摘 要

甲苯有非常高的化学活性，苯甲醛和苯甲酸都可以通过对它的氧化来生成。甲苯有毒性，并且是是环保领域空气挥发性有机物（VOCs）的重要监控成分，主要产生于由各行业排放的废气。研究甲苯氧化对环境保护能做出巨大贡献，还可能得到高附加值的含氧化工产品，可谓是一举两得。本文先是介绍了甲苯氧化的主要手段和方法，以及各类催化剂的特点和催化剂的选择，接着着手于原理的讨论和实验的设计，同时记录实验数据和对其进行分析进而得出结论。

关键词：甲苯；氧化；苯甲醛；苯甲酸；催化剂

Study on the selective oxidation of toluene

Abstract

Toluene is chemically active and can be oxidized to benzaldehyde, benzoic acid and even benzyl benzoate. Toluene has low toxicity and is an significant monitoring component of VOCs (air volatile organic compounds) in the environmental protection area, which is mainly produced by exhaust gases emitted by various industries. The study of toluene oxidation can make a great contribution to environmental protection, and it can also get high value-added oxygen-containing chemical products. Firstly, this paper introduces the main methods of toluene oxidation, as well as various kinds of catalysts and choice of them. Then it introduces reaction mechanisms and design of experimental, and finally records experimental data and analyses them to draw a conclusion.

Keywords: Toluene; Oxidation; Benzaldehyde; Benzoic acid; Catalyst

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 气相甲苯氧化 2

1.2.2 液相甲苯氧化 3

1.3 催化剂 3

1.3.1 均相催化剂 3

1.3.2 多相催化剂 4

1.4 催化剂的选择 9

第二章 实验部分 10

2.1 实验装置 10

2.2 实验所需试剂 10

2.3 实验步骤 11

2.3.1 催化剂的制备 11

2.3.2 甲苯的氧化 11

2.3.3数据处理 12

第三章 实验结论与分析 13

3.1. 催化剂制备因素对甲苯氧化反应的影响 13

3.1.1 不同金属催化剂的影响 13

3.1.2制备过程中pH的影响 13

3.2 反应工艺条件对甲苯氧化反应的影响 14

3.2.1 温度对反应的影响 14

3.2.2 催化剂用量对反应的影响 14

3.2.3 压力对反应的影响 15

3.2.4 时间对反应的影响 15

3.3 催化剂的XRD 16

第四章 结论 18

参 考 文 献 19

致 谢 21

第一章 文献综述

1.1 引言

有机物中烃类碳和氢间化学键的选择性氧化是世界一致认为有挑战性的难题，也是各国科学界想要达到的目标。石油化工中乙烯可以通过裂解汽油得到，这是个十分重要的工业基础，但是其生产中会生成大量副产物甲苯，甲苯大多被作为溶剂使用。而在环保极其重要的当今，空气中的挥发性高的有机物（VOCs）的重要监控成分之一就是甲苯，也就是说它是一种污染物。因而，研究甲苯等C-H 键的选择性催化氧化既有望为VOCs 的氧化消除开发出新途径。这是一系列最常见且主要的空气污染物：各种烃和烃的衍生物 , 石油化工、制药等行业的废气以及机动车的尾气就是这些气体的主要来源。这些气体挥发性很强，而且最可怕的是大多数有毒，通过一系列变化会形成光化学烟雾和气溶胶, 给环境带来严重危害,威胁到了人们的身体健康，可见研究甲苯氧化对环境保护能做出巨大贡献。不仅如此，还可能得到高附加值的含氧化工产品。甲苯氧化生成苯甲醛、苯甲酸均可广泛应用于医药、有机化工、染料等行业，进行以甲苯为代表的烃类选择氧化研究具有巨大的应用价值和战略意义。近年的苯甲醛的生产方法还是过于古法，对环境的影响甚大。因此, 无论是为了生产还是为了环保，大家都在寻找生产苯甲醛、苯甲酸的新途径，换一句话即是，寻找消除甲苯的方法。

1.2 研究现状

甲苯的氧化，这个反应是一个十分重要的有机化学反应。这个反应需要氧化剂，而我们可以从这两个方面进行大致的分类。举个例子，氧化剂可以是气相的臭氧或者氧气，也可以是液相的高锰酸钾溶液，作为氧化剂两者都是很常见的，各有优缺点。因此按照氧化剂分类，甲苯氧化可以分为气相法和液相法。催化剂那当然是更多，合金型、复合型、负载型等等。

在混合金属氧化物中，碳氢化合物的选择性氧化通常可以参见马尔斯和范克瑞森的理论。在该模型中，碳氢化合物与表面晶格氧化物离子发生反应，形成氧化产物，使氧化还原的氧化物通过与气相氧的反应重新氧化为初始状态。研究已确定将氧化物离子加入氧化

相关性。

氧化甲苯就是要让氧气和甲苯反应，所以必定会有氧原子上到芳香烃上某个部位。所以苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸就依次生成了，甚至有时候高温高压下生成的苯甲醇和苯甲醛还会进行羟醛缩合反应形成苯甲酸苄酯。我们在这里取其中我们需要的几个物质来进行一下简单的介绍。

（1）甲苯：甲苯是致癌物。若进眼睛里，会致使发炎、疼痛。泄露到在皮肤上，出现炎症。如果吸入它的蒸汽或雾，头痛，头晕，恶心，迟钝都会有表现，甚至会伤害到人的神经系统。如果不小心摄入消化系统，会出现腹部痉挛，还有化学性肺炎。因此它是一种毒性较大的废气，所以如何提高甲苯转化率也是本文研究目的之一。

（2）苯甲醛：当氧气与甲苯作用之后，在甲基后加上了一个羟基，羟基是可以被氧化的，变成醛。这个苯甲醛是好多东西的中间体。该品对人会刺激感官。但是由于其挥发性比甲苯低很多，不足以引致严重危害。所以相比之下，生成苯甲醛是对于环境的一个很好的保护。

（3）苯甲酸：常作为药物或防腐剂使用，有抑制各种菌类生长的作用，它的钠盐可用作食品的抑菌剂，十分常见和实用。但是作为有机物它也是具有危害的，暴露在皮肤上，会有轻微的炎症。溅进眼睛，疼痛是肯定不能避免的。如果吸入粉尘或溶液雾，人会有咳嗽。如果摄入消化系统，喉咙和腹部会疼痛。相比甲苯，苯甲酸危险性要小很多，更不用说对于大气的污染。因此，将甲苯以高转化率和高选择性向苯甲酸转化将是一个十分重要的研究方向。