【摘 要】
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金属多相催化剂由于其可回收且重复利用的性能被广泛地用于催化C-C键交叉偶联反应中。沸石分子筛具有比表面积大、稳定性高、酸性可调变等优异的特性,因此是一种理想的催化剂载体。由于各种类型的沸石分子筛的孔道尺寸不同,近几年,人们将注意力转移到了将金属的活性与沸石分子筛的孔道选择性结合来对各类反应进行选择性催化,这在化工行业生产中具有重要的研究价值。本文采用传统的离子交换法制备了 Pd@ZSM-5催化剂,
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金属多相催化剂由于其可回收且重复利用的性能被广泛地用于催化C-C键交叉偶联反应中。沸石分子筛具有比表面积大、稳定性高、酸性可调变等优异的特性,因此是一种理想的催化剂载体。由于各种类型的沸石分子筛的孔道尺寸不同,近几年,人们将注意力转移到了将金属的活性与沸石分子筛的孔道选择性结合来对各类反应进行选择性催化,这在化工行业生产中具有重要的研究价值。本文采用传统的离子交换法制备了 Pd@ZSM-5催化剂,综合考虑了溶剂的绿色及催化剂的可持续应用,将其用于选择性催化C-C键交叉偶联反应,并且试图阐明影响该选择性催化的多种可能因素。本论文的具体研究内容如下:(1)采用简单的离子交换法在室温条件下将金属钯负载到ZSM-5分子筛中制备多相催化剂Pd@ZSM-5,并将其用于在水相中选择性催化Suzuki-Miyaura和Sonogashira偶联反应。实验结果表明,Pd@ZSM-5催化剂在水相体系中对4-硝基芳基卤化物及卤代苯的Suzuki-Miyaura和Sonogashira偶联反应表现出良好的催化选择性。碘苯与苯乙炔的C-C键交叉偶联产物产率在反应3 h达到98%,溴苯与苯硼酸的偶联产物产率在反应3.5 h达到99%。然而,4-硝基碘苯与苯乙炔的偶联产物产率在反应6 h为24%,4-硝基溴苯与苯硼酸的偶联产物产率在反应10 h后仍为0。但是使用其它催化剂(Pd/C),4-硝基芳基卤化物的偶联反应速率都要比相应的芳基卤化物要快。因此Pd@ZSM-5实现了对4-硝基芳基卤化物的选择性转化。(2)在Pd@ZSM-5催化4-硝基芳基卤化物偶联反应中,通过向催化体系中引入额外的小体积的阳离子或其他反应物(如碘苯),我们对该选择性催化的因素进行了研究。实验结果表明,在水相中实现选择性催化的关键因素是金属钯不能脱离分子筛载体而独立分散于体系中,否则将失去对催化反应的选择性。例如,当体系中存在小体积阳离子(Na+、K+、TMA+)时,Pd@ZSM-5催化剂会失去对4-硝基芳基卤化物偶联反应的选择性催化作用;推测这是由于小体积的阳离子进入孔道中与金属钯发生了离子交换,使钯浸出流失到溶液中,使该催化反应失去了对某些特定取代基的选择性。此外,在4-硝基芳基卤化物偶联反应的催化体系中引入小体积反应物(碘苯、溴苯)也可以促使该反应的发生;推测这可能是由于小体积的反应物在进行偶联反应时,与钯作用形成了中间体,该中间体与分子筛间的相互作用力较弱,从而使金属钯被“运输”到了溶液中,“开启”了 4-硝基芳基卤化物的偶联反应。在4-硝基芳基卤化物和芳基卤化物同时存在的体系中,前者的偶联反应的速率均比后者的快一些。这和其他均相或多相钯催化体系中的现象一致,证明了我们前面的推测。因此,本文探讨了 Pd@ZSM-5在催化C-C键交叉偶联反应中对反应底物的选择性催化,这对开发金属多相催化剂在水相中实现选择性催化提供了基础。
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