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生物质基催化剂的制备及其催化性能研究

陈巍  
【摘要】:合成化学与人类的生存发展密切相关,合成化学的中心任务是开发高效的碳-碳键、碳-杂键生成方法和官能团转化策略。其中,以过渡金属催化剂的有机反应尤为重要,一直是该领域的研究热点,已经广泛应用于化工、医药等产业。但是,传统的均相催化以及依其建立起来的合成化学工业生成成本高,同时催化剂(尤其是过渡金属离子和膦配体)的排放对生态环境造成严重污染和破坏,在治理过程中需要花费巨大的费用。多相催化剂不仅能解决均相催化剂较难分离、回收以及循环使用等问题,而且可以实现工业化连续生产,已成为当今绿色化学领域的研究热点。生物质基材料是一类具有发展潜力的功能性材料,它可以替代传统材料,减少对化石资源的依赖和环境污染等问题。同时,生物质材料因具有高的比表面积和丰富的官能团,能够螯合金属离子和纳米粒子,能在绝大多数有机溶剂中稳定存在。此外,生物质还具有种类繁多、可生物降解及良好的生物相容性等优点,是制备多相催化剂的理想载体。因此,设计和构建以生物质为载体的催化剂体系具有十分重要的意义。在此研究背景下,本论文设计合成了几种生物质基催化剂,并研究了这些催化剂在有机合成的应用,具体内容如下:(1)通过原位还原-沉积方法将金属钯纳米粒子沉积于木聚糖类半纤维素分子骨架表面,成功制备了木聚糖类半纤维素负载纳米钯催化剂,并对催化剂的形貌、组成、催化性能以及稳定性进行了系统研究。研究结果表明,在较温和的条件下,该催化剂能高效地催化卤代芳烃(碘代、溴代芳烃)分别于有机硼酸、烯烃、炔烃之间的Suzuki、Heck、Sonogashira交叉偶联反应,产率达82~99%。催化剂通过过滤、洗涤、干燥等简单的操作步骤,实现催化剂的循环使用,在重复使用6次后催化效果没有明显的降低。(2)以从黄竹生物质原料中提取的木聚糖类半纤维素为载体,通过三联吡啶配体化学改性后与钯盐配位,制备了新型木聚糖类半纤维素负载钯-三联吡啶络合物催化剂,并应用于催化Suzuki偶联反应。研究结果表明,在室温条件下以醇类作溶剂,该催化剂能够有效催化卤代芳烃与有机硼酸类化合物的Suzuki偶联反应,产率达78~98%。催化剂具有良好的循环使用性能,经过简单过滤、洗涤和干燥等操作步骤,实现了催化剂的循环使用,在循环使用6次后催化活性没有明显下降,表现出良好的稳定性和催化活性。(3)以农林废弃物蔗渣中具有的丰富的羟基等活性基团作为氢键供体与碘化钾复合,制备了蔗渣/碘化钾二元催化剂体系(KI/SCB),并成功用于催化无溶剂条件下的二氧化碳与氧(氮)杂环丙烷类化合物环加成反应。考察了蔗渣与碱金属盐协同催化关系,以及多种反应因素(温度、时间、压力)对环加成反应催化活性的影响。在此研究基础上,对反应底物的广谱性进行了拓展,成功制备了一系列环状碳酸酯类以及噁唑烷酮类化合物。催化剂在循环使用5次后催化活性没有明显下降,表现出极高的催化活性和稳定性。该催化体系在化学固定二氧化碳制备碳酸丙烯酯工业中具有潜在的实际应用前景。(4)以木质素磺酸盐作为原料,通过简单离子交换过程制备了木质素磺酸(LSA)催化剂。研究结果表明,在无溶剂条件下,LSA可催化醛、β-萘酚、1,3-环己二酮类化合物之间的三组分缩合反应制备相应的苯并呫吨类化合物。在90℃条件下,反应时间为2 h,LSA用量为20 mg的条件下,产率达82~93%。该催化剂对含有多种取代基的底物均具有良好的广谱性。催化剂连续使用4次后,产率仍可达82%,具有良好的循环使用性能。同时本研究发现该制备的催化剂LSA对多种多组分反应具有良好的普适性。在催化醛、β-萘酚、酰胺类化合物三组分缩合反应制备酰胺烷基萘酚类化合物、Hantzsch反应以及Strecker反应表现出良好的催化活性和稳定性。(5)以农林废弃物蔗渣为原料经不完全炭化、磺化等步骤制备了基于蔗渣生物质固体酸催化剂,并应用于催化硝基苯乙烯类化合物与叠氮化钠之间的1,3-偶极环加成反应。在N,N-二甲基甲酰胺作溶剂60℃条件下,该催化剂能有效催化硝基苯乙烯类化合物与叠氮化钠的1,3-偶极环加成反应,产率达65~95%。研究发现,在该催化体系中,供电子基取代基反应活性高于吸电子基,吸电子效应越强催化活性越低;对位取代基的反应活性最高,间位活性次之,邻位活性最低。该催化剂在连续使用5次后,其产率仍达84%,表现出良好的稳定性和催化活性。


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