CN113480723A - 一种合成聚碳酸酯基降解塑料的配合物催化剂及其应用 - Google Patents

一种合成聚碳酸酯基降解塑料的配合物催化剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合成聚碳酸酯基降解塑料的配合物催化剂及其应用，该催化剂为锌配合物，锌配合物配体的结构通式如下：

Description

一种合成聚碳酸酯基降解塑料的配合物催化剂及其应用
技术领域
本发明属于高分子化合物合成技术领域，具体涉及一种合成聚碳酸酯基降解塑料的配合物催化剂及其应用。
背景技术
人类通过燃烧化石燃料来发电、采暖、制冷、烹煮食物及完成交通运输和工业生产，在促进社会发展的同时，对环境和人类健康产生了极大的影响。化石燃料燃烧和工业化生产过程产生的二氧化碳排放，对所有温室气体排放的增长贡献度约为78％，到2015年，二氧化碳占温室气体排放比例的90％。工业革命之后，由于人类活动加剧，对能源需求的增加及能源密集型活动的产生，使得全球对化石燃料的使用量显著增加，从而使大气中二氧化碳排放量增长速度加快。以总量而言，1750-2011年间，燃烧化石燃料与水泥生产贡献了365Gt碳，占人为源碳排放总量的66％。温室气体浓度的升高使全球气候系统变暖显著增加，主要体现在地球表面气温和海洋温度上升、冰川退缩和南极冰盖消融、海平面上升和极端气候事件频发。
二氧化碳作为主要的温室气体，热力学上难活化，是一种非常稳定的分子。如何减少二氧化碳的排放并使之充分利用是全社会面临的巨大挑战。各国及各行各业采取了减缓全球变暖的措施，并制定了相应的二氧化碳排放标准，使得增速稍有减缓。但是，二氧化碳排放的增速还是没有得到明显降低。同时，二氧化碳又是一种丰富的、廉价的、无毒的可利用生物方法再生的优质C1资源，因此，二氧化碳的有效利用就显得尤为重要了。对二氧化碳进行高效固定乃至高附加值利用，合成一些有经济价值和绿色环保的化学品便吸引了越来越多的关注和认可。许多国家已经将二氧化碳和环氧化合物共聚合成聚碳酸酯作为战略性研究课题，该共聚反应被认为是最具有潜力的绿色聚合过程之一。其产品为生物可降解塑料，具有很好的市场前景。
目前通过二氧化碳与环氧化合物反应生成聚碳酸酯的研究已经逐渐走向成熟，但仍旧存在着一些问题：(1)反应条件较为苛刻，大部分共聚反应温度较高、二氧化碳压力在7～8MPa之间，反应时间较长。(2)催化剂生产成本较高且催化性能不佳，许多催化剂的配体及配合物价格较为昂贵。(3)配合物合成过程中有机药品对身体伤害较为严重，例如四氢呋喃、二氯甲烷等等有机溶剂。(4)产物的选择性不高，副产物聚醚、有机碳酸酯等含量较高。(5)聚合物与催化剂分离过程较为困难。(6)催化剂重复利用率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种合成聚碳酸酯基降解塑料的配合物催化剂及其应用，所述配合物催化剂为可以催化二氧化碳与环氧化合物共聚合成聚碳酸酯基降解塑料的锌配合物催化剂，其配体的结构通式为
Figure BDA0003169547220000021
其中，A基团为芳杂环化合物；B、C基团为烷基、氢、烷氧基、羧基、取代的芳基或取代的杂芳基中的一种或两种。
优选的，A基团为吡啶、呋喃或噻吩。
该催化剂的配体中的A基团为吡啶、呋喃、噻吩时，其所连的两个-C＝N-基团可以在吡啶的氮原子、呋喃的氧原子或噻吩的硫原子的邻位、间位或对位。
该催化剂的配体中的B、C基团在苯环所连的-C＝N基团的邻位、间位或对位。
所述锌配合物的锌金属中心来源为氯化锌、二乙基锌、硝酸锌、醋酸锌、柠檬酸锌、高氯酸锌、硼酸锌中的一种；优选的，所述锌配合物的锌金属中心来源为二乙基锌。
本发明所述的配合物催化剂用于二氧化碳与环氧化合物共聚反应合成聚碳酸酯基降解塑料，其特征在于方法如下：在二氧化碳气体保护下，向预先干燥的反应器中依次加入锌配合物催化剂、环氧化合物，充入二氧化碳并保持二氧化碳压强为1～6MPa，反应温度为80～150℃，反应时间为8～48h，待反应结束后，卸压除去未反应的二氧化碳，回收未反应的环氧化合物，用二氯甲烷或氯仿取出产物，利用甲醇或乙醇沉淀提纯，干燥。
优选的，所述环氧化合物单体为环氧丙烷、环氧乙烷、环氧环己烷、1,2-环氧丁烷。
优选的，所述锌配合物催化剂与环氧化合物的质量比为1:200～500。
本发明的有益效果：本发明制得了一种锌配合物催化剂，该催化剂属于高位阻配合物，在对二氧化碳进行有效活化的同时，可以有效调控反应选择性，原料便宜易得，制备过程简单，催化效率高，反应选择性好。
具体实施方式
以下将参照实施例具体描述本发明的实施方式。不过，下述实施例只是出于描述的目的，并不旨在限制本发明的范围。
实施例1
对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩邻羧基苯甲醛锌配合物催化剂的制备方法如下：
(1)取11.4g(0.1mol)3,4-二氨基噻吩与12.7g(0.05mol)对甲酮二苯醚分别溶于二甲基亚砜，在搅拌下将3,4-二氨基噻吩溶液缓慢滴加到对甲酮二苯醚溶液中，滴加完毕后加热回流3h，过滤出沉淀物，干燥，得到对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚。将22.35g(0.05mol)对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚与15g(0.1mol)邻羧基苯甲醛分别溶于甲苯后，进行混合，加热搅拌，分离出生成物，得到对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩邻羧基苯甲醛；
对对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩邻羧基苯甲醛配体进行结构表征：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ1.9(s,6H,-CH3),6.8～7.52(m,18H,aromatic H),8.2(s,2H,-CH＝N)；11.7(s,2H,-COOH))；
(2)取7.1g(0.01mol)对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩邻羧基苯甲醛配体于烧瓶中，抽真空、充氮气三次，置换烧瓶中的空气和水分，利用冰盐浴冷却，氮气保护下加入1.488g(0.012mol)二乙基锌，利用冰盐浴冷却，搅拌1h，撤去冰盐浴，加热至60℃继续搅拌2h，得对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩邻羧基苯甲醛锌配合物催化剂。
实施例2
对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛锌配合物催化剂的制备方法如下：
(1)取11.4g(0.1mol)3,4-二氨基噻吩与12.7g(0.05mol)对甲酮二苯醚分别溶于二甲基亚砜，在搅拌下将3,4-二氨基噻吩溶液缓慢滴加到对甲酮二苯醚溶液中，滴加完毕后加热回流3h，过滤出沉淀物，干燥，得到对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚。将22.35g(0.05mol)对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚与13.4g(0.1mol)2,6-二甲基苯甲醛分别溶于甲苯后，进行混合，加热搅拌，分离出生成物，得到对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛；
对对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛配体进行结构表征：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ1.8(s,6H,-CH3),2.4(s,12H,-CH3),7.1～7.93(m,16H,aromatic H),8.4(d,2H,-CH＝N)；
(2)取6.78g(0.01mol)对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛配体于烧瓶中，抽真空、充氮气三次，置换烧瓶中的空气和水分，利用冰盐浴冷却，氮气保护下加入1.61g(0.013mol)二乙基锌，利用冰盐浴冷却，搅拌2h，撤去冰盐浴，加热至60℃继续搅拌2h，得对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛锌配合物催化剂。
实施例3
对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛锌配合物催化剂的制备方法如下：
(1)取10.9g(0.1mol)2,6-二氨基吡啶与12.7g(0.05mol)对甲酮二苯醚分别溶于二甲基亚砜，在搅拌下将2,6-二氨基吡啶溶液缓慢滴加到对甲酮二苯醚溶液中，滴加完毕后加热回流5h，过滤出沉淀物，干燥，得到对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚。将21.85g(0.05mol)对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚与13.4g(0.1mol)2,6-二甲基苯甲醛分别溶于甲苯后，进行混合，加热搅拌，分离出生成物，得到对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛；
对对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛配体进行结构表征：1H NMR(400MHz,CDCl3):δδ1.86(s,6H,-CH3),2.5(s,12H,-CH3),6.9～8.1(m,18H,aromatic H),8.5(d,2H,-CH＝N)；
(2)取6.69g(0.01mol)对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛配体于烧瓶中，抽真空、充氮气三次，置换烧瓶中的空气和水分，利用冰盐浴冷却，氮气保护下加入1.488g(0.012mol)二乙基锌，利用冰盐浴冷却，搅拌1h，撤去冰盐浴，加热至60℃继续搅拌2h，得对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛锌配合物催化剂。
实施例4
对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2-乙氧基苯甲醛锌配合物催化剂的制备方法如下：
(1)取10.9g(0.1mol)2,6-二氨基吡啶与12.7g(0.05mol)对甲酮二苯醚分别溶于二甲基亚砜，在搅拌下将2,6-二氨基吡啶溶液缓慢滴加到对甲酮二苯醚溶液中，滴加完毕后加热回流5h，过滤出沉淀物，干燥，得到对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚。将21.85g(0.05mol)对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚与15g(0.1mol)2-乙氧基苯甲醛分别溶于甲苯后，进行混合，加热搅拌，分离出生成物，得到对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2-乙氧基苯甲醛；
对对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2-乙氧基苯甲醛配体进行结构表征：1H NMR(400MHz,CDCl3):δ1.3(d,6H,-CH3),1.86(s,6H,-CH3),4.2(m,4H,-CH2),7.1～8.2(m,20H,aromatic H),9.1(s,2H,-CH＝N)；
(2)取7.01g(0.01mol)对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2-乙氧基苯甲醛配体于烧瓶中，抽真空、充氮气三次，置换烧瓶中的空气和水分，利用冰盐浴冷却，氮气保护下加入1.488g(0.012mol)二乙基锌，利用冰盐浴冷却，搅拌1h，撤去冰盐浴，加热至60℃继续搅拌2h，得对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2-乙氧基苯甲醛锌配合物催化剂。
实施例5
利用对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩邻羧基苯甲醛锌配合物催化剂催化二氧化碳与环氧环己烷共聚的方法如下：
在二氧化碳气体保护下，向预先干燥的反应器中依次加入0.1g对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩邻羧基苯甲醛锌配合物锌配合物催化剂、30g环氧环己烷，充入6MPa二氧化碳，在110℃下反应24h，待反应结束后，卸压除去未反应的二氧化碳，回收未反应的环氧环己烷。用二氯甲烷取出产物，利用甲醇沉淀提纯，干燥。得到19.7g聚合物，经核磁氢谱表征，其中碳酸酯链节摩尔含量为94％。
实施例6
利用对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛锌配合物催化剂催化二氧化碳与环氧丙烷共聚的方法如下：
在二氧化碳气体保护下，向预先干燥的反应器中依次加入0.1g对(N-(2-氨基噻吩基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛锌配合物催化剂、50g环氧丙烷，充入5MPa二氧化碳，在80℃下反应24h，待反应结束后，卸压除去未反应的二氧化碳，回收未反应的环氧丙烷。用氯仿取出产物，利用乙醇沉淀提纯，干燥。得到34.9g聚合物，经核磁氢谱表征，其中碳酸酯链节摩尔含量为93％。
实施例7
利用对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛锌配合物催化剂催化二氧化碳与环氧环己烷共聚的方法如下：
在二氧化碳气体保护下，向预先干燥的反应器中依次加入0.1g对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2,6-二甲基苯甲醛锌配合物催化剂、50g环氧环己烷，充入1MPa二氧化碳，在80℃下反应48h，待反应结束后，卸压除去未反应的二氧化碳，回收未反应的环氧环己烷。用氯仿取出产物，利用乙醇沉淀提纯，干燥。得到9.2g聚合物，经核磁氢谱表征，其中碳酸酯链节摩尔含量为87％。
实施例8
利用对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2-乙氧基苯甲醛锌配合物催化剂催化二氧化碳与1,2-环氧丁烷共聚的方法如下：
在二氧化碳气体保护下，向预先干燥的反应器中依次加入0.1g对(N-(2-氨基吡啶基)-甲基亚胺)二苯醚缩2-乙氧基苯甲醛锌配合物催化剂、30g1,2-环氧丁烷，充入4MPa二氧化碳，在100℃下反应8h，待反应结束后，卸压除去未反应的二氧化碳，回收未反应的1,2-环氧丁烷。用氯仿取出产物，利用乙醇沉淀提纯，干燥。得到10.6g聚合物，经核磁氢谱表征，其中碳酸酯链节摩尔含量为91％。

Claims (9)

1.一种合成聚碳酸酯基降解塑料的配合物催化剂，其特征在于：该催化剂为锌配合物，锌配合物配体的结构通式如下：
Figure FDA0003169547210000011
其中，A基团为芳杂环化合物；B、C基团为烷基、氢、烷氧基、羧基、取代的芳基或取代的杂芳基中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的配合物催化剂，其特征在于：A基团为吡啶、呋喃或噻吩。
3.根据权利要求2所述的的配合物催化剂，其特征在于：该催化剂的配体中的A基团为吡啶、呋喃、噻吩时，其所连的两个-C＝N-基团在吡啶的氮原子、呋喃的氧原子或噻吩的硫原子的邻位、间位或对位。
4.根据权利要求2所述的配合物催化剂，其特征在于：该催化剂的配体中的B、C基团在苯环所连的-C＝N基团的邻位、间位或对位。
5.根据权利要求1所述的配合物催化剂，其特征在于：所述锌配合物的锌金属中心来源为氯化锌、二乙基锌、硝酸锌、醋酸锌、柠檬酸锌、高氯酸锌、硼酸锌中的一种。
6.根据权利要求5所述的配合物催化剂，其特征在于：所述锌配合物的锌金属中心来源为二乙基锌。
7.根据权利要求1-6任一所述的配合物催化剂用于二氧化碳与环氧化合物共聚反应合成聚碳酸酯基降解塑料，其特征在于方法如下：在二氧化碳气体保护下，向预先干燥的反应器中依次加入锌配合物催化剂、环氧化合物，充入二氧化碳并保持二氧化碳压强为1～6MPa，反应温度为80～150℃，反应时间为8～48h，待反应结束后，卸压除去未反应的二氧化碳，回收未反应的环氧化合物，用二氯甲烷或氯仿取出产物，利用甲醇或乙醇沉淀提纯，干燥。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述环氧化合物单体为环氧丙烷、环氧乙烷、环氧环己烷、1,2-环氧丁烷。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述锌配合物催化剂与环氧化合物的质量比为1:200～500。
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