Zn4O(OAc)6的制备及其在碳酸二甲酯胺解反应和纳米ZnO制备中的应用

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Zn4O(OAc)6是一种多核配合物,可用作催化剂、润滑油添加剂、发光材料等。现有的制备方法存在工艺复杂、条件苛刻、易产生三废等诸多问题。为此,本文采用一种绿色易行的方法制备了Zn4O(OAc)6,并对其在碳酸二甲酯(DMC)胺解反应合成苯氨基甲酸甲酯(MPC)和纳米ZnO制备中的应用进行了研究。以Zn(OAc)2和DMC为原料,在较为温和的条件下制备Zn4O(OAc)6,并利用FTIR、XRD、13C NMR、1H NMR、TG和元素分析等方法对其进行了表征。考察了反应条件对Zn4O(OAc)6合成反应的影响,当nZn(OAc)2:nDMC=0.004:1,DMC含水量为0.086%时,在130℃反应1 h,Zn4O(OAc)6的产率为95.2%。另外,DMC中的水含量对Zn4O(OAc)6的合成影响显著,当含水量>0.086%时,会导致Zn4O(OAc)6纯度降低。对该合成反应过程进行研究时发现,DMC在水存在的条件下会发生水解反应释放出甲醇,Zn(OAc)2与DMC水解原位释放的甲醇发生反应得到Zn4O(OAc)6;而使用Zn(OAc)2与甲醇直接反应时,高浓度甲醇则会使得Zn(OAc)2先转化为Zn5(OH)8(OAc)2·2H2O(LHZA),而后LHZA又转化为ZnO。将Zn4O(OAc)6作为催化剂,考察了其催化DMC胺解法制备MPC的反应性能。当mZn4O(OAc)6:maniline=0.28,naniline:nDMC=1:20,反应温度130℃,反应时间为3 h,此时苯胺转化率为99.8%,MPC的收率为97.6%。由于Zn(OAc)2和DMC反应可制备Zn4O(OAc)6,因此Zn(OAc)2在催化DMC的胺解反应时,实际催化过程中存在Zn(OAc)2和Zn4O(OAc)6两种活性中心。在催化MPC合成反应中Zn(OAc)2占主导地位,而Zn4O(OAc)6在二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC)合成反应中占主要地位。此外,Zn(OAc)2催化合成MPC和二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC)的反应中,均存在诱导期,其中MDC合成过程中的诱导期尤为明显。诱导期的成因在于反应初期非均相Zn(OAc)2的存在,提高反应温度或减少DMC用量可在一定程度上缩短诱导期,其中反应温度的影响更为明显。以Zn4O(OAc)6作为锌源,采用水热法对纳米ZnO制备进行初步探究。在未加入酸或碱和任何表面活性剂条件下,以Zn4O(OAc)6为原料,水为溶剂,在200℃条件下晶化24 h时可制得长径比为23:1,形貌较为均一的ZnO纳米棒。
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