CN101450325A - 温控两相纳米催化体系及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种由含聚醚链的离子液体(1)和以该离子液体为稳定剂的过渡金属钌,铑或钯纳米催化剂为一相,以甲苯和正庚烷为另一相的温控两相纳米催化体系及应用。该体系的特点是具有“高温混溶,室温分相”的功能。含聚醚链的离子液体是一种含有聚乙氧基链长n=12,16,22的季铵盐。钌,铑或钯纳米催化剂是在含聚醚链的离子液体中分别以RuCl3·3H2O,RhCl3·3H2O或PdCl2为前体,通过H2还原法制得。该体系提供了一种过渡金属纳米催化剂易于分离回收的催化反应体系,应用在高碳烯烃的加氢反应中,可以获得转化率和产物收率均高达99%以上,而且过渡金属Ru,Rh或Pd纳米催化剂经8~10次循环使用,催化活性基本保持不变。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有温控相变化功能,用于过渡金属纳米催化剂易于分离回收的温控两相纳米催化体系与应用。
技术背景
过渡金属纳米催化剂用于均相或多相催化反应中所表现出的高活性等特性已经引起国内外催化界的极大关注。过渡金属纳米催化剂主要由中心金属粒子和用于防止其聚集成大颗粒的稳定剂组成。目前,见诸报导的稳定剂有供电子配体、表面活性剂和聚合物等。中科院北京化学所的刘汉范研究员等在聚合物稳定纳米催化剂方面作了大量工作(J.Mol.Catal.A:Chem.,2000,159(1),115-120;J.Mol.Catal.A:Chem.,2000,157(1-2),217-224;React.FunctionalPolym.,2000,44(1),21-29)。G.Schmid等首次合成了膦配体稳定的油溶性和水溶性的金纳米催化剂(Chem.Ber.,1981,114,3634-3642)。Boennemann等则通过化学还原法合成了Ru,Rh,Pd等十几种表面活性剂稳定的过渡金属纳米催化剂(Appl.Organomet.Chem.,1997,11,783-796;J.Organomet.Chem.,1996,520,143-162)。Huang等报导了以邻菲络啉为稳定剂在离子液体中合成了钯纳米催化剂用于烯烃的加氢反应,但是体系不具有“高温混溶,室温分相”功能(Chem.Commun.,2003,1654-1655)。北京大学寇元教授等报导了以离子液体和与其结构相似的共聚物共同稳定的Rh纳米催化剂的应用,该催化剂同样不具备温控功能(J.Am.Chem.Soc.,2005,127,9694-9695)。Jairton Dupont等报导了纳米Ru-NPs分散固定在酰亚胺离子液体中两相催化芳烃的选择性加氢,在该两相体系中不能很好地实现纳米催化剂的回收使用(Inorg.Chem.,2008,47,8995-9001)。但以含聚醚链的离子液体(1)为稳定剂的过渡金属纳米催化剂的制备及以含聚醚链的离子液体(1)与甲苯、正庚烷组成的温控两相纳米催化体系中的高碳烯烃加氢反应的研究尚未见文献报导。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有温控相变化功能的温控两相纳米催化体系,即一种具有高温互溶为一相,室温又分为两相功能的催化反应体系,可用于过渡金属纳米催化剂的分离回收。该两相体系中的一相是由含聚醚链的离子液体(1)和以该离子液体为稳定剂的过渡金属钌,铑或钯纳米催化剂组成,另一相为甲苯和正庚烷的混合溶剂;纳米催化剂的平均粒径为2~4nm,含聚醚链的离子液体(1)是一种含有聚乙氧基链长n=12,16,22的季铵盐,其结构为:
CH3(OCH2CH2)nN+Et3SO3 -CH3 (1)
在此温控两相纳米体系中,含聚醚链的离子液体(1)质量百分数为9.1%~13.2%;Ru,Rh或Pd纳米催化剂在体系中的量为离子液体质量的0.09%~0.15%,该体系在40-80℃混溶呈一相,室温下分成界面清晰的两相。
该温控两相纳米催化体系的制备方法为:以含聚醚链离子液体(1)为稳定剂的过渡金属纳米催化剂的制法是将含聚醚链的离子液体(1)和过渡金属盐RuCl3·3H2O,RhCl3·3H2O或PdCl2按摩尔比为100:1加入不锈钢高压釜中,加热搅拌至过渡金属盐完全溶解,上紧釜并检漏,用1.0MPa H2置换3~5次,然后充入4.0MPa的氢气,在反应温度为60~80℃,搅拌反应1~2h,反应结束后自然冷却,制得含平均粒径为2~4nm的过渡金属纳米催化剂的含聚醚链的离子液体(1)的一相;另一相的甲苯和正庚烷的混合溶剂在使用时加入,其中甲苯的质量百分数为86%~98%,正庚烷的质量百分数为2%~14%。
该温控两相纳米催化体系可用在高碳烯烃的加氢反应中,以C6~C12烯烃为原料,在过渡金属Ru,Rh或Pd纳米催化剂作用下,在反应温度50~80℃,氢气压力1.0~4.0MPa,反应时间0.5~1.5h,高碳烯烃的转化率和产物收率均高达99%以上,Ru,Rh或Pd纳米催化剂经8~10次循环使用,催化活性基本保持不变。例如,在含Rh纳米催化剂的离子液体(1),甲苯,正庚烷的两相体系中,于60℃,1.5MPa H2的条件下反应50分钟,环己烯的转化率和环己烷收率均为100%。含Rh纳米催化剂的离子液体相循环使用8次,催化活性基本保持不变,Rh纳米催化剂没有出现团聚现象(见实施例9中表1以离子液体(1)(n=12)为稳定剂的Rh纳米催化剂在环己烯加氢反应中的循环使用效果)。在含Ru纳米催化剂的离子液体(1)(n=22),甲苯,正庚烷的两相体系中,于60℃,4.0MPa H2的条件下反应1.5h,1-辛烯的转化率和辛烷收率均为100%。含Ru纳米催化剂的离子液体相循环使用10次,催化活性保持不变,Ru纳米催化剂没有出现团聚现象(见实施例11中表3以离子液体(1)(n=22)为稳定剂的Ru纳米催化剂在1-辛烯加氢反应中的循环使用效果)。
具体实施方式
实施例1
以离子液体(1)(n=12)为稳定剂的Rh纳米催化剂的制备
将6g离子液体(1)(n=12),21.94mg RhCl3·3H2O加入75mL不锈钢高压釜中,加热搅拌至RhCl3·3H2O完全溶解。上紧釜并检漏,用1.0MPa H2置换3~5次,然后充入4.0MPa的氢气。在温度70℃,加热搅拌1.0h。反应完毕后,自然冷却便得到所需的Rh纳米催化剂,Rh的平均粒径为2nm。
实施例2
以离子液体(1)(n=16)为稳定剂的Rh纳米催化剂的制备
将6g离子液体(1)(n=16),17.27mg RhCl3·3H2O加入75mL不锈钢高压釜中,加热搅拌至RhCl3·3H2O完全溶解。上紧釜并检漏,用1.0MPa H2置换3~5次,然后充入4.0MPa的氢气。在温度70℃,加热搅拌1.0h。反应完毕后,自然冷却便得到所需的Rh纳米催化剂,Rh的平均粒径为2nm。
实施例3
以离子液体(1)(n=22)为稳定剂的Ru纳米催化剂的制备
将6g离子液体(1)(n=22),13.47mg RuCl3·3H2O加入75mL不锈钢高压釜中,加热搅拌至RuCl3·3H2O完全溶解。上紧釜并检漏,用1.0MPa H2置换3~5次,然后充入4.0MPa的氢气。在温度70℃,加热搅拌2.0h。反应完毕后,自然冷却便得到所需的Ru纳米催化剂,Ru的平均粒径约为3nm。
实施例4
以离子液体(1)(n=22)为稳定剂的Pd纳米催化剂的制备
将6g离子液体(1)(n=22),9.14mg PdCl2加入75mL不锈钢高压釜中,加热搅拌至PdCl2完全溶解。上紧釜并检漏,用1.0MPa H2置换3~5次,然后充入4.0MPa的氢气。在温度70℃,加热搅拌2.0h。反应完毕后,自然冷却便得到所需的Pd纳米催化剂,Pd的平均粒径约为3nm。
实施例5
温控两相纳米催化体系中以离子液体(1)(n=12)为稳定剂的Rh纳米催化剂催化环己烯加氢反应
依次将0.5g离子液体(1)(n=12)稳定的Rh纳米催化剂,3.8g甲苯,0.5g正庚烷,0.6g环己烯加入75mL不锈钢高压釜中。上紧并检漏,用1.0MPa H2置换3~5次,然后充入1.5MPa的氢气。在温度60℃,环己烯/Rh=1000/1(摩尔比)的反应条件下,经50分钟反应,取出反应釜冷却至室温,分出上层有机相,经GC分析,环己烯的转化率和环己烷的收率均达到100%。
实施例6
温控两相纳米催化体系中以离子液体(1)(n=16)为稳定剂的Rh纳米催化剂催化1-十二碳烯加氢反应
依次将0.5g离子液体(1)(n=16)稳定的Rh纳米催化剂,5.0g甲苯,0.1g正庚烷,0.9g 1-十二碳烯加入75mL不锈钢高压釜中。上紧并检漏,用1.0MPaH2置换3~5次,然后充入1.0MPa的氢气。在温度80℃,1-十二碳烯/Rh=1000/l(摩尔比)的反应条件下,经50分钟反应,取出反应釜冷却至室温,分出上层有机相,经GC分析,1-十二碳烯的转化率和十二烷的收率均为100%。
实施例7
温控两相纳米催化体系中以离子液体(1)(n=22)为稳定剂的Ru纳米催化剂催化1-辛烯加氢反应
依次将0.5g离子液体(1)(n=22)稳定的Ru纳米催化剂,3.0g甲苯,0.5g正庚烷,0.5g 1-辛烯加入75mL不锈钢高压釜中。上紧并检漏,用1.0MPa H2置换3~5次,然后充入4.0MPa的氢气。在温度60℃,1-辛烯/Ru=1000/1(摩尔比)的反应条件下,经1.5小时反应,取出反应釜冷却至室温,分出上层有机相,经GC分析,1-辛烯的转化率和辛烷收率为100%。
实施例8
温控两相纳米催化体系中以离子液体(1)(n=22)为稳定剂的Pd纳米催化剂催化1-癸烯加氢反应
依次将0.5g离子液体(1)(n=22)稳定的Pd纳米催化剂,3.0g甲苯,0.3g正庚烷,0.6g 1-癸烯加入75mL不锈钢高压釜中。上紧并检漏,用1.0MPa H2置换3~5次,然后充入4.0MPa的氢气。在温度60℃,1-癸烯/Pd=1000/1(摩尔比)的反应条件下,经1.5小时反应,取出反应釜冷却至室温,分出上层有机相,经GC分析,1-癸烯的转化率和癸烷收率均为100%。
实施例9
以离子液体(1)(n=12)为稳定剂的Rh纳米催化剂的分离和循环使用活性考察
方法见实施例5,不同的是每次循环重新加入3.8g甲苯,0.5g正庚烷,0.6g环己烯。实验结果见表1。
表1 以离子液体(1)(n=12)为稳定剂的Rh纳米催化剂在环己烯加氢反应中的循环使用效果
实施例10
以离子液体(1)(n=16)为稳定剂的Rh纳米催化剂的分离和循环使用活性考察
方法见实施例6,不同是每次循环重新加入5.0g甲苯,0.1g正庚烷,0.9g 1-十二碳烯。实验结果见表2。
表2 以离子液体(1)(n=16)为稳定剂的Rh纳米催化剂在1-十二碳烯加氢反应中的循环使用效果
实施例11
以离子液体(1)(n=22)为稳定剂的Ru纳米催化剂的分离和循环使用活性考察
方法见实施例7,不同的是每次循环重新加入3.0g甲苯,0.5g正庚烷,0.5g1-辛烯。实验结果见表3。
表3 以离子液体(1)(n=22)为稳定剂的Ru纳米催化剂在1-辛烯加氢反应中的循环使用效果
Claims (3)
1、一种使过渡金属纳米催化剂易于分离回收的温控两相纳米催化体系,其特征在于该两相体系中的一相是由含聚醚链的离子液体(1)和以该离子液体为稳定剂的过渡金属钌,铑或钯纳米催化剂组成,另一相为甲苯和正庚烷的混合溶剂;纳米催化剂的平均粒径为2~4nm,含聚醚链的离子液体(1)是一种含有聚乙氧基链长n=12,16,22的季铵盐,其结构为:
CH3(OCH2CH2)nN+Et3SO3 -CH3 (1)
在上述温控两相纳米体系中,含聚醚链的离子液体(1)质量百分数为9.1%~13.2%;Ru,Rh或Pd纳米催化剂在体系中的量为离子液体质量的0.09%~0.15%,该体系在40-80℃混溶呈一相,室温下分成界面清晰的两相。
2、按照权利要求1所述温控两相纳米催化体系的制备方法,其特征在于两相体系中,以含聚醚链离子液体(1)为稳定剂的过渡金属纳米催化剂的制法是将含聚醚链的离子液体(1)和过渡金属盐RuCl3·3H2O,RhCl3·3H2O或PdCl2按摩尔比为100∶1加入不锈钢高压釜中,加热搅拌至过渡金属盐完全溶解,上紧釜并检漏,用1.0MPaH2置换3~5次,然后充入4.0MPa的氢气,在反应温度为60~80℃,搅拌反应1~2h,反应结束后自然冷却,制得含平均粒径为2~4nm的过渡金属纳米催化剂的含聚醚链的离子液体(1)的一相;另一相的甲苯和正庚烷的混合溶剂在使用时加入,其中甲苯的质量百分数为86%~98%,正庚烷的质量百分数为2%~14%。
3、按照权利要求1所述温控两相纳米催化体系的用途,其特征在于用在高碳烯烃的加氢反应中,以C6~C12烯烃为原料,在过渡金属Ru,Rh或Pd纳米催化剂作用下,在反应温度50~80℃,氢气压力1.0~4.0MPa,反应时间0.5~1.5h,高碳烯烃的转化率和产物收率均高达99%以上,Ru,Rh或Pd纳米催化剂经8~10次循环使用,催化活性基本保持不变。
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CN108212214A (zh) * | 2018-01-12 | 2018-06-29 | 大连理工大学 | 温控相转移手性催化体系及其应用 |
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