含硫脲功能基的多孔有机聚合物的合成及其催化性能研究

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多孔有机聚合物(POPs)具有高比表面积、稳定的化学特性以及可调控的组成和结构。作为一类结构新颖的有机多孔材料,POPs在非均相有机催化、吸附与分离、光电器件等领域有着出色的表现。在有机催化领域,具有双氢键催化作用的硫脲类小分子有机催化剂以其高催化活性和温和的反应条件而备受关注,但仍不可避免地存在催化剂用量大和难以分离回收的问题。针对这一问题,我们提出将具有催化活性位点的硫脲功能基与POPs的骨架结构相结合,构筑含硫脲功能基的POPs非均相催化剂的研究思路。设计合成了两种含硫脲功能基的新型POPs,一种直接用作非负载型POP催化剂,另一种用作负载金属Pd的载体,构建了负载型的Me-POP催化剂;研究了它们的组成、形貌、结构和催化特性,并探索了其催化机理。研究结果为构建功能化POPs材料和高效的非均相有机催化剂奠定了基础,可望为解决小分子有机催化剂固有的问题提供有效的策略。研究的主要内容及其结果如下所述。1.通过三(4-氨基苯基)胺(TAA)与对苯二异硫氰酸酯(PDT)的反应,在不同条件下合成了以硫脲结构连接的新型多孔有机聚合物TAA-PDT;以β-硝基苯乙烯与丙二酸二乙酯的Michael反应为模型反应,考察了TAA-PDT的催化活性,并探索其最佳催化条件和重复利用性。结果表明,在较佳的反应条件下合成的TAA-PDT的BET比表面积为49 m2/g,在不同极性的溶剂中合成的TAA-PDT表现出迥异的表面形貌。Michael反应在以均三甲苯为溶剂、添加K2CO3、40℃的反应条件下,催化剂TAA-PDT的用量可低至底物的0.03 mol%,产率82%,TON和TOF分别高达2700和25 h-1;此外,TAA-PDT在5次循环使用后催化性能无明显下降,具有优异的可回收性和重复使用性能。2.利用PDT与水合联胺的反应合成了具有双氨基硫脲结构的有机构筑基元PT,通过PT与三醛基间三苯酚(TFP)的反应制备了以亚胺键连接的含硫脲功能基的多孔有机聚合物TFP-PT。以其为载体,制备了负载金属Pd的催化剂Pd-TFP-PT,并考察了Pd-TFP-PT对Michael反应和硝基苯酚的还原反应的催化性能。研究发现,在较佳的反应条件下合成的TFP-PT与Pd-TFP-PT的BET比表面积分别为64 m2/g和61 m2/g,Pd-TFP-PT中Pd含量为0.31 mmol/g,Pd纳米粒子的粒径尺寸较集中于4~5 nm,在TFP-PT的骨架上均匀分布。Pd-TFP-PT兼具氢键催化作用和有机金属催化作用,0.08 mol%的催化剂催化Michael反应的产率可达60%以上,催化还原对硝基苯酚(4-NP)的表观速率常数k和归一化速率常数knor分别高达0.296 s-1和47.74 mmol-1 s-1,多次循环催化还原4-NP仍保持其原来的催化性能,Pd纳米粒子无渗漏。对所合成的两种含硫脲功能基的POPs非均相催化剂的催化实验的结果均证明,POP的特殊骨架结构能够增加有效的催化活性位点浓度,充分发挥催化活性位点的催化作用,表现出比相应的均相催化剂更佳的催化效果,从而能够大幅度地降低催化剂用量;并具有优异的可回收性和重复使用性能,符合绿色化学理念。
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