高效非均相催化新材料的研制及其性能研究

论文摘要

随着人类社会现代化进程日益加快,能源短缺和环境污染已经成为人类健康、生态平衡和社会经济发展面临的最大挑战。当今社会的绝大部分（95%）物质都是通过催化化学反应而生产的,因此,发展新的催化材料并由此开辟水介质清洁有机合成化工生产新途径,是实现可持续发展的有效途径。针对均相催化剂难于从反应体系中分离和重复多次使用的缺点,我们发展了共组装技术制备系列新型高效非均相催化剂,有效的解决了长期以来均相催化剂难以工业化的问题;通过设计多个活性组份协同作用原理,成功的实现多步有机反应“一锅”完成,既节约了能源又提高了合成效率。本论文研究主要涉及到高效非均相催化剂的制备及应用:从活性组份、载体改性、固载方式和固载技术等方面系统的探究了制备新型高效非均相催化剂的决定因素以及这些因素对环境友好型有机反应活性及选择性的影响;系统研究所制备的新型高效非均相催化剂应用于环境友好型反应体系并与传统负载型非均相催化剂体系以及商品化均相催化体系相比较,为设计新型高效和可重复使用的催化剂,开辟清洁化工生产新途径提供理论依据和实验积累。本论文的具体内容主要分为以下六方面:一、通过溶胶-凝胶法将金属纳米粒子（Au）包裹在具有高度有序的发散直孔道二氧化硅球体（HMS）空腔中,制备了类似“瓶中船”型Au金属纳米粒子负载催化剂（Au@HMS）,具有高度有序的开放式直孔道结构以及高比表面积,这不仅有利于有机反应物分子在该催化剂上的吸附,也有利于反应生成产物在催化剂孔道中的扩散。同时纳米Au颗粒均匀分散在高度有序的开放式直孔道结构二氧化硅球体的空腔中,一方面有效避免Au纳米粒子的团聚;另一方面也有效解决了Au纳米粒子在反应过程容易流失的问题。Au@HMS能简单回收并重复使用多次,催化活性基本保持不变。二、以有机配体二苯基膦（PPh2CH2CH2）修饰的周期有序介孔桥连苯基硅（PMO（Ph））材料作为载体,通过后嫁接技术络合化钯（Pd（PPh3）2Cl2）分别络合到载体上制得铑和钯高效负载型催化剂。所制备的Rh-PPh2-PMO（Ph）和Pd-PPh2-PMO（Ph）催化剂分别应用于水介质Heck-type反应和Barbier反应,均表现出良好的催化效率且还能够重复使用多次。高的催化活性归因于活性位的有效分散和催化剂规整有序的介孔结构,从而能减小有机反应底物和产物的扩散阻力。同时,由于苯基基团材料PMO（Ph）以及PPh2CH2CH2基团的修饰大大增强了催化剂表面的疏水性,这也有利于水介质中有机物分子的扩散与吸附,从而提高反应活性。在此基础上,通过同样的技术,还可以制备系列其它的高效负载型有机金属催化剂M-PPh2-PMO（Ph）（M=Au,Ni,Ru, Co等）。三、通过有机金属络合物与有机硅烷膦配体试剂反应,制备了一系列有机金属硅烷化试剂（M-PPh2-Ts,其中M代表Au+、Pd2+、Rh+、Pt2+、Ru2+、Ir+,PPh2代表PPh2CH2CH2基团,Ts代表三乙氧基硅）。这些有机金属硅烷化试剂（M-PPh2-Ts）能够选择性的完全溶解在某些极性有机溶剂中,同时通过调控反应溶剂的极性又能使这些硅烷化试剂完全从设计好的有机反应体系中析出来。利用这类硅烷化试剂的这一特性,我们设计了典型的几类有机反应体系,利用特定有机溶剂作为介质,使有机反应完全在均相催化下进行,反应结束后,加入另一种溶剂可使催化剂完全沉淀析出,实现催化剂的分离和重复使用,同时体现均相和非均相催化剂的优越性。四、采用表面活性剂诱导共组装的方法,将表面活性剂、有机金属硅烷化试剂和有机硅烷试剂三者在一定条件下,采用一步共缩聚法制得的一系列周期有序介孔（PMO）有机金属催化剂(M-PMO（R）,其中M代表Pd2+、Pt2+、Ru2+、Ir+、Au+、Rh+,R代表Ph或Ph2,在系列水介质清洁有机反应中显示了高的催化效率,且可以多次重复使用,而高效固载化均相催化剂的设计开辟了一条新途径。五、采用一步共缩聚法将两种不同金属活性位与有机硅烷在表面活性剂作用下共组装成有序介孔结构双功能催化剂,并应用于典型有机串联反应中,结果表明,所制备的Rh/Pd@PMO（Ph）双功能催化剂能够使醛甲基化和Heck反应“一锅”完成,并显示高活性和选择性,催化剂可多次重复使用。该催化体系的设计有效解决了传统有机合成反应需采用分步进行,不仅操作复杂,且效率低等问题。在此基础上,引入手性配体（R, R-DPEN）,得到手性双功能催化剂（Fe/Cp*Rh-TsDPEN-PMO（Et））,并应用于清洁水介质手性有机串联反应中,取得了与均相手性催化剂等同的活性与立体异构（ee）值,从而为制备手性化合物及药物中间体提供了有效途径。六、金属有机框架材料（MOF）具有超大比表面积、多孔性、超疏水性等特点,在催化方面具有巨大发展潜力。采用微波技术首次制备了Zr-MOF催化剂,采用硬模板技术制得了中空双层结构的ZIF-8-H催化剂以及多璧碳纳米管（CNT）与Zr-MOF的复合材料Zr-MOF/CNT,并对这些新型材料的应用尤其在催化方面进行了初步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 催化反应发展历程
• 1.2.1 均相催化
• 1.2.2 相转移催化
• 1.2.3 非均相催化
• 1.2.4 均相催化多相化体系
• 1.3 周期性介孔有机氧化硅材料（PMO）的发展
• 1.4 本论文选题思想和主要研究内容
• 第二章 试剂和研究方法
• 2.1 试剂与药品
• 2.2 仪器与表征方法
• 2.3 催化性能评价
• 第三章 溶胶-凝胶法制备“瓶中船”型金属催化剂
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 结论
• 第四章 后嫁接法制备高效介孔有机金属催化剂
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 结论
• 第五章 溶剂分离均相催化体系的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 结论
• 第六章 一步共缩聚法制备高效介孔有机金属催化剂
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.4 结论
• 第七章 双功能介孔有机金属催化剂的制备及性能研究
• 第一部分 Rh/Pd@PMO（Ph）双功能催化剂
• *Rh-TsDPEN-PMO（Et）双功能催化剂'>第二部分 Fe/Cp^*Rh-TsDPEN-PMO（Et）双功能催化剂
• 第八章 金属有机框架化合物的制备及催化性能研究
• 8.1 引言
• 8.2 实验部分
• 8.3 结果与讨论
• 8.4 双层中空 ZIF-8-H 的制备
• 8.5 结果与讨论
• 8.6 Zr-MOF/CNT 复合材料
• 8.7 结论
• 第九章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢