固体超强酸催化剂的制备及催化α-蒎烯合成龙脑

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龙脑是一种重要的医药工业及香料原料,具有开窍醒神、消肿止痛、清热解毒之功效,主要用于治疗心血管疾和脑血管病。在香料上是名贵的定香剂和配置高级香水重要原料。广泛应用于医药及香料工业。龙脑可由α-蒎烯经酯化-皂化反应制得,而松节油中含有大量的α-蒎烯。我国松节油资源极其丰富,价格低廉,因此,催化α-蒎烯合成龙脑在我国松脂深加工行业中具有重要现实意义。本论文制备了 3种固体超强酸SO42-/TiO2-SiO2、SO42-/TiO2-Al203、S04--/TiO2-La3+催化剂,首次应用于α-蒎烯酯化-皂化合成龙脑反应。具体研究内容和结果如下:(1)固体超强酸SO42-/TiO2-SiO2催化α-蒎烯合成龙脑采用溶胶凝胶法制备了固体超强酸SO42-/TiO2-SiO2催化剂,以α-蒎烯的酯化-皂化反应为探针反应。采用TEM和XPS等表征手段对催化剂的结构和形貌进行了分析,简单研究XRD、Py-1R和NH3-TPD与制备条件n(Ti)/n(Si)和硫酸浸渍浓度之间的关系,通过单因素实验考察反应温度、反应时间、催化剂用量、物料摩尔比等工艺条件对催化α-蒎烯合成龙脑的影响。在此基础上通过正交实验优化合成龙脑的工艺条件,得到适宜的工艺条件反应时间7h,反应温度70℃,催化剂用量为α-蒎烯的7%,n(α-蒎烯):n(草酸)=1:0.4时,SO42-/TiO2-SiO2固体超强酸酸显示出良好的催化活性和稳定性,α-蒎烯的转化率达到100%,龙脑的收率可达58.14%,重复使用5次后,α-蒎烯的转化率均为100%,龙脑的收率为53.60%以上。(2)固体超强酸SO42-/TiO2-Al203的制备及其催化合成龙脑用溶胶-凝胶法和浸渍法制备了系列SO42-/TiO2-Al203固体超强酸催化剂,运用XRD,NH3-TPD,FT-IR,Py-IR,XPS,SEM等技术手段,研究了复合催化剂材料的结构与性质,初步探讨了固体超强酸SO42-/TiO2-A1203催化剂的构效关系。得到适宜的催化剂制备条件:n(TiO2):(Al203)=1:2、硫酸浸渍浓度1mol/L、催化剂焙烧温度500℃,同时考察物料摩尔比、催化剂用量、反应时间等对催化合成冰片的影响。结果表明在物料摩尔比为1:0.4,催化剂用量为α-蒎烯质量的7%,采用程序升温方式(65℃ 1 h,75℃ 4 h,90℃ 1 h)进行加热的条件下,SO42-/TiO2-Al2O3固体超强酸催化剂催化活性最高,α-蒎烯的转化率高达100%,龙脑的收率高达59.74%,SO42-/TiO2-Al2O3固体超强酸催化剂在重复使用6次的情况下,α-蒎烯的转化率均不变,龙脑的收率下降2.99%,催化剂的重复使用性良好。(3)纳米稀土固体超强酸SO42-/TiO2-La3+的制备及其催化α-蒎烯合成龙脑采用浸渍法制备了稀土固体超强酸SO42-/TiO2-La3+催化剂。通过TEM、XRD、XPS、NH3-TPD、Py-IR和TG表征对催化剂的结构形貌、酸强度、酸性质和重复使用性进行了分析。结果显示,稀土元素La改性后的催化剂的Bronsted酸位点明显增加,且S04--/TiO2-La3+催化剂为固体超强酸,催化剂的平均粒径在50nm以内。以催化α-蒎烯酯化皂化合成龙脑为探针反应,评价该催化剂的活性及稳定性。实验结果显示,在最适条件下,α-蒎烯的转化率为100%,龙脑的收率为6 2.60%,并且催化剂重复使用5次后活性基本保持不变,具有较好的活性及稳定性。
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