一种氧化丁烷的单原子纳米酶及其制备方法与流程

本发明设计有机化合物制备的，更具体地，涉及一种氧化丁烷的单原子纳米酶及其制备方法。

背景技术：

1、正丁烷(c4h10)，在常温常压下为无色、有轻微刺激性、易液化的气体。常温加压下能溶于水，易溶于醇、氯仿等有机溶剂；正丁烷作为廉价易得的碳四组分之一，在化工利用方面越来越多地受到科研工作者的关注，正丁烷主要用来异构化制异丁烷、脱氢制丁烯和丁二烯。在催化氧化方面，正丁烷可以用于制备顺丁烯二酸酐(顺酐)、乙酸、甲乙酮等。硝化、卤化制硝基丁烷、卤化丁烷；正丁烷来源丰富，廉价易得，因此以氧气或空气为氧化剂的正丁烷直接氧化制备附加值更高的甲乙酮工艺倍受关注。目前已公开的大多数由正丁烷氧化制备甲乙酮的方法中，要么选择性或转化率差。

2、碳纳米管(cnt)是一种新型的固体支撑材料，呈圆柱状，孔径分布适宜，有利于实现最大孔径金属分散。由于它们的形态特殊和结构稳定的特点非常适合作为杂化催化剂抵用。

3、目前已报道的正丁烷液相氧化法制备甲乙酮工艺中，主要以醋酸为溶剂，使用醋酸钴/醋酸钠作为催化剂，在4.0～8.0mpa、150～220℃下反应，主产物是乙酸，副产物甲乙酮约占乙酸产量的16％。该法制备甲乙酮选择性低、反应条件苛刻、投资高、能耗大，很难在工业上大规模使用。

4、因此，需要开发一种可利用空气为氧化剂、反应条件温和的催化氧化正丁烷制备甲乙酮的工艺方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有以空气作为氧化剂时催化正丁烷制备所得甲乙酮的转化率和选择性低的问题，提供了一种氧化丁烷的单原子纳米酶及其制备方法，所述的制备方法能够以空气为氧化剂，有效催化正丁烷制备得到甲乙酮。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种氧化丁烷的单原子纳米酶及其制备方法，以正丁烷为原料，将正丁烷与催化剂、自由基引发剂分散在溶剂中，以空气为氧化剂，在反应温度为75℃，反应压力为2.0mpa的条件下反应7h，催化氧化正丁烷得到甲乙酮；

4、所述催化剂结构如下通式(ⅰ)结构的碳纳米管负载铜卟啉化合物：

5、

6、所述催化剂用量为正丁烷的摩尔量的0.001～0.005％，所述自由基引发剂的用量为正丁烷的摩尔量的10％。

7、发明人发现本发明所采用的碳负载铜卟啉化合物能够模仿单原子纳米酶的催化原理，借助铜卟啉协同催化活化正丁烷，以空气为氧化剂有效地规避了正丁烷的爆炸极限问题，催化活性高，同时能保证正丁烷上午单程转化率和选择性；且催化剂用量少。

8、本发明所述自由基引发剂为n-羟基邻苯二甲酰亚胺或n-羟基邻苯二甲酰亚胺衍生物。

9、本发明所使用的溶剂为乙腈。

10、本发明所使用的碳纳米管负载铜卟啉催化剂的合成方法参照已公开的方法，具体如下：

11、将碳纳米管(cnt)分散在20ml n-n二甲基甲酰胺(dmf)中，超声1h，同时将铜卟啉溶解在n-n二甲基甲酰胺中，然后将其加入cnt悬浮液中，将混合悬液超声30min，室温下搅拌24h。将反应完的反应液用n-n二甲基甲酰胺，乙醇，水进行干燥后，干燥后得到黑色固体粉末，即得到碳纳米管负载铜卟啉催化剂。

12、优选地，所述催化剂用量为正丁烷的摩尔量的0.001～0.005％。

13、优选地，所述溶剂为乙腈；所述反应压力为2.0mpa，所述反应温度为75℃。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、本发明采用碳纳米管负载铜卟啉为催化剂，以空气为氧化剂一步法直接氧化正丁烷制备甲乙酮，其反应条件温和(75℃，2.0mpa)，避免了异丁烯水合法中高温高压的苛刻反应条件、废酸污染环境的等问题。本发明使用的催化剂用量少、以空气为氧化剂有效地规避了正丁烷的爆炸极限问题，更加绿色安全，同时保证了丁烷的单程转化率与选择性，其中正丁烷的转化率不低于15％，选择性不低于60％，满足工业应用的需求。

技术特征：

1.一种氧化丁烷的单原子纳米酶及其制备方法，其特征在于，以正丁烷为原料，将正丁烷与自由基引发剂、催化剂分散在溶剂中，以空气为氧化剂，在反应温度为75℃、反应压力为2.0mpa的条件下反应7h，催化氧化正丁烷制得甲乙酮；所述催化剂结构如下通式(ⅰ)结构的碳纳米管负载铜卟啉化合物：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂用量为正丁烷的摩尔量的0.001～0.005％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为乙腈。

4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为乙腈；所述反应压力为2.0mpa，所述反应温度为75℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述自由基引发剂为n-羟基邻苯二甲酰亚胺或n-羟基邻苯二甲酰亚胺衍生物。

技术总结
1.本发明提供了一种氧化丁烷的单原子纳米酶及其制备方法，其特征在于，以正丁烷为原料，将正丁烷与催化剂、自由基引发剂分散在溶剂中，以空气为氧化剂，在反应温度为75℃、反应压力为2.0MPa的条件下反应7h，催化氧化正丁烷制备甲乙酮；所述催化剂结构如下通式(Ⅰ)结构的碳纳米管负载铜卟啉化合物：2.所述催化剂用量为正丁烷的摩尔量的0.001～0.005％，所述自由基引发剂的用量为正丁烷的摩尔量的10％。本发明所述制备方法能以空气为氧化剂一步法直接氧化正丁烷制备甲乙酮，其反应条件温和，催化剂用量少，有效地规避了正丁烷的爆炸极限问题，同时保证了丁烷的单程转化率与选择性，满足工业应用的需求。

技术研发人员：原晔
受保护的技术使用者：武汉逸翮科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16