有机催化纤维的制备及在相转移催化亲核取代反应中的应用

摘要

相转移催化是实现非均相有机合成反应高效率、低污染的有效途径之一，在染料、助剂和医药中间体等精细化学品合成领域应用广泛。现常用的催化剂多为可溶性催化剂，存在有毒害、消耗大并且难以回收的缺点。固载相转移催化剂是解决上述问题常用方法。但现有的固载催化剂仍存在分离过程复杂、反应效率较差、无法实现连续化等问题。廉价易得的新型固载催化剂成为相转移催化领域亟需解决的难题。　　本文以棉、涤纶纤维为载体，采用溶液聚合合成了五种功能单体的共聚物改性剂，通过涂层整理的方式将改性剂负载于纤维上，制备了一系列固载相转移催化剂。以Williamson醚合成为例，对比了不同固载催化剂的活性，探讨了功能单体结构对催化活性的影响，建立了三相相转移催化反应动力学方程、阐明了反应机理。论文的主要研究内容如下:　　(1)催化纤维的制备。选用五种功能单体:疏水硬单体、疏水软单体、交联单体、耐溶剂单体、阳离子单体合成了共聚物改性剂，表征了改性剂的分子结构，确定了制备有机催化纤维的工艺，对比了有机催化棉基纤维的形态结构与在油水两相的吸附性能。结果表明:共聚物的结构无误，加热至130℃时，聚合物开始交联;制备催化纤维的适宜条件为二浸二轧，轧余率为90％，焙烘温度170℃，焙烘时间1.5h，磷酸用量12wt％;交联后共聚物具有良好的稳定性和双亲性，水在其表面的空气三相接触角接近90°;负载共聚物之后的纤维仍具有较大的比表面积，且结构稳定;由于纤维表面微纳结构的存在，对应水的接触角由90°增大到135°;催化纤维表面阳离子的存在，纤维仍可吸附水中的染料，最大吸附量10％(m/m)，较多的亲油基团使得其对有机溶剂也具有较好的吸附性能。　　(2)催化纤维的催化活性研究。分析了长链酯单体结构、阳离子单体结构、聚合物负载量、阳离子摩尔量对棉基、涤纶基催化纤维催化活性的影响;对比了有机催化纤维在苄基溴化衍生物醚化反应的催化活性及回用性能。结果表明:随着改性剂中亲油单体链长的增加，水在催化纤维表面接触角增大，其催化活性和稳定性均提高，阳离子单体的可及度对催化活性的影响大于其亲油性能;以甲基丙烯酰胺丙基二甲基丁基溴化铵为阳离子单体，甲基丙烯酸十八烷基酯为疏水长链酯单体，阳离子摩尔含量为13.33％，聚合物负载量为20％的有机催化纤维催化活性最高且最稳定:有机催化纤维的回用5次时仍能保证较高的催化活性，且回用后纤维的结构无明显变化;在苄基溴化衍生物的醚化反应中催化纤维均表现出良好的催化活性，反应5h时转化率均大于90％。　　(3)催化纤维催化反应动力学和反应机理。由于催化反应界面固定、界面处阳离子浓度有限，且水相酚负离子浓度过量，反应速率只与油相对硝基溴化苄的浓度有关，整体反应为一级反应。催化反应过程中:催化中心阳离子吸附水相中的对甲酚负离子，通过季铵盐阳离子的双亲性和聚合物上疏水链段结构所形成的亲油性，使带有过渡活性离子对的固载纤维进入有机相，在微溶胀条件下将亲核基对甲酚负离子释放出来，使之与底物对硝基溴化苄发生亲核取代反应;解吸后固载纤维上的催化中心阳离子又回到水相中吸附对甲酚负离子，形成循环。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2相转移催化概述

1．2．1相转移催化基本原理

1．2．2相转移催化研究现状

1．3．1两相转移催化反应体系

1．3．2三相转移催化反应体系

1．4相转移催化剂的分类

1．4．1鲶盐类

1．4．2包结类

1．4．3开链聚醚类

1．4．4其他类

1．5固载相转移催化剂

1．5．1无机类载体

1．5．2有机高分子类载体

1．5．3新型有机纤维类载体

1．6研究主要内容及创新点

1．6．1研究主要内容

1．6．2研究创新点

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1材料与仪器

2．2．2实验方法

2．3结果与讨论

2．3．1共聚物的表征

2．3．2催化纤维的制备

2．3．3催化纤维的表征

2．4本章小结

第三章有机催化纤维对醚化反应催化活性的探究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1材料与仪器

3．2．2实验方法

3．3结果与讨论

3．3．1长链酯单体结构对催化活性的影响

3．3．2阳离子单体结构对催化活性的影响

3．3．3聚合物负载量对催化活性的影响

3．3．4不同阳离子摩尔量对催化活性的影响

3．3．5有机催化纤维的回用性能

3．3．6有机催化纤维在苄基溴化衍生物醚化反应中的应用

3．3．7有机催化纤维催化醚化反应机理

3．4本章小结

第四章结论与展望

4．1结论

4．2展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及参加科研工作情况