固体酸在一些液相催化反应中的应用研究

论文摘要

众所周知,液体酸是酸催化领域生产许多重要化工原料的传统催化剂,但存在难以与反应体系分离、不能重复利用以及环境污染严重等不足,而相对应的固体酸则具有可重复使用,环境友好和产物易分离等优势,因此用固体酸催化剂取代液体酸已成为当务之急。固体酸如沸石、介孔材料、金属氧化物、固体超强酸、阳离子交换树脂等在液相酸催化反应中的应用已有很多的研究,但真正能在实际反应中替代液体酸的固体酸还是很少,因为适用于某一液相反应的固体酸催化剂,不仅要考虑它自身的酸催化本质,还要考虑酸催化反应本身的特点,特别是有水存在的液相反应体系中,必须考虑所用的固体酸的活性中心是否易被水中毒。本论文选取了几个有代表性的液相酸催化反应:对苯二酚烷基化反应、丁二酸酯化反应、乙酸乙酯水解反应以及1-甲氧基萘酰化反应,并尝试着将SnSO4和碳基磺酸化的固体酸应用到这些反应中,通过对其在不同反应条件下催化活性及稳定性的考察,以及与沸石分子筛MCM-49、固体超强酸SO42-/SnO2的对比,以期进一步了解催化剂的特性,为这两类材料在其他的类似的酸催化反应中的应用提供依据。本论文的具体内容如下:1、研究了不同温度焙烧的SnSO4在对苯二酚烷基化反应中的应用,并与沸石分子筛MCM-49以及固体超强酸SO42-/SnO2进行比较,发现SnSO4在本反应中具有最高的催化活性,在150℃条件下反应4小时对苯二酚的转化率达到96%,2-叔丁基对苯二酚的得率为65%。催化剂的物化性质及酸性性质进行了表征,发现催化剂的高活性除了与表面的酸量和酸强度有关外,还与催化剂表面的疏水性有关,其活性位不易被水中毒。SnSO4在反应中的可重复使用性较好,在循环反应三次后,活性只有少许的下降。其高的稳定性活性可能是由于弱的酸强度导致由副反应引起的积炭较少,表面硫物种在反应体系中不易流失。MCM-49虽然其酸强度和酸量都大于SnSO4,但其酸性位易被水中毒,因此其催化活性低于SnSO4。而固体超强酸SO42-/SnO2在催化活性和稳定性上都低于SnSO4。2、研究了SnSO4在其它的有机反应如乙酸乙酯水解、1-甲氧基萘酰化反应、丁二酸酯化的催化活性及稳定性,可以发现SnSO4在不同的有机反应中的催化活性及稳定性不同。研究结果表明,SnSO4在乙酸乙酯、丁二酸酯化反应中的活性较高,主要是由于SnSO4的活性位不易被水中毒。而SnSO4在1-甲氧基萘酰化反应中的活性较低。其次,SnSO4在这三个液相有机反应中的稳定性均不如其在对苯二酚烷基化反应中的稳定性。从XRF的测定结果表明,催化剂失活的主要原因是SnSO4表面硫物种在反应过程中发生了溶脱,而且溶脱的硫含量都远高于SnSO4在对苯二酚烷基化反应中溶脱量。将反应的结果和反应本身的性质进行关联,可以发现在有水的有机相反应体系中,水的量越多,反应过程中SnSO4表面硫物种溶脱的量也越多。而在纯的有机相反应中,溶剂或反应物的极性越大,溶脱的硫物种的量也越多。3、研究了碳基磺酸化的固体酸（标记为C-SO3H）在对苯二酚烷基化反应和乙酸乙酯的水解反应中的应用,研究结果表明C-SO3H在烷基化反应中失活严重,主要是由于反应的条件比较苛刻,导致C-SO3H表面的酸性基团脱落。而在反应温度较低的水相中的乙酸乙酯水解反应,虽然催化剂仍会发生溶脱,但溶脱的量较少。通过考察温度、溶剂等对C-SO3H材料本身稳定性的影响,初步了解了该材料的使用条件与应用范围,为今后该材料在酸催化反应中推广提供了依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 固体酸催化剂代替液体酸
• 1.1.1 固体酸的定义及分类
• 1.1.2 金属硫酸盐
• 1.1.3 碳基磺酸化的固体酸
• 1.4 本论文选题思想及研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验方法
• 2.1 表征方法
• 2.1.1 比表面测定
• 2.1.2 X射线粉末衍射
• 2.1.3 X射线荧光分析法（XRF）
• 2.1.4 等离子发射光谱仪（ICP）
• 2.1.5 傅立叶红外光谱仪（FT-IR）
• 2.1.6 扫描电镜（SEM）
• 13C固体魔角旋转核磁共振(¹³C MAS NMR)'>2.1.7¹³C固体魔角旋转核磁共振(¹³C MAS NMR)
• 2.1.8 紫外可见分光光谱仪（UV-VISIBLE RECORDING SPECTROPHOTOMETRER）
• 2.2 催化反应活性评价
• 2.2.1 对苯二酚与叔丁醇烷基化反应
• 2.2.2 酸乙酯水解反应
• 2.2.3 丁二酸酯化反应
• 2.2.4 1-甲氧基萘酰化反应
• 2.2.5 异丙苯裂解反应
• 2.2.6 异丙醇脱水反应
• 第三章 硫酸亚锡在对苯二酚与叔丁醇烷基化反应中的应用
• 3.1 催化剂的制备
• 3.2 实验结果和讨论
• 3.2.1 不同金属硫酸盐催化剂在对苯二酚与叔丁醇烷基化反应中的活性
• 4在对苯二酚与叔丁醇烷基化反应中的活性'>3.2.2 不同温度焙烧的SnSO₄在对苯二酚与叔丁醇烷基化反应中的活性
• 4（350）在对苯二酚烷基化反应中催化活性的影响'>3.2.3 不同反应温度对SnSO₄（350）在对苯二酚烷基化反应中催化活性的影响
• 4（350）的可重复利用性'>3.2.4 催化剂SnSO₄（350）的可重复利用性
• 3.2.5 酸性表征
• 3.2.6 与MCM-49（20）的比较
• 4^2-/SnO₂的对比'>3.2.7 与超强酸SO₄^2-/SnO₂的对比
• 3.2.7.1 催化剂的表征
• 4^2-/SnO₂在对苯二酚烷基化反应中的活性及重复使用性'>3.2.7.2 超强酸SO₄^2-/SnO₂在对苯二酚烷基化反应中的活性及重复使用性
• 4^2-/SnO₂的抗水能力'>3.2.7.3 SO₄^2-/SnO₂的抗水能力
• 3.3 结论
• 参考文献
• 第四章 硫酸亚锡在其他有机反应中的应用
• 4.1 催化剂的制备
• 4.2 实验结果和讨论
• 4在乙酸乙酯水解反应中的应用'>4.2.1 SnSO₄在乙酸乙酯水解反应中的应用
• 4在乙酸乙酯水解反应中的活性及其重复使用性'>4.2.1.1 SnSO₄在乙酸乙酯水解反应中的活性及其重复使用性
• 4在丁二酸酯化反应中的应用'>4.2.2 SnSO₄在丁二酸酯化反应中的应用
• 4（350）在丁二酸酯化反应中的活性及其重复使用性'>4.3.2.1 SnSO₄（350）在丁二酸酯化反应中的活性及其重复使用性
• 4在1-甲氧基萘酰化反应中的应用'>4.2.3 SnSO₄在1-甲氧基萘酰化反应中的应用
• 4（350）在1-甲氧基萘酰化反应中的活性及其重复使用性'>4.3.3.1 SnSO₄（350）在1-甲氧基萘酰化反应中的活性及其重复使用性
• 4.3 结论
• 第五章 碳基磺酸化的固体酸在酸催化反应中的应用
• 5.1 碳基磺酸化催化剂的合成
• 5.2 实验结果和讨论
• 5.2.1 催化剂的结构表征
• 5.2.2 催化剂的酸性
• 5.2.3 催化剂烷基化反应的活性
• 3H催化剂的可重复利用性'>5.2.4 C-SO₃H催化剂的可重复利用性
• 3H催化剂在其他有机反应中的应用'>5.2.5 C-SO₃H催化剂在其他有机反应中的应用
• 5.2.5.1 催化剂的适用条件的探讨
• 3H催化剂在乙酸乙酯水解反应中的应用'>5.2.5.2 C-SO₃H催化剂在乙酸乙酯水解反应中的应用
• 3H催化剂在乙酸乙酯水解反应中的催化活性'>5.2.5.2.1 C-SO₃H催化剂在乙酸乙酯水解反应中的催化活性
• 5.3 结论
• 参考文献
• 论文发表情况
• 致谢