含Re烯烃环氧化催化剂的合成、表征及催化性能研究

【摘要】：环氧化合物是有机合成的重要中间体和有机化工原料,如环氧丙烷、环氧环己烷、环氧苯乙烷等。由于它们在石油化工、高分子合成材料、精细化工、有机合成和制药等领域的广泛应用,多年来受到了人们极大的重视。而烯烃的环氧化反应是合成环氧化物的重要途径,因此,烯烃的环境友好催化氧化是催化领域中的一大热点,研究开发出催化活性高,反应结束后便于催化剂与反应产物分离,并且能够多次循环使用的理想催化反应体系更是人们的期望所在。目前,具有此方面优势的反应体系有两个,一个是迄今为止所报道的最广泛和最具有催化活性的有机金属催化剂之一的甲基三氧化铼(简称MTO)与过氧化氢(H202)组成的催化体系,另一个是与传统溶剂相比具有无毒、无挥发性、热稳定性高、可以溶解大多数有机物且能循环使用等特点的绿色溶剂—室温离子液体体系。因此,将高效、高选择性的有机金属催化剂与绿色溶剂结合起来,研究其在烯烃环氧化方面的应用,不仅具有重要的理论意义,而且对于开发绿色化工过程具有重要的应用价值。本论文在此方面进行了研究,研究内容主要包括以下六部分： 第一章序言对查阅的文献进行综述,主要包括以下内容：MTO的性质、合成方法,其配合物的研究现状以及在有机合成反应中的应用情况；其次,综述了室温离子液体的种类、合成方法以及在有机合成反应中的应用；最后,总结了MTO作为催化剂或辅助催化剂在室温离子液体中的研究进展。 第二章使用标准的Schlenk操作技术在无水无氧条件下合成了八种文献上未见报道的MTO希夫碱配合物,包括MTO水杨醛缩苯胺希夫碱配合物(C13H11NO·CH3ReO3)(A-MTO)、MTO水杨醛缩苯胺对氯希夫碱配合物(C13H10ClNO·CH3Re03)(B-MTO)、MTO水杨醛缩苯胺对甲基希夫碱配合物(C14H13NO·CH3Re03)(C-MTO)、MTO水杨醛缩苯胺对甲氧基希夫碱配合物(C14H13NO2·CH3ReO3)(D-MTO)、MTO水杨醛缩苯胺邻甲基希夫碱配合物(C14H13NO·CH3ReO3)(E-MTO)、MTO水杨醛缩苯胺邻氯希夫碱配合物(C13H10ClNO·CH3ReO3)(F-MTO)、MTO水杨醛缩苯胺对羟基希夫碱配合物(C13H11NO2·CH3ReO3)(G-MTO)、MTO水杨醛缩苯胺对乙氧基希夫碱配合物(C15H15NO2·CH3ReO3)(H-MTO),各配合物均具有良好的稳定性,室温下可在空气中稳定存在数周而不分解。并应用IR、1H-NMR、元素分析等对所合成的配合物进行了表征,通过Bruker Smart 1000 X射线单晶衍射仪测得了配合物的晶体结构。结果表明,各配合物配位方式均为希夫碱配体中酚羟基氧原子与MTO的中心铼原子配位,在空间上形成畸变的三角双锥结构。 第三章利用合成的E-MTO、F-MTO、G-MTO、H-MTO四种MTO希夫碱配合物作为催化剂,过氧化氢(H2O2)为氧化剂,CH2Cl2为溶剂催化三种不同的烯烃(即环己烯、苯乙烯和环辛烯)环氧化,分别考察了催化剂用量、溶剂用量及配体用量对环己烯、苯乙烯及环辛烯环氧化反应的影响。用气相色谱、气质联用等仪器对产物进行定性和定量分析。并讨论了苯胺的取代基团对配合物催化烯烃环氧化性能的影响。结果表明,以环己烯为底物时,烯烃首先转化生成环氧化物,后又逐渐转化成二醇,反应的最终产物为邻二醇；以苯乙烯为底物时,环氧化物产率较低,一般不高于70%,反应的最终产物为二醇。以环辛烯为底物时,烯烃转化生成环氧化物且能长时间稳定存在,整个过程没有二醇生成。根据四种配合物催化烯烃的数据得出以下结论：当苯胺的取代基是拉电子或较弱的供电子基团时,如-Cl和-CH3时,催化剂具有较高的催化性能。反之,当苯胺的取代基是较强的供电子基团时,如-OH和-OCH2CH3,特别是-OCH2CH3这类较大的基团时会导致催化剂分解失活,从而使催化剂表现出了相对较低的催化性能。 第四章,利用合成的A-MTO、B-MTO、C-MTO、D-MTO、E-MTO、G-MTO六种MTO希夫碱配合物为催化剂,过氧化脲(UHP)为氧化剂,[Emi]SE离子液体作为反应溶剂对环戊烯、环己烯和环辛烯的环氧化进行了研究。分别考察了催化剂用量、溶剂用量及氧化剂用量对反应的影响,并确定了各烯烃反应的优化条件。结果表明,随着时间的进行,反应一直向着环氧化方向进行,没有其它副产物生成；最后用柱层析法分离纯化环氧化物,经1H-NMR表征确认分离产物为环氧化物,并且纯度较高。由此证明了用离子液体[Emi]SE代替传统的有机溶剂CH2Cl2作为烯烃环氧化反应的溶剂能够提高反应的选择性,并且催化体系具有催化活性高、产物易分离、绿色环保等诸多优点。 第五章以氮甲基咪唑和高铼酸铵为原料采用两步法合成了六种未见文献报道的铼室温离子液体,包括1-乙基-3-甲基咪唑-高铼酸盐([C2mim][ReO4])、1-丁基-3-甲基咪唑-高铼酸盐([C4Mim][ReO4])、1-戊基-3-甲基咪唑-高铼酸盐([C5mim][ReO4])、1-己基-3-甲基咪唑-高铼酸盐([C6mim][ReO4])、1-辛基-3-甲基咪唑-高铼酸盐([C8mim][ReO4])、1-十二烷基-3-甲基咪唑-高铼酸盐([C12mim][ReO4])。通过IR、EA、NMR、ESI-MS、DSC和拉曼光谱等分析测试手段对新型离子液体进行了表征,确定了离子液体的结构及密度、电导率等性质。 第六章采用上述合成的六种铼室温离子液体兼作催化剂和反应介质,过氧化脲(UHP)为氧化剂催化环辛烯环氧化反应。分别考察了离子液体用量、氧化剂用量和温度对反应的影响,得到了适宜的反应条件：底物1mmol,氧化剂2.5mmol,离子液体0.6mL70℃反应4h。即：底物为1mmol,底物：氧化剂=1：2.5，离子液体0.6mL。在此条件下,1,2-环氧环辛烷的选择性为99%以上。研究结果表明,此催化体系最显著的特点是铼离子液体兼作催化剂和溶剂,所以操作和后处理均简单易行,分离后的离子液体经过简单的真空干燥,除去其中的有机溶剂和水后即可重复使用；并且催化体系可以循环使用多次不失去活性。有实验证明,铼离子液体循环使用12次后,环氧化物的产率仍然很高。由于此系列铼离子液体是无害的非挥发性、非腐蚀性催化剂,且在反应过程中避免了挥发性有机溶剂的使用,符合环境友好的要求,因此是一种较理想的催化烯烃环氧化的反应体系。