開(kāi)發(fā)優(yōu)異功能性催化劑材料,且設(shè)計(jì)安全并成本可控的先進(jìn)工藝解決己內(nèi)酯生成卡脖子技術(shù)難題是該產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)工業(yè)化的關(guān)鍵,對(duì)下游聚己內(nèi)酯可降解材料應(yīng)用及開(kāi)發(fā)具有重要意義。

4 工藝安全分析

ε-己內(nèi)酯合成過(guò)程存在安全控制、抑制低聚及提高收率等技術(shù)難題,其中安全控制技術(shù)開(kāi)發(fā)在規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要。當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外研究中,ε-己內(nèi)酯產(chǎn)業(yè)化路徑主要采用過(guò)氧乙酸/過(guò)氧丙酸氧化路線。由于過(guò)氧酸具有強(qiáng)氧化性,己內(nèi)酯合成過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng),故該工藝安全隱患較多。具體工藝安全分析如下。

a) 過(guò)氧酸易分解失控,燃爆風(fēng)險(xiǎn)高。過(guò)氧酸中的-O-O-鍵長(zhǎng)而弱,一定溫度下,過(guò)氧酸熱分解過(guò)程由自由基引發(fā),發(fā)生自由基的連鎖反應(yīng),并釋放大量熱[38]。若發(fā)生超壓高溫失控,反應(yīng)熱不能及時(shí)移除,會(huì)誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)失控。過(guò)氧酸分解生成大量O2和CO2,發(fā)生火災(zāi)和爆炸嚴(yán)重危及周?chē)松砑柏?cái)產(chǎn)安全。為應(yīng)對(duì)系統(tǒng)超壓,生產(chǎn)設(shè)備上應(yīng)設(shè)有緊急泄放裝置。孫峰等[39]基于動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)得出不同初始溫度下過(guò)氧丙酸絕熱時(shí)達(dá)到最大反應(yīng)速率所需時(shí)間(TMRad),通過(guò)其判據(jù)得出過(guò)氧丙酸穩(wěn)定存儲(chǔ)溫度應(yīng)低于-10 ℃。常溫存儲(chǔ)應(yīng)增設(shè)冷卻系統(tǒng)減緩其分解。通過(guò)絕熱實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),過(guò)氧丙酸分解時(shí)絕熱溫升達(dá)250 ℃,系統(tǒng)壓力最高可達(dá)7.85 MPa。這表明過(guò)氧丙酸反應(yīng)失控后破壞性極其嚴(yán)重。

b) ε-己內(nèi)酯合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng),易發(fā)生熱失控事故。此反應(yīng)危險(xiǎn)性的核心是控制反應(yīng)溫度及過(guò)氧酸累積量,過(guò)氧酸的加料速率對(duì)兩者控制尤為重要。加料速率過(guò)快,則反應(yīng)飛溫;加料速率過(guò)慢,或溫度過(guò)低,抑制反應(yīng)進(jìn)程,發(fā)生物料累積,增加燃爆風(fēng)險(xiǎn)。2017年7月,日本大賽璐在廣島南部大竹市建成的亞洲最大的ε-己內(nèi)酯生產(chǎn)裝置發(fā)生火災(zāi)事故[40]。事故原因推測(cè)為加料泵異常停機(jī),導(dǎo)致精餾塔底部過(guò)氧乙酸發(fā)生富集;過(guò)氧乙酸劇烈分解產(chǎn)生大量氣體、管路爆裂,從而造成含有機(jī)酯的物料泄漏,引發(fā)火災(zāi)。設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)起動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)功能,設(shè)備正常停機(jī),除精餾塔受損外,未造成人員傷亡。

行政問(wèn)責(zé)制起源于西方，是西方國(guó)家在完善政黨制度和議會(huì)制度的過(guò)程中逐漸形成的。行政問(wèn)責(zé)制對(duì)政府制定和執(zhí)行政策、行使職權(quán)過(guò)程中的權(quán)責(zé)規(guī)劃具有重要指導(dǎo)意義，完善的行政問(wèn)責(zé)制可以有效地減少行政人員濫用職權(quán)、權(quán)不為民的行為發(fā)生，這對(duì)當(dāng)代中國(guó)的行政體制改革具有深遠(yuǎn)意義。行政問(wèn)責(zé)制的定義可以從廣義和狹義兩個(gè)角度進(jìn)行解釋。

c) 雜質(zhì)催化過(guò)氧酸分解。原料液中若摻雜鐵、銅、鋁、錳等金屬離子將催化過(guò)氧酸分解,尤其是過(guò)渡重金屬離子[38]。金屬離子作為催化劑只發(fā)生價(jià)態(tài)變化,含量無(wú)增減。因此,微量的金屬離子就會(huì)加速過(guò)氧酸的分解。

不失一般性，假設(shè)最后一個(gè)資源余額的分配部門(mén)僅在{1,2}中選擇且ni-≤n≤ni+,i=1,2.則應(yīng)該將余額分給部門(mén)i=1，如果

在ε-己內(nèi)酯規(guī)?；a(chǎn)中,原料液的純化及智能化安全控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用是確保工藝安全,避免安全事故發(fā)生的重中之重。

5 結(jié)語(yǔ)

ε-己內(nèi)酯具有良好的生物可降解性及兼容性,在環(huán)保及醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。環(huán)己酮經(jīng)BV氧化過(guò)程制備ε-己內(nèi)酯,氧化劑主要包括過(guò)氧酸、雙氧水、分子氧及生物氧。目前,國(guó)內(nèi)外工業(yè)上通常采用過(guò)氧酸氧化法合成ε-己內(nèi)酯,但過(guò)氧酸穩(wěn)定性較差,存在存儲(chǔ)燃爆風(fēng)險(xiǎn),且該法會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)酸副產(chǎn);雙氧水氧化法安全、廉價(jià)、清潔,副產(chǎn)物水無(wú)污染,但需要引入酸性催化劑來(lái)提高雙氧水活性,且水易使ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)水解,導(dǎo)致產(chǎn)率下降;氧氣氧化法成本低、綠色安全,但分子氧氧化能力弱,需加入醛類犧牲劑和適當(dāng)催化劑加快反應(yīng)進(jìn)程;生物氧化法仍處于基礎(chǔ)研究階段。開(kāi)發(fā)高效催化劑是雙氧水氧化法及氧氣氧化法能否大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

ε-己內(nèi)酯生產(chǎn)工藝長(zhǎng)期被西方少數(shù)國(guó)家所壟斷,價(jià)格居高不下,我國(guó)ε-己內(nèi)酯工業(yè)化生產(chǎn)基本處于空白,且安全控制技術(shù)開(kāi)發(fā)相對(duì)滯后,這極大影響我國(guó)ε-己內(nèi)酯及其下游聚己內(nèi)酯產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。因此,打破西方壟斷,開(kāi)發(fā)我國(guó)自主的ε-己內(nèi)酯安全生產(chǎn)技術(shù),合成醫(yī)用可降解材料及環(huán)保材料,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)提升具有十分重要意義。