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纳米反应器是指多个分子以特定方式连接而形成的一类具有催化活性的人工模拟酶分子或分子组装体,因其可基于分子层次上对空腔的微环境及催化过程进行模拟再现,从而引起了广大研究者的注意。根据组装分子的数量和空间排列,可收敛自组装成有限的离散型单分子笼状纳米反应器,或发散自组装成无限的聚合网状纳米反应器。笼状纳米反应器具有更好的溶解性及显著的客体响应能力,其在气体分子的储存与分离、活性中间体的捕捉、离子/分子的选择性识别等方面被广泛的研究与应用。然而,将具有催化功能的官能团引入纳米笼状反应器的构筑方式尚待开发,纳米笼状反应器在催化领域的应用寥寥无几。胺醛缩合反应因其高产率以及反应前驱体易合成等优点,成为当前纳米笼状反应器最常用的组装方法之一。本论文采用胺醛缩合反应设计组装了一系列纳米笼状化合物,研究其热稳定性及气体选择性吸附性能;随后将两种具有Salen官能团的纳米笼状化合物与金属锰离子络合,得到了两种具有三个金属催化活性中心的纳米笼状反应器,并将其应用于CO2与环氧丙烷的环加成反应中,优化其反应工艺条件,主要内容如下:(1)通过配体构型与官能团的设计,以1,3,5-三溴甲基-2,4,6-三乙基苯和环己二胺(乙二胺)等为原料合成了一种纳米笼状化合物Cage-1以及两种具有多个配位点的纳米笼状化合物SCC-1和SCC-2,利用核磁共振(NMR)、红外光谱(FT-IR)、高分辨质谱(ES1-MS)、元素分析(Elementary Analyser)、场发射扫描电子显微镜(SEM)对其结构进行表征,确定所合成的物质为目标纳米笼状化合物。(2)研究纳米笼状化合物对C02、CH4、N2的吸附性能,低压吸附实验结果表明SCC-1对于CO2的吸附量最大,在273 K、1 bar时达到12.79 cm3/g,SCC-2具有最佳的C02/CH4选择性吸附性能,吸附选择性达到20.05/1(273 K)和29.81/1(298 K)。通过与文献中报道的同类材料对比,表明笼状化合物Cage-1、SCC-1、SCC-2均能作为潜在的天然气纯化以及烟道气处理材料。(3)将CO2吸附量最大的笼状化合物SCC-1与Mn(OAc)2进行配位反应,得到具有金属催化活性中心的纳米笼状反应器Mn(Ⅲ)-SCC-1,并利用FT-IR、ESI-MS、Elementary Analyser对其进行表征分析。考察Mn(Ⅲ)-SCC-1的CO2、环氧丙烷环加成反应的催化性能,研究了催化剂浓度、反应温度、反应压力、反应时间等因素对环氧丙烷(PO)的转化率及碳酸丙烯酯(PC)收率的影响,筛选出反应温度为80℃、催化剂Mn(Ⅲ)-SCC-1浓度为0.04 mol%、助催化剂TBAB浓度为5 mol%、压力1.2 MPa下反应6h的最佳催化体系,PO转化率为95.8%,PC选择性为96.6%,且催化剂Mn(Ⅲ)-SCC-1可循环利用。通过对比单个金属催化活性中心与三个金属催化活性中心催化剂的催化性能,表明纳米反应器的高效催化来源于催化剂本身多金属位点之间的协同作用;结合纳米反应器的吸附性能与催化性能,研究出其催化性能与CO2的吸附量成正比关系,表明其具备特有的内部空腔(作为催化微反应器)。探索了Mn(Ⅲ)-SCC-1常温常压催化体系下的催化性能,在反应温度为25℃、催化剂Mn(Ⅲ)-5CC-1浓度为0.161 mol%、助催化剂TBAB浓度为5 mol%、压力1 atm下反应48 h,PO的转化率为89.2%,PC选择性为90.5%。综上所述,本论文设计合成了纳米笼状化合物Cage-1及具有Salen官能团的SCC-1、SCC-2,通过对其气体吸附性能的研究,得出Cage-1、SCC-1、SCC-2均能作为潜在的天然气纯化和烟道气处理材料,并且比较不同催化剂的催化性能表明纳米笼状反应器Mn(Ⅲ)-SCC-1能够高活性、高选择性的催化C02与环氧丙烷的环加成反应。