本發(fā)明涉及催化劑技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種以cn為軸向配體的salen催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù):
隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng),綠色低碳成為人們生活的主旋律,解決環(huán)境污染問(wèn)題已刻不容緩。以co2為主的溫室氣體引發(fā)的全球氣溫升高、海平面上升、氣候異常等自然災(zāi)害,已經(jīng)給地球生態(tài)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果,甚至威脅到人類(lèi)的生存,而目前全球工業(yè)二氧化碳的排放量還在持續(xù)增加,由此引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題也隨著大氣中co2含量的增高繼續(xù)惡化,長(zhǎng)此以往將會(huì)嚴(yán)重威脅人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境。因此,加強(qiáng)二氧化碳的有效利用是解決碳排放的有效途徑。二氧化碳和環(huán)氧化物可以共聚制備聚碳酸酯,該反應(yīng)利用二氧化碳合成高分子材料,原子利用率高,生成的聚碳酸酯可生物降解,代替部分傳統(tǒng)的難以降解的塑料,有利于緩和“白色污染”問(wèn)題,是目前研究的熱點(diǎn),也是co2最具有應(yīng)用前景的利用方式之一。
自1969年inoue首次利用二乙基鋅/水體系成功催化二氧化碳和環(huán)氧丙烷共聚以來(lái),已發(fā)展了包括二乙基鋅/多質(zhì)子體系、金屬羧酸鹽體系、雙金屬氰化物、稀土三元體系以及salen體系在內(nèi)的多種催化體系,但目前沒(méi)有一種理想的可工業(yè)化的催化體系,這些催化體系都存在催化活性不高或者產(chǎn)物性能不佳的問(wèn)題,制備一種催化效率高、二氧化碳插入率高、產(chǎn)物性能好的催化劑成為急需解決的問(wèn)題,也是二氧化碳基聚碳酸酯大規(guī)模應(yīng)用的前提。
salen是n,n’-亞乙基雙(水楊醛亞胺)類(lèi)化合物的統(tǒng)稱(chēng),salen催化體系可以高效活化二氧化碳與環(huán)氧丙烷共聚,制備得到交替共聚的聚碳酸酯,且產(chǎn)物立體選擇性及區(qū)域選擇性高,能有效抑制聚醚鏈段的生成,但其活性還有待進(jìn)一步提高,尤其當(dāng)聚合溫度升高時(shí),該催化體系的選擇性急劇下降,生成了熱力學(xué)更穩(wěn)定的小分子環(huán)碳酸酯。
2003年,coates等(journaloftheamericanchemicalsociety,2005.127(31):10869-10878)首次使用salen-co(iii)(oac)催化二氧化碳和環(huán)氧丙烷的聚合,在溫和的反應(yīng)條件下得到的產(chǎn)物選擇性大于99%,聚合物中碳酸酯單元含量大于90%,并且研究了苯環(huán)上r取代基對(duì)催化效率的影響。對(duì)溫度的影響結(jié)果顯示,25℃是該催化反應(yīng)的最佳溫度,當(dāng)溫度低于或高于這個(gè)溫度,催化活性降低,當(dāng)溫度高于40℃后,產(chǎn)物分子量降低,聚醚鏈節(jié)的含量顯著升高。此外,coates還詳細(xì)研究了催化劑軸向配體對(duì)催化活性、產(chǎn)物選擇性、區(qū)域和立體選擇性的影響,并分別制備了一系列不同軸向配體的salen催化劑,催化二氧化碳和環(huán)氧丙烷共聚的結(jié)果表明,其催化活性順序是i<cl<oac<obzf5<br,其中salen-co(iii)br的活性最高為tof=90h-1。
呂小兵等(journaloftheamericanchemicalsociety,2006,128,1664-1674)發(fā)現(xiàn),雖然salen-co(iii)x可以在5.5mpa的二氧化碳?jí)毫ο麓呋趸辑h(huán)氧丙烷共聚得到高選擇性和80%以上首尾相接的聚碳酸酯,但當(dāng)降低二氧化碳?jí)毫蛘呱呔酆蠝囟鹊臅r(shí)候,催化劑將會(huì)被還原為紅色的二價(jià)co(ii),不再表現(xiàn)出催化活性。通過(guò)對(duì)一系列不同軸向配體的催化劑研究發(fā)現(xiàn),salen-co(iii)x催化體系軸向配體x的電子效應(yīng)、親核性和離去能力以及親核試劑的配位能力都顯著影響著催化效率、產(chǎn)物的區(qū)域和立體選擇性。由弱離去能力的親電子基團(tuán)作為salen催化劑的軸向配體,可以有效抑制環(huán)碳酸酯的形成,提高產(chǎn)物選擇性及對(duì)應(yīng)選擇性,與具有大空間位阻和弱離去能力的親核陰離子作為助催化劑,組成的理想催化體系催化二氧化碳和環(huán)氧丙烷共聚有優(yōu)異的催化效率,較高的對(duì)應(yīng)選擇性,首尾相接結(jié)構(gòu)大于95%,碳酸酯單元含量大于99%。
以cl和br作為salen催化劑的軸向配體,是目前研究比較廣泛的催化體系,但當(dāng)反應(yīng)溫度升高,聚合產(chǎn)物的區(qū)域和立體選擇性急劇下降,而聚合反應(yīng)是一個(gè)放熱過(guò)程,如果反應(yīng)過(guò)程中的熱效應(yīng)不能立即擴(kuò)散,局部的升溫將導(dǎo)致選擇性和聚碳酸酯鏈節(jié)的急劇下降,從而影響產(chǎn)物性能,這也是限制salen體系放大的一個(gè)主要因素。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題而提供一種以cn為軸向配體的salen催化劑及其制備方法和應(yīng)用,在salen骨架基礎(chǔ)上改變軸向配體,利用其對(duì)活性中心的電子效應(yīng)及空間位阻作用使其在聚合反應(yīng)中,有利于抑制環(huán)狀碳酸酯的生成,提高聚碳酸丙烯酯的產(chǎn)物選擇性,在高溫聚合反應(yīng)條件下,具有較高的活性和選擇性。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種以cn為軸向配體的salen催化劑,分子結(jié)構(gòu)式為:
其中,
m=cr,co,zn,ni,mn,fe或al;
r1/r2=h或(1r,2r)-trans-(ch2)4;
r3/r4=h,cl,br或t-bu。
當(dāng)r1/r2=h時(shí),該催化劑的分子結(jié)構(gòu)式為:
當(dāng)r1/r2=(1r,2r)-trans-(ch2)4時(shí),該催化劑的分子結(jié)構(gòu)式為:
所述的salen催化劑的制備方法,具體包括以下步驟:
(1)合成salenh2;
(2)將salenh2與金屬m鹽的乙醇溶液混合反應(yīng)合成salen-m;
(3)將salen-m與金屬氰化物的水溶液混合反應(yīng)合成以cn為軸向配體的salen催化劑。
步驟(1)、(2)通過(guò)本領(lǐng)域常規(guī)手段制得,其中,salenh2可通過(guò)環(huán)己二胺或乙二胺與3,5-二叔丁基水楊醛反應(yīng)得到。
采用環(huán)己二胺時(shí),需要拆分環(huán)己二胺,將環(huán)己二胺和乙酸先后加入到l-(+)酒石酸和蒸餾水的混合液中攪拌,得到(r,r)-1,2-環(huán)己二胺單-(+)酒石酸鹽;將(r,r)-1,2-環(huán)己二胺單-(+)酒石酸鹽與碳酸鉀、蒸餾水、乙醇混合溶解,加入3,5-二叔丁基水楊醛的乙醇溶液攪拌,得到salenh2;
采用乙二胺時(shí),將乙二胺的乙醇溶液滴加到3,5-二叔丁基水楊醛的乙醇溶液中,反應(yīng)溫度在60℃左右,反應(yīng)時(shí)間為4-6小時(shí),之后冷卻至室溫,放置過(guò)夜,過(guò)濾,得到salenh2。
所述的金屬m鹽選自乙酸鋅、乙酸鎳、醋酸錳、硝酸錳、硫酸亞鐵、硫酸鐵、氯化亞鐵、氯化鈷、硫氰化鈷、乙酸鈷、氯化鉻、乙酸鉻或氯化鋁。
步驟(2)在氮?dú)獗Wo(hù)下,將salenh2和二氯甲烷混合溶解,室溫下滴加金屬m鹽的乙醇溶液并攪拌,冷卻過(guò)濾、甲醇洗滌、40℃真空干燥,金屬m鹽與salenh2的摩爾比為1:0.5-2,優(yōu)選1:1.2。
步驟(3)所述的金屬氰化物選自六氰基高鈷酸鉀、六氰基高鐵酸鉀、六氰基高鈷酸鈣、四氰基鎳酸鉀、六氰基高鈷酸鋰、六氰基高鉻酸鉀、六氰基高鉻酸鈣或六氰基高鉻酸鋰。具體步驟為:將對(duì)甲基苯磺酸溶于丙酮,將salen-m溶于二氯甲烷,再將兩者混合,通入氧氣、室溫下攪拌50-70min,真空抽除有機(jī)溶劑,再用正己烷洗滌抽濾,干燥后得到固體產(chǎn)物并溶于二氯甲烷,加入到金屬氰化物飽和水溶液并震蕩,用無(wú)水na2so4除水、真空抽除二氯甲烷,再用正己烷洗滌、過(guò)濾收集沉淀,40℃真空干燥。優(yōu)選地,所述的甲基苯磺酸與丙酮的配比為1g:70-80ml,salen-m與二氯甲烷的配比為1g:30-35ml,所述的固體產(chǎn)物與二氯甲烷的配比為1g:40-60ml。
所述的salen催化劑用于催化二氧化碳和環(huán)氧化物共聚反應(yīng)制備聚碳酸酯。
所述的環(huán)氧化物與salen催化劑的摩爾比為200-10000:1,所述的salen催化劑與助催化劑的摩爾比為1:0-2,反應(yīng)時(shí)壓力為1-10mpa,反應(yīng)溫度為15-100℃。
本發(fā)明通過(guò)采用強(qiáng)吸電子能力的氰基(cn)作為軸向配體,因氰基具有強(qiáng)吸電子能力,且氰基與重金屬離子有較強(qiáng)的絡(luò)合能力,該催化劑較穩(wěn)定,不易變質(zhì)失活,降低了中心金屬的電子云密度并提高了其缺電子性,在催化二氧化碳和環(huán)氧丙烷共聚合成聚碳酸酯的反應(yīng)過(guò)程中,有利于抑制環(huán)碳酸酯的生成,在高溫聚合條件下,活性得到大大提高,并且聚合產(chǎn)物的選擇性和聚碳酸酯含量非常高,其活性可高達(dá)378.59h-1,選擇性為94%,碳酸酯單元含量為99%,數(shù)均分子量在17.7kg/mol,分子量分布為1.01,并可提高聚合物區(qū)域選擇性,使聚碳酸酯鏈中頭尾相接部分高達(dá)95%。
附圖說(shuō)明
圖1為采用本發(fā)明催化劑制備聚碳酸酯的紅外譜圖;
圖2為采用本發(fā)明催化劑制備聚碳酸酯的1hnmr核磁譜圖;
圖3為催化劑salenco(iii)cn的紅外表征圖;
圖4為催化劑salenco(iii)cn及salenh2、salenco(iii)cn的紅外表征圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1
一種salenco(iii)cn催化劑,制備時(shí),首先將環(huán)己二胺拆分,再將2mol的3,5-二叔丁基水楊醛與1mol拆分后的環(huán)己二胺合成水楊醛亞胺,再與無(wú)水醋酸鈷反應(yīng)配上金屬中心,最后將salenco(ii)氧化為三價(jià)并配上軸向配體cn,具體步驟為:
(1)環(huán)己二胺的拆分:將500ml三口燒瓶固定在油浴鍋中,在其三個(gè)開(kāi)口處分別安裝上機(jī)械攪拌器、恒壓滴液漏斗和球形回流冷凝管,連接好管路后通冷凝水,將37.5gl-(+)酒石酸和100ml蒸餾水加入燒瓶中,打開(kāi)機(jī)械攪拌器,油浴鍋設(shè)置溫度為70℃,量取66.6ml順?lè)喘h(huán)己二胺倒入恒壓滴液漏斗中,將其緩慢滴加進(jìn)上述溶液中,滴加完畢后,將油浴鍋溫度設(shè)置為90℃。再量取25ml乙酸,用恒壓滴液漏斗滴加進(jìn)三口燒瓶中,滴加結(jié)束后停止加熱,繼續(xù)攪拌2小時(shí)。最后用冰水浴將混合溶液冷卻2小時(shí)后抽濾,再用25ml冷水和甲醇反復(fù)洗滌沉淀至白色,將所得沉淀于40℃下真空干燥6小時(shí)即為(r,r)-1,2-環(huán)己二胺單-(+)酒石酸鹽。
(2)salenh2的合成:將1000ml三口燒瓶固定在油浴鍋中,在其三個(gè)開(kāi)口處分別安裝上機(jī)械攪拌器、恒壓滴液漏斗和球形回流冷凝管,連接好管路后通冷凝水,在燒瓶中加入14.58g上述步驟制備的(r,r)-1,2-環(huán)己二胺單-(+)酒石酸鹽,15.8g碳酸鉀和75ml蒸餾水,打開(kāi)機(jī)械攪拌器使之溶解,再加入300ml乙醇,將混合溶液加熱至80℃。先在燒杯中用125ml乙醇溶解26.85g3,5-二叔丁基水楊醛,通過(guò)恒壓滴液漏斗緩慢滴加入上述混合溶液中,劇烈攪拌下回流2小時(shí),關(guān)閉加熱裝置后向燒瓶中加入75ml蒸餾水,使冷卻至室溫,繼續(xù)攪拌2小時(shí)。最后用冰水浴將混合溶液冷卻1小時(shí)后抽濾。將濾餅取下放入燒杯中,加入250ml二氯甲烷將其溶解,再用蒸餾水和飽和食鹽水洗滌數(shù)次,經(jīng)無(wú)水na2so4除水后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀真空抽除二氯甲烷溶劑,用乙醇重結(jié)晶后于40℃真空干燥箱中干燥6小時(shí),得到黃色粉末即為salenh2。
(3)手性鈷配合物的合成:將100ml三口燒瓶固定于磁力攪拌器上,兩側(cè)接彎管通入氮?dú)獗Wo(hù),中間的接口安裝恒壓滴液漏斗,在燒瓶中加入3.65g上述步驟制備的salenh2和25ml精制二氯甲烷,開(kāi)啟磁力攪拌器使之溶解。將l.42g無(wú)水醋酸鈷溶于30ml甲醇中,通過(guò)恒壓滴液漏斗將其逐滴加入燒瓶中,此時(shí)會(huì)生成大量紅色固體,注意觀察攪拌器能否正常工作,滴加結(jié)束后用冰水浴將混合溶液冷卻0.5小時(shí)后氮?dú)獗Wo(hù)下壓濾,用甲醇洗滌三次,所得沉淀40℃真空干燥6小時(shí)即為salenco(ii)。
(4)salenco(iii)cn的合成:將0.4g對(duì)甲基苯磺酸溶于30ml丙酮,將1.2gsalenco(ii)溶于40ml二氯甲烷中,再將兩者混合,通入干燥的氧氣,在室溫下攪拌1小時(shí)。減壓抽除溶劑,用少量正己烷洗滌一次,過(guò)濾收集沉淀,真空干燥得到墨綠色粉末狀固體salen-co(iii)ots。將1.0g上述步驟制備的salen-co(iii)ots溶于50ml二氯甲烷,倒入梨形分液漏斗中,用100ml飽和k3[co(cn)6]水溶液震蕩洗滌3次。有機(jī)層用無(wú)水na2so4干燥后減壓濃縮,再用少量正己烷洗滌,過(guò)濾收集沉淀,進(jìn)一步真空干燥得到粉末狀固體,即為salenco(iii)cn催化劑。
催化劑特征官能團(tuán)分析使用brukervertex70紅外光譜儀進(jìn)行分析,光譜范圍400cm-1-4000cm-1,掃描分辨率4.0cm-1,掃描速度為10.0khz,樣品與背景單通道掃描時(shí)間皆為32s。催化劑salenco(iii)cn及salenh2、salenco(iii)cn的紅外表征圖如圖3、4所示,由圖中可以看出salenco(iii)cn在2129cm-1處有一強(qiáng)峰,此處是v(cn)的特征峰。由于反應(yīng)過(guò)程中加入的試劑k3[co(cn)6]2中,v(cn)的峰位置在2189cm-1,表明原料中cn的配位環(huán)境已經(jīng)發(fā)生改變,與salen配體中的金屬鈷中心絡(luò)合。此外,[c36h52n2o2co]+電噴霧質(zhì)譜(esi-ms)分析結(jié)果為:理論值,603.3;實(shí)際值,603.3。
實(shí)施例2
催化劑用于二氧化碳和環(huán)氧化物共聚反應(yīng)制備聚碳酸酯時(shí),具體步驟為:將反應(yīng)釜洗凈后抽真空,并預(yù)熱至110℃,用二氧化碳置換三次,保持真空狀態(tài),將反應(yīng)釜降溫至25℃,稱(chēng)取催化劑以及環(huán)氧丙烷,升溫至聚合溫度,通入二氧化碳至設(shè)定壓力,開(kāi)動(dòng)機(jī)械攪拌,開(kāi)始計(jì)時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后,先關(guān)閉機(jī)械攪拌,降溫至25℃,打開(kāi)泄壓閥放出未反應(yīng)的二氧化碳,打開(kāi)反應(yīng)釜后快速取出用于進(jìn)行1hnmr和gpc分析測(cè)試的反應(yīng)產(chǎn)物,制樣測(cè)試。將剩余聚合產(chǎn)物取出裝入小燒杯中,加入少量的ch2cl2,攪拌使之溶解,再緩慢倒入裝有4倍體積甲醇的燒杯中,將有白色聚合產(chǎn)物析出,再將產(chǎn)物溶解,多次洗滌后得到純凈的目標(biāo)產(chǎn)物,即為聚碳酸酯。
本實(shí)施例中,反應(yīng)釜中加入0.4molsalen-co(iii)cn和14ml環(huán)氧丙烷,設(shè)定反應(yīng)溫度為75℃,通入5.0mpa的二氧化碳,開(kāi)動(dòng)機(jī)械攪拌,反應(yīng)4小時(shí),聚合結(jié)果:tof=54.89h-1,選擇性=97%,mn=12.2kg/mol,pdi=1.04。
實(shí)施例3
本實(shí)施例中反應(yīng)釜加入0.1molsalen-co(iii)cn和0.1mol助催化劑ppncl,14ml環(huán)氧丙烷,設(shè)定反應(yīng)溫度為50℃,通入2.0mpa的二氧化碳,開(kāi)動(dòng)機(jī)械攪拌,反應(yīng)2小時(shí)。聚合結(jié)果:tof=378.59h-1,選擇性=94%,mn=27.7kg/mol,pdi=1.01。
實(shí)施例4
采用與實(shí)施例1相同的方法,金屬氰化物采用六氰基高鐵酸鉀,金屬m鹽采用乙酸鋅,金屬m鹽與salenh2的摩爾比為1:0.5,制備salen-zn(ii)cn催化劑,并用于催化二氧化碳和環(huán)氧化物共聚反應(yīng)制備聚碳酸酯,反應(yīng)釜清洗干燥后,加入0.1molsalen-zn(ii)cn和0.1mol助催化劑ppncl,14ml環(huán)氧丙烷,設(shè)定反應(yīng)溫度為50℃,通入2.0mpa的二氧化碳,開(kāi)動(dòng)機(jī)械攪拌,反應(yīng)2小時(shí)。聚合結(jié)果:tof=132.71h-1,選擇性=95%,mn=13.22kg/mol,pdi=1.06。
實(shí)施例5
采用與實(shí)施例1相同的方法,金屬氰化物采用六氰基高鐵酸鉀,金屬m鹽采用氯化鋁,金屬m鹽與salenh2的摩爾比為1:1.2,制備salen-al(iii)cn催化劑,反應(yīng)釜清洗干燥后,加入0.1molsalen-al(iii)cn和0.1mol助催化劑ppncl,14ml環(huán)氧丙烷,設(shè)定反應(yīng)溫度為50℃,通入2.0mpa的二氧化碳,開(kāi)動(dòng)機(jī)械攪拌,反應(yīng)2小時(shí),聚合結(jié)果:tof=164.52h-1,選擇性=93%,mn=16.3kg/mol,pdi=1.05。
對(duì)比例1
步驟大部分與實(shí)施例1相同,將1.0gsalen-co(iii)ots的固體粉末溶于50ml二氯甲烷,倒入梨形分液漏斗中,用100ml飽和nacl水溶液震蕩洗滌3次。有機(jī)層用無(wú)水na2so4干燥后減壓濃縮,再用少量正己烷洗滌,過(guò)濾收集沉淀,進(jìn)一步真空干燥得到粉末狀固體,即為salen-co(iii)cl催化劑。將salen-co(iii)cl催化劑用于二氧化碳和環(huán)氧化物共聚反應(yīng)制備聚碳酸酯,反應(yīng)釜清洗干燥后,加入0.4molsalen-co(iii)cl和14ml環(huán)氧丙烷,設(shè)定反應(yīng)溫度為25℃,通入5.0mpa的二氧化碳,開(kāi)動(dòng)機(jī)械攪拌,反應(yīng)4小時(shí)。聚合結(jié)果:tof=23.52h-1,選擇性=94%,mn=10.4kg/mol,pdi=1.41。
對(duì)比例2
步驟大部分與實(shí)施例1相同,將1.0gsalen-co(iii)ots的固體粉末溶于50ml二氯甲烷,倒入梨形分液漏斗中,用100ml飽和nabr水溶液震蕩洗滌3次。有機(jī)層用無(wú)水na2so4干燥后減壓濃縮,再用少量正己烷洗滌,過(guò)濾收集沉淀,進(jìn)一步真空干燥得到粉末狀固體,即為salen-co(iii)br催化劑,用于二氧化碳和環(huán)氧化物共聚反應(yīng)制備聚碳酸酯,反應(yīng)釜清洗干燥后,加入0.1molsalen-co(iii)br和0.1mol助催化劑ppncl,14ml環(huán)氧丙烷,設(shè)定反應(yīng)溫度為50℃,通入2.0mpa的二氧化碳,開(kāi)動(dòng)機(jī)械攪拌,反應(yīng)2小時(shí)。聚合結(jié)果:tof=348.92h-1,選擇性=42%,mn=12.7kg/mol,pdi=1.37。
聚碳酸酯的紅外譜圖以及1hnmr核磁譜圖參照?qǐng)D1、2,從圖中可知,1235cm-1和1747cm-1兩處最強(qiáng)的吸收峰,是聚合產(chǎn)物中碳酸酯單元的c-o和c=o鍵的特征峰;1090cm-1處有一很弱的吸收峰,是聚合產(chǎn)物中醚鏈節(jié)c-o鍵,說(shuō)明其含量極少,證明salenco(iii)cn催化二氧化碳和環(huán)氧丙烷聚合得到的產(chǎn)物為完美交替的聚合產(chǎn)物,選擇性高。對(duì)比例與實(shí)施例相比,表明采用本發(fā)明催化劑,在較高反應(yīng)溫度時(shí),依然具備較高的活性和選擇性。