甲基苯基碳酸酯歧化合成碳酸二苯酯催化剂的研究

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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非光气法合成DPC最有前景的工业化合成路线之一。为实现产物DPC的最大收率,单独研究该路线中第二步MPC歧化反应催化剂和工艺十分重要。本论文考察了有机钛、有机锡单独对MPC歧化反应的催化性能,研制了两类单独催化MPC歧化反应的多相催化剂MoO3/SiO2和PbO/ZrO2,研究了催化剂结构对催化活性的影响以及催化剂结构与稳定性的关系。  考察了不同配位基团的有机钛、有机锡化合物催化MPC歧化反应的催化性能,发现其催化活性由空间位阻和电子效应共同决定,电子效应的影响大于空间位阻。与活性中心金属原子配位基团的空间位阻越小,相应催化剂的反应活性越高;与金属原子配位基团的吸电子效应越强,相应催化剂的酸性越强,其催化活性越高,但过强的酸性也导致MPC脱羰基化生成副产物苯甲醚。有机钛中Ti(O-iC3H7)4显示最好的催化性能,MPC的转化率达90.4%,DPC选择性99.6%,TOF为8 h-1。有机锡中BuSnO(OH)显示最好的催化性能,MPC的转化率达89.7%,DPC选择性99.3%,TOF为18 h-1。BuSnO(OH)比Ti(O-iC3H7)4对空气及水稳定性好,且TOF高。有机钛、有机锡催化MPC歧化反应的反应历程相似,金属原子首先与MPC中电负性大的羰基氧配位络合形成过渡态金属配合物,两分子过渡态金属配合物再发生分子间亲核取代生成产物DPC和DMC。  采用溶胶-凝胶和水热处理相结合的新方法制备了MoO3/SiO2。XRD、FT-IR和BET显示溶胶-凝胶与水热处理相结合的方法使Mo与Si具有较强的相互作用,发生孔道再造,具有较大的比表面积、孔容、孔径及较高的MoO3分散性。负载量和焙烧温度等制备条件影响MoO3/SiO2的催化性能,MoO3负载量大于15wt%,MoO3发生聚集,活性降低。随焙烧温度增加,Mo与Si之间的相互作用增加,活性增加;焙烧温度高于500℃,晶态α-MoO3出现,活性下降。在15 wt%MoO3负载量、500℃焙烧,用量0.9 g、200℃反应2h,MPC的转化率达72.8%,DPC收率为71.4%。MoO3/SiO2重复套用7次,MPC转化率从72.8%下降到56%,选择性保持在98%以上。FT-IR显示芳烃物吸附沉积于催化剂表面是其活性下降的主要原因;失活的MoO3/SiO2在空气氛围下通过简单焙烧再生,其催化活性完全恢复至新鲜催化剂的水平。  采用共沉淀法将PbO掺杂进入ZrO2体相内制备了新型催化剂PbO/ZrO2。PbO的掺杂促进ZrO2晶相从单斜向四方转变,而四方相的ZrO2比表面积大,是较好的活性相载体。负载量和焙烧温度影响PbO/ZrO2的催化性能。负载量达22.8~30.4%,形成Pb-Zr固溶体,Pb与Zr的相互作用下降,PbO分散度降低。XPS、XRD、H2-TPR和BET显示15.2PbZr中Pb与Zr相互作用最强,PbO的分散性最高,具有最大的比表面积和孔体积。在PbO负载量15.2 wt%,600℃焙烧,MPC转化率达76.6%,DPC选择性为99.3%。15.2PbZr重复使用5次,MPC转化率仍达75%,DPC选择性保持在99%。XRD和FT-IR显示5次使用后的15.2PbZr结构与新鲜催化剂相同,结构稳定;Pb进入ZrO2晶格形成的Pb与Zr之间强的相互作用阻止了Pb流失。  模拟实际工业过程,研究了反应体系中苯酚残留量对MPC歧化反应的影响。在BuSnO(OH)体系中,随苯酚量增加,DPC收率和选择性降低,适宜的n(Phenol)/n(MPC)摩尔比为2∶1,MPC的转化率和DPC的收率分别为89.1%、60.5%。为保证DPC获得最大的收率和选择性,苯酚最大残留量应不超过原料MPC。在PbO/ZrO2体系中,PbO/ZrO2同时催化MPC通过歧化和酯化两个路径生成DPC,因此使苯酚进一步转化,苯酚利用率提高。优化的n(Phenol)/n(MPC)摩尔比为2∶3,苯酚利用率为30.2%,MPC转化率为73%,歧化过程中DPC收率为59.9%,酯化过程中DPC收率为20.1%。随使用次数增加,PbO/ZrO2的活性下降,五次使用后,MPC转化率从初始的70.3%下降到40.5%;芳烃物吸附沉积于催化剂表面是其活性降低的原因,再生后的PbO/ZrO2的活性基本恢复。总体来说,PbO/ZrO2体系较好,苯酚利用率提高,催化剂可再生重复使用。
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