ПРЯМОЕ ОКИСЛЕНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ КИСЛОРОДОМ В ПЛАЗМЕ БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА
Аннотация
Изучено прямое одностадийное окисление ароматических соединений (бензол, толуол, кумол и смеси бензола с толуолом и нафталином) кислородом при температуре 20 °С в плазмохимическом реакторе с барьерным разрядом в условиях эффективного вывода продуктов реакции из реактора. Продуктами окисления бензола являются фенолы и двухатомные фенолы (в основном гидрохинон и пирокатехин). При окислении толуола в основном образуются крезолы (орто- и пара-изомеры), бензальдегид и бензиловый спирт. При окислении кумола образуются ацетофенон, диметилфенилкарбинол, бензальдегид, бензойная кислота. В процессе окисления кумола изо-пропилфенолов – гомологов фенола – не обнаружено. Окисление ароматических углеводородов в смесях происходит независимо друг от друга. При окислении смеси бензол-толуол образуются как производные бензола (фенол, гидрохинон, пирокатехин), так и толуола (крезолы, бензальдегид, бензиловый спирт). При окислении смеси бензола и нафталина продуктов окисления нафталина не обнаружено, в основном образуются фенол, гидрохинон, пирокатехин. На основе полученных результатов и имеющихся в литературе сведений об окислении углеводородов различного строения в низкотемпературной плазме барьерного разряда сделано предположение об общем механизме протекания процесса окисления. Показано, что в механизме процесса окисления ароматических углеводородов в плазме барьерного разряда кислородом можно выделить два основных направления: прямое взаимодействие атомарного кислорода с ароматическим кольцом с образованием фенольных соединений; взаимодействие атомарного кислорода с боковыми алкильными заместителями. На основе предложенной схемы удалось объяснить полученное в экспериментах распределение продуктов окисления исходных ароматических углеводородов. Обоснована целесообразность контроля условий окисления углеводородов для управления составом продуктов их одностадийного окисления в плазме барьерного разряда.
Для цитирования:
Очередько А.Н., Кудряшов С.В., Рябов А.Ю., Лещик А.В. Прямое окисление ароматических соединений кислородом в плазме барьерного разряда. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 8. С. 119-125. DOI: 10.6060/ivkkt.20256808.16t.
Литература
Gushchin A.A., Grinevich V.I., Kvitkova E.Y., Gusev G.I., Shutov D.A., Ivanov A.N., Manukyan A.S., Rybkin V.V. Gas discharges as a tool for cleaning gas and solution mediums and synthesis of inorganic materials. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 7. P. 120-131 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236607.6835j.
Grinevich V.I., Rybkin V.V., Lyubimo V.A., Gushchin A.A. Destruction of oil hydrocarbons in water solutions with oxygen dielectric barrier discharge of atmospheric pressure. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2017. V. 60. N 8. P. 20-27. DOI: 10.6060/tcct.2017608.5597.
Mancuso A., Sacco O., Sannino D., Venditto V., Vaiano V. One-step catalytic or photocatalytic oxidation of ben-zene to phenol: possible alternative routes for phenol synthesis? Catalysts. 2020. V. 10. N 12. P. 1424. DOI: 10.3390/catal10121424.
Fukuzumi S., Ohkubo K. One-step selective hydroxylation of benzene to phenol. Asian J. Org. Chem. 2015. V. 4. P. 836-845. DOI: 10.1002/ajoc.201500187.
Ottenbacher R.V., Talsi E.P., Bryliakov K.P. Recent progress in catalytic oxygenation of aromatic C–H groups with the environmentally benign oxidants H2O2 and O2. Appl. Organomet. Chem. 2020. V. 34. P. e5900. DOI: 10.1002/aoc.5900.
Vargas J.A.M., Day D.P., Burtoloso A.C.B. Substituted naphthols: preparations, applications, and reactions. Eur. J. Org. Chem. 2021. N 5. P. 741-756. DOI: 10.1002/ejoc.202001132.
Booth G. Naphthalene derivatives. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 2000. P. 671-723. DOI: 10.1002/14356007.a17_009.
Hosseini H. An overview of chemical reactions activated by plasma. Ind. Eng. Chem. Res. 2024. V. 63. N 45.
P. 19418-19434. DOI: 10.1021/acs.iecr.4c02506.
Masferrer-Rius E., Borrell M., Lutz M., Costas M., Klein Gebbink, R.J.M. Aromatic c−h hydroxylation reactions with hydrogen peroxide catalyzed by bulky manganese complexes. Adv. Synth. Catal. 2021. V. 363. N 15. P. 3783-3795. DOI: 10.1002/adsc.202001590.
Long, H., Chen, TS., Song, J. Zhu S., Xu H.-C. Electro-chemical aromatic C–H hydroxylation in continuous flow. Nat. Commun. 2022. V. 13. P. 3945. DOI: 10.1038/s41467-022-31634-4.
Fridman A. Plasma chemistry. New York: Cambridge University Press. 2012. 978 p.
Samoilovich V.G., Gibalov V.I., Kozlov K.V. Physical chemistry of a barrier discharge. M.: MGU. 1989. 174 p. (in Russian).
Kogelschatz U. Dielectric-barrier discharges: their history, discharge physics, and industrial applications. Plasma Chem. Plasma Process. 2003. V. 23. N 1. P. 1-46. DOI: 10.1023/A:1022470901385.
Wang B., Wang N., Sun Y., Xiao H., Fu M., Li Sh., Liang H., Qiao Zh., Ye D. Dielectric barrier discharge plasma modified Pt/CeO2 catalysts for toluene oxidation: Effect of discharge time. Appl. Surf. Sci. 2023. V. 614. P. 156162. DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.156162.
Xu N., Fu W., He C., Cao L., Liu X., Zhao J., Pan H. Benzene removal using non-thermal plasma with CuO/AC catalyst: reaction condition optimization and decomposition mechanism. Plasma Chem. Plasma Process. 2014. V. 34. N 6. P. 1387-1402. DOI: 10.1007/s11090-014-9580-y.
Kim H.H., Teramoto Y., Ogata A., Takagi H., Nanba T. Plasma catalysis for environmental treatment and ener-gy applications. Plasma Chem. Plasma Process. 2016. V. 36. N 1. P. 45–72. DOI: 10.1007/s11090-015-9652-7.
Teramoto Y., Kim H.H., Negishi N., Ogata A. The role of ozone in the reaction mechanism of a bare zeolite-plasma hybrid system. Catalysts. 2015. V. 5. N 2. P. 838-850. DOI: 10.3390/catal5020838.
Dey G.R., Sharma A., Pushpa K.K., Das T.N. Variable products in dielectric-barrier discharge assisted benzene oxidation. J. Hazard. Mater. 2010. V. 178. N 1-3. P. 693-698. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2010.01.143.
Najafpoor A.A., Jafari, A.J., Hosseinzadeh A., Jazani R.K., Bargozin H. Optimization of non-thermal plasma efficiency in the simultaneous elimination of benzene, toluene, ethyl-benzene, and xylene from polluted air-streams using response surface methodology. Env. Sci. Pollut. Res. 2018. V. 25. N 1. P. 233-241. DOI: 10.1007/s11356-017-0373-8.
Ochered’ko A.N., Kudryashov S.V., Ryabov A.Yu., Leshchik A.V. Direct oxidation of benzene to phenol in a dielectric-barrier discharge reactor. High Energy Chem. 2022. V. 56. N 4. P. 284-288. DOI: 10.1134/S0018143922040129.
Shutov D.A., Ivanov A.N., Sungurov A A.V., Ignatiev A.A., Morozova Yu.N., Rybkin V.V. Atmospheric pressure dielectric barrier discharge in hmds vapor as a coating deposition instrument. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N. 12. P. 120-131 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246712.7148.
Nist standard reference database. DOI: 10.18434/t4d303.
