CN101869844A - 一种新型固体强碱催化剂及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型固体强碱催化剂,其原料组分中含有的组分及其重量份数为:卤化锡1.7-23.4份,无机碱性化合物7.0-14.7份以及水70.8-97.7份。本发明并提供了该新型固体强碱催化剂的制备方法及其催化应用。本发明所提供的固体强碱催化剂组成简单、催化活性高,制备简便易行,当其应用于各种催化反应中时,催化剂用量小,对反应器无腐蚀,属于环境友好催化剂,反应结束后,催化剂可通过离心得到分离,得以重复使用。
Description
【技术领域】
本发明涉及催化和有机化学合成技术领域,具体地说涉及一种新型固体强碱催化剂及其制备与应用。
【背景技术】
固体碱就是能够化学吸附酸性质物质的固体或能使酸性指示剂变色的固体。固体强碱作为催化剂在多种反应中表现出较优异的效果:(1)催化活性高,可使反应条件温和,而作为固体又耐高温;(2)选择性极高,产物纯度高,易与产物分离,工艺简单;(3)催化剂可重复使用,也可连续使用;(4)对反应设备腐蚀性小,废水少。此外,固体强碱催化剂在多种反应中以其独特的性能克服了固体强酸性催化剂因结焦而失活的现象。
常用的碱性固体催化剂主要有碱土金属氧化物及氢氧化物、碱金属氧化物,负载型碱金属和碱金属氧化物等。它们虽然具有高活性,但其活性组分遇水易流失而失活,这是这类催化剂难以在工业上大规模应用的主要原因之一。稀土氧化物不溶于水,且具有与碱土金属氧化物类似的碱性,稀土与其它元素组成的复合氧化物更是有可能成为性能优良的超强碱催化剂。因此,采用复合氧化物固体碱催化剂不仅能大大丰富固体碱的种类,而且碱中心结构和形成机理的研究成果对于设计开发新型固体碱催化剂具有科学价值和现实意义。
碳酸二甲酯(DMC)作为一种环境友好的新型化学试剂,因其独特的理化性质,其合成和应用近年来受到了国内外的广泛关注.合成碳酸二甲酯的工业方法主要有甲醇氧化羰基化法和酯交换法,其中酯交换法应用最为广泛。
酯交换法合成碳酸二甲酯主要是由二氧化碳和环氧乙烷(EO)或环氧丙烷(PO)反应生成乙烯酯(EC)或碳酸丙烯酯(PC)后,再由EC或PC与甲醇(MeOH)反应制的DMC,同时副产物乙二醇(EG)或丙二醇(PG)。在该反应中,一般多以碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属醇盐等作为催化剂。但因其为均相反应,给催化剂的分离与重复使用造成困难。目前也有文献报道使用无机非均相催化剂:碱性树脂、金属氧化物、水滑石等。然而,这些催化剂需要比较高的反应温度和压强,而且DMC收率比较低。例如Raquel Jua′rez(Green Chem.,2009,11,949-952)等人以Au/CeO2为催化剂,PC∶MeOH为1∶10,在140℃下回流6小时,碳酸丙烯酯的转化率为63%,DMC收率仅为35%;B.M.Bhanagea,(Appl.Catal.A:Gen.,2001,219,259.)等人以固体氧化物为催化剂,PC∶MeOH为2∶25,压力8Mpa,反应温度150℃,反应时间为4小时,DMC的最高收率仅为32.4%。
寻求一种新型固体强碱催化剂并将其应用催化反应,尤其是应用于催化酯交换法合成碳酸二甲酯中,一直是催化和有机化学合成领域技术人员的不懈追求。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种新型固体强碱催化剂及其制备方法,其制备简便易行,催化剂用量小且可重复使用,催化稳定性好且活性高。
实现本发明目的的具体方案是:提供一种固体强碱催化剂,其特征在于,其原料中含有按重量份数计算的下列组分:
卤化锡 1.7--23.4份
无机碱性化合物 7.0--14.7份
水 70.8--97.7份。
上述固体强碱催化剂中,所述卤化锡是选自四氟化锡、四氯化锡、四溴化锡或四碘化锡中的至少一种。
上述固体强碱催化剂中,所述无机碱性化合物是选自NaHCO3、Na2CO3、NaOH、KHCO3、K2CO3、KOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3或NH3中的至少一种。
本发明的另一目的在于提供上述固体强碱催化剂的制备方法,包含的步骤为:
取原料卤化锡溶于水中,在搅拌下,逐滴加入无机碱性化合物的水溶液,
调节溶液的pH值为7.0~10.0,形成溶胶;
将制得的溶胶过滤、水洗、烘干,然后置入焙烧炉,在氮气、氢气或惰性气体氛围中,在400~1000℃下焙烧,即得。
上述固体强碱催化剂的制备方法中,所述卤化锡是选自四氟化锡、四氯化锡、四溴化锡或四碘化锡中的至少一种。
上述固体强碱催化剂的制备方法中,所述无机碱性化合物是选自NaHCO3、Na2CO3、NaOH、KHCO3、K2CO3、KOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3或NH3中的至少一种。
本发明的再一目的在于提供上述固体强碱催化剂在酯交换法合成碳酸二甲酯中的应用。在该应用中,催化剂的用量占反应物总量的0.5~9wt%。
本发明的更一目的在于提供上述固体强碱催化剂在烯烃的异构化反应、醇醚合成反应、酯交换反应、醛酮缩合反应、酯缩合反应、羟醛缩合反应、烷基化反应、酰基化反应、双键转移反应、Michael反应、Henry反应、Konevenagel反应、Perkin反应、Claisen-Schmidt反应、Tishchenko反应、Hantzsch反应等反应中的应用。在该应用中,催化剂的用量占反应物总量的0.5~9wt%。
本发明的有益效果在于,本发明所提供的固体强碱催化剂不同于传统的以碱土金属氧化物及氢氧化物、碱金属氧化物、负载型碱金属和碱金属氧化物为主的固体强碱催化剂,该催化剂组成简单、催化活性高,制备简便易行,当其应用于各种催化反应中时,催化剂用量小,对反应器无腐蚀,属于环境友好催化剂,反应结束后,催化剂可通过离心得到分离,得以重复使用。
【具体实施方式】
实施例1
配制0.25M的SnCl4溶液,在剧烈搅拌下,形成溶胶,控制溶胶形成温度为50℃;然后逐滴滴加饱和碳酸氢钠溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-;将溶胶在110℃下烘12小时,得到的凝胶研磨后置于马弗炉中5℃/min升温至550℃,空气氛围中焙烧4小时制得固体强碱催化剂。
取将甲醇、碳酸丙烯酯和上述制得的催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为9∶1,催化剂用量为反应物总量的2.64wt%,在温度20℃下搅拌,反应4小时后,产物离心分离,液体部分即制得的DMC。取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
产物分析方法与条件:
产物样品采用南京科捷分析仪器有限公司生产的GC9890F气相色谱仪,氢火焰离子化检测器进行分析检测。色谱分析条件为:毛细管柱AT·SE30m×0.32mm×0.33μm,进样口温度:250℃;检测器温度:250℃;柱温初始温度50℃,保持1min,然后以20℃/min升至210℃,在210℃保持3min,进样量为0.5μL。
实施例2
配制0.25M SnCl4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为50℃,逐滴滴加2M KOH溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1,将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氢气氛围中500℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为12∶1,催化剂用量为2.64wt%,反应温度为80℃,搅拌条件下反应4小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例3
配制0.25M SnCl4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为30℃,逐滴滴加40%氨水溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氩气氛围中450℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为12∶1,催化剂用量为3wt%,反应温度为60℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例4
配制0.25M SnCl4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为30℃,逐滴滴加碳酸钠饱和溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于马弗炉中在氦气氛围中700℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为15∶1,催化剂用量为2.64wt%,反应温度为150℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例5
配制0.25M SnCl4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为60℃,逐滴滴加2MNaOH溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氮气氛围中600℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为12∶1,催化剂用量为3wt%,反应温度为100℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例6
配制0.25M SnCl4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为70℃,逐滴滴加2MNaOH溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氮气氛围中600℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为15∶1,催化剂用量为2.64wt%,反应温度为80℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例7
配制0.25M SnCl4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为40℃,逐滴滴加2MNaOH溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氮气氛围中600℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为12∶1,催化剂用量为3wt%,反应温度为100℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例8
配制0.25M SnCl4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为70℃,逐滴滴加2MNaOH溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氮气氛围中550℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为15∶1,催化剂用量为2.64wt%,反应温度为80℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例9
配制0.25M SnBr4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为20℃,逐滴滴加2MNaOH溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氩气氛围中550℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为15∶1,催化剂用量为2.64wt%,反应温度为80℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例10
配制0.25M SnF4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为16℃,逐滴滴加2M NaOH和Na2CO3(摩尔比为3∶1)溶液至pH=7~9,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氮气氛围中550℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为15∶1,催化剂用量为2.64wt%,反应温度为80℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例11
配制0.3M SnCl4、SnF4和SnBr4(摩尔比为1∶1∶1)混合溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为30℃,逐滴滴加4M KOH溶液至pH=7~8,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氮气氛围中500℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为15∶1,催化剂用量为2.64wt%,反应温度为80℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例12
配制0.25M SnBr4溶液,在剧烈搅拌下,控制溶胶形成温度为室温,逐滴滴加2M(NH4)2CO3溶液至pH=7~8,过滤,反复洗涤溶胶至无Cl-1;将溶胶在110℃烘12小时,得到的凝胶研磨后置于管式炉在氢气氛围中550℃焙烧4小时制得催化剂。
将甲醇,碳酸丙烯酯和上述催化剂加入反应器中,甲醇和碳酸丙烯酯的摩尔比为15∶1,催化剂用量为2.64wt%,反应温度为80℃,搅拌条件下反应6小时后,产物离心分离,取上层清液用气相色谱分析,结果见表1。
实施例13
取3.9mmol的苯甲醛、7.8mmol的乙酰乙酸乙酯和3.9mmol的醋酸铵加入到反应器中,加入104mg实施例2制得的催化剂,再加入10ml乙腈作为溶剂。在室温下反应6小时,得到的目标产物二氢吡啶的分离收率为31.7%。
表1
实施例 | PC转化率(%) |
实施例1 | 51.8 |
实施例2 | 75.3 |
实施例3 | 79.7 |
实施例4 | 52.1 |
实施例5 | 82.2 |
实施例6 | 85.5 |
实施例7 | 81.6 |
实施例8 | 72.7 |
实施例9 | 63.1 |
实施例10 | 69.4 |
实施例11 | 57.9 |
实施例12 | 66.3 |
实施例14
取1.061g的苯甲醛和3ml硝基甲烷于反应器中,加入102mg实施例5制得的催化剂,在40度下反应6小时,反应液用气相色谱分析,苯甲醛的转化率为42.3%。
实施例15
取3.246g苯甲醛于反应器中,加入1.004g由实施例5制得的催化剂,在50度下反应4小时,反应液用气相色谱分析,苯甲醛的转化率为22.0%。
实施例16
取2mmol的苯胺、1mmol的碳酸二甲酯(DMC)于反应器中,加入83mg由实施例6制得的催化剂,150度反应5小时。反应液用气相色谱分析,苯胺的转化率为23.6%。
实施例17
取12mmol的甲醇、4mmol的丙烯腈于反应器中,加入50mg由实施例7制得的催化剂,在50度下反应2小时,气相色谱分析结果丙烯腈的转化率为91.4%。
实施例18
取1mmol的苯甲醛、1.2mmol的丙二酸二乙酯和10ml的乙腈作为溶剂于反应器中,加入0.105g由实施例8制得的催化剂,50度反应4小时。反应液用气相色谱分析,苯甲醛的转化率为31.9%。
实施例19
取1mmol的乙酰丙酮、1mmol的丙烯腈于反应器中,加入0.066g由实施例11制得的催化剂,60度反应4小时。反应液用气相色谱分析,丙烯腈的转化率为37.1%。
实施例20
取2mmol的乙酰丙酮、2mmol的丁醛于反应器中,加入0.334g由实施例12制得的催化剂,70度反应4小时。反应液用气相色谱分析,苯甲醛的转化率为27.5%。
Claims (10)
1.一种固体强碱催化剂,其特征在于,其原料中含有按重量份数计算的下列组分:
卤化锡 1.7--23.4份
无机碱性化合物 7.0--14.7份
水 70.8--97.7份。
2.根据权利要求1所述的固体强碱催化剂,其特征在于,所述卤化锡是选自四氟化锡、四氯化锡、四溴化锡或四碘化锡中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的固体强碱催化剂,其特征在于,所述无机碱性化合物是选自NaHCO3、Na2CO3、NaOH、KHCO3、K2CO3、KOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3或NH3中的至少一种。
4.一种权利要求1所述的固体强碱催化剂的制备方法,其特征在于,包含以下步骤:
取原料卤化锡溶于水中,在搅拌下,逐滴加入无机碱性化合物的水溶液,调节溶液的pH值为7.0~10.0,形成溶胶;
将制得的溶胶过滤、水洗、烘干,然后置入焙烧炉,在氮气、氢气或惰性气体氛围中,在400~1000℃下焙烧,即得。
5.根据权利要求4所述的固体强碱催化剂的制备方法,其特征在于,所述卤化锡是选自四氟化锡、四氯化锡、四溴化锡或四碘化锡中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的固体强碱催化剂的制备方法,其特征在于,所述无机碱性化合物是选自NaHCO3、Na2CO3、NaOH、KHCO3、K2CO3、KOH、(NH4)2CO3、NH4HCO3或NH3中的至少一种。
7.权利要求1所述的固体强碱催化剂在酯交换法合成碳酸二甲酯中的应用。
8.根据权利要求7所述的固体强碱催化剂在酯交换法合成碳酸二甲酯中的应用,其特征在于,催化剂的用量占反应物总量的0.5~9wt%。
9.权利要求1所述的固体强碱催化剂在烯烃的异构化反应、醇醚合成反应、酯交换反应、醛酮缩合反应、酯缩合反应、羟醛缩合反应、烷基化反应、酰基化反应、双键转移反应、Michael反应、Henry反应、Konevenagel反应、Perkin反应、Claisen-Schmidt反应、Tishchenko反应或Hantzsch反应中的应用。
10.根据权利要求9所述的固体强碱催化剂在烯烃的异构化反应、醇醚合成反应、酯交换反应、醛酮缩合反应、酯缩合反应、羟醛缩合反应、烷基化反应、酰基化反应、双键转移反应、Michael反应、Henry反应、Konevenagel反应、Perkin反应、Claisen-Schmidt反应、Tishchenko反应或Hantzsch反应中的应用,其特征在于,催化剂的用量占反应物总量的0.5~9wt%。
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