多孔配位聚合物、有机聚合物的合成、表征及催化性质研究

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材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。在众多材料中,多孔材料由于其具有优异的吸附性能以及相对密度低、比表面积高、重量轻等优点而受到了科学家们的广泛关注。在最近的二十多年间,具有多孔性质的聚合物材料如多孔配位聚合物(porouscoordination polymers, PCPs)、具有结晶态的金属有机骨架材料(Metal-OrganicFrameworks, MOFs)以及一种新的通过共价键连接而形成的材料-微孔有机聚合物材料(Microporous Organic Polymers, MOPs)成为了科学家们的研究热点,也为多孔材料的研究开辟了另一个崭新的领域。目前,多孔配位聚合物和微孔有机聚合物已经被广泛地应用在气体储存与分离、药物缓释、光捕获、化学传感、非均相催化等领域。由于多孔配位聚合物和微孔有机聚合物具有灵活多变的结构和规格各异的孔道,这些特点使得它们在多相催化领域的潜力是无穷的。聚烯烃作为一种合成高分子材料广泛地应用于我们的日常生活中。开发高活性并能应用于工业生产的聚烯烃催化剂具有重要的意义。目前工业上是将催化剂固载到硅胶、分子筛或者MgCl2等一些载体上之后再进行催化反应,某些催化剂在进行后负载之后其活性会明显下降,并且在聚合物中会引入灰分杂质。多孔配位聚合物由于其具有的高比表面积、可调控的结构等诸多优点已经被广泛地应用在多相催化领域。我们首次合成了一系列多孔配位聚合物型自固载催化剂,并将它们应用到催化乙烯聚合反应中。过渡金属催化的碳碳键偶联反应是有机化学和药物化学领域中一类十分重要的反应。然而,目前广泛应用的均相催化体系成本较高,且存在着产物分离困难、催化剂无法循环使用等不足。因此,将均相催化剂固载到活性炭、硅胶、沸石分子筛、纳米粒子、MOFs、MOPs等载体上是一个很好的解决办法。但这种后负载的方法存在着合成较繁琐,催化中心分布不均匀,材料稳定性差等缺点。最近,科学家们报道了一系列利用“bottom-up”合成策略构建微孔有机聚合物型催化剂。与传统的后负载的方法相比,利用“bottom-up”这种方法构筑的材料中催化剂含量较高、分布较均匀,并且催化剂的稳定性高,这些特点有望能够提高非均相催化剂的催化活性和循环利用能力。因此,我们利用“bottom-up”策略设计合成了一种基于Salen-Pd单元的微孔有机聚合物并用于催化碳碳键偶联反应。本论文的工作总结如下:在本论文的第二章中,我们合成了两种新颖的含有三苯基苯结构的水杨醛亚胺配体,将它们与NaH反应制备其钠盐,再与ZrCl4(THF)2在不同的溶剂中一锅法反应制备了一系列多孔配位聚合物型自固载FI-Zr催化剂。利用元素分析、比表面积及孔径分布、固体核磁、粉末衍射(PXRD)、红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)等表征手段对材料进行了较为系统的表征。结果表明,在四氢呋喃中制备的催化剂比表面积高,微孔数量多;热重分析表明这些催化剂稳定性较好,电镜照片显示它们是具有纳米尺寸的颗粒状固体材料。我们利用这种自固载型催化剂进行了乙烯聚合研究。结果表明,在烷基铝和硼助催化剂Ph3CB(C6F5)4的活化下,自固载FI-Zr催化剂具有较高的活性,比均相催化剂寿命长,虽然活化速度稍慢,但催化聚合乙烯的性能并没有减弱。利用自固载型FI-Zr催化剂得到的聚乙烯分子量较高、分子量分布宽、呈现明显的双峰分布;聚乙烯为颗粒状,具有不粘釜、易加工的优点。以上的特性表明这种多孔配位聚合物型自固载催化剂具有潜在的工业应用价值。在本论文的第三章中,我们利用第二章中报道的含有三苯基苯结构的水杨醛亚胺配体以同样的方法先制备配体的钠盐、再与四氯化铪反应制备了两种多孔配位聚合物型自固载FI-Hf催化剂。我们对它们也进行了系统的表征。在烷基铝和硼助催化剂Ph3CB(C6F5)4的活化下,催化乙烯聚合反应能够具有中等的活性。并且能够得到分子量分布较宽的、易加工的颗粒状的聚乙烯。在本论文的第四章中,我们通过Sonogashira偶联反应将Salen-Pd和1,3,5-三乙炔苯这两种单体聚合,以较高的产率合成了一种新型的多孔有机骨架材料MsMOP-1。我们优化了MsMOP-1的合成条件,发现当Salen-Pd单体与1,3,5-三乙炔苯的摩尔比为2:3,且溶剂为DMAc和三乙胺时,得到的样品比表面积最大,为554m2g-1。利用元素分析和ICP测试对MsMOP-1的组成进行了分析,利用比表面积和孔径分布、紫外、红外、固体核磁、X射线粉末衍射、TGA热重分析、SEM扫描电镜、TEM透射电镜、粒径分布及X射线光电子电子能谱等对MsMOP-1的结构、稳定性、尺寸及形貌等方面进行了详细的表征。结果表明,MsMOP-1具有较好的稳定性,是由粒径为二百纳米左右的球型颗粒堆积的微孔材料。该材料的催化中心金属Pd良好地分散在聚合物骨架中,并且其具有的孔道为偶联反应的进行提供了空间,聚合物的网状结构能够阻止催化中心的流失。我们对MsMOP-1在催化碳碳键偶联反应(Suzuki-Miyaura偶联和Heck偶联反应)中的应用进行了研究,考察了MsMOP-1在催化过程中对底物的普适性和循环利用能力。催化结果表明,MsMOP-1对催化碘苯及其衍生物的偶联反应具有非常高的活性。MsMOP-1在催化碘苯与苯硼酸的偶联反应结束后,可以回收利用五次,活性没有明显下降。
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