在GMA/MMA微球表面同步合成与固载钴卟啉及其催化氧化特性的研究

论文摘要

金属卟啉化合物能模拟细胞色素P-450,温和条件下活化分子氧,高效、高选择性地实现烃类物质的催化氧化,尤其是聚合物固载金属卟啉的催化氧化作用备受关注。本研究构思了一条制备聚合物固载金属卟啉催化剂的新途径:通过固-液间的Adler反应,实现卟啉在甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）与甲基丙烯酸甲酯（MMA）的交联聚合物微球GMA/MMA表面的同步合成与固载,进而与金属钴配位,制得了固载化钴卟啉催化剂,深入地考察其对分子氧氧化乙苯以及β-萘酚的催化活性,本文的研究结果在非均相金属卟啉仿生催化剂领域具有明显的科学价值。本文首先采用悬浮聚合法制备了交联共聚微球GMA/MMA,由于微球表面含有大量的环氧基团,通过开环成醚反应,可将对羟基苯甲醛（HBA）顺利地键合在微球表面,制得改性微球HBA-GMA/MMA。考察了各种因素（温度、溶剂、投料比等）对化学改性过程的影响。研究结果表明,对羟基苯甲醛本身是一种Br?nsted酸,无需加入催化剂即可顺利地进行环氧键的SN2亲核取代反应;采用极性较强的溶剂并升高温度有利于改性反应的进行。在改性反应中,以DMF为溶剂,当微球表面环氧基团与HBA的摩尔投料比为1:1.8,在110℃下反应12小时可得到键合量为0.21g/g的改性微球。以改性微球HBA-GMA/MMA、吡咯、苯甲醛（或取代苯甲醛）为共反应物,采用固-液之间的Adler反应,使卟啉的合成与固载同步进行,成功制得了固载有苯基卟啉、对氯苯基卟啉与对硝基苯基卟啉的三种功能微球PP-GMA/MMA、CPP-GMA/MMA、NPP-GMA/MMA。重点研究了各种因素对同步合成与固载过程的影响规律。实验结果表明,溶剂的极性、催化剂的酸性以及苯甲醛衍生物的结构是主要的影响因素,选择较高的温度（130℃）、使用极性强的溶剂（二甲亚砜）与pKa在3.0-3.9范围的酸（乳酸）,反应7h可制得卟啉固载量为7.86g/100g的功能微球。并且,在三种卟啉功能化共聚物中,采用对氯苯甲醛合成CPP-GMA/MMA是最易进行的,而采用对硝基苯甲醛合成NPP-GMA/MMA则最为困难。在实现卟啉的同步合成与固载后,实施了固载卟啉的微球与钴盐的配合反应,制备了固载有钴卟啉的三种固体催化剂CoPP-GMA/MMA、CoCPP-GMA/MMA、CoNPP-GMA/MMA,采用原子吸收光谱法测定了固体催化剂表面的钴含量。将其用于分子氧对乙苯的催化氧化,并考察了主要因素对催化活性的影响。实验结果表明,钴卟啉固体催化剂能有效地活化分子氧,具有优良的催化活性与选择性,120℃常压下通氧气反应12h,苯乙酮的得率可达21.5%。作为仿生催化剂的钴卟啉,过量的加入反而会抑制催化活性,且固载密度越小,催化活性越高;具有良好的重复使用性能。三种固体催化剂相比较,在芳环上具有强吸电子取代基硝基的CoNPP-GMA/MMA催化活性最高。采用三种固载钴卟啉为催化剂,在碱性甲醇溶液中以分子氧为氧化剂,实施了将β-萘酚氧化为2-羟基-1,4-萘醌（HNQ）的反应过程。实验结果表明,常压下于0℃通氧气反应2.5h,当氢氧化钠用量为5.0g且催化剂用量为0.231g时,可高选择性地合成HNQ,最高产率达30%。研究中发现,氢氧化钠对β-萘酚催化氧化反应起着重要作用,本身虽不起催化作用,但可以加快反应速率;在催化氧化体系中,苯基卟啉催化剂的苯环上取代基种类对其催化活性有很大的影响,具有斥电子的取代基反而能显著提高金属卟啉的催化氧化性能,有利于催化活性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 本课题的研究背景及意义
• 1.1 卟啉及金属卟啉化合物简介
• 1.1.1 卟啉及金属卟啉化合物的结构与性质
• 1.1.2 卟啉及金属卟啉化合物的合成进展
• 1.1.3 卟啉及金属卟啉化合物的应用
• 1.2 金属卟啉仿生催化剂的研究进展
• 1.2.1 金属卟啉催化剂催化分子氧氧化烃类物质
• 1.2.2 金属卟啉催化剂催化分子氧氧化含氧化合物
• 1.2.3 小分子金属卟啉仿生催化剂的缺点
• 1.3 小分子金属卟啉催化剂的固载化
• 1.3.1 无机载体固载金属卟啉
• 1.3.2 聚合物载体固载金属卟啉
• 1.4 本课题的研究目标
• 2 交联微球GMA/MMA的表面化学改性
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原料及仪器
• 2.1.2 交联微球GMA/MMA 的制备
• 2.1.3 交联微球GMA/MMA 的化学改性
• 2.1.4 改性交联微球HBA-GMA/MMA 的表征
• 2.1.5 考察各种因素对交联微球GMA/MMA 化学改性的影响
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 对羟基苯甲醛化学改性交联微球GMA/MMA 的反应机理
• 2.2.2 改性微球HBA-GMA/MMA 的红外光谱
• 2.2.3 各种因素对化学改性反应的影响
• 2.3 本章小结
• 3 卟啉在交联微球GMA/MMA表面同步合成与固载的实施
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 原料与仪器
• 3.1.2 卟啉在HBA-GMA/MMA 微球表面的同步合成与化学固载
• 3.1.3 固载卟啉微球的表征
• 3.1.4 考察主要因素对卟啉同步合成与化学固载过程的影响
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 在HBA-GMA/MMA 微球表面实现卟啉同步合成与固载的化学过程
• 3.2.2 微球PP-GMA/MMA、CPP-GMA/MMA 和NPP-GMA/MMA 的表征
• 3.2.3 各种因素对卟啉同步合成与固载过程的影响
• 3.3 本章小结
• 4 钴卟啉固体催化剂的制备及其催化氧化乙苯的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 原料与仪器
• 4.1.2 钴卟啉固体催化剂的制备与表征
• 4.1.3 钴卟啉固体催化剂催化氧化乙苯
• 4.1.4 考察各种因素对催化氧化反应的影响
• 4.1.5 考察催化剂的重复使用性能
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 钴卟啉固体催化剂的制备
• 4.2.2 钴卟啉固体催化剂的表征
• 4.2.3 乙苯催化氧化产物中苯乙酮含量的测定
• 4.2.4 钴卟啉固体催化剂在分子氧氧化乙苯过程中的催化作用
• 4.2.5 钴卟啉固体催化剂的重复使用次数与催化活性
• 4.3 本章小结
• 5 钴卟啉催化分子氧氧化β-萘酚特性的研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 原料与仪器
• 5.1.2 钴卟啉固体催化剂催化分子氧氧化β-萘酚
• 5.1.3 反应产物的表征以及HNQ 含量的测定
• 5.1.4 考察各种因素对催化氧化反应的影响及催化剂的重复使用性能
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 钴卟啉催化剂的化学结构
• 5.2.2 钴卟啉催化剂催化分子氧氧化β-萘酚的反应过程与机理
• 5.2.3 钴卟啉固体催化剂的催化活性
• 5.2.4 各种因素对催化氧化作用的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢