功能化聚离子液体的设计合成及其催化CO2高效转化

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随着世界经济的高速发展,对能源的消耗亦快速增加,导致大气中二氧化碳浓度急剧上升。因此如何高效地将二氧化碳捕获并转化为高附加值的化学品成为当前该领域的研究热点。大量研究表明:CO2与环氧化物生成环状碳酸酯可有效固定二氧化碳,是一种环境友好且原子经济性反应。目前,用于催化CO2环加成反应的催化体系仍存在反应条件苛刻、催化活性不高及催化剂分离困难等缺点。因此,开发一种反应条件温和、稳定性好的新型高效非均相催化剂具有十分重要的意义。当前研究表明,含Lewis酸/Lewis碱位点的二元催化体系可以有效催化CO2与环氧化物环加成反应。其催化机理是,Lewis酸位点可以活化环氧化物中的氧原子,Lewis碱位点亲核进攻环氧化物使其使开环。受此启发,我们以聚离子液体为主链,设计合成了三种含Lewis酸/Lewis碱位点的双功能催化剂用于CO2与环氧化物环加成反应,具体内容包括:(1)选用金属卟啉为交联剂合成了金属卟啉/季鏻盐双功能催化剂,通过FTIR、SEM、TEM、XPS、TGA、ICP、~1H NMR、CO2/NH3-TPD和固态13C NMR等表征技术确定了各催化剂体系的结构。随后,以环氧氯丙烷为模型化合物进行筛选出最佳催化剂。结果表明:金属卟啉/聚离子液体双功能催化剂(金属卟啉与季鏻盐的摩尔比为1:16)可以在温度为90°C,压力为0.1 MPa CO2,反应时间为18 h的条件下对环氧氯丙烷实现96%的转化率,所使用的的催化剂在使用后通过过滤的方式进行回收,在重复使用四次后催化活性略有降低。在对各底物适用性的实验中,也都表现出良好的催化性能及高选择性。(2)选用金属Salen为交联剂合成了金属Salen/季铵盐双功能催化剂,通过FTIR、SEM、XPS、TGA、ICP、~1H NMR等表征技术确定了各催化剂体系的结构。随后,以环氧氯丙烷为模型化合物进行筛选出最佳催化剂。结果表明:金属Salen/聚离子液体双功能催化剂(金属Salen与季铵盐的摩尔比为1:4)可以在温度为70°C,压力为0.1 MPa CO2,反应时间为24 h条件下环氧氯丙烷的转化率为94%,所使用的的催化剂在使用后通过过滤的方式进行回收,在重复使用四次后催化活性略有降低。在对各底物适用性的实验中,也都表现出良好的催化性能及高选择性。(3)选用脲基为交联剂合成了脲基功能化聚离子液体双功能催化剂,通过FTIR、SEM、XPS、TGA、~1H NMR等表征技术确定了各催化剂体系的结构。随后,以环氧氯丙烷为模型化合物进行筛选出最佳催化剂。结果表明:无金属脲基功能化聚离子液体双功能催化剂(脲基单元与季铵盐的摩尔比为1:4)可以在温度为100°C,压力为0.1 MPa CO2,反应时间为24 h条件下环氧氯丙烷的转化率大于99%,且对各底物都具有较高的适用性。综上,以聚离子液体为主链聚合物,然后分别用卟啉、二胺、对苯二异氰酸酯交联聚合物制备了三种双功能催化剂用于催化CO2环加成反应。这种不用外加交联剂,通过简单的季铵化、季鏻化或缩合反应就可以在常压下合成双功能非均相催化剂的方式为后续研究提供了一个新思路。
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