基于氨基酸/多巴胺二元催化体系制备环状碳酸酯反应过程研究

摘要

近年来发展绿色、高效、廉价的方法把CO2转化为有用的化工产品已经引起了广泛的关注，而CO2与环氧化合物环加成制备环状碳酸酯的反应是化学固定CO2的最有效的方法之一。合成环状碳酸酯的关键在于开发催化剂，针对现有已开发催化剂在CO2与环氧化合物环加成的反应中有毒有害，合成复杂，反应条件苛刻等需要进一步改进的问题，本论文开发出了绿色安全、简便高效、生物相容性的新型催化剂，取得了很好的催化效果，在此过程中进一步验证氢键协同催化机理在合成环状碳酸酯方面的应用。论文主要创新性工作及成果如下:
　　1开发了用于制备环状碳酸酯的KI/氨基酸二元催化体系。从21种氨基酸中选出了五种典型化学结构的氨基酸（甘氨酸、苏氨酸、天冬氨酸、组氨酸、色氨酸），筛选出了活性最高的氨基酸。探索了最佳的催化体系反应条件，详细地考察了催化剂的配比、数量，反应温度、压力、时间等对CO2与环氧化合物环加成反应的影响。结果表明，在无任何其他溶剂的温和反应条件下(120℃，2MPa，1h)，KI/色氨酸（摩尔比为1∶1）催化体系能实现99％的环氧丙烷转化率和99％的碳酸丙烯酯选择性;并且催化剂被重复循环使用6次后催化活性没有明显的下降;同时该催化体系同样适用于其他端位的环氧化合物;最后运用核磁手段详细的探讨了催化剂的催化机理，验证了路易斯碱-氢键协同催化机理的可行性，为后续催化剂的开发提供了依据。
　　2利用路易斯碱-氢键协同催化机理设计了用于制备环状碳酸酯的KI/聚多巴胺催化体系。首先，合成了一系列不同纳米尺寸的聚多巴胺微球用于催化反应，其次，为了探索KI/聚多巴胺催化体系最优的反应条件，详细地考察了催化剂的各种参数对合成环状碳酸酯的影响。结果表明，在无溶剂的温和反应条件下(120℃，2MPa，1.5h)，KI/PDA（摩尔比为1∶1）能实现99％的环氧丙烷转化率和99％的碳酸丙烯酯选择性;催化剂被循环使用7次后催化活性不降低;同时该催化体系同样适用于其他单取代或双取代端位的环氧化合物;最后运用密度泛函理论和核磁手段探讨了反应机理。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 CO2的排放和利用研究现状

1．1．1 CO2的排放现状

1．1．2 CO2资源化利用的意义

1．1．3 CO2吸收利用的方法

1．2 环状碳酸酯的利用与合成

1．2．1 环状碳酸酯的利用

1．2．2 环状碳酸酯的合成

1．2．3 合成环状碳酸酯的催化剂

1．3 课题的研究思路和主要内容

2 生物相容的氨基酸二元催化体系催化制备环状碳酸酯的研究

2．1 研究背景

2．2 试验部分

2．2．1 实验仪器

2．2．2 主要实验试剂

2．2．3 二氧化碳与环氧化合物的环加成反应步骤

2．2．4 环加成反应实验装置

2．2．5 产物的分析

2．2．6 转化率和选择性计算公式

2．3 结果与讨论

2．3．1 催化剂的筛选

2．3．2 催化体系反应机理探讨

2．3．3 催化剂的重复使用性

2．3．4 催化体系最优条件优化

2．3．5 不同的端位环氧化合物与CO2的反应

2．4 小结

3 纳米尺寸聚多巴胺微球催化制备环状碳酸酯的研究

3．1 研究背景

3．2 试验部分

3．2．1 实验仪器

3．2．2 主要实验试剂

3．2．3 二氧化碳与环氧化合物的环加成反应步骤

3．2．4 催化剂的合成

3．2．5 催化剂的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 催化剂的筛选

3．3．2 催化体系最优条件优化

3．3．3 不同的端位环氧化合物与CO2的反应

3．3．4 催化体系反应机理研究

3．4 小结

4 结论和展望

参考文献

附录

致谢

硕士期间发表和完成的论文