CN100516007C - 一种以类水滑石为催化剂制备立体受阻胺氮氧自由基的方法 - Google Patents
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Abstract
一种以类水滑石为催化剂制备立体受阻胺氮氧自由基的方法，属有机化学合成技术领域。本发明以立体受阻胺如4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷为原料，以类水滑石如MgAl-LDHs、ZnAl-LDHs、ZnAl-PW-LDHs为催化剂，以水为溶剂，以过氧化氢为氧化剂，经氧化反应得到立体受阻胺氮氧自由基，产率96～99%，转化率为99.3～100%。本发明所述的方法具有如下优点：(1)转化率和产率高；(2)催化剂便宜，催化剂用量小；(3)反应条件温和，反应时间短；(4)催化剂重复使用；(5)没有环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种以类水滑石(LDHs)为催化剂制备立体受阻胺氮氧自由基的制备方法，确切地说，涉及一种为以类水滑石为催化剂、以双氧水为氧化剂，由立体受阻胺氧化制备立体受阻胺氮氧自由基的方法，属有机化学合成技术领域。
背景技术
立体受阻胺氮氧自由基可以作为有机聚合物的光稳定剂，生物体系研究的自旋标记物，也可以作为有机合成中的选择性氧化催化剂。
有关立体受阻胺氮氧自由基的制备方法已有许多文献报导。传统的制备方法采用均相催化氧化工艺，一般以钨酸钠或磷钨酸为催化剂，过氧化氢作氧化剂，以甲醇、甲醇-乙腈等作为溶剂，由立体受阻胺经氧化制得其氮氧自由基。但此方法的缺点在于：氮氧自由基收率低(约60％)，反应时间长(48h以上)，催化剂不能循环使用，并有大量废水污染环境(Z.Naturforsch，1976，31b，1376；Prakt.Chem.，1985，327：1011；Synthesis，1971，190)。针对均相催化氧化工艺中催化剂回收困难，产品提纯工艺复杂，环境污染等问题，近年来意大利埃尼化学公司提出一种非均相催化氧化制备立体受阻胺氮氧自由基的方法。该方法采用具有与ZSM-5相同的MF1结构的含Ti沸石(TS-1)作为催化剂，过氧化氢作为氧化剂，得到的氮氧自由基收率高达95％，但该方法存在以下问题：(1)反应时间长达24h以上；(2)催化剂价格昂贵，催化剂用量大，为立体受阻胺重量的5％；(3)催化剂失活下降快，重复使用次数少(US5,218,116)。因此，背景技术无法同时实现收率高、成本低、环境友好的目标。
发明内容
类水滑石是近年来受到广泛关注的一类新型催化材料。该材料由二价和三价金属离子组成的具有水滑石(HT)层状晶体结构的混合金属氢氧化物，其组成式为[MII 1-xMIII x(OH)2]x (An-)x/n·m H2O，其中MII＝Mg2+、Zn2+、Cu2+、Co2+、Ca2+、Ni2+、Pd2+、V2+、Fe2+、Mn2+等二价金属阳离子；MIII＝Al3+、Fe3+、Co3+、Cr3+、V3+、Mn3+、Ni3+、Rh3+、Ru3+、Ga3+、La3++等三价金属阳离子、An-＝CO3 2-、NO3 -、Cl-、OH-、SO4 2-、PO4 3-、C6H(COO-)2等无机或有机阴离子。其主要特性有：碱性、层板中阳离子的可搭配性、层间阴离子的可交换性。因此，它可以设计为碱性催化剂、氧化还原催化剂以及催化剂载体。
本发明的目的在于提供一种以类水滑石为催化剂制备立体受阻胺氮氧自由基的方法，该方法有收率高、成本低、环境友好的优点。
本发明通过以下技术方案解决此技术问题：在以类水滑石、水和过氧化氢分别为氧化催化剂、溶剂和氧化剂的条件下，对立体受阻胺进行氧化反应，氧化反应通式如下所示：
后，滤除反应混合物中的催化剂，减压蒸馏，去除滤液中的溶剂，获得立体受阻胺氮氧自由基。滤出的类水滑石活性基本保持不变，可重复使用。必要时可通过常规的重结晶的方法进行纯化，以获得高纯度的立体受阻胺氮氧自由基。
本发明的技术方案的进一步特征在于，立体受阻胺为4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷。
本发明的技术方案的进一步特征在于，类水滑石是MgAl-LDHs、ZnAl-LDHs或ZnAl-PW-LDHs。
本发明的技术方案的进一步特征在于，催化剂用量为立体受阻胺用量的0.5～1％。
现详细说明本发明的技术方案。
一种以类水滑石为催化剂制备立体受阻胺氮氧自由基的方法，其特征在于，具体操作步骤：
第1步氧化反应
在带有温度计、回流冷凝管和恒压滴液漏斗的三口烧瓶中，加入140～158份重量的立体受阻胺、1份重量类水滑石(MgAl-LDHs、ZnAl-LDHs、ZnAl-PW-LDHs)和500份重量水，在常压、磁力搅拌和反应温度70～75℃下，连续缓慢地滴加300份重量浓度为30％的过氧化氢水溶液，滴完后继续反应至反应结束，立体受阻胺为4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷，类水滑石是MgAl-LDHs、ZnAl-LDHs或ZnAl-PW-LDHs；
第2步催化剂分离及处理
采用过滤方法从反应混合物中分离出催化剂，用水洗清后，在120℃的空气气氛中干燥；
第3步减压蒸馏脱水
用传统的方法将第2步得到的滤液减压蒸馏脱水，得到160～172份重量产物，立体受阻胺氮氧自由基，产率96～99％，转化率为99.3～100％；
第4步催化剂重复使用
将第2步得到的催化剂用于下次制备的第1步。
与背景技术相比，本发明的优点是：1)反应条件温和，反应时间短；2)目标产物和催化剂的分离十分简便，催化剂可重复使用；3)转化率和产率高；4)反应的溶剂均采用水，环境友好，经济，不会对环境造成污染。因此本发明是一种具有工业应用前景的制备立体受阻胺氮氧自由基的方法。
具体实施方式
以下将通过具体的实施例对本发明做进一步的阐述。所有的操作完全按上述的具体操作步骤进行。
实施例1立体受阻胺氮氧自由基，4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基的制备
在第1步中，立体受阻胺和类水滑石分别是4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶和MgAl-LDHs，4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、MgAl-LDHs水和浓度为30％的过氧化氢的用量分别为157.2克、1.0克，500.0克和300.0克；在第3步中，获得橙红色针状晶体、熔点为71.5℃的产物，4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氮氧自由基168.6克，产率97.9％，转化率为100％。
实施例2～4
除以下不同外，其余与实施例1相同，催化剂重复使用3次，其反应结果如下所示：
| 实施例 | 催化剂使用次数 | 转化率 |
| 2 | 2 | 100％ |
| 3 | 3 | 100％ |
| 4 | 4 | 100％ |
实施例5～8
除以下不同外，其余与实施例1：在第1步中，类水滑石是ZnAl-LDHs，在第3步中，得到4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氮氧自由基170.3克，产率98.9％，转化率100％。
| 实施例 | 催化剂使用次数 | 转化率 |
| 6 | 2 | 99.5％ |
| 7 | 3 | 99.3％ |
| 8 | 4 | 98.7％ |
实施例9
除以下不同外，其余与实施例1：在第1步中，类水滑石是ZnAl-PW-LDHs，在第3步中，得到4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氮氧自由基167.8克，产率97.4％，转化率100％。
实施例10立体受阻胺氮氧自由基，2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基的制备
除以下不同外，其余与实施例1：在第1步中，立体受阻胺为2，2，6，6-四甲基哌啶，用量为141.0克，在第3步中，得到2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氮氧自由基152.9克，产率98.0％，转化率100％。
实施例11立体受阻胺氮氧自由基，2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷氮氧自由基的制备
除以下不同外，其余与实施例1：在第1步中，立体受阻胺为2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷，用量为155.0克，在第3步中，得到2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷氮氧自由基163.8克，产率96.4％，转化率99.5％。
Claims (6)
1、一种以类水滑石为催化剂制备立体受阻胺氮氧自由基的方法，其特征在于，在以类水滑石、水和过氧化氢分别为氧化催化剂、溶剂和氧化剂的条件下，对立体受阻胺进行氧化反应，氧化反应通式如下所示：
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的立体受阻胺是4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，6，6-四甲基哌啶或2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的类水滑石为MgAl-LDHs、ZnAl-LDHs或ZnAl-PW-LDHs。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的立体受阻胺是4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，6，6-四甲基哌啶或2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷，所述的类水滑石为MgAl-LDHs、ZnAl-LDHs或ZnAl-PW-LDHs。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体操作步骤：
第1步氧化反应
在带有温度计、回流冷凝管和恒压滴液漏斗的三口烧瓶中，加入140～158份重量的立体受阻胺、1份重量类水滑石和500份重量水，在常压、磁力搅拌和反应温度70～75℃下，连续缓慢地滴加300份重量浓度为30％的过氧化氢水溶液，滴完后继续反应至反应结束，立体受阻胺为4-羟基-2，2，6，6-四甲基哌啶、2，2，6，6-四甲基哌啶或2，2，3，4，5，5-六甲基吡咯烷，类水滑石是MgAl-LDHs、ZnAl-LDHs或ZnAl-PW-LDHs；
第2步催化剂分离及处理
采用过滤方法从反应混合物中分离出催化剂，用水洗清后，在120℃的空气气氛中干燥；
第3步减压蒸馏脱水
用传统的方法将第2步得到的滤液减压蒸馏脱水，得到160～172份重量产物，立体受阻胺氮氧自由基，产率96～99％，转化率为99.3～100％。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，它还包括第4步：
第4步催化剂重复使用
将第2步得到的催化剂用于下次制备的第1步。
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