CN105233872B - 一种Pd@MIL-101复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Pd@MIL‑101复合材料及其制备方法和应用。采用的技术方案是：将氯化钯加入到甲醇中，同时加入氯化钠，超声分散，搅拌10‑20h，得到氯钯酸钠；将氯钯酸钠溶液缓慢滴加到MIL‑101晶体中，得到Pd2+@MIL‑101；于Pd2+@MIL‑101中，加入饱和的硼氢化钠的甲醇溶液，冰水浴条件下还原，得到Pd@MIL‑101复合材料。本发明合成的Pd@MIL‑101复合材料对铃木反应中苯硼酸与1,4‑二溴苯具有特殊的选择性催化活性，有效提高中间产物4‑溴联苯的产率。
Description
技术领域
本发明属于贵重金属催化有机物合成领域，将新型金属有机骨架材料(MIL-101)作为载体，使钯纳米粒子负载入其中，形成一种新的Pd@MIL-101复合材料，具有选最终反应产物的能力，生成传统方法很难生成或产率很低的4-溴联苯。
背景技术
铃木反应中的卤代芳烃和苯硼酸反应是合成对称或不对称联苯化合物中最广泛也是最重要的一种反应方式，联苯化合物由于其广泛的物理化学特性成为一种应用十分广泛的有机化合物，目前已经被应用在除草剂、药物、液晶材料等多个领域，正是因为有如此广泛的应用前景，铃木反应成为了一种无论是在实验室还是在工厂中，生成碳-碳键的十分重要的工具。
钯纳米粒子由于其较高的比表面积和较好的原子表面活性，以及可回收再利用的良好性能，成为研究铃木反应异相催化很好的选择，尤其是近年来将钯纳米粒子负载到石墨稀、氧化石墨稀、功能化石墨稀上更是提高了钯纳米粒子的比表面积，从而提高了催化剂的催化活性，但这些传统的催化剂载体在催化反应过程中很难起到保护催化剂的作用，而且很难在催化过程中体现出选择性，所以研究出对于铃木反应具有选择性催化的钯纳米粒子复合材料就变得十分有意义。
4-溴联苯是化工合成中一种重要的原料，具有非常好的应用前景，然而采用传统的方法很难生产出或产率非常低。
发明内容
本发明的目的在于，通过将钯纳米粒子有效的负载入金属有机骨架材料中，生成一种具备孔洞结构的全新复合材料(Pd@MIL-101)。该复合材料在催化铃木反应过程中存在尺寸选择性催化，在反应24小时后，能生成大量的中间产物4-溴联苯。
本发明采用的技术方案是：一种Pd@MIL-101复合材料，制备方法如下：将氯化钯加入到甲醇中，同时加入氯化钠，超声分散，搅拌10-20h，得到氯钯酸钠溶液；将氯钯酸钠溶液缓慢滴加到MIL-101晶体中，得到Pd2+@MIL-101；于Pd2+@MIL-101中，加入饱和的硼氢化钠的甲醇溶液，冰水浴条件下还原，得到Pd@MIL-101复合材料。
上述的Pd@MIL-101复合材料，按摩尔比，氯化钯:氯化钠＝1:1-1.5。
上述的Pd@MIL-101复合材料，按重量比，Pd2+:MIL-101晶体＝1:35-40。
上述的Pd@MIL-101复合材料，所述的MIL-101晶体的制备方法如下：将九水合硝酸铬和对苯二甲酸置于水热合成反应釜中，同时加入醋酸和亚沸蒸馏水，搅拌均匀后将水热合成反应釜放入烘箱中，于180-220℃下，反应8-10h，反应结束后，移去溶液中的液体，用水和乙醇清洗，将清洗后的固体放入N,N’-二甲基甲酰胺中，70-75℃静置过夜，过滤后将固体颗粒放入真空干燥箱中150-155℃真空干燥。
上述的Pd@MIL-101复合材料在选择性催化苯硼酸与1,4-二溴苯反应中的应用。方法如下：取一定量的苯硼酸、1,4-二溴苯和碳酸钾，溶于甲醇中,得混合液，将混合液和Pd@MIL-101复合材料置于茄型反应瓶中，在氮气保护下，于75-85℃下，反应20-25h。
本发明的有益效果是：
1.本发明合成的Pd@MIL-101复合材料，对铃木反应中苯硼酸与1,4-二溴苯具有特殊的选择性催化活性，相比于传统钯纳米粒子催化剂的催化产物三联苯，本发明的Pd@MIL-101复合材料能够选择性的催化铃木反应中苯硼酸和1,4-二溴苯反应生成大量的中间产物4-溴联苯，有效提高了中间产物4-溴联苯的产率，并且由于其产率较高，方便产物的提纯分离。
2.本发明采用MIL-101晶体作为负载贵金属钯纳米粒子的金属有机骨架材料，形成新型的复合材料，本发明采用的MIL-101晶体，孔洞适中、性质稳定，既可以保证负载入其中的金属钯的分散，又可以避免由于团聚、氧化等因素引起的催化剂失活。
3.本发明合成的Pd@MIL-101复合材料，具有良好的重复利用能力，易与反应物分离，对整个反应体系不存在干扰。
4.本发明合成的Pd@MIL-101复合材料，制备方法简单，制备过程采用非酸非水体系，避免了强酸存在下对晶体载体的破坏，同时也消除了酸和水对于后续催化反应过程的干扰。
附图说明
图1是模拟MIL-101、实施例1合成的MIL-101和Pd@MIL-101复合材料的XRD图。
图2是实施例1合成的Pd@MIL-101复合材料的透射电镜图。
图3是本发明合成的Pd@MIL-101催化铃木反应0h和24h后产物的气相图。
图4是钯纳米粒子催化铃木反应0h和24h后产物的气相图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明做进一步说明，应理解以下实施目的在于更好地解释本发明的内容，而不是对本发明的保护范围产生任何限制。
实施例1 Pd@MIL-101复合材料
(一)制备方法
1.MIL-101晶体的制备：称取4g九水合硝酸铬和1.312g对苯二甲酸于100mL水热合成反应釜中，同时加入540mL的醋酸(99.5％)和50mL亚沸蒸馏水，用搅拌转子密闭搅拌30min，搅拌均匀后取出转子，将水热合成反应釜放入200℃烘箱中反应8h。反应结束后，移去溶液中的液体，用10mL水和10mL乙醇清洗固体颗粒各三次，将清洗后的固体放入50mL的N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)中，70℃静置过夜，过滤后得到MIL-101晶体。
2.MIL-101晶体的活化：将MIL-101晶体放入真空干燥箱中150℃真空干燥12h，得到活化后的MIL-101晶体，氮气条件下保存。
3.准确称取120mg(0.68mmol)氯化钯固体颗粒加入到4mL甲醇中，同时加入44mg(0.76mmol)氯化钠固体颗粒，超声分散30min，搅拌20-24h，得到棕褐色0.17mol/L的氯钯酸钠(Na2PdCl4)溶液。
4.移取80μL氯钯酸钠(1.44mgPd)溶液，缓慢滴加到53mg活化后的MIL-101晶体中，得到Pd2+@MIL-101，磁力搅拌条件下，加入2mL 0.6mol/L的硼氢化钠的甲醇溶液，于室温下，反应10min，过滤，得到Pd@MIL-101复合材料，氮气条件下密封保存，备用。
(二)检测结果
1.将得到的MIL-101晶体和Pd@MIL-101复合材料，分别进行XRD表征，结果如图1所示。由图1可见，本发明合成的Pd@MIL-101复合材料在合成过程中没有破坏晶体结构。
2.将得到的Pd@MIL-101复合材料进行透射电子显微镜表征和X射线衍射仪表征，透射电子显微镜表征结果如图2所示，由图2可见，图2中黑点表示成功负载入MIL-101晶体中的钯纳米粒子，且这些负载入其中的钯纳米粒子大小在5nm左右，粒径均匀。本发明合成的Pd@MIL-101复合材料中，还原后的钯纳米粒子被完全负载入金属有机骨架材料的孔洞当中，尺寸单一且分布均匀。
实施例2 Pd@MIL-101复合材料对苯硼酸与1,4-二溴苯反应的选择性催化
方法如下：称取3mmol(0.1825g)苯硼酸、3mmol(0.4146g)碳酸钾和1.5mmol(0.354g)1,4-二溴苯,溶于10mL甲醇溶液中，得混合液；于混合液中分别加入实施例1制备的53mg Pd@MIL-101复合材料(1.44mg Pd)、和1.44mg纯钯纳米粒子，然后分别置于10mL茄型反应瓶中，将反应装置安装好，先将长针头伸入液面以下，通10min氮气，排除掉溶液中含有的氧气，再将针头拔出使整个反应器处于密闭，最后在冷凝管上方插一个针头全程氮气保护，在温度80℃下反应，反应24h后，分别取反应液进行气相色谱进行监测，结果如图3和图4所示。
图3为本发明合成的Pd@MIL-101在反应0h和24h后产物的气相图，0h气相图上面的峰a表示为反应物1,4-二溴苯，24h气相图上面的两个明显的峰，峰b为中间产物4-溴联苯，峰c为最终产物三联苯，反应24h后经气相色谱检测，反应液中4-溴联苯的产率为63.68％，而对三联苯的产率为27.90％。
图4是钯纳米粒子在反应0h和24h后产物的气相图。0h气相图上面的峰a表示为反应物1,4-二溴苯，24h气相图上面的两个明显的峰，峰b为中间产物4-溴联苯，峰c为最终产物三联苯，反应24h后经气相色谱检测，反应液中4-溴联苯的产率仅为7.54％，而对三联苯的产率为91.50％。
分别将Pd@MIL-101和钯纳米粒子获得的产物，也就是b峰和c峰所对应的产物进行核磁共振检测，结果显示，Pd@MIL-101中b峰所对应的产物的核磁共振氢谱图1H NMR(400MHz,CDCl3)δ＝7.36(H，d)，7.43(4H，t)，7.44(2H，d)，7.55(4H，d)。c峰所对应的产物的核磁共振氢谱图1H NMR(400MHz,CDCl3)δ＝7.36(2H,t),7.46(4H,t),7.64(4H,d),7.68(4H,s)。进一步证明本发明b峰所对应的产物为4-溴联苯，c峰所对应的产物为三联苯。
本发明的Pd@MIL-101复合材料能够选择性的催化苯硼酸和1,4-二溴苯反应，生成大量的中间产物4-溴联苯，而且产率高，有利于反应物的高效利用，并且方便产物的提纯分离
实施例3 Pd@MIL-101复合材料重复性试验
将实施例2反应结束后，分离出Pd@MIL-101复合材料，重复实施例2的实验4次。通过重复试验，反应前四次Pd@MIL-101复合材料对该反应的产率变化不大，具有良好的催化活性和选择性，第五次4-溴联苯的产率为50.33％，三联苯的产率为13.26％。证明本发明合成的Pd@MIL-101复合材料具有良好重复利用能力，易与反应物分离，对整个反应体系不存在干扰。
Claims (3)
1.Pd@MIL-101复合材料选择性催化苯硼酸与1,4-二溴苯反应生成4-溴联苯的方法，其特征在于方法如下：取一定量的苯硼酸、1,4-二溴苯和碳酸钾，溶于甲醇中,得混合液，将混合液和Pd@MIL-101复合材料置于茄型反应瓶中，在氮气保护下，于75-85℃下反应20-25h；所述的Pd@MIL-101复合材料的制备方法如下：将氯化钯加入到甲醇中，同时加入氯化钠，超声分散，搅拌10-20h，得到氯钯酸钠溶液；将氯钯酸钠溶液缓慢滴加到MIL-101晶体中，得到Pd2+@MIL-101；于Pd2+@MIL-101中，加入饱和的硼氢化钠的甲醇溶液，冰水浴条件下还原，得到Pd@MIL-101复合材料；按重量比，Pd2+:MIL-101晶体=1:35-40。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按摩尔比，氯化钯:氯化钠=1:1-1.5。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的MIL-101晶体的制备方法如下：将九水合硝酸铬和对苯二甲酸置于水热合成反应釜中，同时加入醋酸和亚沸蒸馏水，搅拌均匀后将水热合成反应釜放入烘箱中，于180-220℃下，反应8-10h，反应结束后，移去溶液中的液体，用水和乙醇清洗，将清洗后的固体放入N, N’-二甲基甲酰胺中，70-75℃静置过夜，过滤，将固体颗粒放入真空干燥箱中150-155℃真空干燥。
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