介孔铜氟羟基磷灰石催化剂的合成及其在大分子碳—氮偶联催化反应中的应用研究

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过渡金属催化碳-氮偶联反应具有产率高,适用范围广,产物易分离,条件较为温和等特点,已被广泛的应用于有机化学的多个研究领域,如天然产物、生物活性化合物和药物分子的合成,聚合物、液晶、超分子以及配体的合成等。然而,传统的钯、镍等催化剂有毒、价格昂贵、对环境危害大、回收难以及往往需要配体等缺陷,使得其在实际推广应用中受到限制。铜氟羟基磷灰石(CuFAP)作为一种新兴的催化剂,具有毒性低,经济低廉,合成简单,稳定性高,易分离等特点而在碳-氮偶联反应体表现出巨大的优势,但CuFAP作为一种微孔催化剂孔径小,晶粒尺寸大,比表面低等特点使得其在大分子碳-氮偶联反应中表现出催化效率低,用量大,反应条件苛刻等特点限制了其在大分子药物合成中的应用。因此,研究合适的方法增大CuFAP的比表面和孔道结构,使之能增强对大分子碳-氮偶联反应的催化效果具有尤为重要的意义。本论文研究了两种方法改进CuFAP的孔道结构:(1)分别用软模板剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基磷酸酯钾(MAP)以及三嵌段共聚物P123、F127直接合成介孔CuFAP;(2)合成介孔氧化硅材料SBA-15、AlSBA-15及介孔碳材料CMK-3,采用液相浸渍的方法来负载CuFAP,并对它们催化大分子碳-氮偶联反应的性能进行了研究。结果表明:(1)利用软模板剂直接合成的羟基磷灰石(HAP)更易形成片层状结构,此结构高温下不稳定,易坍塌。(2)介孔氧化硅SBA-15在HAP合成的碱性条件不能有效负载HAP,在碱溶液中,氧化硅骨架遭到刻蚀,导致其介观结构坍塌。(3)对SBA-15进行改性后得到的AlSBA-15能够在碱性条件下稳定存在并能有效负载HAP。负载后羟基磷灰石颗粒小、分散均匀。但是用于催化反应时,在强碱叔丁醇钾存在的情况下,AlSBA-15依旧发生介观结构坍塌。(4)介孔碳材料CMK-3耐酸碱腐蚀能力强,可成功负载不同量(5%-30%)的CuFAP,负载后CMK-3介观结构仍能有效保持,随着负载量的增加,比表面、孔容呈降低趋势,当负载量为30%时,比表面仍能达到320m2/g,为原CMK-3比表面(682m2/g)的近一半。(5)样品CuFAP、CuFAP/CMK-3用于催化大分子外消旋6,6’-二溴-2,2’-二正丁烷氧基-1,1’-联萘与咪哗的C-N偶联反应的结果表明,CuFAP负载在介孔碳CMK-3上的样品CuFAP/CMK-3较未负载的样品CuFAP,对大分子C-N偶联反应的催化效果有了大幅度的提升。在相同实验条件下,负载量为20%的样品20%CuFAP/CMK-3的催化效果最好,随着负载量的继续增加,比表面继续降低,分散在CMK-3表面上的CuFAP开始出现明显聚集,这就使得暴露的催化剂活性位反而减少,致使催化效果降低。而单位质量CuFAP的催化效率表明,5%CuFAP/CMK-3的催化效果最好,这是由于5%CuFAP/CMK-3粒子尺寸最低,比表面最高,同时单位质量CuFAP中Cu2+的含量最高,使得5%CuFAP/CMK-3的催化体系中暴露的催化位最多,故单位质量的催化效率最高。(6)CuFAP/CMK-3的再生实验表明,催化反应后的CuFAP/CMK-3经Cu2+再次交换后催化效果减弱,这可能和CuFAP/CMK-3中CuFAP晶粒聚集长大使得催化活性位减少有关。
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