Graham J. Hutchings，现任英国卡迪夫大学教授，欧洲科学院院士，全球顶尖的催化科学家，发表学术论文超过800篇，被引用50000多次, H-index 113。Graham J. Hutchings教授在多相催化领域取得了世界瞩目的成就，尤其是在金催化、合成双氧水和乙炔氢氯化等工业应用领域做出了重要贡献。虽然已经70岁，Graham J. Hutchings教授仍然站在科研一线主导科研项目，并连续取得重要突破。就在今年1月，Graham J. Hutchings作为唯一通讯作者，刚刚在Nature报道了PdAu催化剂高效醇氧化技术的新进展，发现合金催化剂中协同氧化还原增强的新型催化效应协，为多组分非均相催化剂的设计提供了一种新方法。今天，Graham J. Hutchings老爷子数十年专注的PdAu催化剂，又在Science实现了新的突破。由其主导的多个研究团队合作，使用负载型纳米AuPd/TS-1催化剂，基于原位生成H2O2从酮中高效催化制备环己酮肟，选择性>95%，为尼龙单体的绿色合成技术带来了革命性突破！环己酮肟是生产己内酰胺的关键前体，己内酰胺是一种用于合成聚酰胺尼龙6的商品化学品。预计到2024年，全球尼龙-6的年产量将达到890万公吨，预计环己酮肟的需求将同时增加。环己酮肟生产的传统路线包括环己酮与硫酸羟胺反应，羟胺以硫酸羟胺（HS）或类似磷酸盐（HP）的形式提供。HS作为反应物的使用效率极低，在这个过程生产硫酸铵（一种低值肥料），作为主要副产品应用有限。虽然HP路线克服了与大量副产品生产相关的问题，但它被认为比HS方法复杂得多，需要持续供应磷酸以保持溶液pH值约为1.8-2.0，还需要多个回收和萃取阶段。以TS-1为催化剂，环己酮、氨和预制H2O2为反应物，开发了一种克服这些挑战的单步氨肟化工艺。在此过程中，TS-1在原位催化生成羟胺，该中间物种随后与环己酮非催化反应生成肟。TS-1与H2O2的催化活性在许多选择氧化过程的发展中起着至关重要的作用，这通常归因于TiIV位点能够容易地协调多个物种，在环己酮氨肟化的情况下，这些物种对羟胺的形成至关重要。尽管在催化剂设计方面取得了广泛的进步，开发了一系列对环己酮氨肟化具有高度选择性且具有更高催化稳定性的钛硅酸盐[包括Ti-MOR、Ti-Beta、TS-2和Ti-MWW]，但TS-1仍然被广泛认为是涉及H2O2的反应的工业标准。尽管以H2O2/TS-1为基础的工业氨肟化工艺（每年约占全球肟生产量的600万公吨）具有优异的催化选择性，但依然存在以下问题：1. 工艺成本高：由于氧化剂在相关反应条件下（高温和高pH）的稳定性较低，通常需要过量的H2O2，导致工艺成本升高。2. 能量损失大：预制H2O2需要从集中生产点运输时浓度大大超过氨肟化工艺所需的浓度，使用时的必要稀释浪费了之前蒸馏和浓缩步骤中使用的能量。3.稳定性差： H2O2的不稳定性需要添加酸和卤化物稳定剂，以防止其在运输和储存过程中降解，这反过来会限制催化剂的稳定性，通过腐蚀降低反应器寿命，并产生与从产品流中去除它们相关的大量成本。所有使用预制的H2O2的化学转化在一定程度上都存在以上缺点。虽然开发了用于直接合成H2O2的催化剂，这些元素具有较高的合成速率和>99%的氢气利用率。然而，到目前为止，直接法无法与目前的H2O2生产工业路线相匹敌，主要是因为为避免潜在的爆炸风险，必须使用稀释的H2和O2气流来限制H2O2的爆炸。原位H2O2生成与利用可以解决上述问题，但是尚未成为工业化的可替代方案，主要因为以下问题：有鉴于此，英国卡迪夫大学Graham Hutchings、Richard J. Lewis以及上海交通大学刘晰等人合作，通过使用负载型AuPd合金纳米颗粒和TS-1催化剂，可以根据需要原位生成H2O2，生成选择性>95%的环己酮肟，与当前的工业路线相当。此外，还证明了几种简单酮的氨肟化反应。该方法消除了运输和储存高浓度、稳定的H2O2的需要，有可能实现可观的环境和经济节约。这种方法可以为目前依赖于预成型H2O2和TS-1组合的众多化学转化提供一种替代途径，同时允许相当大的过程强化。Graham J. Hutchings教授长期专注于以氢气和氧气为原料直接合成过氧化氢，发展了一系列新型催化剂，首次在无酸或卤化物促进剂的条件下实现了近100%的选择性，始终引领该领域的发展，持续20余年。今天这项研究，可以视为Graham J. Hutchings教授在直接合成双氧水领域数十年研究的拓展，且极具工业化应用前景。
通过湿法共沉淀程序和随后的煅烧，将氯基金和钯盐固定在一系列载体材料上，以制备对直接合成H2O2具有高度活性的合金纳米颗粒催化剂已被广泛报道。1. 制备了一系列不同总金属负载量的AuPd催化剂：以TiO2位载体，将其暴露于氧化热处理。观察在H2O2生产的最佳反应条件下，总金属负载和催化性能之间的相关性。2. 建立了原位高效环己酮氨肟化方法：使用不同总金属负载量的AuPd/TiO2（氯化物-O）催化剂的物理混合物，结合商用TS-1，观察基于H2的肟产率和选择性。通过催化剂设计，将H2O2直接合成与环己酮氨肟化配对生产肟，对现有技术产生革命性颠覆，且极具产业化哟用前景。1. 一步法：在接近工业过氧化氢氨氧化条件下，一步法高选择制备环已酮肟。2. 高选择性：环己酮选择性接近100%，氨选择性近100%，氢气选择性67%。3. 高产率：环已酮肟产率与工业过氧化氢氨氧化产率相同。环己酮氨肟化原位H2O2合成环己酮肟的关键反应途径原位方法在环己酮氨肟化反应中的应用不仅受到上述潜在缺陷的阻碍，而且还受到反应序列的两个关键过程之间条件的巨大差距的阻碍。在低pH和亚环境温度下有利于直接生成H2O2，而与氨肟化过程相关的高反应温度和基本条件都不利于H2O2的稳定性。本文通过在AuPd纳米颗粒上结合商用TS-1催化剂原位生成H2O2弥合了这一差距，并将H2O2的直接合成与环己酮氨肟化配对，以产生与当前商业化中观察到的产量相当的肟（图1）。在0.33%Au-0.33%Pd/TiO2（氯化物-O）的最佳催化剂配比下，观察到基于H2的肟产率和选择性（即消耗的H2摩尔数，导致通过H2O2形成肟）分别为77%和71%。没有观察到有害有机副产物的形成，例如硝基环己烷或环己烯基环己酮（副产物的分析检测阈值相当于~0.005 M）。与单独使用任一组分时观察到的情况相比，使用H2和O2与N2稀释剂组成的气体反应物混合物可显著提高环己酮肟产率。事实上，与使用预制H2O2（41%）时观察到的环己酮肟产率（77%）相比，在H2O2浓度相当于原位反应中所有H2转化为H2O2时可能存在的浓度时，原位方法也提供了更高的环己酮肟产率（77%）。使用商用H2O2时观察到的相对有限的活性可归因于在反应开始时完全添加H2O2；众所周知，在反应过程中不断添加H2O2会影响当前工业过程的催化性能。进一步的研究表明，无论使用何种载体（TiO2、SiO2、CeO2、Al2O3、Nb2O5、ZrO2）固定AuPd纳米颗粒，都可以实现高催化性能（对环己酮肟的选择性>95%）。
当Au和Pd均固定在同一载体上时，观察到环己酮肟的生成增强，0.33%Au-0.33%Pd/TiO2（氯化物-O）和TS-1系统（77%肟产率）的活性显著优于由单金属催化剂或其物理混合物组成的类似物（图2A）。事实上，金与钯的合金化在抑制O–O离解（抑制H2O生成）和促进H2O2从催化表面释放方面都非常有效。因此，有理由认为，金的作用是促进H2O2（或过氧物种）从贵金属表面解吸，从而使随后扩散到TS-1框架内的TiIV位点。TS-1反过来催化羟胺中间体的形成，在没有钛硅酸盐或AuPd负载催化剂的情况下观察到有限的氨肟化活性(≤肟选择性15%）。对0.33%Au-0.33%Pd/TiO2（氯化物-O）和TS-1双催化剂系统的进一步分析表明，当反应不受环己酮可用性限制时，可以实现高H2选择性，在1小时的反应时间内观察到H2选择性为98%，环己酮转化率为30%（图2B）。作者将研究扩展到其他酮（环戊酮、环庚酮、环辛酮和苯乙酮）的氨肟化作用，许多相应的肟在药物合成中得到应用。使用0.33%Au-0.33%Pd/TiO2（氯化物-O）和TS-1催化剂（图2C），观察到所有底物的肟选择性>95%，证明了原位生成肟方法的多功能性。酮转化率的变化主要与酮与羟胺的固有反应性不同有关，此外，较大酮进入钛硅酸盐孔结构内部的能力有限。虽然使用助催化剂系统可以获得高产率的环己酮肟，但在工业规模上的应用将需要使用既能合成H2O2又能催化形成羟胺的复合催化剂。因此，研究了以商用TS-1为载体的AuPd纳米颗粒对环己酮氨肟化反应的效果，催化剂由PdCl2和HAuCl4湿法共沉淀到TS-1上，然后煅烧[表示为0.33%Au-0.33%Pd/TS-1（氯化物-O）]。该催化剂生成H2O2的速率与使用一系列氧化物载体时观察到的速率相当，双功能催化剂对肟的选择性>95%.随后证明，通过使用Pd(OAc)2和HAuCl4前驱体，然后进行煅烧，通过顺序湿浸渍程序制备钛硅酸盐支持的催化剂，可以进一步提高催化性能.图2. 与TS-1一起使用的负载型0.66%AuPd/TiO2（氯化物-O）催化剂通过原位生产H2O2对环己酮氨肟化的催化活性
将0.33%Au-0.33%Pd/TS-1（醋酸盐-O）催化剂暴露于还原热处理（2小时，400°C，5%H2/Ar）中，导致Pd氧化状态完全转变为Pd0，同时观察到H2O2合成和环己酮氨肟化（图3A）的催化性能增加。对0.33%Au-0.33%Pd/TS-1（醋酸盐-O+R）催化剂进行的详细STEM分析（图3B）在TiO2和TS-1上都有显著的金属修饰。HAADF-STEM成像和相应的XEDS元素图谱显示，存在于少数TiO2相上的金属纳米颗粒主要由较大（5至20 nm）的AuPd合金组成，此外还有一些较小（1至3 nm）的纯Pd颗粒。TS-1多数相的对比分析表明，Pd优先固定，明显没有Au或AuPd合金。使用0.33%Au-0.33%Pd/TS-1（醋酸盐-O+R）催化剂进行的时间在线研究表明，当环己酮的可用性不受限制时，表现了高H2选择性（94%），这表明在延长的反应时间内，H2通过H2O2降解或非催化途径非选择性地消耗，而氨选择性，无论反应时间如何，都相对较高（约75%）。通过对肟化反应后的溶液进行ICP分析，确定催化剂在多次使用后金属浸出量较小，连续使用三次后没有观察到金属损失，且此时催化剂功效仍保留了80%以上。STEM-HAADF分析（图3D）发现，观察到的钯浸出与较小的非合金钯纳米颗粒的损失有关，这些颗粒主要存在于制备材料的TS-1主相上。在多次使用后，存在于少数TiO2组分上的AuPd纳米合金的成分和分散性得以保留。
图3. TS-1负载的复合AuPd催化剂对环己酮原位生成H2O2氨肟化反应的性能和稳定性
在优化H2O2选择性的条件下，负载型AuPd纳米颗粒在流动状态下对H2O2的产生具有高稳定性。考虑到这些观察结果，接下来评估了0.33%Au-0.33%Pd/TS-1（醋酸盐-O+R）催化剂通过原位H2O2生产环己酮氨肟化的稳定性，通过使用连续流反应器，环己酮和氨的浓度与工业氨肟化过程中使用的浓度相当。在这种情况下，催化剂在还原（2小时，200°C，H2）之前暴露于氧化热处理（16小时，110°C，静态空气），并在批处理条件下表现出与暴露于更高温度热处理的类似材料相当的性能。这些连续流动研究表明，在间歇条件下观察到的高催化稳定性（图3C）可以很容易地转化为流动系统（图4），包括液体[环己酮和氨（NH3 aq.）]以及气体（H2和O2）反应器。事实上，使用该连续流反应器，环己酮肟产率和H2选择性在连续运行数小时内分别稳定在48%和70%，在反应40小时内未检测到明显的催化稳定性损失。此外，鉴于氨的有限可用性[环己酮：NH3（aq.）1:0.5]，观察到该试剂的几乎完全选择性利用（96%的氨选择性），这将避免在现场工艺的任何潜在工业应用中与试剂分离和回收相关的大量成本。作者设计了负载型金钯（AuPd）合金纳米颗粒和硅酸钛-1（TS-1）催化剂，在工业化条件下取得了近乎100%的超高选择性及超长稳定性。经过经济技术评估，假设所制备的催化剂寿命为0.75年，则原位生成H2O2制备环己酮肟的成本与现有工业化成本相当。而当催化剂寿命延长到2.3年时，生产成本将降低13%。同时，原位的方法减少了商业H2O2的运输和存储成本以及对反应器寿命的成本。更重要的是，这一关键平台化学品的碳含量较低的制造工艺也带来了可观的环境节约。原位路线代表着朝着更可持续的选择性化学转化迈出了积极的一步，有可能取代目前环己酮肟的工业路线。更广泛地说，这种方法可能在其他工业依赖于使用TS-1和预成型H2O2的氧化反应中得到更广泛的应用。Richard J. Lewis et al. Highly efficient catalytic production of oximesfromketones using in situ–generated H2O2. Science, 2022,376, 615-620.DOI: 10.1126/science.abl4822.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl4822
