在交联聚苯乙烯微球表面同步合成与固载吡啶基卟啉及固载化阳离子金属卟啉的催化氧化性能研究

摘要

阳离子型金属卟啉催化剂能模拟细胞色素P-450，在温和条件下活化分子氧，高效、高选择性地实现烃类物质的催化氧化。本研究构思了一条制备固载化阳离子金属卟啉催化剂的新途径：通过季铵化反应，将4-吡啶甲醛基团键合于CPS微球表面，再通过固-液相之间的Adler反应制得吡啶基卟啉，通过卟啉与碘甲烷发生反应，制得阳离子卟啉，最后与钴盐的配合，得到固载有阳离子化金属卟啉的固体催化剂CoMPyP-CPS。深入地考察了该固载化阳离子型金属卟啉催化剂对分子氧氧化乙苯催化活性，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价值。
　　本文首先以1,4-二氯甲氧基丁烷为氯甲基化试剂，将交联聚苯乙烯(CPS)微球氯甲基化，制得氯甲基化交联聚苯乙烯(CMCPS)微球；然后使CMCPS微球与4-吡啶甲醛发生季铵化反应，将4-吡啶甲醛键合在CPS微球表面，制得了键合有吡啶甲醛(PyAL)的改性微球PyAL-CPS。考察了各种因素（温度、溶剂）对化学改性过程的影响。研究结果表明，使用对CMCPS微球具有良好溶胀性能的溶剂CCl4及在较高温度(60℃)条件下，CMCPS微球的季铵化改性反应可以有效地进行，季铵化度能达到62％。
　　以改性微球PyAL-CPS、吡咯、吡啶甲醛为共反应物，采用固-液之间的Adler反应，使吡啶卟啉的合成与固载同步进行，成功制得了固载有吡啶基卟啉的功能微球PyP-CPS。重点研究了各种因素对同步合成与固载过程的影响规律。实验结果表明，溶剂的极性、催化剂的酸性以及反应的温度是主要的影响因素，选择较高的温度（110℃）、使用极性强的溶剂（二甲亚砜）与pKa在2.0-4.0范围的质子酸（丙酸）催化剂，反应8h可制得卟啉固载量为25mmol/100g的功能微球。
　　使功能微球与碘甲烷发生季铵化反应，使PyP转变为N-甲基吡啶基卟啉(MPyP)季铵盐，从而制得固载有阳离子卟啉的微球MPyP-CPS；最后通过与钴盐的配合反应，制得了固载有阳离子化金属卟啉的固体催化剂CoMPyP-CPS。采用原子吸收光谱法测定了固体催化剂表面的钴含量。将其用于分子氧对乙苯的催化氧化，并考察了主要因素对催化活性的影响。还考察了CoMPyP-CPS(C)与磷钨杂多阴离子(PW)复合催化剂CPW的催化氧化活性。研究结果表明，所制备的固体催化剂CoMPyP-CPS对分子氧氧化乙苯的反应具有优良的催化活性与选择性，110℃下通入常压下的氧气，反应进行12h，苯乙酮的得率可达21.5%。实验中发现：作为仿生催化剂的钴卟啉，过量的加入反而会抑制催化活性。固载催化剂CoMPP-CPS具有良好的重复使用性能。复合催化剂CPW具有更高的催化活性。可使苯乙酮的得率可达到30%。

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1 本课题的研究背景及意义

1.1 卟啉及金属卟啉化合物简介

1.2 小分子金属卟啉的研究

1.3 国内外关于固载化金属卟啉催化剂的研究现状

1.4 阳离子卟啉和阳离子金属卟啉

1.5 本课题的研究目标

2 交联聚苯乙烯微球的表面化学改性

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

3 吡啶基卟啉在改性微球PyAL-CPS表面同步合成与固载化阳离子卟啉的合成

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

4 固载化阳离子钴卟啉催化剂的制备及其催化氧化性能的研究

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢