MCM-41负载钯—壳聚糖催化剂的制备及其在Heck反应中的应用

摘要

在有机合成反应中，共轭烯烃的芳基化的Heck反应是形成C-C键的重要反应之一，具有广泛的应用。钯盐均相催化剂是Heck反应的有效催化剂，由于其催化活性高、反应简单曾经受到人们的亲睐，已有许多关于这方面的研究。但随着研究的深入，均相钯催化剂的弊端已经暴露出来：不易分离回收，钯流失严重，对环境不利，生成的钯黑会污染反应产物等，使其应用受到了限制。为了克服这些不利因素，负载型钯催化剂的开发成为Heck反应领域的重点之一。介孔分子筛MCM-41具有较大的比表面积，因此是高分子配体的优良载体，可以分散配位基的密度，有利于配位基发挥作用。基于这些，本文研究的重点在于制备了非均相的MCM-41负载的壳聚糖-钯催化剂，并将其应用于碘代苯与丙烯酸、苯乙烯的Heck反应。最后尝试合成了MCM-41负载的壳聚糖季铵盐。
　　 本文首先在水热条件下合成了MCM-41介孔分子筛，然后通过吸附法将壳聚糖(CS)负载于MCM-41上，最后通过与PdCl2乙醇溶液作用制得了Pd-CS/MCM-41催化剂。通过红外、热重和元素分析表征可以证明壳聚糖已经成功负载在介孔分子筛上，并且通过XRD可知，负载后的样品相对保持了介孔分子筛原有的介孔结构，XPS分析结果表明催化剂的活性中心是零价的Pd。
　　 考察了制备的催化剂对碘代苯与丙烯酸的Heck反应的催化性能。通过原料摩尔比、缚酸剂种类、缚酸剂用量、溶剂、催化剂用量、反应温度、反应时间的考察，得出了最佳反应条件。在最佳条件下反应，生成反式肉桂酸的产率能达到88.7％。重复使用结果表明，催化剂重复使用8次后，产率只稍有下降，显示出了良好的重复使用性。通过同样的方法考察了碘代苯与苯乙烯的Heck反应的催化性能，同样表现出了良好的催化活性和重复使用性。
　　 为了做出对比，本文还制备了单纯的壳聚糖-钯催化剂来与Pd-CS/MCM-41催化剂进行对比。对比实验结果表明：Pd-CS/MCM-41催化剂与壳聚糖-钯催化剂相比，催化活性虽然略有降低但是重复使用性明显高于壳聚糖-钯催化剂。这证明了壳聚糖-钯经过负载于MCM-41后，减少了催化剂中有效组分的流失，提高了催化剂的性能，是一种优良的有机/无机复合载体型的高分子催化剂，具有良好的应用前景。
　　 论文最后尝试合成了不溶于水的季铵盐，即MCM-41负载的壳聚糖季铵盐，通过红外与XRD对其进行了表征，证明了壳聚糖进行了比较彻底的季铵化反应，并且相对保持了介孔分子筛的介孔结构。这种不溶于水的季铵盐可望具有良好的应用前景。