苯酚选择性氧化为对苯醌(
p-BQ)是芳香化合物官能化中的典型反应之一, 也是实现高价值化学品绿色合成的关键步骤
[1]. 对苯醌作为一种多功能基础化合物, 不仅是杀菌剂
[2]和染料
[3]等大批量工业产品不可或缺的化学原料, 由于其较高的理论比容量, 也成为锂离子电池极具前景的电极材料
[4]. 目前, 工业合成对苯醌主要依靠苯胺氧化法, 以二氧化锰为氧化剂
[5]. 然而, 该方法存在环境污染严重、原料利用率低等问题, 限制了其可持续应用. 因此, 人们对开发可持续的对苯醌合成技术越来越感兴趣. 电化学技术作为现代绿色氧化领域极具应用前景的技术之一, 其核心在于突破传统氧化依赖化学氧化剂且易产生有害副产物的局限
[6], 通过设计适配的电极体系与反应条件, 以电子转移为驱动力, 借助氧化媒介, 在常温常压下即可实现物质高效转化
[7]. 电化学技术高度契合“碳达峰、碳中和”目标下绿色化学与可持续发展的核心需求
[8].
尽管苯酚电氧化在实验室规模已取得显著进展, 但阳极钝化的问题仍制约苯酚电氧化的实际应用
[9]. 例如, 在硼掺杂金刚石电极上恒电位(2.54 V vs. SHE)直接电氧化苯酚, 经过80 s后, 电流密度从初始的10 mA/cm
2下降到2 mA/cm
2, 电流衰减80%, 这是由于运行过程中电极表面形成了聚合物膜
[10]. 本课题组前期采用铅电极氧化苯酚生成对苯醌的研究发现
[11], 苯酚浓度从0.053增加到0.106 mol/L时, 对苯醌收率从69%下降到58%, 而在苯酚浓度维持0.106 mol/L不变的条件下, 通过反应过程中定期更换新的阳极, 对苯醌收率明显提高到65%. 该结果证实, 随着苯酚浓度的增加, 体系中会产生更多的非导电聚合物, 从而可能加剧阳极的钝化, 结合傅里叶红外技术表征的结果可知, 钝化物可能源于苯酚电解副产物(如聚合物)在阳极表面的吸附. 在铂电极上苯酚的氧化电流密度经过一次循环伏安扫描后, 从3.9 mA/cm
2衰减到1.7 mA/cm
2, 经过五次扫描后电流密度仅达到0.5 mA/cm
2, 下降了87.2%, 电流的减少可能源于苯酚氧化中间体在电极表面的聚合, 进而导致铂电极失活
[12]. Liu等
[13]发现在阳极电位低于1 V (vs. SHE)时, 直接电氧化苯酚导致电极钝化, 形成聚合物膜, 且该钝化层厚度达2.3 mm, 电极的电化学活性表面积由8.4 cm
2减少到1.6 cm
2.
根据前人研究, 苯酚及其衍生物在电氧化过程中会生成苯氧自由基, 这些自由基既可以进一步被氧化, 也可以发生偶联, 形成醚型和醌型低聚物或聚合物
[12,14]. Li等
[15]发现生成的苯氧自由基之间发生偶联反应, 形成二聚体、三聚体、四聚体和五聚体等低聚体. 在反应10 min时, 低聚体收率可达27.8%, 随着反应进行, 低聚体进一步聚合形成高分子量的聚合物, 通过质谱和色谱分析, 得到的聚合物数均分子量为3231 g/mol, 聚合物分散指数(PDI)为1.942
[16]. Wang等
[17]通过引入4-氨基-2,6-二氯苯酚来阻止苯酚在电极表面氧化而引起聚合, 从而在25~800 μmol/L苯酚的低浓度范围内抑制了阳极钝化. Hossain等
[18]研究表明, 向电解液中添加多金属氧酸盐, 多金属氧酸盐能够迅速氧化苯氧自由基中间体, 从而抑制阳极钝化. 但这些添加剂目前仍存在两方面问题: 仅在低苯酚浓度范围内有效, 以及后续产物的分离难度较大.
为解决上述问题, 本研究在铂电极上电氧化苯酚生成对苯醌的反应中引入乙醇添加剂, 探究其对反应效率和阳极钝化的影响(
图1). 气质和红外结果表明, 钝化层的形成与苯酚电氧化过程中产生的中间体在电极表面聚合有关. 电解实验结果表明, 在反应初期(通电量为0~10 F/mol), 乙醇可显著提高对苯醌收率及选择性, 而对苯酚转化率无明显影响. 当通电量超过10 F/mol时, 与未添加乙醇相比, 乙醇的存在可同时提高苯酚转化率、对苯醌收率及选择性, 且在该反应过程中电极表面无明显的钝化层形成. 通过对苯二酚的线性扫描伏安曲线和铂电极接触角测试结果推测, 乙醇可促进目标产物对苯醌在电极表面的脱附, 进而推动苯酚选择性氧化为对苯醌, 同时抑制对苯醌的过度氧化. 在较高通电量区间(10~25 F/mol), 苯酚氧化中间体的生成速率降低. 由于乙醇在反应初期促进苯酚氧化中间体选择性转化, 且该作用持续至后续反应阶段, 可有效减缓电极表面中间体的聚合, 从而抑制钝化层的形成. 在5 mmol/L苯酚、通电量25 F/mol、电流密度25 mA/cm
2、温度25 ℃的条件下, 当电解液中乙醇浓度为0.51 mol/L时, 苯酚转化率、对苯醌收率及选择性分别提高23.5%、34.1%和26.2%.