CPS微球固载的阳离子苯基金属卟啉/杂多酸复合催化剂的制备及其催化氧化特性研究

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模拟金属卟啉的结构,制备了多种结构金属卟啉类物质,在温和条件下能高效、高选择性地实现烃类物质的催化氧化,在非均相金属卟啉催化方面引人注目。本研究在交联聚苯乙烯(CPS)微球表面同步合成与固载阳离子苯基卟啉,通过配合反应制备了固载化的阳离子苯基金属卟啉,在此基础上,凭借静电相互作用,使固载化阳离子苯基金属卟啉与Keggin型磷钨酸及磷钼酸的杂多阴离子相结合,制得了固载化的阳离子金属卟啉/杂多阴离子的复合催化剂,并将该固体复合催化剂用于分子氧氧化乙苯及环己烷的氧化反应,深入地研究考察了其催化特性。本文的研究结果在非均相金属卟啉仿生催化剂领域具有明显的科学意义与应用价值。本文首先以对羟基苯甲醛(HBA)为试剂,使其与氯甲基化交联聚苯乙烯(CMCPS)微球表面的氯甲基发生取代反应,将苯甲醛基团键合在CPS微球表面,形成改性微球BA-CPS;然后以改性微球BA-CPS、溶液中的对二甲氨基苯甲醛及吡咯为共反应物,在固-液界面上进行Adler反应,制备了含叔胺基苯基卟啉(TAPP);再使叔胺基团发生季铵化反应,将TAPP转变为meso-三(对-三甲铵基)苯基卟啉(TMAPP),即制得了固载有阳离子苯基卟啉的微球TMAPP-CPS。重点考察了温度、溶剂的极性及催化剂的酸性等因素对TAPP在CPS微球表面同步合成与固载的影响。研究结果表明,选择较高的温度(110℃),使用酸性较弱的乳酸为催化剂与极性较强的二甲亚砜为溶剂,反应8h可制得TAPP固载量为18mmol/100g的功能微球。在实现阳离子苯基卟啉的同步合成与固载后,再通过配合反应,制备了阳离子钴卟啉,并测定了固体催化剂表面的钴含量。在此基础上,以Keggin型杂多酸磷钨酸(HPW)及磷钼酸(HPMo)为试剂,凭借阳离子钴卟啉(CoP)与杂多阴离子之间的静电相互作用,制备与表征了固载化的由阳离子钴卟啉与杂多阴离子复合而成的固体催化剂CoPPW-CPS和CoPPMo-CPS。将两种复合催化剂用于分子氧氧化乙苯的氧化反应,考察研究了催化特性。研究结果表明,在分子氧氧化乙苯的氧化反应中,复合催化剂具有很高的催化活性,可使乙苯高选择性地转化为苯乙酮,反应12h,苯乙酮的产率达30.1%;复合催化剂的催化活性比单纯的固载化钴卟啉高75%;CoPPW-CPS的催化活性高于CoPPMo-CPS。复合催化剂具有最适宜的投加量,过量催化剂的加入,会抑制钴卟啉的催化活性。复合催化剂还具有良好的循环使用性能。最后,本文将制备三种固载化阳离子金属卟啉(CoTMAPP-CPS、FeTMAPP-CPS及MnTMAPP-CPS)用于构建复合催化剂,制备了多种固载化阳离子金属卟啉/杂多阴离子复合催化剂,并将它们用于分子氧氧化环己烷的氧化反应,并考察了主要因素对催化活性的影响。实验结果表明,复合催化剂的催化活性明显高于固载化阳离子金属卟啉;使用CoPPW-CPS的体系,反应8h,环己醇的产率为44.8%,且具有良好的重复使用性能;在复合催化剂中的结构中,固载化的杂多阴离子不具有催化活性,起催化作用的组分是金属卟啉,而杂多阴离子起保护作用,能大大地提高金属卟啉的催化活性;三种不同金属离子配位的固体复合催化剂相比较,CoPPW-CPS的催化活性最高,FePPW-CPS的催化活性居中,MnPPW-CPS的催化活性最差。总之,将固载化的阳离子金属卟啉与杂多阴离子相复合,是发展高性能非均相金属卟啉催化剂的新途径。
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