纳米多孔金属在有机催化反应中的应用

发布时间：2017-10-16 10:31

  本文关键词：纳米多孔金属在有机催化反应中的应用

  更多相关文章： 纳米多孔金属 非均相催化 氧化反应 还原反应 一锅法

【摘要】：脱合金腐蚀制备的纳米多孔金属材料是一类具有三维双连续的纳米多孔结构的材料,具有尺寸可控、导电性好、密度低、比表面积高等特点。纳米多孔金属材料以其独特的结构性能在电化学、光化学、能源、催化等诸多领域有着广泛的应用。特别是纳米多孔金属材料高比表面积、无负载、表面洁净、易制备、易回收和易重复利用的特点,使其在有机催化领域表现出了独特的活性。同时纳米多孔金属三维双连续的多孔结构被证明有利于高密度低配位原子的存在,这些原子通常是催化反应的活性中心。纳米多孔金属催化剂实现了对多种重要反应的高效催化,在这些反应中表现出了高的活性、选择性和稳定性。因此纳米多孔金属材料被认为是一类有前途的、绿色的、可持续的催化剂,值得进行深入的研究。作为一种新型的催化剂,纳米多孔金属难免会存在一些问题。如催化剂的研究以纳米多孔金为主,其他金属的纳米多孔材料虽然在一些体系中获得成功,有着广阔的应用前景但研究相对较少；对于很多体系,特别是体系复杂的液相反应研究不够系统；并没有将纳米多孔金属催化剂的应用扩展到合成化学领域迅速发展的一锅法催化体系,多组分催化体系中；探索新的结合纳米多孔金属材料特点的催化体系,并尝试对催化的机理进行解释既是机遇也是挑战。针对上述问题,本论文主要以非金的纳米多孔金属材料,如纳米多孔银、纳米多孔铜、纳米多孔钯以及纳米多孔合金等为研究对象,结合纳米多孔金属材料的特点,实现了对多种重要反应的催化,建立了多种应用纳米多孔金属作为催化剂的反应体系,并将催化体系扩展到一锅法和合金体系。在这些体系中,纳米多孔金属催化剂表现出了高的活性、选择性和稳定性。这些工作有望对纳米多孔金属催化以及非均相纳米金属催化领域的发展起到一定的促进作用,具体如下：1)醇类氧化反应是有机合成领域一类重要的反应,根据绿色化学的需要,人们希望利用氧气作为氧化剂在温和的条件下实现对醇类的氧化反应。我们利用银镁合金脱合金腐蚀制备了纳米多孔银,并将其作为催化剂应用到醇类氧化反应中。我们发现在氧气作氧化剂的条件下,纳米多孔银对气相醇类选择性氧化反应表现出高活性和选择性,能够在相对较低的温度下将甲醇氧化生成甲酸甲酯,对于其他一级和二级脂肪醇则氧化生成相应的醛或者酮。纳米多孔银易回收易重复利用,经过多次循环反应后活性没有发生明显的变化。结合文献报道与实验结果,我们对醇类在纳米多孔银表面氧化的机理进行了探索,阐述了甲醇与其它脂肪醇产物不同的原因。以纳米多孔银为代表的一类绿色经济催化剂有望在未来有机反应中发挥重要的作用。2)有机硅化合物是一类重要的亲核试剂,也是硅基高分子材料不可缺少的组成部分。其中有机硅醇和硅醚是最常用的有机硅化合物之一,但传统制备此类化合物的方法容易产生污染。人们研究的重点是发展新型的催化剂高效的实现利用水或醇作为氧化剂来制备这类化合物。我们利用银镁合金脱合金腐蚀制备的纳米多孔银作为催化剂,在室温下高活性和选择性的实现了氧化硅烷生成硅醇或硅醚的反应。在水或醇作为氧化剂的条件下,不论是芳香族硅烷还是脂肪族硅烷都能够被氧化生成相应的硅醇和硅醚。氢气作为唯一的副产物出现,同时催化剂能够重复利用多次仍能保持很高的活性。经过动力学研究,我们得到了反应的可能路径。这也是脱合金法制备的纳米多孔银首次应用于液相有机催化反应。虽然贵金属催化剂在硅烷的氧化反应中发挥了重要作用,但能够顺利催化硅烷氧化反应的非贵金属催化剂很少,非均相的铜催化剂活性很低。我们认为,纳米多孔金属高密度低配位原子的结构,有可能在该反应中发挥作用。因此,我们尝试利用铜铝合金腐蚀制备的纳米多孔铜在温和条件下催化硅烷氧化反应。纳米多孔铜作为非均相的铜催化剂首次高活性高选择性的实现了这一反应。水和醇都被用作氧化剂,可以高收率的获得相应的硅醇和硅醚。催化剂保持了高的循环稳定性(收率在90%以上)。利用动力学实验,提出了该反应的可能机理。纳米多孔铜作为一种绿色的催化剂将会在有机合成中发挥更多的作用。3)硝基还原反应是制备胺类化合物的重要途径之一,发展高效的还原体系是该反应的研究重点。我们尝试利用纳米多孔金属作为催化剂在硼氢化钠作还原剂的条件下来实现这一反应。我们发现多种纳米多孔金属都能够实现对这一反应的催化,但活性不同。对比不同的纳米多孔金属催化剂,银铝合金脱合金腐蚀制备的纳米多孔银表现出最佳的催化活性。不论是含有吸电子基团还是含有给电子基团的芳香硝基化合物都能够在室温下高收率高选择性的被加氢还原。与其它过渡金属催化剂相比,纳米多孔银作为催化剂时,还原剂硼氢化钠的用量明显减少(10倍过量)。催化剂可以重复利用至少七次而不损失催化活性。同时利用紫外可见分光光度计和气质联用,对反应过程及中间产物进行研究,获得了芳香硝基化合物在纳米多孔银表面被还原的可能机理。4)发展原子经济环境友好的催化体系是催化领域具有挑战性的目标,其中一锅法是具有应用前景的体系之一。纳米多孔金属材料作为一种新型的非均相催化剂能够满足这一体系的需求。硅基偶联反应由于其低毒性、高稳定性的特点,受到越来越多的关注,但偶联试剂的制备与后续反应需要分开进行,如果能将二者结合起来将会避免中间产物的分离提纯等问题,提高原子利用率。我们利用钯铝合金脱合金腐蚀制备的纳米多孔钯作为可持续的非均相催化剂,首次实现了芳香碘化物与有机硅化合物的一锅法偶联反应。在这种绿色催化剂的作用下,水和醇作为氧化剂氧化硅烷得到了有机硅醇和硅醚,之后再在同一反应体系下,硅基偶联试剂与芳香碘化物反应,高收率的获得碳碳偶联反应产物。苯环上含有给电子取代基的苯基碘化物具有较高的活性,苯环上含有吸电子取代基的苯基碘化物活性相对较低。重复利用多次后催化剂的形貌和催化活性没有明显的变化,并且有效避免了传统钯催化体系中钯溶出到溶液中的情况。这是纳米多孔钯首次应用于一锅法多步反应,这项工作说明了纳米多孔金属催化剂的应用有望促进绿色高效的催化体系特别是一锅法合成体系的发展。5)随着有机催化反应的发展,有时单金属催化剂往往不能满足催化反应的需要,这时需要多金属组分催化剂的参与。多金属组分催化剂的制备过程较为复杂,同时产物中金属间的比例不易控制,而金属间的比例有时会直接影响催化剂的活性。脱合金腐蚀制备纳米多孔金属的方法为解决这类问题提供了一种新的思路。利用脱合金的方法,我们建立了一种制备比例可控的多金属组分催化剂的体系,并且可以有效地对催化剂的比例进行筛选。硝基还原烷基化反应是一类制备胺类化合物的重要方法,该反应包含多个步骤,多金属组分催化剂有望在该反应中发挥重要的作用。我们通过对银钯铝三元合金的脱合金腐蚀制备了一系列银钯比例确定的纳米多孔银钯合金催化剂,并对这类材料的形貌、成分进行了表征。将这些材料应用于一锅法硝基化合物的还原烷基化反应,相比单金属催化剂,合金的存在确实提高了反应活性。我们对不同银钯比例的催化剂活性进行筛选,得到了最优的金属比例。同时解释了银钯合金中金属间协同作用对催化活性促进的机理。催化剂在底物的普适性和稳定性上有着出色的表现。这个工作证明了纳米多孔合金制备催化剂的方法有望在多金属组分催化剂的制备以及协同催化领域发挥重要的作用。
【关键词】：纳米多孔金属 非均相催化 氧化反应 还原反应 一锅法
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O621.251;TB383.1
【目录】：

• 摘要14-18
• Abstract18-23
• 缩写与符号说明23-24
• 第一章 绪论24-66
• 1.1 纳米金属材料作为催化剂在有机催化反应中的应用24-36
• 1.1.1 纳米金属催化剂简介24-25
• 1.1.2 纳米金属催化剂的制备25-26
• 1.1.3 纳米金属催化剂在有机反应中的应用26-36
• 1.2 脱合金法制备的纳米多孔金属材料简介及应用36-40
• 1.2.1 脱合金法制备的纳米多孔金属材料36-37
• 1.2.2 脱合金法制备的纳米多孔金属材料的应用37-40
• 1.3 纳米多孔金属材料作为催化剂在有机反应中的应用40-49
• 1.3.1 纳米多孔金属材料氧化反应中的应用40-44
• 1.3.2 纳米多孔金属催化剂在还原反应中的应用44-46
• 1.3.3 纳米多孔金属催化剂在偶联反应中的应用46-47
• 1.3.4 纳米多孔金属催化剂在其他有机反应中的应用47-49
• 1.4 本论文的目的与设想49-51
• 参考文献51-66
• 第二章 纳米多孔银催化醇类氧化66-80
• 2.1 引言66-67
• 2.2 实验部分67-68
• 2.2.1 化学试剂与实验设备67
• 2.2.2 实验步骤67-68
• 2.3 结果与讨论68-76
• 2.3.1 纳米多孔银的表征68-70
• 2.3.2 纳米多孔银催化甲醇选择性氧化70-72
• 2.3.3 纳米多孔银催化不同醇类选择性氧化72-76
• 2.4 本章小结76
• 参考文献76-80
• 第三章 纳米多孔金属催化剂在有机硅烷氧化中的应用80-118
• 第一节 纳米多孔银催化有机硅烷氧化80-96
• 3.1.1 引言80-81
• 3.1.2 实验部分81-83
• 3.1.3 结果与讨论83-91
• 3.1.4 本节小结91
• NMR数据91-93
• 参考文献93-96
• 第二节 纳米多孔铜催化有机硅烷氧化96-109
• 3.2.1 引言96-97
• 3.2.2 实验部分97-98
• 3.2.3 结果与讨论98-105
• 3.2.4 本节小结105
• NMR数据105-106
• 参考文献106-109
• 本章产物的核磁图109-118
• 第四章 纳米多孔银催化芳香硝基化合物还原118-140
• 4.1 引言118-119
• 4.2 实验部分119-121
• 4.2.1 化学试剂与实验设备119-120
• 4.2.2 实验步骤120-121
• 4.3 结果与讨论121-128
• 4.3.1 纳米多孔银的表征121
• 4.3.2 纳米多孔银催化硝基化合物还原121-123
• 4.3.3 纳米多孔银催化硝基还原的机理123-128
• 4.4 本章小结128-129
• NMR数据129-130
• 参考文献130-133
• 本章产物的核磁图133-140
• 第五章 纳米多孔钯催化一锅法硅基偶联反应140-160
• 5.1 引言140-142
• 5.2 实验部分142-144
• 5.2.1 化学试剂与实验设备142-143
• 5.2.2 实验步骤143-144
• 5.3 结果与讨论144-151
• 5.3.1 纳米多孔钯的表征144-145
• 5.3.2 纳米多孔钯催化硅烷氧化反应145-146
• 5.3.3 纳米多孔钯催化硅基偶联反应反应146-147
• 5.3.4 纳米多孔钯催化一锅法偶联反应147-151
• 5.3.5 无机碱对纳米多孔钯催化一锅法偶联反应的影响151
• 5.4 本章小结151-152
• NMR数据152
• 参考文献152-156
• 本章产物的核磁图156-160
• 第六章 纳米多孔银钯合金催化一锅法硝基还原烷基化反应160-184
• 6.1 引言160-162
• 6.2 实验部分162-164
• 6.2.1 化学试剂与实验设备162-163
• 6.2.2 实验步骤163-164
• 6.3 结果与讨论164-173
• 6.3.1 纳米多孔单金属催化剂的催化活性164-165
• 6.3.2 纳米多孔合金催化剂的制备及表征165-168
• 6.3.3 纳米多孔银钯合金催化一锅法硝基还原烷基化反应168-173
• 6.4 本章小结173
• NMR数据173-174
• 参考文献174-178
• 本章产物的核磁图178-184
• ENGLISH SECTION184-231
• Chapter 1 Highly selective oxidation of organosilanes with a reusablenanoporous silver catalyst184-200
• 1.1 Introduction184-185
• 1.2. Experimental185-186
• 1.2.1. Catalyst synthesis185
• 1.2.2. Oxidation of organosilanes185-186
• 1.3 Results and discussion186-193
• 1.3.1 Oxidation of organosilanes to organosilanols186-192
• 1.3.2 Oxidation of organosilanes to organosilyl ethers192-193
• 1.4 Conclusion193
• 1.5 Supporting Information193-194
• NMR signals194-195
• References195-200
• Chapter 2 Nanoporous palladium catalyzed silicon-based one-pot cross-couplingreaction of aryl iodides with organosilanes200-214
• 2.1 Introduction200-202
• 2.2 Experimental202
• 2.2.1 Catalyst synthesis202
• 2.2.2 One-pot synthesis 4-methyl-bipheny202
• 2.3 Results and discussion202-208
• 2.3.1 Characterization of np-Pd202-203
• 2.3.2 Oxidation of organosilanes203-204
• 2.3.3 Silicon-based cross-coupling reaction204-205
• 2.3.4 One-pot cross-coupling reaction of aryl iodides with organosilanes205-208
• 2.4 Conclusion208
• 2.5 Supporting Information208-209
• NMR signals209
• References209-214
• Chapter 3 A new method for preparation multi composition metal catalystsnanoporous Ag-Pd alloy as the catalyst for one-pot reductive N-alkylation ofnitroarenes214-231
• 3.1 Introduction214-216
• 3.2 Experimental216-217
• 3.2.1 Catalyst synthesis216-217
• 3.2.2 One-pot reductive N-alkylation of nitroarenes217
• 3.3 Results and discussion217-226
• 3.3.1 Performance of nanoporous single metal Ag and Pd catalyst217-219
• 3.3.2 Characterization of the nanoporous alloys219-221
• 3.3.3 One-pot synthesis N-phenylbenzylamine by using np-Ag/Pd catalyst221-226
• 3.4 Conclusion226
• NMR signals226-227
• References227-231
• 致谢231-233
• 博士期间发表的论文233-235
• 附表235

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 徐殙;杨昊;周刚;王训;;尺寸可调钯—氧化铁单分散纳米异质结液—固非均相催化体系中金属—载体强相互作用研究(英文)[J];Science China Materials;2014年01期

，

本文编号：1042212