CN110835413A - 超交联金属聚合物及其在Suzuki偶联反应中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超交联金属聚合物及其合成方法和用途。该超交联金属聚合物具有如下式Ⅰ所示的结构：
其中：M为过渡金属阳离子，X为卤素阴离子，n表示卤素阴离子个数；苯环上的氢未被取代或者被R基团取代，R基团为烷基。本发明的结构式所示的超交联金属聚合物具有较大的比表面积、微孔比表面积、微孔体积，用于催化剂时，具有很好的催化效率，在用量很少、耗时很短的情况下就能获得较高的产率。并且，该超交联金属聚合物具有很好的热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及化学合成技术领域，特别是涉及一种超交联金属聚合物及其在Suzuki偶联反应中的应用。
背景技术
微孔有机聚合物(Microporous Organic Polymers，MOPs)是一类具有高比表面积，含有丰富微孔结构的聚合物多孔材料。MOPs的分子链主要由密度较轻的元素C、N、O、H组成。相比无机多孔材料和MOFs而言，在MOPs碳链中引入各种官能团比较容易，且热稳定性好。因而。MOPs成为了一种新型的，最具发展潜力的材料。
由于MOPs的合成多样性，以及对孔尺寸的可调控性，使其广泛应用于多相催化、分离和气体储存。近年来，MOPs因其具有高比表面积、低骨架密度、高化学稳定性等独特的性质，还能在孔结构中引入功能性的化学官能团，引起了研究者们高度关注。目前，开发具有更高比表面积、孔尺寸可控和功能性可调的MOPs是当前研究的热点。
近年，MOPs负载双齿螯合型金属催化剂有被公开，其结构式例如但是，该催化剂在使用时，耗时较长，用量大。
发明内容
基于此，本发明的主要目的是提供一种超交联金属聚合物，该超交联金属聚合物作为催化剂时，显著缩短反应时间且用量少。
一种超交联金属聚合物，所述的超交联金属聚合物具有如下式Ⅰ所示的结构：
其中：
M为过渡金属阳离子，X为卤素阴离子，n表示卤素阴离子个数；
苯环上的氢未被取代或者被R基团取代，R基团为烷基。
在其中一些实施例中，所述过渡金属阳离子为Pd2+、Ni3+、Ru3+、Pt2+或者Cu2+。
本发明的目的还在于提供上述的超交联金属聚合物的合成方法，所述合成方法包括如下步骤：
(1)取化合物1、化合物2和二甲氧基甲烷，加入有机溶剂a，降温，搅拌，获得混合物体系；所述化合物1为苯环上的氢未被取代或者被R基团取代的
所述化合物2为氢未被取代或者被R基团取代的苯；
(2)向所述混合体系中加入无水三氯化铁，加热，冷却，干燥，提取，获得超交联聚合物；
(3)取所述超交联聚合物，加入过渡金属卤化物和有机溶剂b，加热，搅拌，冷却，干燥，提取。
在其中一些实施例中，步骤(2)中，所述加热采用梯度升温方式：加热至温度为40-50℃保持11-15h，再加热升温至55-65℃保持3-5h，接着加热升温至70-80℃保持17-22h。
在其中一些实施例中，所述有机溶剂a为二氯甲烷。
在其中一些实施例中，步骤(1)中，所述降温是将温度降为0±2℃。
在其中一些实施例中，所述有机溶剂b为四氢呋喃。
在其中一些实施例中，步骤(3)中，所述加热的温度为75-85℃，所述加热的时间为18-22h。
在其中一些实施例中，步骤(2)中，所述提取采用索氏提取法，溶剂采用甲醇。
在其中一些实施例中，步骤(3)中，所述提取采用索氏提取法，溶剂采用丙酮。
本发明的目的还在于提供上述的超交联金属聚合物作为催化剂的用途。
在其中一些实施例中，所述催化剂用于催化Heck偶联反应。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的结构式所示的超交联金属聚合物用于催化剂时，具有很好的催化效率，在用量很少、耗时很短的情况下就能获得较高的产率。并且，该超交联金属聚合物具有很好的热稳定性。
附图说明
图1为通过扫描电子显微镜得到的HCPs和实施例1的HCPs-Pb的形貌图；
图2为通过透射电子显微镜得到的HCPs和实施例1的HCPs-Pb的形貌图；
图3为采用红外线对HCPs和实施例1的HCPs-Pb进行测试的结果图；
图4为采用XPS对实施例1的HCPs-Pb进行测试的结果图；
图5化合物5a的氢核磁共振图谱；
图6化合物5a的碳核磁共振图谱；
图7化合物5b的氢核磁共振图谱；
图8化合物5b的碳核磁共振图谱。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例提供一种超交联金属聚合物，所述的超交联金属聚合物具有如下式Ⅰ所示的结构：
其中：
M为过渡金属阳离子，X为卤素阴离子，n表示卤素阴离子个数；
苯环上的氢未被取代或者被R基团取代，R基团为烷基。
优选地，所述过渡金属阳离子为Pd2+、Ni3+、Ru3+、Pt2+或者Cu2+。
本发明实施例还提供上述的超交联金属聚合物的合成方法，所述合成方法包括如下步骤：
(1)取化合物1、化合物2和二甲氧基甲烷，加入有机溶剂a，降温，搅拌，获得混合物体系；
(2)向所述混合体系中加入无水三氯化铁，加热，冷却，干燥，提取，获得超交联聚合物；
(3)取所述超交联聚合物，加入过渡金属卤化物和有机溶剂b，加热，搅拌，冷却，干燥，提取。
优选地，步骤(2)中，所述加热采用梯度升温方式：加热至温度为40-50℃保持11-15h，再加热升温至55-65℃保持3-5h，接着加热升温至70-80℃保持17-22h。
优选地，所述有机溶剂a为二氯甲烷。
优选地，步骤(1)中，所述降温是将温度降为0±2℃。
优选地，所述有机溶剂b为四氢呋喃。
优选地，步骤(3)中，所述加热的温度为75-85℃，所述加热的时间为18-22h。
优选地，步骤(2)中，所述提取采用索氏提取法，溶剂采用甲醇。
优选地，步骤(3)中，所述提取采用索氏提取法，溶剂采用丙酮。
本发明实施例还提供上述的超交联金属聚合物作为催化剂的用途。
优选地，所述催化剂用于催化Heck偶联反应。
实施例1
本实施例提供一种超交联金属聚合物及其合成方法。
该超交联金属聚合物具有如下式Ⅰ所示的结构：
该超交联金属聚合物的合成方法包括如下步骤：
(1)首先取三氮唑单体2.35(10mmol)于圆底烧瓶中，再向圆底烧瓶中加入2.3g(30mmol)苯溶液和6.8g(90mmol)二甲氧基甲烷(FDA)并缓慢的加入20ml二氯甲烷，降温至0℃左右，用橡胶塞封住圆底烧瓶的瓶口并留出3-4个小孔，在小孔上面插上通气管，以免发生爆炸。
将上述体系放置于35℃的水浴控温定时数显磁力搅拌器中加热搅拌，并一边加热一边向体系中慢慢地加入无水三氯化铁14.6g(90mmol)，将温度逐步上升至45℃，让其反应13h，再随后升温至60℃反应4h，最终升温至75℃让其反应20h。
反应完成后，停止搅拌，取出圆底烧瓶，先将圆底烧瓶冷却至室温，用乙醇溶液冲洗产物5-6次，再将产物取出，晾干，得到交联后的产物，晾干后将产物进行索氏提取(甲醇做溶剂)，时间为48小时。
索氏提取之后，在真空烘箱中烘干后得到了超交联聚合物HCPs。
(2)取超交联聚合物HCPs 3g(1mmol)加入圆底烧瓶中，再加入PdCl2 0.05g(1mmol)，最后向圆底烧瓶中缓慢地加入四氢呋喃溶液20ml，密封后放在80℃油浴控温定时数显磁力搅拌器中加热搅拌反应20h，反应完成后，停止搅拌，取出圆底烧瓶，冷却至室温。
将冷却后的体系进行抽滤，所得的固体用丙酮洗涤3次，每次使用5ml丙酮，然后晾干，晾干后，将此固体用索氏提取器，丙酮作为溶剂进行提取，时间为2天，提取完毕后，晾干便得到了多相催化剂(MOPs-Pd)。
本发明采用的合成方法简单，条件温和，产率高。
实施例2
本实施例主要是对实施例1提供的式Ⅰ所示结构的超交金属联聚合物(以下用“HCPs-Pb”表示)进行测试。
一、本实施例分别通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察了HCPs和HCPs-Pb的形貌。
观察结果参见图1。根据图1中的扫描电子显微镜照片可知HCPs中具备许多微孔结构，且分布均匀，无规则；根据图2中的透射电子显微镜照片可知HCPs-Pd中金属钯分布均匀，无明显团聚现象存在。
二、本实施例还采用红外线对HCPs和HCPs-Pb进行测试，测试结果参见图3。根据图3可知，由红外图可知，聚合物HCPs中含有大量CH2结构，说明聚合物交联成功；HCPs-Pd红外同HCPs红外结构基本一样，说明负载基金属后结构没有明显变化。
三、本实施例还对HCPs和HCPs-Pb进行XPS等进行了测试，测试结果参见图4。根据图4可知，金属钯仍然以+2价状态存在，但有少量位移，说明金属钯是以配位形式同HCPs进行结合的。
实施例4
本实施例对实施例1提供的具有式Ⅰ所示的结构的超交联金属聚合物(HCPs-Pd)作为催化剂的性能进行评价。以碘苯与苯硼酸Suzuki偶联反应的制备过程为例：
首先取碘苯0.51g(2.5mmol)和苯硼酸0.49g(4mmol)加入圆底烧瓶中，向其中加入1.09g(5mmol)磷酸三钾和多相催化剂(HCPs-Pd)20mg，再向该体系中以乙醇：水＝2：1(即10ml乙醇和5ml水)的比例加入，将圆底烧瓶放置在80℃油浴控温定时数显磁力搅拌器中加热搅拌反应30分钟，反应完成后，停止搅拌，取出圆底烧瓶，冷却至室温，自然晾干得到固体粉末。
向此粉末中加入5ml二氯甲烷与6g硅胶粉，搅拌均匀，自然晾干待用。将硅胶粉与产物体系进行过柱分离，分离得到的液体用另一个圆底烧瓶收集，收集的液体用旋转蒸发仪进行旋蒸，旋蒸至圆底烧瓶中有少量液体，停止旋蒸，待其自然晾干，晾干后收集产物，并计算产率。
结果参见下表：
表3
| 反应溶剂 | Base | 产率(％)<sup>b</sup> |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(4:1) | NaOH | 100 |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(2:1) | NaOH | 92 |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(4:1) | K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> | 96 |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(4:1) | K<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> | 100 |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(4:1) | Cs<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> | 95 |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(4:1) | K<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> | 100 |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(4:1) | K<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> | 100 |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(4:1) | K<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> | 100 |
| EtOH/H<sub>2</sub>O(4:1) | K<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> | 100 |
表4
图5化合物5a的氢核磁共振图谱；图6化合物5a的碳核磁共振图谱；图7化合物5b的氢核磁共振图谱；图8化合物5b的碳核磁共振图谱。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
者被R基团取代，R基团为烷基。本发明的结构式所示的超交联金属聚合物具有较大的比表面积、微孔比表面积、微孔体积，用于催化剂时，具有很好的催化效率，在用量很少、耗时很短的情况下就能获得较高的产率。并且，该超交联金属聚合物具有很好的热稳定性。
Claims (10)
1.一种超交联金属聚合物，其特征在于，所述的超交联金属聚合物具有如下式Ⅰ所示的结构：
其中：
M为过渡金属阳离子，X为卤素阴离子，n表示卤素阴离子个数；
苯环上的氢未被取代或者被R基团取代，R基团为烷基。
2.根据权利要求1所述的超交联金属聚合物，其特征在于，所述过渡金属阳离子为Pd2+、Ni3+、Ru3+、Pt2+或者Cu2+。
3.一种超交联金属聚合物的合成方法，其特征在于，所述合成方法包括如下步骤：
(1)取化合物1、化合物2和二甲氧基甲烷，加入有机溶剂a，降温，搅拌，获得混合物体系；所述化合物1为苯环上的氢未被取代或者被R基团取代的
所述化合物2为氢未被取代或者被R基团取代的苯；
(2)向所述混合体系中加入无水三氯化铁，加热，冷却，干燥，提取，获得超交联聚合物；
(3)取所述超交联聚合物，加入过渡金属卤化物和有机溶剂b，加热，搅拌，冷却，干燥，提取。
4.根据权利要求3所述的超交联金属聚合物的合成方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热采用梯度升温方式：加热至温度为40-50℃保持11-15h，再加热升温至55-65℃保持3-5h，接着加热升温至70-80℃保持17-22h。
5.根据权利要求3或者4所述的超交联金属聚合物的合成方法，其特征在于，所述有机溶剂a为二氯甲烷。
6.根据权利要求3或者4所述的超交联金属聚合物的合成方法，其特征在于，步骤(1)中，所述降温是将温度降为0±2℃。
7.根据权利要求3或者4所述的超交联金属聚合物的合成方法，其特征在于，所述有机溶剂b为四氢呋喃。
8.根据权利要求3或者4所述的超交联金属聚合物的合成方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加热的温度为55-75℃，所述加热的时间为18-22h。
9.根据权利要求3或者4所述的超交联金属聚合物的合成方法，其特征在于，步骤(2)中，所述提取采用索氏提取法，溶剂采用甲醇；或/和，步骤(3)中，所述提取采用索氏提取法，溶剂采用丙酮。
10.权利要求1或者2所述的超交联金属聚合物或权利要求3-10任一项所述合成方法合成的超交联金属聚合物作为催化剂的用途。
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