CN109225335B - 含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提供一种含非经典α‑二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂及其制备方法和应用,该含非经典α‑二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂能够在温和的条件下催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应,该反应能高效发生且绿色环保;另外,制备该金属催化剂的方法具有步骤简单、条件温和、反应速率和产物的产率均较高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及稀土金属催化剂,具体地,涉及含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的制备方法及其在胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应中的应用。
背景技术
含有Si-N键的化合物在有机硅化学领域具有重要的应用,可以用作硅烷基化试剂、金属中心的配体、合成化学中的保护基团和陶瓷的聚合物前体物质等。硅胺类化合物常见的合成方法是利用硅卤类化合物与胺发生复分解反应(R.Fessenden,J.S.Fessenden,Chem.Rev.,1961,61,361;V.Passare lli,G.Carta,G.Rossetto,P.Zanella,DaltonTrans.2003,413.),该方法反应过程中会生成强酸卤化氢,需要加入过量碱用于中和酸,故而限制了官能团的耐用性,且会有化学计量当量的盐产生,此外,卤硅烷对水敏感,必须严格控制储存条件。相比较,金属配合物作为催化剂催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应是合成硅胺化合物的有效手段,具有高效,原子利用率高,副产物为清洁能源氢气等优点,且原则上胺化可以通过催化剂来控制。2011年,Sadow等人合成了一种新型的金属镁配合物,该配合物催化苯基硅烷与各种二级脂肪胺的反应,产率高达99%,但是该催化剂的底物适用性不好,对二级胺、芳香胺与硅烷的催化产率较低,且条件苛刻(J.F.Dunne,S.R.Ne al,J.Engelkemier,A.Ellern,A.D.Sadow,J.Am.Chem.Soc.2011,133,16782-16785)。2012年,崔春明课题组,报道了含氮杂卡宾配体的镱催化剂,结果展现了良好的催化活性,该催化反应通过调控底物当量比,可以得到不同的偶联产物,但是,催化芳香胺的适用性较差,且催化剂的用量较高(W.Xie,H.Hu,C.Cui,Angew.Chem.,Int.Ed.,2012,51,11141-11144)。2015年,Mark R.Crimmin课题组报道了一种四配位的含磷配体的镱催化剂,该催化剂对脂肪胺与硅烷的催化效率较高,但催化反应时间较长(A.E.Nako,W.Chen,A.J.P.White andM.R.Crimmin,Organometallics,2015,34,4369-4375)。总之,在过去的几十年里,胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应的产率、底物普适性、对应选择性有着显著的提高,但是还是存在着催化剂投入量多、反应时间长等不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂及其制备方法和应用,该含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂能够在温和的条件下催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应,该反应能高效发生且绿色环保;另外,制备该金属催化剂的方法具有步骤简单、条件温和、反应速率和产物的产率均较高的特点。
为了实现上述目的,本发明提供了一种含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂,该稀土金属催化剂的结构如式(I)所示,
其中,RE选自钪、钇或镧系金属元素。
本发明还提供了一种上述的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的制备方法,该制备方法包括:在有机溶剂和保护气的存在下,将如式(II)所示结构的配体、如式(III)所示结构的[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3进行配位反应以制得如式(I)所示结构的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂,
其中,RE选自钪、钇或镧系金属元素。
本发明进一步提供了一种上述的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂在催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应中的应用。
通过上述技术方案,本发明提供的一种含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂能够在温和的条件下催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应,该反应能高效发生且绿色环保;另一方面提供了一种制备该催化剂的方法。一方面通过[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3与配体进行反应制得如式(I)所示结构的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂;另一方面利用含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应,进而得到硅胺化合物。另外,该交叉脱氢偶联反应具有反应效率高和绿色环保的优点;同时,制备含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的方法具有步骤简单、条件温和、反应速率和产物的产率均较高的特点。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与下面的具体实施方式一起用于解释本发明,但并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是实施例2中催化剂II-2的单晶衍射图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
为了实现上述目的,本发明提供了一种含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂,该稀土金属催化剂的结构如式(I)所示,
其中,RE选自钪、钇或镧系金属元素。
传统的α-二亚胺二负离子来源于两个氮负离子,而非经典α-二亚胺二负离子是指二负离子来源于一个氮和一个碳原子。
通过上述技术方案,本发明提供的一种含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂能够在温和的条件下催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应,该反应能高效发生且绿色环保;另一方面提供了一种制备该催化剂的方法。一方面通过[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3与配体进行反应制得如式(I)所示结构的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂;另一方面利用含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应,进而得到硅胺化合物。另外,该交叉脱氢偶联反应具有反应效率高和绿色环保的优点;同时,制备含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的方法具有步骤简单、条件温和、反应速率和产物的产率均较高的特点。
在本发明一种优选的实施方式中,RE选自镥、钇、铒、镝、钐、钕、镨或镧。
本发明还提供了一种上述的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的制备方法,该制备方法包括:在有机溶剂和保护气的存在下,将如式(II)所示结构的配体、如式(III)所示结构的[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3进行配位反应以制得如式(I)所示结构的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂,
其中,RE选自钪、钇或镧系金属元素。
在本制备方法中,RE在上述范围内选择,但是从产物的产率上考虑,优选地,RE选自钇或镧系金属元素;更优选地,RE选自镥、钇、铒、镝、钐、钕、镨、镧。
在本发明中,各物料的用量可以在宽的范围内选择,但是为了进一步提高产率,优选地,相对于1mmol[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3,配体的用量为1-1.2mmol;更优选地,相对于1mmol[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3,有机溶剂的用量为8-12mL。
在上述制备方法中,配位反应的具体条件可以在宽的范围内选择,但是为了进一步提高产率,优选地,配位反应至少满足以下条件:反应温度为85-95℃,反应时间为8-12h。
同时,在本发明中,有机溶剂与保护气的具体种类可以在宽的范围内选择,但是为了进一步提高产率以及反应速率,优选地,有机溶剂选自正己烷、四氢呋喃和甲苯的一种或多种;更优选地,保护气选自氦气、氮气和氩气中的一种或多种。
本发明进一步提供了一种上述的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂在催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应中的应用。
在上述应用中,含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的用量可以在宽的范围内选择,但是为了进一步提高催化效果以及降低成本,优选地,相对于1mmol的硅烷,含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的用量为0.0001-0.1mmol;进一步优选地,相对于1mmol的硅烷,含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的用量为0.005-0.05mmol。
在上述应用中,底物的用量可以在宽的范围内选择,但是为了进一步提高产率,优选地,相对于1mmol的硅烷,胺的用量为1-2.2mmol。。
在上述应用中,交叉脱氢偶联反应的具体反映条件可以在宽的范围内选择,但是为了提高反应的产率,优选地,反应至少满足以下条件:反应温度为20-80℃,反应时间为0.25-12h。
此外,在上述应用中,胺的具体种类可以在宽的范围内选择,但是为了进一步提高反应的产率,优选地,所述胺选自一级胺和/或二级胺。所述胺选自叔丁胺、异丙胺、正丁胺、苄胺、二乙胺、四氢吡咯、六氢吡啶、苯胺、2,6-二异丙基苯胺和N-甲基苯胺中的一种或多种。
另外,在上述应用中,其中,硅烷选自一级硅烷和/或二级硅烷。所述硅烷选自苯硅烷、二苯基硅烷和甲基苯基硅烷中的一种或多种。
更进一步优选地,相对于1mmol的二级硅烷,所述胺类化合物的用量为1-1.2mmol;相对于1mmol的一级硅烷,所述胺类化合物的用量为1-2.2mmol。
在上述内容的基础上,有机溶剂与保护气的具体种类可以在宽的范围内选择,但是为了进一步提高交叉脱氢偶联反应的产率以及反应速率,优选地,在交叉脱氢偶联反应的体系中还包括有机溶剂;更优选地,有机溶剂选自苯、四氢呋喃和甲苯中的一种或多种。其中,有机溶剂的用量可以在宽的范围内选择。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述,该稀土金属配合物催化剂的结构是在SMART CCD衍射仪上收集衍射数据。采用石墨单色的MoKα射线,T=293(2)K,ω扫描技术,全部强度数据经Lp因子较正,应用SHELXTL 5.03程序,晶体结构采用重原子法解出,经多轮Fourier变换后得到全部非氢原子坐标参数,理论加氢法获得所有氢原子坐标,对所有非氢原子经全矩阵最小二乘法(SHELXS-97)修正各向异性温度因子;元素分析通过Perkin-Elmer Model 2400Series II elemental analyzer测得。
实施例中使用的中间体[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3(RE为钇和镧系金属)是参考王绍武等人公开发表的文献(E.H.Sheng,S.W.Wang,G.S.Yang,S.L.Zhou,L.Cheng,K.H.Zhang,Z.X.Huang.Organometallics 2003,22,684)中的方法制备而得。
制备例1
如式(II)所示结构的配体的制备:
在25℃下,向80mL无水甲醇中,加入4-(2-氨乙基)吗啉(5.1mL,38mmol),后滴加2-吡啶甲醛(3.6mL,38mmol)。室温下搅拌反应24h,观察溶液颜色由淡黄色转变为亮黄色。在冰水浴条件下,缓慢加入硼氢化钠(5.8g),加料结束后,撤去冰水浴,室温下搅拌反应20h。反应结束后,加水淬灭,加有机溶剂萃取,干燥,浓缩,粗产物减压蒸馏,得淡黄色油状液体,产率93%(7.8g)。
产物的表征结果为:1H NMR(500MHz,CDCl3):δ8.48(d,J=4.7Hz,1H),7.64-7.49(m,1H),7.24(d,J=8.0Hz,1H),7.16–7.03(m,1H),3.85(s,2H),3.68–3.60(m,4H),2.67(t,J=6.1Hz,2H),2.45(t,J=6.1Hz,2H),2.35(s,4H),2.10(s,1H).13C NMR(125MHz,CDCl3)δ159.9,149.3,136.3,122.2,121.8,66.9,58.4,55.3,53.7,45.6.HRMS(ESI)m/z calcd.ForC12H20N3O+:222.1601.Found:222.1603.IR(KBr pellets,cm-1):ν3313(s),2953(s),2850(s),2808(s),1591(s),1568(s),1473(s),1456(s),1436(s),1354(s),1300(s),1273(s),1141(s),1116(s),916(s),867(s),858(s),758(s),626(s),613(s).
实施例1
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂I-1的制备:
在氩气保护下,将[(Me3Si)2N]3Lu(μ-Cl)Li(THF)3(1.09g,1.20mmol)加入二颈瓶中,然后加入甲苯(10mL),化合物II(0.26g,1.20mmol),85℃条件下反应12h后溶液变成深红色浊液,静置0.5h,将上清液过滤至单颈瓶,静置12h,得深红色菱形晶体(产率58%)。
产物的表征数据为:Mp.:227℃-228℃.IR(KBr pellet,cm-1):ν3421(w),2958(s),2856(s),2827(s),1591(s),1479(s),1458(s),1438(s),1145(s),1116(s),765(s).Anal.Calcd.For C36H70N8O2Si4Lu2:C,38.98;H,6.36;N,10.10.Found:C,38.89;H,6.17;N,10.25.
实施例2
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂I-2的制备:
按照实施例1的方法进行制得深红色菱形晶体(产率65%)。所不同的是将[(Me3Si)2N]3Lu(μ-Cl)Li(THF)3(1.09g,1.20mmol)换为[(Me3Si)2N]3Y(μ-Cl)Li(THF)3(0.99g,1.20mmol)。
产物的表征数据为:Mp.:217-219℃.IR(KBr pellet,cm-1):ν3437(w),2956(s),2859(s),2818(s),1594(s),1474(s),1458(s),1435(s),1142(s),1116(s),764(s).Anal.Calcd.For C36H70N8O2Si4Y2:C,46.14;H,7.53;N,11.96.Found:C,46.40;H,7.38;N,12.15.
实施例3
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂I-3的制备:
按照实施例1的方法进行制得深红色菱形晶体(产率55%),所不同的是将[(Me3Si)2N]3Lu(μ-Cl)Li(THF)3(1.09g.1.20mmol)换为[(Me3Si)2N]3Er(μ-Cl)Li(THF)3(1.08g,1.20mmol)。
产物的表征数据为:M.p.:193-195℃.IR(KBr pellet,cm-1):ν3415(w),2953(s),2856(s),2821(s),1595(s),1477(s),1458(s),1436(s),1145(s),1118(s),763(s).Anal.Calcd.For C36H70N8O2Si4Er2:C,39.53;H,6.45;N,10.24.Found:C,39.84;H,6.31;N,10.34.
实施例4
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂I-4的制备:
按照实施例1的方法进行制得浅棕色菱形晶体(产率60%),所不同的是将[(Me3Si)2N]3Lu(μ-Cl)Li(THF)3(1.09g,1.20mmol)换为[(Me3Si)2N]3Dy(μ-Cl)Li(THF)3(1.08g,2.40mmol)。
产物的表征数据为:Mp.:230-232℃.IR(KBr pellet,cm-1):ν3406(w),2958(s),2850(s),2818(s),1595(s),1473(s),1456(s),1433(s),1145(s),1118(s),763(s).Anal.Calcd.For C36H70N8O2Si4Dy2:C,39.88;H,6.51;N,10.33.Found:C,39.65;H,6.16;N,10.69.
实施例5
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂I-5的制备:
按照实施例1的方法进行制得深红色菱形晶体(产率63%),所不同的是将[(Me3Si)2N]3Lu(μ-Cl)Li(THF)3(1.09g,1.20mmol)换为[(Me3Si)2N]3Sm(μ-Cl)Li(THF)3(1.06g,1.20mmol)。
产物的表征数据为:Mp.:234-236℃.IR(KBr pellet,cm-1):ν3441(W),2958(s),2856(s),2821(s),1591(s),1477(s),1458(s),1436(s),1145(s),1116(s),765(s).Anal.Calcd.For C36H70N8O2Si4Sm2:C,40.79;H,6.66;N,10.57.Found:C,39.96;H,6.40;N,10.53.
实施例6
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂I-6的制备:
按照实施例1的方法进行制得深红色菱形晶体(产率69%),所不同的是将[(Me3Si)2N]3Lu(μ-Cl)Li(THF)3(1.09g,1.20mmol)换为[(Me3Si)2N]3Nd(μ-Cl)Li(THF)3(1.06g,1.20mmol)。
产物的表征数据为:Mp.:210-212℃.IR(KBr pellet,cm-1):ν3421(w),2958(s),2866(s),2818(s),1593(s),1469(s),1454(s),1433(s),1145(s),1116(s),765(s).Anal.Calcd.For C36H70N8O2Si4Nd2:C,41.27;H,6.73;N,10.69.Found:C,41.08;H,6.89;N,10.61.
实施例7
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂I-7的制备:
按照实施例1的方法进行制得深红色菱形晶体(产率66%),所不同的是将[(Me3Si)2N]3Lu(μ-Cl)Li(THF)3(1.09g,1.20mmol)换为[(Me3Si)2N]3Pr(μ-Cl)Li(THF)3(1.05g,1.20mmol)。
产物的表征数据为:Mp:213-215℃.IR(KBr pellet,cm-1):ν3415(w),2958(s),2856(s),2818(s),1595(s),1475(s),1458(s),1436(s),1145(s),1116(s),763(s).Anal.Calcd.For C36H70N8O2Si4Pr2:C,41.53;H,6.78;N,10.76.Found:C,41.36;H,6.38;N,10.97.
实施例8
含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂I-8的制备:
按照实施例1的方法进行制得深红色菱形晶体(1.09g,产率63%),所不同的是将[(Me3Si)2N]3Lu(μ-Cl)Li(THF)3(1.08g,1.20mmol)换为[(Me3Si)2N]3La(μ-Cl)Li(THF)3(1.05g,1.20mmol)。
产物的表征数据为:Mp.:220-222℃.IR(KBr pellet,cm-1):ν3435(w),2958(s),2862(s),2818(s),1591(s),1477(s),1458(s),1436(s),1145(s),1118(s),765(s).Anal.Calcd.For C36H70N8O2Si4La2:C,41.69;H,6.80;N,10.80.Found:C,41.36;H,6.38;N,10.97.
应用例1
在手套箱中,室温条件下,向25mL的反应瓶中加入稀土金属配合物,溶剂和四氢比咯(0.6mmol),搅拌2-3分钟,再加入二苯基硅烷(0.5mmol),反应结束后,产率为99%的产物均可通过1H NMR核磁进行表征;通过减压蒸馏,纯化产物。具体的结果见表1。
表1
应用例2
在手套箱中,向25mL的反应瓶中加入稀土金属配合物I-2,甲苯和苯胺(0.6mmol),搅拌2-3分钟,再加入二苯基硅烷(0.5mmol),反应结束后,产率均可通过1H NMR核磁进行表征;通过减压蒸馏,可以纯化产物。具体的结果见表2。
表2
应用例3
在手套箱中,在25mL的反应瓶中加入稀土金属配合物I-2,甲苯和胺(0.6mmol),搅拌2-3分钟,再加入硅烷(0.5mmol/1.2mmol),反应结束后,通过减压蒸馏,得纯产物。具体的结果见表3
表3
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (16)
2.根据权利要求1所述的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂,其中,所述RE选自镥、钇、铒、镝、钐、钕、镨或镧。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其中,所述RE选自镥、钇、铒、镝、钐、钕、镨或镧。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法,其中,相对于1mmol[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3,配体的用量为1-1.2mmol。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其中,相对于1mmol[(Me3Si)2N]3RE(μ-Cl)Li(THF)3,有机溶剂的用量为8-12mL。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其中,所述配位反应至少满足以下条件:反应温度为85-95℃,反应时间为8-12h。
8.根据权利要求3或4所述的制备方法,其中,有机溶剂选自正己烷、四氢呋喃和甲苯的一种或多种;
和/或,保护气选自氦气、氮气和氩气中的一种或多种。
9.一种权利要求1或2所述的含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂在催化胺与硅烷的交叉脱氢偶联反应中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其中,相对于1mmol的硅烷,含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的用量为0.0001-0.1mmol。
11.根据权利要求10所述的应用,其中,相对于1mmol的硅烷,含非经典α-二亚胺二负离子配体稀土金属催化剂的用量为0.005-0.05mmol。
12.根据权利要求11所述的应用,其中,相对于1mmol的硅烷,胺的用量为1-2.2mmol。
13.根据权利要求10或11或12所述的应用,其中,所述交叉脱氢偶联反应至少满足以下条件:反应温度为20-80℃,反应时间为0.25-12h。
14.根据权利要求9所述的应用,其中,所述胺选自一级胺和/或二级胺。
15.根据权利要求14所述的应用,其中,所述胺选自叔丁胺、异丙胺、正丁胺、苄胺、二乙胺、四氢吡咯、六氢吡啶、苯胺、2,6-二异丙基苯胺和N-甲基苯胺中的一种或多种;
和/或,所述硅烷选自一级硅烷和/或二级硅烷。
16.根据权利要求15所述的应用,其中,所述硅烷选自苯硅烷、二苯基硅烷和甲基苯基硅烷中的一种或多种。
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CN112940163B (zh) * | 2021-02-08 | 2022-04-12 | 安徽师范大学 | 含吡啶亚胺配体的稀土金属配合物催化剂及制备方法和在2-乙烯基吡啶聚合反应中的应用 |
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CN101664699A (zh) * | 2009-09-14 | 2010-03-10 | 苏州大学 | 一种用于制备酰胺化合物的催化剂及其应用 |
CN101812084A (zh) * | 2010-03-31 | 2010-08-25 | 安徽师范大学 | 含芳香胺基亚甲基吡咯配体稀土金属胺化物、制备方法及其应用 |
CN106311330A (zh) * | 2016-08-24 | 2017-01-11 | 安徽师范大学 | 离子对型稀土金属催化剂及其制备方法和应用 |
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2018
- 2018-07-27 CN CN201810839373.6A patent/CN109225335B/zh active Active
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