米氏酮类光催化体系催化二氧化碳化学转化研究

作     者：聂亨 

作者单位：中南民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨海健

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：二氧化碳化学转化 光催化 米氏酮 二苯甲酮类衍生物 环状碳酸酯 噁唑烷酮 选择性 

摘      要：二氧化碳(CO)不仅是诱发“温室效应的元凶之一,更是一种来源丰富,廉价易得的C1资源,可以用来生产高附加值的工业产品。本文主要研究在紫外光和有机光催化剂存在的较温和条件情况下,通过构筑C-N、C-O键来实现CO的化学转化。1、采用廉价易得的米氏酮作为有机光催化剂,四丁基溴化铵(TBAB)作为助催化剂,在光源波长为365 nm时,实现了在常温常压且无溶剂的情况下,高效催化环氧化合物与CO的环加成反应,以高选择性(99%)生成相应的环状碳酸酯(构筑C-O键)。以环氧氯丙烷和CO为模板反应,探究反应参数对催化剂催化活性的影响,得到最佳反应条件为:环氧化物2.5 m L,LED灯瓦数80 W,催化剂用量(1 mol%),助催化剂用量(3 mol%),反应温度25°C,反应时间48 h。在该条件下,可以高效催化二氧化碳与多种环氧化合物底物(包括难完全反应的双环缩水甘油醚类环氧化合物)的耦合反应,表明该光催化体系具有较好的底物适用性。最后根据实验结果并参照相关文献,提出了一个可能的催化机理。2、该催化体系除了可以催化环氧化合物与二氧化碳的耦合反应,也可以催化结构与其类似的氮丙啶底物与二氧化碳的反应,得到噁唑烷酮类化合物。实现了在无溶剂、常温常压条件下,光催化CO与氮丙啶反应生成噁唑烷酮,实现C-N键的构筑。参考相关文献,合成了十种氮杂环丙烷类底物,通过一系列分析手法来确认合成物质的结构。以1-丙基-2-苯基氮丙啶和CO为模板反应,探究出了最佳反应条件为:底物2.5 m L,催化剂用量1 mol%,助催化剂用量为3 mol%,反应温度25℃,光催化时间48 h。在此条件下,该光催化体系能够高产率、高选择性的催化二氧化碳化学转化,生成相应地噁唑烷酮(构筑C-N键),主要得到5-取代产物。在最佳反应条件下,该光催化体系展现出良好的底物适用性,能有效催化十种氮丙啶底物与CO反应,高选择性(99%)的得到5-取代产物。根据实验结果并参照相关文献,提出了一个可能发生的机理。3、设计合成了同时具有米氏酮和TBAB优点的大分子二苯甲酮类衍生物,并且易于回收。在常温常压且无助催化剂的情况下,可以实现紫外光光催化环氧化合物和CO的耦合反应。以环氧氯丙烷与CO为模板反应,探究出最佳反应条件为:底物环氧氯丙烷2.5 m L,催化剂用量(1 mol%),时间(48 h)。在此条件下,对于多种环氧化合物,该催化体系均可进行有效,高选择性的催化,底物适用性良好。4、利用该催化剂光催化氮丙啶和CO的方法也是可行的。在温和条件和无需助催化剂的情况下,实现了高效,高区域选择性地生成5-取代的噁唑烷酮。以1-丙基-2-苯基氮丙啶与CO为模板反应,探究最佳反应条件为:底物2.5 m L,催化剂用量1 mol%,反应温度25℃,反应时间36 h。在该反应条件下,实现了高效催化十种氮丙啶底物与二氧化碳的耦合反应。