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功能化有序介孔有机硅材料的设计合成、形貌控制及催化应用研究

石教艺  
【摘要】:有序介孔有机硅材料(Periodic Mesoporous Organosilica, PMO)是在模板剂存在的条件下,通过有机桥联硅氧烷前驱体(R'O)3Si-R-Si(OR')3在酸性或者碱性溶液中的水解缩合制得;硅氧烷前驱体的有机官能团R直接嵌入PMO介孔材料的骨架中。由于PMO材料本身所具有的一些特性,如:有序的介孔结构、有机基团的高载入量及均一分布、空旷的孔道结构、有机骨架的可官能团化、以及可调变的物理和化学性质等,PMO材料在吸附、分离、催化、光学、电学及主客体化学等领域有着广阔的应用前景;同时,PMO材料也为在分子水平上设计合成出具有不同官能团和各种性能的有机-无机杂化多孔材料提供了新的机遇和挑战。另外,PMO材料的应用在一定程度上还依赖于其宏观形貌。因此,本论文的研究思路是:通过设计合成功能化的有机桥联硅氧烷前驱体,制备出新的功能化PMO材料;通过优化硅氧烷前驱体的水解缩合条件,实现功能化PMO材料的形貌控制合成;结合均相有机小分子不对称催化的最新进展,实现功能化PMO材料在多相不对称催化领域中的应用。 本论文的第一章主要从两个方面介绍PMO材料的最新研究进展。一是具有类晶体孔壁、手性和光学性质等功能化PMO材料的设计合成及应用;二是具有微/纳米球、多面体、薄膜、螺旋孔道结构和空心结构等特殊形貌PMO材料的合成及应用,其中对空心球的制备方法作了详细的介绍。 在本论文第三章中,我们报道了采用单一的有机硅氧烷前驱体[bis-或者tris(triethoxysilylethynyl)benzene]、以Brij 76为模板剂、在酸性条件下实现多炔基苯基PMO材料的合成。合成的对二炔基苯基PMO和间二炔基苯基PMO具有介孔结构、均一的孔径分布、高的比表面积和大的孔容。由于有机硅氧烷前驱体的水解缩合过程中发生了Si-C键的断裂,对二炔基苯基PMO和间二炔基苯基PMO中还含有大量的微孔。而1,3,5-triethynylbenzene PMO中Si-C键的极不稳定性,导致了该材料在含有模板剂时呈现出有序的介孔结构,而在模板剂提取后则得到无序的结构。 在本论文第四章中,我们报道了在极稀溶液中采用BTEB为前驱体、以CTAB为模板剂、NaOH为碱源,合成具有类晶体孔壁的亚苯基PMO纳米球(MO-PhPMO)。PhPMO呈单分散性,颗粒大小在100-300 nm之间。我们考察了合成条件对亚苯基PMO的分子有序性和形貌的影响。基于类品体孔壁的亚苯基PMO纳米球的合成方法,我们在合成过程中加入三氧化二铁纳米粒子作为硬模板,成功地合成了首例具有类晶体孔壁的PMO空心球(MO-H-PhPMO)。空心PMO纳米球具有很好的单分散性,尺寸在150-300 nm之间,内空腔的直径在90 nm左右。 在本论文第五章中,我们发展了一种简易的方法将MacMillan催化剂引入PMO空心球的内外表面。我们首先通过共缩聚的方法合成出含叠氮官能团的空心PMO纳米球,然后利用Click反应将MacMillan催化剂引入空心PMO材料中。在催化不对称Diels-Alder反应中,MacMillan催化剂负载的空心PMO材料表现出比负载的实心PMO材料更高的催化活性;而且在循环使用7次之后,空心PMO催化剂的活性没有明显的降低。催化测试结果还表明,通过共缩聚方法和Click方法制备的PMO催化剂比嫁接法制备的PMO催化剂具有更高的催化反应活性。


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