磁性纳米催化剂的制备、表征及其在Knoevenagel缩合反应中的应用研究

摘要

磁性纳米材料具有特殊的物理性质和化学性质，在电子、信息、自动控制、有机合成、生物医药等学科领域有广泛的应用。特别是对于催化领域，磁性纳米粒子作为催化剂或催化剂载体表现出优异的性能，且它还具有可磁性分离的特性，为纳米级催化剂的分离提供了新的思路。Knoevenagel缩合反应是形成C=C最重要的反应之一，其缩合产物是极其有价值的合成中间体，在化工领域占据非常重要的地位。因此，拓展磁性纳米材料的应用范围，使其作为绿色，环保的催化剂用于Knoevenagel缩合反应的研究，不仅具有基础研究的创新性，也具有重要的工业化应用意义。
　　本文主要从以下两个方面对磁性纳米材料作为Knoevenagel反应的催化剂进行研究。一方面，通过溶剂热法和St(o)ber法分两步制备出Fe3O4@SiO2磁性纳米催化剂，采用FTIR、XRD、TEM、VSM等手段确定其结构和组成。以苯甲醛与丙二腈的Knoevenagel缩合作为探针反应，并优化反应条件，在最佳条件下实现苯甲醛的完全转化后，目标产物的收率达到97.8％。同时，通过对比不同催化剂的实验结果，推断Fe3O4@SiO2催化剂的活性组分为SiO2层。循环实验表明Fe3O4@SiO2催化剂循环使用第7次时仍然能维持90.1％的转化率和93.5％的选择性，且催化剂的结构和组成在重复利用中也没有发生改变。因此，所制备的催化剂具有优异的可循环利用性和稳定性。而且，Fe3O4@SiO2磁性纳米催化剂可通过外加磁场进行分离，操作简便，具有很好的工业化应用前景。此外，将Fe3O4@SiO2运用在11种不同结构的醛与丙二腈反应中。结果表明，大部分的反应在催化剂的作用下能较快进行，且底物中吸电子基以及苯环的存在对反应效果有积极的作用。
　　另一方面，本文采用一步溶剂热法制备了一系列MFe2O4(M=Mn，Cu，Co，Zn和Ni)磁性纳米粒子，通过FTIR、XRD、TEM、BET、VSM等手段确定其结构和组成。同样以苯甲醛与丙二腈的Knoevenagel缩合作为模型反应，考查不同MFe2O4纳米粒子对反应的催化效果，结果表明NiFe2O4催化活性最好，同时推断M元素为MFe2O4的关键活性组分。优化NiFe2O4催化剂用量使得目标产物收率高达98.6％。通过在最佳条件下的循环实验，发现NiFe2O4循环使用第8次时活性没有明显降低仍然能维持反应95.1％的转化率和96.2％的选择性，且催化剂的结构和组成在重复利用中也没有发生任何改变。因此，所制备的催化剂具有优异的可循环利用性和稳定性。将NiFe2O4运用在11种不同结构的醛与丙二腈或氰乙酸乙酯反应中，发现催化剂对反应具有良好的普适性，底物醛分子中吸电子取代基以及苯环的存在对反应效果有积极的影响。另外，活泼亚甲基的活性与其两端吸电子基团的电负性呈正相关性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 磁性纳米材料

1．2．1 磁性纳米材料的结构和磁性质

1．2．2 磁性纳米材料的分类

1．2．3 磁性纳米粒子的制备

1．2．4 磁性纳米材料的应用

1．3 磁性纳米粒子及其复合粒子在催化领域的应用

1．3．1 磁性纳米固体催化剂概述

1．3．2 磁性纳米固体催化剂的特性

1．3．3 磁性纳米固体催化剂的应用研究现状

1．4 Knoevenagel缩合反应的研究现状

1．4．1 Knoevenagel缩合反应概述

1．4．2 Knoevenagel缩合反应的催发剂发展

1．5 论文选题和构想

第2章 Fe3O4@SiO2磁性纳米复合粒子的制备及其在Knoevenagel缩合反应中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂和仪器

2．2．2 催化剂的制备

2．2．3 Knoevenagel缩合反应

2．2．4 仪器分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 催化剂表征

2．3．2 Fe3O4@SiO2的催化性能评价

2．3．3 催化剂的催化机理分析

2．4 实验小结

第3章 超顺磁尖晶铁氧体NiFe2O4的制备及其催化Knoevenagel缩合反应的性能评价

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 催化剂的制备方法

3．2．3 Knoevenagel缩合反应

3．2．4 表征和测试方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 催化剂表征

3．3．2 NiFe2O4催化Knoevenagel缩合反应性能评估

3．3．2 NiFe2O4催化反应机理探究

3．4 实验小结

第4章 结论和展望

4．1 结论

4．2 创新点

4．3 展望

参考文献

附录

作者简介