空心介孔有机聚合物微碗固体酸的构筑、微结构调控及应用

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固体磺酸因其催化反应选择性高、原料和产物易分离、产物易纯化、腐蚀小而成为工业上广泛应用的一类绿色环保固体酸催化剂,在水解、酯化、异构化和烷基化等有机合成反应有不俗的表现。有机聚合物,特别是聚苯乙烯,是固体磺酸的重要载体之一。目前,聚苯乙烯负载固体酸因比表面积较小、可控孔结构缺乏等原因,使得反应底物接触酸催化位点受到传质限制,显著降低了酸的催化效率。因此,调控聚苯乙烯载体的孔结构,增强反应物在载体骨架内的传质效应,具有重要的理论研究意义和潜在的实际应用价值。针对聚苯乙烯负载磺酸催化剂存在的问题,本论文设计制备了一类具有空心、介孔结构和酸性位点充分暴露的聚苯乙烯微碗负载磺酸催化剂,其具有如下几个特点:(1)空心结构:通过内外反应物浓度差产生驱动效应;(2)介孔壳层:壳层介孔结构提供传输通道;(3)酸位点自由空间:通过有机胺为模板剂印迹的酸性位点自由空间,有利于反应物接触到催化位点。(4)规则形貌:均匀的纳米微碗形貌能有效提高固体酸的催化效率。本文以对乙烯苯磺酸钠、氯化钡与硫酸胺盐沉淀转换生成的对乙烯苯磺酸胺盐和苯乙烯为单体,DVB为交联剂,通过乳液聚合于内核PS/AA微球表面包覆一层聚苯乙烯共聚物,通过稀HCl去除有机胺模版,通过THF去除PS/AA内核,制备了具有中空、介孔壳层、酸性位点自由空间的空心介孔聚苯乙烯微碗负载固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)HFSNb。元素分析测定其具有较高的酸交换容量(0.92 mmol·g-1)。同时,制备了实心、具有酸位点自由空间的聚苯乙烯微球负载固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)SFSNs和空心、无酸位点自由空间的聚苯乙烯微球负载固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)HNs作为对比的负载固体酸。扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观测到制备的负载固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)HFSNb具有空心的微碗形貌;通过N2吸附-脱附分析(BET)证明其具有介孔的多孔壳层。与实心、具有自由空间结构负载微球固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)SFSNs和空心、无酸位点自由空间的有机聚合物微球Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)HNs相比,空心介孔聚苯乙烯微碗负载固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)HFSNb具有大的比表面积(97.9 m~2 g-1)和孔容(0.45 cc g-1)。通过酸碱反应生成离子对的相互作用,将Mac Millan(MMIOC)手性有机催化剂分别负载于空心介孔的微碗固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)HFSNb,实心、具有自由空间结构的微球固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)SFSNs和空心、无酸位点自由空间的微球固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa)HNs上,制备了三种负载Mac Millan有机手性催化剂的固体酸催化剂,分别命名为Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-MMIOC)HFSNb、Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-MMIOC)SFSNs和Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-MMIOC)HNs。对比研究了它们吸附有机手性催化剂MMIOC的动力学行为和催化不对称D-A反应、Michael加成反应的差异性。实验表明,空心介孔有机聚合物微碗固体酸Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-MMIOC)HFSNb具有最高的吸附量(0.45 mmol g-1)。同时,其在催化肉桂醛和环戊二烯的D-A反应和2-氧代环戊烷羧酸甲酯与反式硝基苯乙烯的Michael加成反应中,催化性能分别为收率46%、1.3:1 Dr、87%ee和收率78%、20:1 Dr、15%ee。在重复使用过程时,我们发现Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-MMIOC)HFSNb在催化Michael加成反应时,产物的收率和立体选择性显著下降(收率56%,5:1 Dr、5%ee),并发现其表面负载的Mac Millan(MMIOC)手性有机催化剂存在严重脱落的现象。基于此,我们研究了反应溶剂对手性有机催化剂MMIOC洗脱的影响,在甲苯溶剂中MMIOC手性有机催化剂的洗脱得到显著抑制,但在甲苯溶剂中Michael加成反应不能顺利完成。基于在催化过程中离子对相互作用吸附的有机催化剂有严重的脱附现象,我们设计了增加共价键锚点的策略,解决手性有机催化剂在催化过程中的脱落问题。同样采用酸碱作用生成离子对的吸附机理锚定金鸡纳碱手性伯胺(QNNH2)有机催化剂,再通过QNNH2的端双键与聚苯乙烯载体烯键残基的聚合,进一步通过共价键锚定QNNH2于聚苯乙烯骨架的孔结构中,从而制备了负载有机催化剂Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-QNNH2)HFSNb、Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-QNNH2)SFSNs和Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-QNNH2)HNs,并对比研究它们吸附有机手性催化剂QNNH2的动力学行为和在酸介质的脱附行为。元素表明,空心介孔有机聚苯乙烯微碗固体酸负载有机催化剂Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-QNNH2)HFSNb具有较高的吸附量(0.42 mmol g-1);250 mg催化剂在甲苯溶剂中搅拌48 h后,QNNH2的吸附量为0.40 mmol g-1;于10 m L酸性乙醇水溶液洗脱剂(0.05 mol L-1HCl,V C2H5OH/V H2O=1:4)中分散搅拌48 h,QNNH2的吸附量仍有0.11 mmol g-1,这说明27.5%的QNNH2同时以离子对和共价键连的方式被锚定于孔结构中,从而使得QNNH2的脱附现象得到有效的抑制。在催化不对称aldol反应中,Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-QNNH2)HFSNb具有优异的产率(95%)和高的立体选择性(97%ee,89:11 Dr)。SEM和TEM表明重复使用5次的催化剂Poly(St-co-DVB-co-Vbsa-QNNH2)HFSNb具有较好的机械稳定性,其中空和规则形貌未见显著变化。另外,其催化性能稳定(重复5次使用后,仍得到91%收率,95%ee,85:15 Dr)。
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