CN111729669A - 负载金属的铈锆固溶体材料、其制备方法及用于催化合成香芹酮的用途 - Google Patents

负载金属的铈锆固溶体材料、其制备方法及用于催化合成香芹酮的用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了负载金属的铈锆固溶体材料和其制备方法、以及所述负载金属的铈锆固溶体材料用于催化合成香芹酮的用途。本发明将负载金属的铈锆固溶体材料用作选择性催化合成香芹酮的催化剂寻找出了催化合成香芹酮的最佳条件；为香芹酮的绿色合成提供了新的途径。

Description

负载金属的铈锆固溶体材料、其制备方法及用于催化合成香 芹酮的用途
技术领域
本发明属于催化技术领域，具体涉及一种负载金属的铈锆固溶体材料、其制备方法及用于催化合成香芹酮的用途。
背景技术
香芹酮作为一种典型的萜类化合物具有抗菌活性。另外，香芹酮还是一种重要的香料，在医药、化妆品和食品工业中应用广泛。香芹酮可以从天然产物中提取，但由于从天然产物中直接提取香芹酮的生产工艺不能满足现在的市场需求，因此，用化学合成的方法合成香芹酮越来越受到青睐。化学合成法是通过对简单易得的原料进行一步或多步有机反应得到产物香芹酮。由于柠檬烯与香芹酮的基本骨架类似，且柠檬烯简单易得，从20世纪50年代起，人们开始探究由柠檬烯合成香芹酮的反应路径。Linder等人在《Greenspan FP.The Synthesis of Carvone》一文中率先提出由柠檬烯经环氧化得到环氧化物，然后水解得到二醇，再通过氧化得到酮醇，最后脱水得到香芹酮；但这种方法中间步骤较多，产品的生产成本较高，且得到的香芹酮收率很低。马晨等人在《香芹酮香料合成方法的改进》中报道了由环氧柠檬烯合成香芹酮的新方法，以环氧柠檬烯、2-氨基苯酚和辛酸锌为原料，经异构反应得到香芹醇，进而氧化得到香芹酮；这种方法反应时间短，香芹酮的选择性好，环氧柠檬烯的转化率高，适用于工业生产；但原料环氧柠檬烯的价格较高，产品的生产成本也较高。
铈锆固溶体有着良好的氧化还原性、高温稳定性和极高的储氧能力，已普遍应用于催化氧化汽车尾气、CO和水煤气等领域。为了提高铈锆固溶体材料的活性，人们尝试在铈锆固溶体中掺杂贵金属元素和非贵金属元素，将贵金属或非贵金属元素掺杂入铈锆固溶体形成多元铈基复合物，此复合物相比二氧化铈和铈锆固溶体，有着更佳的粒度和分散度，催化氧化CO等的活性得到提高。
CeO2催化活性高，活性成分可以被均匀负载，活性位点增加，进而提高催化活性；CeO2也有着很好的储放氧的能力，在富氧的环境中，CeO2可以储存氧，而在缺氧的环境中，CeO2又可以将储存的氧释放出来，改善缺氧环境；将其应用于三效催化剂(TWCs)来催化氧化汽车尾气，可以将尾气中有毒的CO、CHx和NOx氧化还原为无毒的CO2、H2O和N2。但是，CeO2存在一些自身缺陷，在高温如850℃左右的温度下会发生烧结，导致颗粒团聚增大，使材料比表面积减小。为了弥补CeO2存在的缺陷，Murota等在《Production method of ceriumoxide with high storage capacity of oxygen and its mechanism》首次提出在CeO2中引入Zr4+，在二氧化铈晶格中引入Zr，使其形成铈锆固溶体，从而使材料改性。
中国专利CN106944121A公开了一种催化氧化NO的催化剂及其制备方法和应用，但催化剂体系中含有重金属Cr，对环境污染较大。中国专利CN110841623A公开了一种高温结构稳定的铈锆复合氧化物及其制备方法，制得的铈锆复合氧化物具有更好的低温催化活性及高温结构稳定性。中国专利CN101966451A公开了一种选择性催化氧化氨的纳米铈锆固溶体基催化剂的制备方法及应用，制备的催化剂低温活性高，稳定性好，无二次污染。中国专利CN102716737A公开了一种以铈锆固溶体为载体的负载过渡金属铬的制备方法及其在用于烟气中选择性催化NO方面的应用，但负载物为重金属铬，对环境污染较大。
本专利采用浸渍法合成负载金属到铈锆固溶体，然后应用此材料催化氧化柠檬烯合成香芹酮。该反应经济且绿色环保，可以得到理想的香芹酮的产率；同时负载金属到铈锆固溶体作为催化剂具有一定的可重复性和化学稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负载金属的铈锆固溶体材料及其制备方法，所述的负载金属的铈锆固溶体材料能够选择性催化合成香芹酮，该反应经济且绿色环保，可以得到理想的香芹酮的产率；同时负载金属到铈锆固溶体作为催化剂具有一定的可重复性和化学稳定性。本发明的技术方案如下：
本发明第一方面公开了负载金属的铈锆固溶体材料的制备方法，包括步骤：
①将铈和锆的化合物、柠檬酸和要负载的金属化合物溶于水，然后加入乙醇，在80-100℃下发泡10-30h；
②将步骤①发泡后的混合物在400-600℃煅烧2-6h，即得到所述负载金属的铈锆固溶体材料。
本发明第二方面公开了所述的制备方法制得的负载金属的铈锆固溶体材料。
优选地，所述负载金属为Co、In、Cd、Mn、Zn、Cr、Ni或Al中的一种或几种，金属的负载量摩尔比为1-20％。
本发明第三方面公开了所述的负载金属的铈锆固溶体材料用于催化合成香芹酮的用途。
优选地，负载金属的铈锆固溶体材料用于催化合成香芹酮的反应步骤为：
A.将R-(+)-柠檬烯、所述负载金属的铈锆固溶体材料催化剂和乙酸混合均匀，通入一定量的空气，然后在一定温度下反应；
B.将步骤A反应结束后的反应液冷却，将催化剂除去，然后除去反应液中的水分和杂质，用气相色谱对反应液进行定性定量的分析。
优选地，步骤A的反应温度为50-100℃，反应时间为5-30h。
优选地，步骤A的反应温度为70-80℃，反应时间为12-24h。
优选地，步骤A的催化剂为负载Co、In、Cd、Mn、Zn、Cr、Ni或Al中的一种或几种的铈锆固溶体材料，金属的负载量摩尔比为1-20％；所述催化剂加入量为R-(+)-柠檬烯的1wt％-15wt％。
优选地，步骤A的催化剂为负载In的铈锆固溶体材料，金属的负载量摩尔比为5％；所述催化剂加入量为R-(+)-柠檬烯的7.5wt％。
优选地，步骤B除去反应液中的水分使用无水硫酸镁。
负载金属的铈锆固溶体合成的具体步骤如下：
将4.364g六水合硝酸铈、2.336g硝酸氧锆、8.406g柠檬酸和六水合硝酸钴溶于蒸馏水中，搅拌至溶液清澈后加无水乙醇，得到前驱体溶液，90℃下隔夜发泡，500℃煅烧4h；得到Ce0.5Zr0.5O2/Co。步骤同上，在纯铈锆固溶体上负载金属In、Cd、Mn、Zn、Cr、Ni或Al。优选金属的负载量摩尔比为5％。
制备在纯铈锆固溶体上分别负载金属In摩尔比为10％、15％、20％。
使用负载金属的铈锆固溶体催化氧化柠檬烯的反应步骤如下：
取2mL的R-(+)-柠檬烯、150mg的负载金属的铈锆固溶体催化剂加入25mL的双颈烧瓶中，加入5g乙酸作为溶剂，将烧瓶接上冷凝装置，放入温度为80℃左右的带有磁力搅拌的油浴锅里，旋开搅拌，通入1.8L/min空气作为氧化剂，反应时间为12h，待反应时间完成后，取出烧瓶，反应液冷却后，滤除催化剂，并用无水硫酸镁对样品溶液进行干燥，最后过滤，用气相色谱对样品进行定性定量的分析。
本发明的有益效果：
本发明利用浸渍法合成了负载金属的铈锆固溶体，并将其用作选择性催化合成香芹酮的催化剂。通过控制反应时间、反应温度、氧化剂种类等条件，寻找出了催化合成香芹酮的最佳条件，得到了相对经济且绿色环保的反应条件和理想的香芹酮理论产率；且负载金属的铈锆固溶体作为催化剂具有一定的可重复性和化学稳定性。本发明为香芹酮的绿色合成提供了新的途径。
附图说明
图1为本发明实施例2制得的负载铟的铈锆固溶体(Ce0.5Zr0.5O2/In(5％))的N2吸附脱附曲线图。
图2为本发明实施例2制得的负载铟的铈锆固溶体(Ce0.5Zr0.5O2/In(5％))的XRD图。
图3为本发明实施例2制得的负载铟的铈锆固溶体作为催化剂的用量对香芹酮反应的影响。
图4为本发明实施例2制得的负载铟的铈锆固溶体作为催化剂的反应温度对香芹酮反应的影响。
图5为本发明实施例2制得的负载铟的铈锆固溶体作为催化剂的反应时间对香芹酮反应的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：负载金属钴的铈锆固溶体的制备
将4.364g六水合硝酸铈、2.336g硝酸氧锆、8.406g柠檬酸和六水合硝酸钴溶于蒸馏水中，搅拌至溶液清澈后加无水乙醇，得到前驱体溶液，90℃下隔夜发泡，500℃煅烧4h；得到Ce0.5Zr0.5O2/Co。
在铈锆固溶体上负载金属In、Cd、Mn、Zn、Cr、Ni或Al步骤同上。金属的负载量摩尔比为5％。
实施例2：负载金属铟的铈锆固溶体的制备
按照实施例1的步骤，使用InCl3.4H2O作金属铟的前驱体制备负载金属铟是铈锆固溶体。改变前驱体的用量，分别制备在铈锆固溶体上负载金属铟的摩尔比为1％，5％，10％、15％、20％的材料。
图1和图2是获得Ce0.5Zr0.5O2/In(5％)(即金属铟的负载量摩尔比为5％的铟)材料的表征结果。从图1可以看出，Ce0.5Zr0.5O2/In(5％)符合介孔材料的标准。从图2可以看出，负载金属铟后的铈锆固溶体没有明显改变材料结构，材料Ce0.5Zr0.5O2/In(5％)与材料CeO2的峰型也很好地保持一致，说明负载金属铟后的铈锆固溶体材料Ce0.5Zr0.5O2/In(5％)仍然保持立方萤石结构。
实施例3：负载金属的铈锆固溶体材料作为催化剂催化氧化柠檬烯制备香芹酮的反应步骤如下：
取2mL的R-(+)-柠檬烯、150mg的催化剂加入25mL的双颈烧瓶中，加入5g乙酸作为溶剂，将烧瓶接上冷凝装置，放入温度为80℃的带有磁力搅拌的油浴锅里，旋开搅拌，通入1.8L/min空气作为氧化剂，反应时间为12h，待反应时间完成后，取出烧瓶，反应液冷却后，滤除催化剂，并用无水硫酸镁对样品溶液进行干燥，最后过滤，用气相色谱对样品进行定性定量的分析。
实施例4：摩尔比5％负载不同金属的铈锆固溶体材料催化氧化柠檬烯的反应的结果
将上述实施例1制备的5％负载不同金属的铈锆固溶体材料作为催化剂用于催化氧化柠檬烯合成香芹酮的反应，反应的条件与上述实施例3一致。材料的催化氧化效果如表1所示。
表1摩尔比5％负载不同金属的铈锆固溶体材料催化氧化柠檬烯
Figure BDA0002558236920000051
由表1可以看出，在相同条件下，负载金属In的铈锆固溶体材料催化氧化柠檬烯的转化率最高。
实施例4：金属铟的负载量不同的铈锆固溶体材料催化氧化柠檬烯的反应的结果
将上述实施例2制备的催化剂用于催化氧化柠檬烯合成香芹酮的反应，催化反应的条件与上述实施例3一致。材料的催化氧化效果如表2所示。
表2金属铟不同负载量的铈锆固溶体材料催化氧化柠檬烯
Figure BDA0002558236920000061
由表2可以看出，在相同条件下，负载金属In的摩尔比为5％的铈锆固溶体材料催化氧化柠檬烯的转化率最高。
实施例5：催化剂用量对香芹酮产率的影响
将上述实施例2制备的Ce0.5Zr0.5O2/In(5％)用于催化氧化柠檬烯合成香芹酮的反应，按照实施例3中的反应条件。与实施例3中的不同之处在于：催化剂用量分别设置为20mg，50mg，100mg，150mg，200mg，250mg。材料的催化氧化效果如图3所示。从图3可以看出，当使用250mg催化剂时，转化率达到最大值92.6％；当使用150mg催化剂时，香芹酮的选择性达到最大值9.8％，此时转化率也超过90.0％。
实施例6：反应温度对香芹酮产率的影响
将上述实施例2制备的Ce0.5Zr0.5O2/In(5％)催化剂用于催化氧化柠檬烯合成香芹酮的反应，按照实施例3中的反应条件。与实施例3中的不同之处在于：反应温度分别设置为40℃，50℃，60℃，70℃，80℃。材料的催化氧化效果如图4所示。由图4可以看出，40℃时，柠檬烯的转化率为75.6％，当反应温度升至60℃时，转化率增至92.4％，柠檬烯的转化率在80℃时达到最大值96.3％。香芹酮产物的选择性在70℃时达到最大值15.4％，此时柠檬烯的转化率也达到95.0％以上。
实施例7：反应时间对香芹酮产率的影响
将上述实施例2制备的Ce0.5Zr0.5O2/In(5％)催化剂用于催化氧化柠檬烯合成香芹酮的反应，按照实施例3中的反应条件。与实施例3中的不同之处在于：反应时间分别设置为6h，12h，18h，24h，30h。材料的催化氧化效果如图5所示。由图5可以看出，12h的柠檬烯的转化率比6h的转化率提高了40.5％，20h的柠檬烯的转化率比18h的转化率提高了0.4％，反应时间延长至20h后，转化率的增长几乎可以忽略，稳定在95.0％左右。随着反应时间的延长，香芹酮的选择性呈现先升高后降低的趋势；在18h处出现拐点，香芹酮的选择性达到最大值27.3％，此时柠檬烯的转化率也在95.0％左右。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化。

Claims (10)

1.负载金属的铈锆固溶体材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
①将铈和锆的化合物、柠檬酸和要负载的金属化合物溶于水，然后加入乙醇，在80-100℃下发泡10-30h；
②将步骤①发泡后的混合物在400-600℃煅烧2-6h，即得到所述负载金属的铈锆固溶体材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法制得的负载金属的铈锆固溶体材料。
3.根据权利要求2所述的负载金属的铈锆固溶体材料，其特征在于，所述负载金属为Co、In、Cd、Mn、Zn、Cr、Ni或Al中的一种或几种，金属的负载量摩尔比为1-20％。
4.根据权利要求3所述的负载金属的铈锆固溶体材料用于催化合成香芹酮的用途。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于，负载金属的铈锆固溶体材料用于催化合成香芹酮的反应步骤为：
A.将R-(+)-柠檬烯、所述负载金属的铈锆固溶体材料催化剂和乙酸混合均匀，通入一定量的空气，然后在一定温度下反应；
B.将步骤A反应结束后的反应液冷却，将催化剂除去，然后除去反应液中的水分和杂质，用气相色谱对反应液进行定性定量的分析。
6.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，步骤A的反应温度为50-100℃，反应时间为5-30h。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，步骤A的反应温度为70-80℃，反应时间为12-24h。
8.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，步骤A的催化剂为负载Co、In、Cd、Mn、Zn、Cr、Ni或Al中的一种或几种的铈锆固溶体材料，金属的负载量摩尔比为1-20％；所述催化剂加入量为R-(+)-柠檬烯的1wt％-15wt％。
9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，步骤A的催化剂为负载In的铈锆固溶体材料，金属的负载量摩尔比为5％；所述催化剂加入量为R-(+)-柠檬烯的7.5wt％。
10.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，步骤B除去反应液中的水分使用无水硫酸镁。
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袁金桃等: "苧烯合成香芹酮的研究进展", 《广州化工》 *

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