宋斐斐,潘維成,李冬冬,廉紅蕾
(1. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2. 中州大學(xué),河南 鄭州 450044)
有機(jī)-雜多化合物的研究及在有機(jī)合成中的應(yīng)用
宋斐斐1,潘維成2,李冬冬1,廉紅蕾1
(1. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2. 中州大學(xué),河南 鄭州 450044)
簡述了有機(jī)-雜多化合物的常用制備方法與表征方法,根據(jù)有機(jī)基團(tuán)或有機(jī)金屬基團(tuán)取代位置的不同將有機(jī)-雜多化合物進(jìn)行分類。對近年來有機(jī)-雜多化合物在催化領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及其對酯化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、羥基化反應(yīng)等反應(yīng)的催化性能進(jìn)行了分析介紹。
雜多酸;雜化材料;有機(jī)合成;有機(jī)-雜多化合物
雜多酸具有強(qiáng)酸性和氧化還原性能,是一類新型環(huán)境友好的酸催化劑和氧化催化劑,通過調(diào)變中心原子和抗衡陽離子可以改變其結(jié)構(gòu)、組成和催化性能。自上個世紀(jì)70年代日本在丙烯水合生產(chǎn)上用雜多酸催化劑成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化以來,雜多酸作為有機(jī)合成和石油化工中的催化劑已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注。但是,雜多酸比表面積低(<10 m2/g),非極性分子不能進(jìn)入體相,只能在表面反應(yīng),使得催化性能不能很好的發(fā)揮,且雜多酸在極性溶劑中溶解度高,回收困難造成一定的環(huán)境污染和昂貴的雜多酸催化劑的流失。為克服這些缺陷,通常采用各種方法將雜多酸負(fù)載于多孔載體上,如活性炭、二氧化硅、分子篩、硅藻土、離子交換樹脂等,從而提高其比表面積、熱穩(wěn)定性及催化活性。然而這些體系普遍存在著活性組分易溶脫、催化劑穩(wěn)定性不好等問題[1-5]。因此,需要新的方法來獲取具有高活性和穩(wěn)定性、易回收利用的雜多化合物催化劑。
近年來,人們將有機(jī)或有機(jī)金屬基團(tuán)引入雜多化合物來改善其性質(zhì)和形貌,對開發(fā)新的雜多化合物催化劑應(yīng)用領(lǐng)域具有積極的意義。雜多酸是一類優(yōu)秀的受體分子,與許多有機(jī)分子尤其是具有強(qiáng)給電子能力的含大π共扼體系的有機(jī)體結(jié)合,能形成具有新型功能特性的雜化材料,雜化材料除了具有物理化學(xué)性質(zhì)以及形貌的多樣性,還同時含有無機(jī)成分與有機(jī)成分,可以將無機(jī)和有機(jī)化合物兩者互補(bǔ)的性能結(jié)合起來,衍生出了許多新性質(zhì),并可通過某些物理化學(xué)修飾,實(shí)現(xiàn)分子設(shè)計(jì)[6-9]。本文對基于雜多酸的有機(jī)-雜多化合物近年來的應(yīng)用研究做一綜述。
1.1 有機(jī)-雜多化合物的合成
隨著科技水平的不斷發(fā)展以及水熱合成高、低溫固相合成技術(shù)的應(yīng)用,近年來有機(jī)-雜多化合物合成方法得到迅猛發(fā)展。常見的合成方法有:
(1)均相法
均相法是將雜多酸鹽和有機(jī)配體溶于適當(dāng)溶劑中配成一定濃度的溶液,然后,在一定溫度下(通常是室溫)和適當(dāng)pH值下,將一種溶液緩慢地加入到另一種溶液中生成產(chǎn)物。在均相法中,選擇合適的溶劑和溶液的濃度以及溶液的混合速度是關(guān)鍵,此外,對于雜多酸鹽溶液,選用陰離子不同,對結(jié)構(gòu)的空間排列將有很大影響。
(2)水熱法及溶劑熱法
水熱法是指在密封的壓力容器中,以水或其它液體作為介質(zhì),在高溫(大于100 ℃)高壓(大于9.81 MPa)等條件下制備晶體或粉體的一種化學(xué)合成方法,主要有溫差法,降溫法(或升溫法)及等溫法。溶劑熱法是在水熱法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。溶劑熱法有別于傳統(tǒng)的均相法,這是因?yàn)樗墚a(chǎn)生一種由傳統(tǒng)方法不能得到的介穩(wěn)態(tài)化合物,這樣可以降低反應(yīng)速度,避免快速反應(yīng),以利于晶體生長。
1.2 有機(jī)-雜多化合物的表征
通常采用熱重,傅里葉紅外光譜,掃描電鏡,元素分析,核磁共振,X射線衍射等多種表征技術(shù)相結(jié)合,來了解有機(jī)取代后的雜多酸的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性等基礎(chǔ)科學(xué)問題。如冷炎等[10]制備出酸性聚乙烯基吡咯烷酮-雜多酸雜化催化劑,并利用一系列手段對其進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)樣品有良好的熱穩(wěn)定性且基本為無定型結(jié)構(gòu),聚乙烯基吡咯烷酮與磷鎢酸通過質(zhì)子化作用結(jié)合后,形成了新的有機(jī)雜多酸雜化催化劑,且有機(jī)和無機(jī)組分的結(jié)構(gòu)保持完好。
雜多化合物具有確定的結(jié)構(gòu),雜多陰離子為一級結(jié)構(gòu),雜多陰離子是一類多氧簇金屬配合物,是通過氧原子橋聯(lián),雜原子和多原子進(jìn)行空間組合而成。其基本化學(xué)式為:[XxMzOy]q-(x<z),其中X為雜原子,M為多原子。雜多陰離子和反荷陽離子(質(zhì)子,金屬離子等)組成二級結(jié)構(gòu)。雜多陰離子,反荷陽離子和結(jié)構(gòu)水在三維空間形成三級結(jié)構(gòu)[11-12]。將有機(jī)基團(tuán)或有機(jī)金屬基團(tuán)引入雜多化合物要么是在雜多陰離子的外殼上引入,要么是在雜多陰離子內(nèi)部骨架上引入,要么是以雜多化合物的反荷陽離子的形式引入分子中。前兩種是改變雜多化合物的一級結(jié)構(gòu),后一種是改變雜多化合物的二級結(jié)構(gòu)。
2.1 改變雜多化合物一級結(jié)構(gòu)
利用雜多化合物具有穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),多陰離子表面氧原子有配位能力,可以和各種有機(jī)金屬基團(tuán)形成新型化合物。也可以用有機(jī)金屬基團(tuán)取代雜多化合物骨架中的配體或有機(jī)金屬的含氧酸作為雜多化合物的配位中心。
陳靜蓉等[13]首次以 2-氨乙基膦酸及其 N-取代物為配位中心,制得一系列有機(jī)膦鎢雜多酸。由IR光譜,重量分析,掃描電鏡能譜分析和 C,H,N元素分析相結(jié)合確定該系列雜多酸一級結(jié)構(gòu)均為Keggin結(jié)構(gòu)。Keggin型有機(jī)膦-鎢雜多酸的首次合成具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價值。
Xue等[14]制備了一系列Keggin型Si-W雜多酸鹽TBA4[α-SiW12O40],TBA5[α-SiW11{Fe(OH)2}O39],TBA6[γ-SiW10{Fe(OH)}2O38]和 TBA7[α-SiW9{Fe(OH)2}3O37](TBA=[(C4H9)4N]+)。并通過多表征手段對雜多化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并通過環(huán)己醇催化氧化反應(yīng)考察樣品的催化性能。反應(yīng)結(jié)果表明Fe取代的 Keggin型硅鎢酸鹽的骨架結(jié)構(gòu)對催化反應(yīng)活性具有重要的影響。
2.2 改變雜多化合物二級結(jié)構(gòu)
在二級結(jié)構(gòu)中,不同電荷、不同半徑、不同電負(fù)性的反荷陽離子是影響雜多化合物性能的重要因素。通常,二級結(jié)構(gòu)十分容易發(fā)生變化,反荷陽離子的電荷、半徑、電負(fù)性稍有變動就會影響雜多化合物的酸性和氧化性,還會改變雜多化合物的催化活性和選擇性。
F. Mohammadi Zonoz等[15]制備了一種基于Keggin型雜多酸和有機(jī)咪唑陽離子的有機(jī)—無機(jī)雜化材料[Himi]4[SiW12O40].H2O(imi=咪唑),并對其進(jìn)行表征和電化學(xué)研究。結(jié)果表明,樣品骨架由[SiW12O40]4-雜多陰離子和四個{(Himi)}+單價陽離子通過氧鍵連接而成。對于亞硝酸離子NO2-的還原,所制樣品的電化學(xué)活性要好于H4SiW12O40雜多酸。
丁永萍[16]制備了 1-甲基-3羧甲基咪唑磷鎢酸鹽[CMMIM]3PW12O40,樣品仍然保持了雜多酸的Keggin結(jié)構(gòu)。對其進(jìn)行TG表征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)此雜多酸離子液體在280 ℃以下幾乎沒有失重,說明該雜多酸離子液體有很好的熱穩(wěn)定性。將其用于催化氧化脫硫反應(yīng)中,樣品顯示出一定的氧化活性。
王沁玲等[17]采用水熱法制備了含磷鉬酸根的有機(jī)-無機(jī)雜化材料(C12H14N2)2PMo12O40,并研究了其組成,結(jié)構(gòu)和性能,并對合成條件進(jìn)行了優(yōu)化。用反射光譜法對其光吸收特性進(jìn)行了研究,表明(C12H14N2)2PMo12O40對太陽輻射有強(qiáng)烈的吸收。又通過熱重-差熱分析 發(fā)現(xiàn)(C12H14N2)2PMo12O40熱穩(wěn)定性良好,分解溫度在450 ℃左右。
Leng等[18-22]通過將有機(jī)陽離子與雜多陰離子相結(jié)合設(shè)計(jì)并制備了許多有機(jī)-無機(jī)雜多化合物,并發(fā)現(xiàn)它們對氧化反應(yīng)和酸催化反應(yīng)有很高的催化活性。在酸催化反應(yīng)方面,他們制備了聚乙烯基吡咯烷酮修飾的磷鎢酸(PVP-PW)和N-甲基-2-吡咯烷酮修飾的磷鎢酸([NMP]3PW)分別用于酯化反應(yīng)和 Prins反應(yīng)中。結(jié)果表明所得固體是高效的多相催化劑,反應(yīng)結(jié)束后催化劑經(jīng)過簡單的過濾即可分離回收,且重復(fù)使用性好。此外,他們制備了一系列離子液體陽離子修飾的磷鉬釩雜多酸鹽 Pyn-PMo(12-m)VmO40,[Dmim]2.5PMoV,[Bmim]5PMoV,[TMA]5PMoV和[TBA]5PMoV用于催化苯的羥基化反應(yīng),結(jié)果表示催化性能良好。值得注意的是,將磺化的離子液體與雜多陰離子相結(jié)合所得到的雜多化合物有著特殊的性質(zhì)。他們采用二步法制備了三種不同有機(jī)陽離子取代的磷鎢酸鹽,分別為[MIMPS]3PW12O40,[PyPS]3PW12O40,[TEAPS]3PW12O40。FT-IR譜圖知相比于純磷鎢酸的四個特征峰,雖說三個樣品的峰強(qiáng)度有降低,峰的位置略有偏移,但樣品的四個特征峰均有清楚的顯現(xiàn)出來,這說明雜多酸的反荷陽離子被有機(jī)陽離子取代后仍保持了Keggin結(jié)構(gòu)。它們不同于一般的離子液體,因?yàn)樗鼈兊娜埸c(diǎn)高于100 ℃。樣品的非常規(guī)室溫固態(tài)離子液體性質(zhì)使得當(dāng)其作為酸醇酯化反應(yīng)的催化劑時有“自分離”的表現(xiàn),催化劑的回收變得十分簡易。
有機(jī)-無機(jī)雜化材料已被廣泛的應(yīng)用于電、光、磁材料、仿生材料、分子識別、催化材料、生物傳導(dǎo)材料等眾多領(lǐng)域。對于有機(jī)雜多化合物本文著重討論其在催化方面的應(yīng)用。
3.1 酯化反應(yīng)
羧酸酯是一類重要的化工原料,廣泛用于香料,溶劑,化妝品,表面活性劑,醫(yī)藥領(lǐng)域中。酯類反應(yīng)多以固體酸為催化劑,傳統(tǒng)的是硫酸和氫氟酸。雖然硫酸價格低廉,但其有蝕性大,副反應(yīng)多,長生大量廢水且后處理復(fù)雜等缺點(diǎn)。研究者們正積極開發(fā)無毒,無污染,對設(shè)備無腐蝕的綠色環(huán)保型催化劑。
許妍等[23],通過將 1-(3-磺酸基)丙基-3-甲基咪唑鹽(MIMPS)與磷鎢酸混合制備了1-(3-磺酸基)丙基-3-甲基咪唑磷鎢酸鹽([MIMPS]3PW12O40)。通過與H3PW12O40.nH2O試樣XRD譜圖對比得出磷鎢酸的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。FTIR譜圖中表明[MIMPS]3PW12O40仍保持了 Keggin結(jié)構(gòu)。用其作乙二醇丁醚與醋酸酯化反應(yīng)的催化劑研究其性能,結(jié)果表明[MIMPS]3PW12O40催化劑對合成乙二醇丁醚醋酸酯(BAC)反應(yīng)具有很好的催化活性,且催化劑易分離,重復(fù)使用9次后仍有較高收率。郁盛健等[24]以[MIMPS]3PW12O40為催化劑催化合成檸檬酸三丁酯,在最佳反應(yīng)條件下酯化率高達(dá)99.7%,并具有良好的重復(fù)使用效果。
施介華等[25]以溴化 1-丁基-3-甲基咪唑鹽和磷鎢酸為原料制備的具有Keggin結(jié)構(gòu)的1-丁基-3-甲基咪唑磷鎢酸鹽[(Bmim)3PW12O40.3H2O]催化合成乙酸乙酯,對反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,具有Keggin結(jié)構(gòu)的1-丁基-3-甲基咪唑磷鎢酸鹽顯現(xiàn)出較高的催化活性和較好的重復(fù)使用性能。在最佳條件下合成乙酸乙酯的收率可達(dá)99.68%~99.91%。
3.2 氧化反應(yīng)
Leng等[26]將氨基修飾的 4,4-雙吡啶與磷鎢酸混合制得樣品[DPyAM]PW,并研究其催化苯甲醇氧化反應(yīng)的性能。制備的有機(jī)雜多化合物不溶于常規(guī)的溶劑,包括二甲基亞砜和水,且熔點(diǎn)高于250 ℃,因此在反應(yīng)體系中作為固體催化劑,方便催化劑的回收利用。由樣品的XRD譜圖知在陽離子和陰離子間存在小缺口,這可以促進(jìn)反應(yīng)物進(jìn)入到樣品的體相中進(jìn)行反應(yīng),這與先前報(bào)道過的雜多酸催化劑的“假液相”行為相一致。樣品對苯甲醇的氧化反應(yīng)有很好的催化活性,且對苯乙醇,環(huán)乙醇,二苯基甲醇的氧化反應(yīng)均有良好的催化性能。
近年來,雜多酸/相轉(zhuǎn)移催化劑迅速發(fā)展,被廣泛應(yīng)用于烯烴環(huán)氧化,醇氧化以及硫醚氧化反應(yīng)中,其中季銨鹽類作為相轉(zhuǎn)移催化劑最早用于有機(jī)合成[27]。將雜多酸與季銨鹽相轉(zhuǎn)移催化劑結(jié)合是一類重要的氧化催化劑。
馮樹波[28]等以鎢酸鈉,磷酸,過氧化氫H2O2和氯代十六烷基吡啶為原料制備了磷鎢雜多酸季銨鹽相轉(zhuǎn)移催化劑(C16H33NCH3)3PW4O16,并用其催化脂肪酸甲酯的環(huán)氧化反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)磷鎢雜多酸中磷和鎢原子比會影響催化環(huán)氧化活性,且在制備催化劑過程中,氯化十六烷基吡啶與磷鎢雜多酸的比例會影響相轉(zhuǎn)移性能。他們還研究了不同因素對催化劑回收性能的影響,結(jié)果表明反應(yīng)時間對催化劑回收率的影響最顯著,反應(yīng)時間為0.5 h時,催化劑收率最高為95%?;厥盏拇呋瘎┲刑砑有迈r催化劑補(bǔ)足重量繼續(xù)進(jìn)行環(huán)氧化,經(jīng)過六次的重復(fù)使用后環(huán)氧值幾乎沒有改變,表明催化劑重復(fù)使用性良好。
楊小格等[29]采用廉價的季銨鹽[C16H33(CH3)3(70%)+C18H37(CH3)3(30%)]N+Cl-代替[C5H5NC16H33]+Cl-為相轉(zhuǎn)移催化劑,制備了一種新型的反應(yīng)控制型想轉(zhuǎn)移型催化劑。并考察了制備過程中各因素對催化 1-辛烯環(huán)氧化反應(yīng)催化性能的影響,確定了適宜的制備條件。
李家其等[30]制備了鉬釩磷季銨鹽Q3+nPMo12-nVnO40并將其用于苯乙烯催化氧化合成苯甲醛的反應(yīng)中。他們考察了溶劑和鉬釩磷季銨鹽中離子成分對催化活性的影響,結(jié)果表明冰乙酸為最佳溶劑在冰乙酸中,過氧化氫將鉬釩磷季銨鹽的陰離子部分瓦解生成過氧釩鉬中間體,然后,陽離子部分將它們轉(zhuǎn)移到底物,發(fā)生苯乙烯催化氧化反應(yīng)。當(dāng)鉬釩磷季銨鹽的反荷離子有效碳數(shù)為 10.5,陰離子釩原子個數(shù)為 6時,生成的釩鉬中間體最多,催化氧化效果最好,苯乙烯轉(zhuǎn)化率達(dá)到 68.4%,苯甲醛選擇性為98.0%。
3.3 羥基化反應(yīng)
沈精平等[31]采用堿式碳酸鈷,四丁基溴化銨和磷鉬釩雜多酸反應(yīng)合成系列新型磷鉬釩酸季銨鹽Co(8-n)/2(Bu4N)nP2Mo16V2O62(n=1~8),其中Bu4N+是 C16H36N+。將其用作催化劑催化氧化苯制苯酚的反應(yīng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,引入的過渡金屬鈷提高了催化劑催化氧化苯的催化活性。只有當(dāng)催化劑中鈷鹽,季銨鹽與磷鉬酸配比合適時,催化效果才會最優(yōu),其中Co2(Bu4N)6P2Mo16V2O62的催化活性最好。在最佳合成條件下,笨的轉(zhuǎn)化率達(dá)40.4%,苯酚的選擇性達(dá)85%,且催化劑重復(fù)使用情況良好。
Leng等[32]制備了一系列吡啶修飾的磷鉬釩雜多酸鹽Pyn-PMo(12-m)VmO40(n=1~3,m=1~3)作為催化劑催化苯的羥基化反應(yīng),且對催化反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明 Py1-PMo10V2O40催化活性最好,苯酚的產(chǎn)率,選擇性分別為20.5%,98.0%。吡啶在提高催化劑活性上起到重要作用。
以功能化為目標(biāo)進(jìn)行無機(jī)-有機(jī)雜化材料的設(shè)計(jì)和調(diào)控是當(dāng)今材料化學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域,而Keggin型的多金屬氧酸鹽由于其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)及在催化領(lǐng)域存在著潛在的應(yīng)用價值,一直以來備受研究者的關(guān)注。未來的研究內(nèi)容主要集中在雜化材料的分子設(shè)計(jì)與組裝,雜化材料的結(jié)構(gòu)特征及其性能與應(yīng)用,制備雜化材料的影響因素及可控因素。目前關(guān)于有機(jī)-雜多化合物被大量報(bào)道,這類化合物的成功制備不僅為催化劑的研究提供了新的模型,豐富了多金屬氧酸鹽的修飾化學(xué),也有著巨大的潛在應(yīng)用前景。
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Research of Organic-heteropoly Compounds and Its Application in Organic Synthesis
SONG Fei-fei1,PAN Wei-cheng2,LI Dong-dong1,LIAN Hong-lei1
(1. School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Henan Zhengzhou 450001, China; 2. Zhongzhou University, Henan Zhengzhou 450044, China)
Common preparation methods and characterization methods of organic-heteropoly compounds were introduced. The organic-heteropoly compounds were classified based on substituted position of the organic or organometallic groups. The research status of organic-heteropoly compounds in catalysis field in recent years was analyzed as well as their catalytic performance for esterification, oxidation and hydroxylation reactions.
Heteropoly acid; Hybrid materials; Organic synthesis; Organic-heteropoly compounds
TQ 203
A
1671-0460(2014)12-2673-04
河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目,項(xiàng)目號:14A530003;河南省高??萍紕?chuàng)新人才支持計(jì)劃,項(xiàng)目號:2012HASTIT037。
2014-06-18
宋斐斐(1989-),女,河南濮陽人,碩士在讀,研究方向:綠色化工。E-mail:455966080@qq.com。
廉紅蕾(1977-),女,講師,博士,主要從事多相催化材料設(shè)計(jì)與制備及催化反應(yīng)研究。E-mail:hongleilian@zzu.edu.cn。