IB族金属纳米颗粒的制备及催化性能研究

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环境污染问题的日益加剧,使得人们对化学反应提出了更高的要求。因此,“绿色化学”的概念应运而生。其中,“催化”是实现反应绿色化的重要手段之一。纳米材料由于具有表面积大、表面原子配位数严重不足等特性而使其呈现出高的表面活性,其作为催化剂表现出许多传统催化剂无法比拟的优势,因而,将纳米材料引入到催化领域成为绿色催化研究中新的增长点。IB族金属纳米颗粒具有易于制备、不易生成氧化物等特性,其合成方法的研究受到了广泛的关注。同时,其在有机合成反应中的催化活性是近来的研究热点。目前为止,IB族金属纳米颗粒在有机合成反应中大多用作氧化催化剂,少有关于碳-碳键或碳-杂键形成反应的报道。本文在获得可重复制备的银、铜纳米颗粒的基础上,重点对其在碳-碳键及碳-杂键的形成过程中的催化作用进行了研究。1.筛选出可重复性强的制备银、铜纳米颗粒的方法。(1)采用液相还原法,研究了银、铜纳米颗粒的合成。过程中,重点考察了金属源、保护剂、还原剂的类型等因素对纳米颗粒粒径大小、粒径分布等的影响。以硝酸银作为银源,PVP作为保护剂,柠檬酸三钠作为还原剂时,可制备出形貌规整、粒径均匀分布在40nm左右的银纳米颗粒;在铜纳米颗粒的制备过程中,以醋酸铜作为铜源,PVP作为保护剂,硼氢化钠作为还原剂时,可制备出形貌较规整、粒径分布在30nm左右的铜纳米颗粒;以硫酸铜作为铜源,PVP作为保护剂,葡萄糖作为还原剂时,可制备出呈规整六边形的氧化亚铜纳米颗粒,粒径分布在700nm左右。(2)采用液相还原法制备了碳载体及金属氧化物负载的银纳米颗粒。选用碳黑、碳纳米管、金属氧化物(CeO2、SiO2、TiO2、Al2O3)作为载体时,均可实现银纳米颗粒的均匀负载。除碳纳米管外,其他几类载体制得的银纳米颗粒的粒径均分布在20—30nm左右。(3)采用模板法合成了碳负载的银纳米颗粒。较之液相还原法,采用模板法合成的银纳米颗粒粒径分布更加均匀,均分布在为25nm左右。2.在水相中,实现了银纳米颗粒催化的醛、炔加成反应。在该反应体系中观察到了显著的配体、载体效应。反应的最佳配体为三苯基膦,其对该加成反应起到了开关作用;二氧化钛作为银纳米颗粒的载体时,可有效的促进反应的发生。热分离实验表明,催化反应发生在固体催化剂的表面。这是首次成功的将Ag/TiO2作为催化剂引入到碳碳键的构建中的实例。此外,该反应的条件十分温和,在空气氛下,通过延长反应时间,反应甚至可在室温下顺利发生。3.在水相中,以三环己基膦氯化银作为催化剂,成功的实现了水杨醛与端炔的加成/环合串联反应,高效、高立体选择性的制得了Z-型橙酮前体。在该反应中,观察到了显著的卤离子效应。当把阴离子由氯离子变成氟离子时,反应向着生成E-型产物的方向进行。4.在水/甲苯两相体系中,以银纳米颗粒或碳负载的银纳米颗粒作为催化剂,实现了氧亲核剂对三键的加成反应,形成了碳—氧键,构建了合成橙酮的关键中间体。反应过程中,配体的存在被证明为是反应顺利发生的关键。这也是在银纳米颗粒催化的反应中观察到的罕见的配体促进效应。该催化体系表现出良好的催化活性和立体选择性。通过引入载体,提高了催化剂的循环、储存性能。5.在水/甲苯两相体系中,以绿色、温和的氧化剂—分子氧作为氧化剂,铜纳米颗粒或氧化亚铜颗粒作为催化剂,实现了分子内的氧化/环合串联反应,从而实现了催化剂的双功能化,一步法生成橙酮。在该体系中,联吡啶作为配体的引入被证明为是保证反应顺利发生的关键。
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