CN114920625B - 一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物以及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物以及制备方法和应用，该结构导向剂属于对称性结构，通过水热方法合成MFI分子筛时，能够调控骨架Al的空间位置分布，可以满足不同催化反应对催化剂的特殊需求。并且经过XRD表征结果表明，使用本发明合成的双季碳有机结构导向剂化合物用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛切实有效。
Description
技术领域
本发明属于导向剂技术领域，应用于分子筛合成，具体涉及一种双季碳有机结构导向剂化合物以及制备方法和应用。
背景技术
沸石分子筛由于具有独特的孔道择形性，独特的固体酸性性质以及优良的离子交换性质，因而应用非常广泛，在吸附，分离和催化等方面都已展现出巨大的应用价值。
其中HZSM-5是MFI结构的硅铝酸盐高硅沸石分子筛，具有二维十元环孔道，其一为平行于b晶轴的直通孔道(0.53nm×0.56nm)，另一为平行于a晶轴的正弦孔道(0.51nm×0.55nm)，直通孔道和正弦孔道相互交叉(交叉口直径约为0.9nm)。上述独特的孔道体系，使HZSM-5分子筛成为典型的固体酸择形催化剂和择形吸附分离剂，在石油化工、甲醇制烯烃、甲醇制汽油等甲醇转化利用、生物质燃料制备等工业过程中有者广泛的应用。HZSM-5分子筛的酸性位(简称为B酸位)是由平衡骨架铝负电荷的质子构成的，也是其作为催化剂的主要活性位。位于HZSM-5分子筛不同孔道位置的B酸位，因空间限制作用的差异，在不同的催化反应过程中具有不同的择形催化作用，因此对HZSM-5分子筛的骨架铝的空间位置进行分布调控是强化其择形催化效能的关键。
有机结构导向剂是在分子筛的水热合成过程中，有效地引导晶体合成，控制晶体形貌、尺寸，调控骨架Al的分布的重要手段，因此设计、合成新型的有机结构导向剂分子对设计、合成具有优异择形催化活性的HZSM-5分子筛意义重大。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物以及制备方法和应用，以辅助水热合成MFI分子筛切实有效。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
1.一种双季碳有机结构导向剂化合物，该化合物具有如下通式(I)的结构：
式中，R1为碳原子数为1～30的直链烷基；R2选自官能团：-CH2OH、-COOH、-COONa、-COOK、-COOLi、-CHO或-CH2NH2；m为1～20的正整数。
2.一种双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法，由反应原料A和B通过亲核取代反应先合成出中间产物C，然后将中间产物C进一步反应得上述通式(I)所述结构，所述A具有如下通式(Ⅱ)的结构，所述B具有如下通式(Ⅲ)的结构，所述C具有如下通式(IV)的结构：
其中R1为碳原子数为1～30的直链烷基；R3为1～10的直链烷基；m为1～30的正整数；X为Cl、Br、I。
进一步，所述中间产物C的制备方法为：
(1)将金属钠溶解在绝对乙醇中并混合均匀；
(2)将反应原料A溶解在绝对乙醇中并混合均匀，然后将上述步骤(1)所得溶液加入原料A溶液中进行反应，进一步抽滤并洗涤然后在真空干燥得到A钠盐；
(3)将A钠盐溶解在甲苯和DMF的混合溶液中，再在40～50℃环境下逐滴加入原料B，加毕后升温至75～90℃回流反应，然后缓慢冷却至室温，过滤除去反应产生的固体，用正己烷洗涤沉淀，合并有机相，将有机相洗涤后，干燥并蒸发，得到中间产物C。
进一步，上述反应原料A与反应原料B的用量为0.5～2:1。
进一步，通式(I)中R2为-OH的双季碳有机结构导向剂化合物(标记为“P1”)制备方法为：由中间产物C进一步还原制备，所用还原剂选自LiAlH4、NaBH4、KBH4、LiBH4、硼烷四氢呋喃或硼烷甲硫醚中的一种或几种，以四氢呋喃为溶剂，在30～90℃条件下回流反应制得。
进一步，通式(I)中R2为-COOH的双季碳有机结构导向剂化合物(标记为“P2”)制备方法为：将中间产物C在质量分数为20～40％的NaOH或KOH水溶液中进行加热水解，待水解完全后加热酸进行酸解，得到P2产物的固体沉淀，所述的酸为盐酸、硫酸、硝酸和磷酸水溶液。
进一步，通式(I)中R2为-COONa、-COOK或-COOLi的双季碳有机结构导向剂化合物(标记为“P3”)制备方法为：用NaOH、KOH或LiOH的水溶液在加热的条件下将P2产物完全中和，然后干燥得到R2分别为-COONa、-COOK或-COOLi的P3产物。
进一步，通式(I)中R2为-CHO时的双季碳有机结构导向剂化合物(标记为“P4”)制备方法为：
方法1:由中间产物C通过还原反应制备，还原剂为AlH(Bu-i)2；
方法2：由P1通过选择性氧化反应制备，氧化剂为MnO2、铬酸氧化剂、Pfitzner-Moffatt试剂、Dess-Martin试剂中的一种或几种；所述铬酸氧化剂包括Na2Cr2O7与40％～50％硫酸混合液、CrO3的冰醋酸溶液、CrO3与吡啶的络合物；
方法3：由:P2先经卤代反应制备酰卤中间产物D，中间产物D是具有如下通式(V)的结构，卤化试剂选自SOCl2、PCl3、PCl5、PBr3，中间产物D进一步还原反应制得产物P4，还原剂选自部分失活的钯催化剂Pd-BaSO4或LiAlH(OBu-t)3。
其中R1为碳原子数为1～30的直链烷基；m为1～30的正整数；X为Cl、Br、I。
进一步，通式(I)中R2为-CH2NH2时-的双季碳有机结构导向剂化合物(标记为“P5”)制备方法为：
由中间产物C通过氨解反应制备先制备出酰胺中间产物E，中间产物E时具有如下通式(VI)结构，中间产物E再经还原反应得到产物P5，还原剂选自LiAlH4、NaBH4、BH3-THF、BH3-Me2S中的一种或几种；
其中R1为碳原子数为1～30的直链烷基；m为1～30的正整数。
3.一种双季碳有机结构导向剂化合物于MFI分子筛合成反应中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明所述结构导向剂是现有技术未公开的，该结构导向剂属于对称性结构，通过水热方法合成MFI分子筛时，能够调控骨架Al的空间位置分布，可以满足不同催化反应对催化剂的特殊需求。并且经过XRD表征结果表明，使用本发明合成的双季碳有机结构导向剂化合物用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛切实有效。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为结构导向剂P1的合成流程图；
图2为结构导向剂P1结构表征图；
图3为应用实施例1所合成分子筛的XRD表征图；
图4为应用实施例2所合成分子筛的XRD表征图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突
(1)在干燥的250ml三口烧瓶中依次加入50～60mmol乙醇钠、50ml甲苯和50ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，并混合均匀至乙醇钠完全溶解。
(2)在混合物中加入50mmol丙二酸-1，3二甲酯，并混合均匀。
(3)混合物在20～40℃条件下回流反应6h，反应完毕后冷却至室温。
(4)向反应装置内逐滴加入常温的1-溴丁烷50mmol，并混合均匀。
(5)混合物在80～90℃条件下回流反应12h，反应完毕后冷却至室温。
(6)将反应完毕后的混合物通过抽滤，沉淀部分用30ml乙醚洗涤，收集滤液。
(7)将滤液通过分液漏斗依次使用水、5％碳酸氢钠水洗多次，最后用无水硫酸钠干燥有机相。
(8)将干燥后的有机相通过旋蒸器除去溶剂，至有固体析出。
(9)过滤出固体，用适量正己烷冲洗，剩余固体真空干燥得到反应原料A。
步骤二：合成中间产物C
在干燥的250ml三口烧瓶中依次加入50～60mmol乙醇钠、50ml甲苯和50ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，并混合均匀至乙醇钠完全溶解；
(1)在混合物中加入50mmol步骤1制得的化合物A，并混合均匀；
(2)混合物在20～40℃条件下回流反应6h，反应完毕后冷却至室温；
(3)向反应装置内逐滴加入常温的1，6-二溴己烷25mmol，并混合均匀；
(4)混合物在80～90℃条件下回流反应12h，反应完毕后冷却至室温。
(5)将反应完毕后的混合物通过抽滤，沉淀部分用30ml乙醚洗涤，收集滤液。
(6)将滤液通过分液漏斗水洗多次，最后用无水硫酸钠干燥有机相。
(7)将干燥后的有机相通过旋蒸器除去大部分溶剂，至溶液变为粘稠状。通过柱层析分离的方法分离产物，按照正己烷与石油醚体积比为5：1的比例配制层析液。
(8)将含有产物的溶液收集在一起，通过旋蒸器除去溶剂，至有固体析出。
(9)过滤出固体，用适量乙酸乙酯冲洗，剩余固体真空干燥得到化合物Ⅱ，即中间产物C。
合成步骤三：合成结构导向剂P1
(1)在干燥的250ml三口烧瓶中依次加入25mmol步骤(2)得到的中间产物C和50ml的四氢呋喃，并混合均匀；
(2)在混合物中缓慢滴加含有100mmol氢化铝锂溶液，并混合均匀；
(3)混合物在40～60℃条件下回流反应一天，反应完毕后冷却至室温；
(4)反应完毕，向混合物缓慢滴加0.5M HCl溶液淬灭，至溶液pH＝7左右；
(5)将反应完毕后的混合物通过抽滤，沉淀部分用30ml正己烷洗涤，收集滤液；
(6)将滤液通过分液漏斗水洗多次，最后用无水硫酸钠干燥有机相；
(7)将干燥后的有机相通过旋蒸器除去溶剂，至有固体析出；
(8)过滤出固体，用适量正己烷冲洗，剩余固体真空干燥；
(9)剩余固体用乙酸乙酯重结晶，过滤出固体，洗涤干燥得到产物P1。
将所得产物P1进行表征，其结构式以及其核磁图谱如下图2所示，化合物Ⅲ：1HNMR(400MHz,DMSO-d6)δ4.32–4.10(m,4H),3.17(d,J＝3.8Hz,8H),1.33–0.98(m,25H),0.87(t,J＝7.1Hz,6H).结构式以及其核磁图谱如下图2所示。
实施例2合成R2为-COOH的结构导向剂P2
将11.4g实施例1中合成的中间产物C放入50ml的三颈烧瓶中，加入95％乙醇10ml，在搅拌状态下加热至70℃，然后滴加质量浓度为30％的NaOH水溶液10ml，滴加完成后将反应液继续回流反应8～12小时，反应结束后冷却至室温，滴加质量浓度为37％的浓盐酸10ml，最后将析出的固体沉淀过滤、用去离子洗涤、干燥后即得到产物P2。
实施例3R2为-COONa的合成结构导向剂P3
将4.0g实施例2中得到的产物P2放入50mL的三颈烧瓶中，滴加1mol/l的NaOH水溶液10mL，然后蒸干水分，得到R2为-COONa的产物P3。
实施例4R2为-CHO时的双季碳有机结构导向剂P4
将中间产物C与还原剂为AlH(Bu-i)2反应，得到R2为-CHO时的双季碳有机结构导向剂P4。
实施例5R2为-CH2NH2的合成结构导向剂P5
(1)将11.4g实施例1中制备的中间产物C放入250ml的高压反应釜中，加入100ml的DMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶剂将中间产物C溶解，再加入15ml的7M的氨甲醇和0.7g的金属钠，密闭反应釜，开启搅拌，在120℃下反应8～12小时，直至反应釜压力不再降低后结束反应。待反应釜温度冷却至室温后，取出料液，减压蒸馏除去溶剂，得到酰胺中间产物E。
(2)将上述得到的中间产物E溶解在50ml的四氢呋喃中，然后缓慢滴加含有160mmol氢化铝锂溶液，混合均匀后在40～60℃条件下回流反应一天，待冷却至室温后缓慢滴加0.5M HCl溶液淬灭反应，过滤除去固体沉淀，将滤液旋蒸析出固体产物P5。
应用实施例1
本发明合成的双季碳有机结构导向剂化合物可以用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛，具体步骤如下：
(1)在干燥的100ml三口烧瓶中加入本发明合成的一种双季碳有机结构导向剂化合物P1 0.05mol和1gNaOH，加入40ml水混合均与，在室温下搅拌4h。
(2)在剧烈搅拌下，快速向上述混合溶液中加入15.02g 40％的二氧化硅溶胶，混合均匀后在80℃下陈化24h。
(3)陈化完毕后，在搅拌条件下继续向上述混合溶液中加入1.5006g Al(NO3)3·9H2O，混合均匀后在80℃下搅拌1h。
(4)搅拌完毕后，向上述混合溶液中加入0.7510g晶种。
(5)将上述混合溶液转移到水热釜中在180℃下水热72h。
(6)水热完毕，等待水热釜自然冷却降温至室温后，抽滤分离固体，洗涤，干燥固体样品。
(7)将固体样品置于马弗炉中550℃焙烧300分钟，得到Na型分子筛。
(8)将上述Na型分子筛用NH4Cl离子交换2次，离心，洗涤，干燥后，置于马弗炉中550℃焙烧300分钟，得到H型分子筛。
经过XRD表征结果表明，使用本发明合成的双季碳有机结构导向剂化合物A用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛切实有效。经本发明合成的双季碳有机结构导向剂化合物用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛的XRD图谱如下图3所示。
应用实施例2：
本发明合成的双季碳有机结构导向剂化合物可以用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛，具体步骤如下：
(1)在干燥的100ml三口烧瓶中加入本发明合成的一种双季碳有机结构导向剂化合物P2 0.05mol和1gNaOH，加入40ml水混合均与，在室温下搅拌4h。
(2)在剧烈搅拌下，快速向上述混合溶液中加入15.02g 40％的二氧化硅溶胶，混合均匀后在80℃下陈化24h。
(3)陈化完毕后，在搅拌条件下继续向上述混合溶液中加入1.5006g Al(NO3)3·9H2O，混合均匀后在80℃下搅拌1h。
(4)搅拌完毕后，向上述混合溶液中加入0.7510g晶种。
(5)将上述混合溶液转移到水热釜中在180℃下水热72h。
(6)水热完毕，等待水热釜自然冷却降温至室温后，抽滤分离固体，洗涤，干燥固体样品。
(7)将固体样品置于马弗炉中550℃焙烧300分钟，得到Na型分子筛。
(8)将上述Na型分子筛用NH4Cl离子交换2次，离心，洗涤，干燥后，置于马弗炉中550℃焙烧300分钟，得到H型分子筛。
经过XRD表征结果表明，使用本发明合成的双季碳有机结构导向剂化合物P2用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛切实有效。经本发明合成的双季碳有机结构导向剂化合物用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛的XRD图谱如下图4所示。
进一步将P3、P4、P5双季碳有机结构导向剂化合物用作结构导向剂辅助水热合成MFI分子筛，均可实现切实有效。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物，其特征在于，该化合物的结构为如下通式(I)或结构式P1中的任意一种：
式中，R1为碳原子数为1～30的直链烷基；R2选自官能团：-COONa、-COOK、-COOLi、-CHO或-CH2NH2；m为1～20的正整数。
2.一种如权利要求1所述的对称性双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法，其特征在于，由反应原料A和B通过亲核取代反应先合成出中间产物C，然后将中间产物C进一步反应得上述通式(I)或结构式P1所述结构，所述A具有如下通式(Ⅱ)的结构，所述B具有如下通式(Ⅲ)的结构，所述C具有如下通式(IV)的结构：
其中R1为碳原子数为1～30的直链烷基；R3为1～10的直链烷基；m为1～30的正整数；X为Cl、Br、I。
3.根据权利要求2所述一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法，其特征在于，所述中间产物C的制备方法为：
(1)将金属钠溶解在绝对乙醇中并混合均匀；
(2)将反应原料A溶解在绝对乙醇中并混合均匀，然后将上述步骤(1)所得溶液加入原料A溶液中进行反应，进一步抽滤并洗涤然后在真空干燥得到A钠盐；
(3)将A钠盐溶解在甲苯和DMF的混合溶液中，再在40～50℃环境下逐滴加入原料B，加毕后升温至75～90℃回流反应，然后缓慢冷却至室温，过滤除去反应产生的固体，用正己烷洗涤沉淀，合并有机相，将有机相洗涤后，干燥并蒸发，得到中间产物C。
4.根据权利要求3所述一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法，其特征在于，反应原料A与反应原料B的用量为摩尔比0.5～2。
5.根据权利要求2所述一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法，其特征在于，所述结构式P1的制备方法为：由中间产物C进一步还原制备，所用还原剂选自LiAlH4、NaBH4、KBH4、LiBH4、硼烷四氢呋喃或硼烷甲硫醚中的一种或几种，以四氢呋喃为溶剂，在30～90℃条件下回流反应制得。
6.根据权利要求2所述一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法，其特征在于，通式(I)中R2为-COONa、-COOK或-COOLi的双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法为：用NaOH、KOH或LiOH的水溶液将P2产物中和，分别得到R2为-COONa、-COOK或-COOLi的双季碳有机结构导向剂化合物；
所述P2产物的结构式如下：
其中，R1为碳原子数为1～30的直链烷基；R2为-COOH；m为1～20的正整数。
7.根据权利要求2所述一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法，其特征在于，通式(I)中R2为-CHO时的双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法为：
方法1:由中间产物C通过还原反应制备，还原剂为AlH(Bu-i)2；
方法2：由结构式P1通过选择性氧化反应制备，氧化剂为MnO2、铬酸氧化剂、Pfitzner-Moffatt试剂、Dess-Martin试剂中的一种或几种；所述铬酸氧化剂包括Na2Cr2O7与40％～50％硫酸混合液、CrO3的冰醋酸溶液、CrO3与吡啶的络合物；
方法3：由P2产物先经卤代反应制备酰卤中间产物D，中间产物D是具有如下通式(V)的结构，卤化试剂选自SOCl2、PCl3、PCl5、PBr3，中间产物D进一步还原反应制得R2为-CHO时的双季碳有机结构导向剂化合物，还原剂选自部分失活的钯催化剂Pd-BaSO4或LiAlH(OBu-t)3；
其中R1为碳原子数为1～30的直链烷基；m为1～30的正整数；X为Cl、Br、I；
所述P2产物的结构式如下：
其中，R1为碳原子数为1～30的直链烷基；R2为-COOH；m为1～20的正整数。
8.根据权利要求2所述一种对称性双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法，其特征在于，通式(I)中R2为-CH2NH2时-的双季碳有机结构导向剂化合物的制备方法为：
由中间产物C通过氨解反应制备先制备出酰胺中间产物E，中间产物E时具有如下通式(VI)结构，中间产物E再经还原反应得到R2为-CH2NH2时-的双季碳有机结构导向剂化合物，还原剂选自LiAlH4、NaBH4、BH3-THF、BH3-Me2S中的一种或几种；
其中R1为碳原子数为1～30的直链烷基；m为1～30的正整数。
9.一种如权利要求1所述的对称性双季碳有机结构导向剂化合物于MFI分子筛合成反应中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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