燃料电池型反应器及使用其生产化合物的方法技术

本文所公开的是一种用于实施包含基质、还原剂和氧化剂的体系的氧化反应的燃料电池型反应器，其中包括：壳体；包含阳极活性材料并且可传导离子或可传导活性物质的阳极；以及包含阴极活性材料并且可传导离子或可传导活性物质的阴极，其中阳极和阴极间隔地放置在壳体中，从而将壳体的内部分隔成位于阳极和阴极之间的中间室、位于阳极之外的阳极室和位于阴极之外的阴极室，其中中间室具有电解质溶液和基质入口，阳极室具有还原剂入口，阴极室具有氧化剂入口。本文还公开了一种有效地、安全地稳定地生产多种有用的化合物的方法，其中包括通过使用上述燃料电池型反应器实施包括基质、还原剂和氧化剂的体系的氧化反应。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
专利技术的背景专利
本专利技术涉及一种燃料电池型反应器和使用该反应器生产化合物的方法。更具体而言，本专利技术涉及用于进行包括基质、还原剂和氧化剂的体系的氧化反应的燃料电池型反应器，该反应器包括壳体；包含阳极活性材料并且可传导离子或可传导活性物质的阳极；以及包含阴极活性材料并且可传导离子或可传导活性物质的阴极，其中将阳极和阴极间隔地放置在壳体中，从而将壳体内部分隔成位于阳极和阴极之间的中间室、位于阳极之外的阳极室和位于阴极之外的阴极室。可以将本专利技术的反应器用于生产多种在化学工业中有用的化合物。本专利技术也涉及使用本专利技术的反应器通过进行氧化反应生产化合物的方法。本专利技术的反应器可以用于多种氧化反应，并且对于进行选择性氧化反应特别有用，上述选择性氧化反应的例子是烷烃的部分氧化、醇的部分氧化、烯烃的环氧化、芳香化合物的羟基化、胺的部分氧化和酮的部分氧化。通过使用本专利技术的反应器，可以直接从低价格的氧化剂(例如氧)、还原剂和基质生产具有多种具有高附加值的化合物，而不使用昂贵的氧化剂(例如过氧化氢或有机或无机过氧化物)。也可以将本专利技术的反应器用于多种氧化加成反应，例如醇、酚类化合物或烯烃的羰基化反应、烯烃的Wacker反应、烯烃或芳香化合物的乙酰氧基化反应、氧氯化反应或偶联反应以及醇的酯化反应。该反应器使有效和稳定地生产有用的化合物成为可能。例如，通过使用本专利技术的反应器，可以通过选择性氧化反应从氧、叔丁醇和氢一步合成叔丁基过氧化氢。叔丁基过氧化氢在化学、制药和食品工业以及类似领域中是作为氧化剂、聚合引发剂、固化剂和干燥剂的有用的化合物。已有技术常规上，已经使用以下描述的方法实施工业上人所共知的氧化反应、特别是选择性氧化反应和氧化加成反应。可以使用能够产生具有高化学势的活性氧物质(亲电氧物质)的氧化剂(例如过氧化氢或有机或无机过氧化物)通过实施选择性氧化反应在温和的条件下高选择性地、有效地生产有用的化合物(参看例如于1976年在日本出版的、日本化学会编辑的《新实验化学讲座15，氧化和还原，1-2》第605页和G.Strukul著、Kluwer Academic Publishers于1992年在荷兰出版的《使用过氧化氢作为氧化剂的催化氧化》(Catalytic Oxidations withHydrogen Peroxide as Oxidant))。选择性氧化反应的例子包括烷烃的氧化、醇的氧化、烯烃的环氧化、酮的氧化或氨解氧化、醛的氧化、醚的氧化、芳香化合物的羟基化、胺的氧化和硫化合物的氧化。此处所提及的“选择性氧化反应”指在亲电氧物质的存在下进行的反应，例如上述文献中提及的选择性氧化反应。另一方面，工业上使用烷基蒽醌的自氧化反应作为用于生产如上所述有用氧化剂—过氧化氢的常规方法是人所共知的(参看1986年在日本出版的、日本化学会编辑的《化学便览，应用化学I》第302页)。但是，生产过氧化氢的常规方法在经济上是有缺点的，其缺点不仅表现在该方法需要大量有机溶剂，也表现在由于多种副产物的产生和催化剂的退化，该方法需要多个额外步骤以分离副产物和再生已退化的催化剂。因此，需要开发一种与常规方法相比成本较低生产过氧化氢的方法。另外，作为有用的有机过氧化物，叔丁基过氧化氢也是人所共知的。常规地，已经例如通过将叔丁醇或异丁烯作为基质(即原料)与强酸(例如硫酸)和过氧化氢反应的方法生产叔丁基过氧化氢(参看例如有机过氧化物研究组编辑、1972年在日本出版的《有机过氧化物》(有機過酸化物)第220页)。但是，从经济和安全的角度来看，常规方法是有缺陷的。具体而言，常规方法的缺点在于昂贵的过氧化氢是必需的，并且原料与高浓度含水硫酸(60至70重量％)和高浓度含水过氧化氢(30至50重量％)的液体混合物反应。由于这些原因，从实用和商业的角度来看，需要开发可以通过在催化剂的存在下、使用氧来直接氧化基质而不使用昂贵的氧化剂(例如过氧化氢)进行多种类型的选择性氧化反应的方法。例如，人们早已对在催化剂的存在下直接从苯和氧生产苯酚的方法进行了研究。但是，已经研究的反应方法具有以下问题。首先，该反应需要高温。另外，尽管可以使用多种类型的催化剂催化反应，许多此类催化剂引起了以下的问题，即包含此类催化剂的反应体系使得作为反应产物的苯酚具有比作为基质的苯更高的反应活性，因此，尽管苯的反应速度可以得到提高，对苯酚的选择性却下降了。由此，没有开发出工业上可以使用的方法。不仅对于此类反应体系(该体系使作为反应产物的苯酚具有比苯更高的反应性)，而且对于其他使用氧的氧化反应，人们已经为增加对反应产物的选择性作出了巨大的努力。但是，从经济和安全的角度看，还是没有令人满意的方法。人们认为，此类使用氧的氧化反应不以对所希望的产物的高选择性进行的原因是，当氧分子被催化剂活化时，不可避免地发生从催化剂至氧分子的电子转移，因此氧分子主要被转化为亲核氧阴离子活性物质，从而使亲电加成反应难以进行(参看1998年出版于美国的《今天的催化》(Catalysis Today)第45卷第3-12页)。近年来，为了缓解上述问题，已经进行了使用类似生物催化剂体系的催化剂体系合成化合物的新方法的研究。一氧化物酶(一种存在于活体内的酶)通过利用NADPH的还原能力将氧分子活化。在用合成化学对该机理的模仿中，可以使用在催化剂体系的存在下将氧和还原剂(例如氢气、一氧化碳或醛)相互接触、从而在温和条件下产生活性氧物质的方法。在此情况下，由于打断氧键所需要的能量是通过还原剂的氧化提供的，可以选择性地产生亲电活性氧物质而不使用大量的能量。本专利技术人曾提出了一种生产苯酚的方法，其中包括将氧、苯和氢中的每一者在Eu-Ti-Pt催化剂的存在下相互接触(参看1999年出版于日本的《第84回触媒讨论会预稿集，3F20》)。按照该方法，可以在温和的条件下从苯和氧经一步以高选择性地生产苯酚。对于这一方法中的反应，推测氧在催化剂的表面上被氢部分还原并被转化为对于苯的羟基化有效的活性氧物质，从而显示出了对苯酚的选择性的改进。但是，该方法具有由于氢的存在而存在巨大的爆炸危险和氢的效用低下的问题。除该方法以外，也存在着与之类似的已知方法，例如一种用于生产苯酚的方法，其中包括在Pt-V2O5/SiO2催化剂的存在下将氧、苯和氢相互接触(1995年出版于美国的《应用催化》(Appl.Catal.)A，第33卷第131页)；一种用于生产氧化环己烯的方法，其中包括将氧、环己烯和氢在一种Mn络合物/Pt胶体催化剂的存在下相接触(1979年出版于美国的《美国化学会志》(J.Am.Chem.Soc.)第101卷第6456页)；以及一种用于由丙烯生产氧化丙烯、由丙烷生产丙酮或由异丁烷生产叔丁醇的方法，其中包括在氢和Au/TiO2催化剂的存在下用氧对基质进行气相氧化(参看1995年出版于日本的《触媒》第37卷第2期第72页)。但是，这些方法中的每一者都具有类似于上述问题的问题，并因此不能在工业上实际应用。除选择性氧化反应外，氧化加成反应也是在化学工业中已知的有用的反应。此处提及的“氧化加成反应”指在氧的存在下至少一种化合物的缩合反应。用于缩合的化合物的例子包括多种有机和无机化合物，例如烯烃、二烯烃、醇、酚类化合物、芳香化合物、水、一氧化碳、卤化氢、乙本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于实施包含基质、还原剂和氧化剂的体系的氧化反应的燃料电池型反应器，其中该方法包括：　　　　壳体；　　　　包含阳极活性材料并且可传导离子或可传导活性物质的阳极；和　　　　包含阴极活性材料并且可传导离子或可传导活性物质的阴极，　　　　其中所述阳极和所述阴极间隔地放置在所述壳体中，从而将所述壳体的内部分隔成位于所述阳极和所述阴极之间的中间室、位于所述阳极之外的阳极室和位于所述阴极之外的阴极室，　　　　所述中间室具有电解质溶液和基质入口，　　　　所述阳极室具有还原剂入口，　　　　所述阴极室具有氧化剂入口，并且　　　　所述阳极和所述阴极通过处于所述壳体外的导电材料相互连通。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：大冢洁，山中一郎，铃木贤，
申请(专利权)人：旭化成化学株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]