固体酸催化剂的设计合成及应用于水介质清洁有机合成的研究

【摘要】：酸催化过程在大宗化学品、精细化学品和药物中间体生产中占有重要的地位。均相酸催化剂普遍存在污染严重、设备腐蚀以及产物分离难等缺陷,对人类环境造成极大的负面影响。固体酸催化剂由于易于分离回收,可重复利用和环境友好的特点已经被广泛应用于众多化学合成。此外,利用无毒无害的水作为清洁溶剂代替有毒、易燃、易挥发的有机溶剂也是近年来的研究热点。然后,水极易使固体催化剂的活性中心中毒或分解而失活。因此,设计合成耐水性高效固体酸催化剂对于发展绿色化学过程具有重要的意义。本文制备了一系列成本低廉和简单易得的石墨烯氧化物或介孔酚醛树脂基酸催化剂,应用于水介质中果糖转化和甲醛高值化反应,取得了良好效果。具体研究内容如下:(1)通过Hummers法制得单层或几层的氧化石墨烯,利用其存在的大量羧酸基团催化果糖转化至高附加值5-羟甲基糠醛。结果显示,在水/仲丁基苯酚两相体系中,氧化石墨烯催化剂可在两小时内获得74%的5-羟甲基糠醛得率。控制实验证明其良好的活性可归因于减少的空间位阻。此外,氧化石墨烯还可重复使用多次,具有一定的稳定性。(2)采用溶剂挥发自组装法合成有序介孔酚醛树脂,采用氯磺酸处理可一步转化骨架中的苯基至苯磺酸基团,获得苯磺酸功能化介孔酚醛树脂。该材料依然保持大比表面积,有序孔径和高孔体积。选用价格低廉和来源广泛的一碳分子甲醛参与的Prins反应作为探针,结果表明,在纯水介质中,磺酸功能化介孔酚醛树脂可高选择性催化制得1,3-二氧六环衍生物。吸附实验显示该材料可有效吸附亲水性甲醛和疏水性烯烃,有效克服了传质限制,从而获得优异的催化活性。同时,该催化剂可重复使用多次没有明显失活,这是由于苯磺酸基团存在于介孔载体骨架中,可抑制活性位点脱落。(3)利用上一章节制得的苯磺酸功能化介孔酚醛树脂通过离子交换获得苯磺酸钠功能化介孔酚醛树脂,与三氟甲基磺酸镱络合,制得介孔镱路易斯酸催化剂。络合三氟甲基磺酸镱后的催化剂仍然具有良好的有序性和较大的比表面积。该催化剂应用于甲醛和烯烃参与的Prins反应,显示出与质子酸不同的催化模式,可选择性催化合成高烯丙醇产物。 【关键词】：固体酸 水介质 石墨烯氧化物 介孔酚醛树脂 果糖 5-羟甲基糠醛 甲醛 普林斯反应
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 前言11-30
• 1.1 绿色化学11-13
• 1.1.1 水清洁有机合成12-13
• 1.2 均相催化剂13
• 1.3 非均相催化剂13-22
• 1.3.1 碳材料催化剂14-15
• 1.3.2 石墨烯和氧化石墨烯的制备及应用15-16
• 1.3.3 介孔碳材料和高分子材料的制备及应用16-20
• 1.3.4 介孔高分子固载稀土催化剂的制备及应用20-22
• 1.4 生物质的转化至平台化合物22-25
• 1.5 羰基加成反应25-28
• 1.6 论文选题的意义和目标28-30
• 第二章 实验试剂及实验方法30-35
• 2.1 试剂与药品30-31
• 2.2 表征手段31-33
• 2.2.1 X-射线衍射(XRD)31
• 2.2.2 场发射电子扫描显微镜(FE-SEM)31
• 2.2.3 透射电子显微镜(TEM)31-32
• 2.2.4 核磁共振(NMR)32
• 2.2.5 红外光谱(IR)32
• 2.2.6 X射线光电子能谱(XPS)32
• 2.2.7 N_2 等温吸附线的测定(BET)32
• 2.2.8 电感耦合等离子体光谱（ICP）32-33
• 2.2.9 热重测试(TG-DTA)33
• 2.3 催化活性测试33-35
• 2.3.1 氧化石墨烯催化果糖至 5-羟甲基糠醛反应33-34
• 2.3.2 磺化介孔酚醛树脂催化Prins反应34
• 2.3.3 稀土介孔酚醛树脂催化Prins反应34
• 2.3.4 催化反应的套用34-35
• 第三章 氧化石墨烯催化果糖合成 5-羟甲基糠醛35-45
• 3.1 引言35-36
• 3.2 催化剂的制备36
• 3.3 结果与讨论36-44
• 3.3.1 催化剂的结构表征36-38
• 3.3.2 催化性能测试及活性分析38-42
• 3.3.3 催化剂的套用实验42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 磺化介孔酚醛树脂在羰基与烯烃加成中的研究45-60
• 4.1 引言45-46
• 4.2 催化剂的制备46-47
• 4.2.1 介孔酚醛树脂(MPs)的制备46-47
• 4.2.2 磺化介孔酚醛树脂(S-MPs)的制备47
• 4.3 结果与讨论47-59
• 4.3.1 样品的结构特征47-50
• 4.3.2 催化性能测试及活性分析50-56
• 4.3.3 底物吸附实验及其分析56-57
• 4.3.4 催化剂套用及其失活说明57-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 稀土介孔酚醛树脂在羰基与烯烃加成中的研究60-68
• 5.1 引言60-61
• 5.2 催化剂的制备61
• 5.2.1 介孔酚醛树脂(MPs)的制备61
• 5.2.2 磺化介孔酚醛树脂(S-MPs)的制备61
• 5.2.3 NaSO_3-MPs的制备61
• 5.2.4 稀土介孔酚醛树脂（Yb-MPs）的制备61
• 5.3 结果与讨论61-67
• 5.3.1 样品的结构特征61-64
• 5.3.2 催化性能测试及活性分析64-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-76
• 致谢76-77
• 个人简历77
• 论文发表情况77

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