固载有机锡催化碳酸二甲酯与苯酚酯交换合成碳酸二苯酯

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碳酸二苯酯(DPC)是一种用途十分广泛的有机碳酸酯,是非光气法合成聚碳酸酯(PC)的主要原料。碳酸二甲酯(DMC)与苯酚酯交换被认为是最具有应用前景的非光气法合成DPC路线。有机锡对该酯交换有较好的催化活性,但作为均相催化剂,难于分离回收和重复使用。本文以碳纳米管和二氧化硅为载体固载有机锡,分别制备了两类固载有机锡催化剂Sn-CNT和Sn-SiO2,催化DMC与苯酚合成DPC反应,研究载体及相应固载方法对固载有机锡酯交换催化性能的影响,以及固载有机锡对第二步甲基苯基碳酸酯(MPC)歧化合成DPC的催化性能。  采用直接负载法和硅烷化法制备了碳纳米管固载有机锡Sn-CNT和Sn-Si-CNT,催化DMC与苯酚的酯交换反应。Sn-CNT的Sn含量为13.2 wt%,苯酚转化率为50.3%,酯交换选择性为99.9%。由于碳纳米管表面的酚羟基较少,硅烷化法制备的Sn-Si-CNT的Sn含量最高仅3.5 wt%,苯酚转化率33.8%。两种方法制备的催化剂重复使用四次后都完全失活,主要是Sn流失导致。  采用硅烷化法制备了二氧化硅固载有机锡Sn-SiO2和Sn-SBA-15,催化DMC与苯酚的酯交换反应。以无机SnCl4为锡源,将有机锡的合成与硅烷基化一步完成制备出新的有机锡硅烷试剂氯化锡丙基硅烷,再通过硅烷化反应将其固载到二氧化硅上。该方法比文献报道的方法步骤简化,且不需要贵金属催化剂和昂贵的有机锡原料,有机锡负载量可达15.1 wt%,高于文献负载量8.5 wt%。29Si MASNMR显示有机锡主要通过两个或三个Si-O-Si键固载于二氧化硅上,利于有机锡的稳定固载。研究了不同二氧化硅载体的影响,通过IR与TG测定了载体二氧化硅的硅羟基,结合ICP结果发现催化剂的有机锡负载量与相应二氧化硅载体的硅羟基含量正相关。介孔SBA-15系列的硅羟基含量高于相应硅胶系列SiO2,同时介孔结构利于反应物扩散和活性组分分散,因而SBA-15固载有机锡系列催化活性较好。Sn-SBA-15上的活性最好,用量1.0 g反应9h,苯酚转化率达50.4%。以0.5 g Sn-SBA-15考察重复使用性能,重复使用5次,苯酚转化率由41.2%降低到35.0%,Sn流失是Sn-SBA-15活性降低的主要原因。  采用共缩聚法在碱性和酸性条件下制备了二氧化硅固载有机锡Sn-SiO2-NH3和Sn-SiO2-HCl,催化DMC与苯酚的酯交换反应。酸性或者碱性条件不影响催化剂性能。随着催化剂Sn含量的增加,苯酚转化率逐渐增加。碱性条件下制备的Sn-SiO2-NH3在反应体系中不易沉降分离,选用酸性条件为宜。Sn-SiO2-HCl用量为0.5 g时,苯酚转化率为39.8%,重复使用5次,苯酚转化率降至35.9%,Sn流失是催化剂活性降低的主要原因。共缩聚法制备的Sn-SiO2-HCl的Sn流失略低于硅烷化法制备的Sn-SBA-15。  将二氧化硅固载有机锡Sn-SBA-15和Sn-SiO2-HCl用于第二步MPC歧化合成DPC,两个催化剂性能相当,MPC转化率~60%,DPC选择性~96%。Sn-SiO2-HCl的稳定性好于Sn-SBA-15,重复使用5次,Sn-SiO2-HCl的MPC转化率由61.4%降至53.9%。研究歧化反应中副产物苯酚生成的原因,发现苯酚主要是由MPC与催化剂的吸附水发生水解反应生成。同时研究了原料MPC中苯酚残留量对MPC歧化反应的影响,发现少量苯酚残留对MPC歧化反应影响很小,苯酚残留量超过MPC的40 wt%时才会对MPC歧化反应产生一定的抑制作用,为简化歧化原料MPC的提纯提供科学了依据。
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