CN103319451B - 一种环状碳酸酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环状碳酸酯的制备方法。该方法以环氧化物和二氧化碳为原料，以含有聚醚链的咪唑类离子液体修饰的salen金属配合物作为催化剂，在压力为0.1-5.0MPa，温度为40~150℃的条件下，能够高效高选择性地催化合成环状碳酸酯。该过程反应条件相对温和，不需要加入溶剂和其他助剂，反应时间短。此外，本发明所提供的催化剂可形成均相催化剂体系，通过加入溶剂可方便地与反应体系分离，可以重复使用。
Description
技术领域
本发明涉及环状碳酸酯的制备方法，具体地说，涉及一种salen金属配合物催化二氧化碳和环氧化物环加成制备环状碳酸酯的方法。
背景技术
随着全球“温室效应”和能源危机的加剧， 近几年CO2作为一种丰富，无毒，廉价的C1起始原料受到科研工作者广泛关注。其中，催化二氧化碳与环氧化合物反应合成环状碳酸酯是一条低污染、环境友好和高原子利用率的技术路线。环状碳酸酯广泛应用于农药、医药、树脂、染料、涂料、电子化学品、食品添加剂和溶剂等领域，是一种重要的精细化学品中间体和性能优良的有机溶剂。
目前研究人员开发了一系列可用于上述催化反应的催化剂，其中较具代表性的有离子液体、金属氧化物、金属卟啉以及 salen 金属配合物等，而salen 金属配合物具有合成简单，结构易调控的特点受到科研工作者的广泛关注。Nguyen等人就报道了温和条件下传统salen Cr配合物催化二氧化碳与环氧化合物的环加成反应，并取得了优异的结果，但是该体系中需要加入溶剂和有机碱DMAP作助剂(J. Am. Chem. S℃. 2001, 123, 11498-11499)。吕小兵等报道了salen Al配合物在有机碱等助催化剂存在条件下催化 CO2和环氧烷烃环加成反应，该催化体系对多种环氧化合物均有良好的催化性能(J. Catal. 2004, 227 (2), 537-541.)。
二元催化体系虽然取得了较好的成果，但其对反应结果的影响因素较多。因此，设计合成高活性功能型配合物，且在温和条件下无需加入助催化剂的催化合成环状碳酸酯将具有十分重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需加入助剂、且条件温和的催化二氧化碳和环氧化物环加成反应制备环状碳酸酯的方法。
为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：以环氧化物和二氧化碳为原料，以具有通式(I)结构的salen金属配合物为催化剂，在压力为0.1~5.0 MPa，温度为40~150℃ 的条件下催化二氧化碳和环氧化物环加成反应合成相应的环状碳酸酯，反应结束后，加入有机溶剂，离心，分离出催化剂，上层清液除溶剂后即得环状碳酸酯，
通式(I)
式中M是金属原子Al、Mg、Zn、Co、Cu、Fe、Mn或Cr，X，Y为卤素，R1选自-CH2CH2-、-CH2CH2CH2-、-CHPhCHPh-、o-phenyl或o-cyclohexyl，R2选自H、t-Bu、NO2、-CH3，R3选自Me、Et、(CH2CH2O)nCH3。
在上述制备环状碳酸酯的方法中，所述的原料环氧化物选自如下结构：
在上述制备环状碳酸酯的方法中，所述反应结束后加入的有机溶剂为乙醚、乙酸乙酯、乙酸仲丁酯、正己烷、石油醚、氯仿中的一种。
本发明方法优选的反应温度为60~120℃，优选的反应压力为0.5~4.0MPa，优选的催化剂用量为环氧化物的0.1~0.5 mol%。
本发明所使用的salen金属配合物具有高效、多功能等优点，其原理是利用金属中心(路易斯酸)用于活化环氧化物，咪唑离子液体单元(路易斯碱)用于活化二氧化碳，并且聚醚链通过“溶胀效应”能有效的捕捉二氧化碳，使得本发明区别于其他多元组分型催化体系，不需要加入助催化剂或共催化剂。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1）反应条件温和，工艺过程简单，方便操作；
2）催化体系简单，反应活性高，选择性好，能够通过溶剂调变分离催化剂且重复使用性能优异；
3）不需要加入有机溶剂或助剂，环境友好。
具体实施方式
实施例1
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.03 mmol的催化剂（通式(I)中M=Al, R1=-CH2CH2-, R2=H, R3=Me, X=Cl, Y=Cl）和6 mmol氧化苯乙烯，充入1 MPa的二氧化碳，在温度为100℃下进行搅拌反应8 h，反应结束后，加入乙酸乙酯，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得苯乙烯环状碳酸酯(纯度>98%)，产率85 %。
实施例2
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.006 mmol的催化剂（通式(I)中M=Al, R1=-CH2CH2-, R2=H, R3=(CH2CH2O)nCH3, X=Cl, Y=Cl）和6 mmol 烯丙基缩水甘油醚，充入1 MPa的二氧化碳，在温度为100℃下进行搅拌反应2 h，反应结束后，加入乙醚，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得相应的环状碳酸酯(纯度>99%)，产率99 %。
实施例3
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.015 mmol的催化剂（通式(I)中M=Zn, R1=-CH2CH2-, R2=H, R3=(CH2CH2O)nCH3, X=Cl, Y=Cl）和6 mmol 1,2-环氧辛烷，充入1 MPa的二氧化碳，在温度为100℃下进行搅拌反应10 h，反应结束后，加入二氯甲烷，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得相应的环状碳酸酯(纯度>95%)，产率95 %。
实施例4
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.03 mmol的催化剂（通式(I)中M=Cr, R1=-CH2CH2-, R2=H, R3=(CH2CH2O)nCH3, X=Cl, Y=Cl）和6 mmol氧化苯乙烯，充入0.5 MPa的二氧化碳，在温度为100℃下进行搅拌反应24 h，反应结束后，加入乙醚，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得苯乙烯环状碳酸酯(纯度>96%)，产率90 %。
实施例5
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.03 mmol的催化剂（通式(I)中M=Al, R1=-CH2CH2-, R2=H, R3=(CH2CH2O)nCH3, X=Cl, Y=Br）和6 mmol氧化苯乙烯，充入0.5 MPa的二氧化碳，在温度为120℃下进行搅拌反应8 h，反应结束后，加入乙醚，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得苯乙烯环状碳酸酯(纯度>95%)，产率92 %。
实施例6
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.03 mmol的催化剂（通式(I)中M=Zn, R1=-CH2CH2-, R2=H, R3=Me, X=Cl, Y=Cl）和6 mmol环氧氯丙烷，充入1 MPa的二氧化碳，在温度为60℃下进行搅拌反应8 h，反应结束后，加入乙酸乙酯，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得相应的环状碳酸酯(纯度>98%)，产率99 %。
实施例7
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.03mmol的催化剂（通式(I)中M=Co, R1=o-cyclohexyl, R2=H, R3=(CH2CH2O)nCH3, X=Cl, Y=Cl）和6 mmol环氧丙烷，充入4 MPa的二氧化碳，在温度为100℃下进行搅拌反应2 h，反应结束后，加入氯仿，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得碳酸丙烯酯(纯度>99%)，产率99 %。
实施例8
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.03mmol的催化剂（通式(I)中M=Mn, R1=o-cyclohexyl, R2=H, R3=Et, X=Br, Y=Cl）和6 mmol 缩水甘油醚，充入1 MPa的二氧化碳，在温度为100℃下进行搅拌反应4h，反应结束后，加入石油醚，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得相应的环状碳酸酯(纯度>90%)，产率88 %。
实施例9
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.03 mmol的催化剂（通式(I)中M=Al, R1=-CH2CH2-, R2=H, R3=(CH2CH2O)nCH3, X=Cl, Y=Cl）和6 mmol 环氧环己烷，充入2 MPa的二氧化碳，在温度为120℃下进行搅拌反应20h，反应结束后，加入乙醚，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得相应的环状碳酸酯(纯度>96%)，产率85 %。
实施例10
在10 mL不锈钢高压反应釜中，加入0.03 mmol的催化剂（通式(I)中M=Zn, R1=o-phenyl, R2=H, R3=Et, X=I, Y=Cl）和6 mmol 环氧乙烷，充入4 MPa的二氧化碳，在温度为60℃下进行搅拌反应1 h，反应结束后，加入乙醚，离心分离回收催化剂，上层清液除溶剂真空干燥得相应的碳酸乙烯酯(纯度>99%)，产率99 %。
Claims (1)
1.一种环状碳酸酯的制备方法，其特征在于，以环氧化物和二氧化碳为原料，以具有通式(I)结构的salen金属配合物为催化剂，在催化剂用量为环氧化物的0.05～1mol％，压力为0.1～5.0MPa，温度为40～150℃的条件下催化二氧化碳和环氧化物环加成反应合成相应的环状碳酸酯，反应结束后，加入有机溶剂，离心，分离出催化剂，上层清液除溶剂后即得环状碳酸酯，
式中M是金属原子Al、Mg、Zn、Co、Cu、Fe、Mn或Cr，X或Y为卤素，R1选自-CH2CH2-、-CH2CH2CH2-、-CHPhCHPh-，R2选自H、t-Bu、NO2、-CH3，R3选自Me、Et；
所述的原料环氧化物的结构选自如下：
反应结束后加入的有机溶剂为乙醚、乙酸乙酯、乙酸仲丁酯、正己烷、石油醚、氯仿中的一种；
催化反应温度为60～120℃；
催化反应压力为0.5～4.0MPa；
催化剂用量为环氧化物的0.1～0.5mol％。
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