环戊二烯及其衍生物修饰SBA-15的制备、表征及催化性能研究报告

1、.环戊二烯及其衍生物修饰SBA-15的制备、表征及催化性能研究【摘要】：有序介孔材料在催化、光学、色谱、传感、生物等领域的潜在应用及重要的科学价值,使其成为当今材料研究热点之一。然而,在实际应用中通常需要在介孔中引入官能团。有机基团修饰的有序介孔材料将有机和无机基元的特性结合在单一的材料中,既显示出无机物质的热稳定和机械强度,又显示出有机化合物功能团的多样性。迄今为止,已有许多有机官能团通过嫁接、共聚、生成周期性介孔氧化硅或其它方法引入到介孔中。环戊二烯是一类重要的有机化合物,它不仅可以作为双烯体与亲双烯体发生Diels-Alder反应,而且可作为配体与金属离子生成具有催化烯烃聚合活性的金属茂

2、。因而,将环戊二烯引入介孔材料具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文将环戊二烯引入到SBA-15制备出环戊二烯修饰的SBA-15(SBA-15-Cp),接着利用环戊二烯反应活性将SBA-15-Cp衍生化,最后将衍生后材料用于催化反应中。本论文主要分为三大部分：第一部分为前驱体2-(1,3-环戊二烯基)乙基三乙氧基硅烷(TEECp)和SBA-15-Cp的合成；第二部分通过SBA-15-Cp上环戊二烯的Diels-Alder反应制备邻二羧酸和间隔胺基官能化SBA-15(分别标记为SBA-15-(COOH)2和SBA-15-NH2),并在SBA-15-(COOH)2及SBA-15-NH2的基础上

3、通过原位反应制备三价钻络合物及Mn/席夫碱修饰SBA-15(分别标记为SBA-15-Co()和SBA-15-Mn(SB);第三部分将SBA-15-Co()用于催化环己烯的环氧化反应,SBA-15-NH2用于催化丙二腈与苯甲醛的Knoevenagel聚合反应。第一部分对应于论文的第二章和第三章。第二章详细介绍了TEECp合成的详细步骤和表征方法。在无水无氧条件下,首先乙烯基三氯硅烷(CH2CHSiCl3)与干燥HBr气体在过氧苯甲酰存在下经反马氏加成合成出(2-溴乙基)三氯硅烷(BrCH2CH2SiCl3),接着BrCH2CH2SiCl3与乙醇反应制备出(2-溴乙基)三乙氧基硅烷BrCH2CH2

4、Si(OEt)3,最后BrCH2CH2Si(OEt)3与新制备的环戊二烯基钠(Cp+Na-)反应合成最终产物2-(1,3-环戊二烯基)乙基三乙氧基硅烷,总产率约为35%。NMR及FT-IR表征结果证实,产物为2-(1,3-环戊二烯基)乙基三乙氧基硅烷。第三章详细介绍不同含量的环戊二烯官能化SBA-15SBA-15-Cp(n)的合成,n为初始原料中TEECp的摩尔百分数。以P123为模板剂、通过正硅酸乙酯(TEOS)及TEECp的预水解制备SBA-15-Cp(n)。材料经FT-IR、XRD、TEM、氮物理吸附等表征,结果显示,环戊二烯引入到SBA-15中,且大部分材料具有二维六方结构,随着环戊二

5、烯含量的增加,SBA-15-Cp的有序性逐渐降低,当环戊二烯含量达到25%时,SBA-15-Cp变为无序。第二部分为本论文的核心部分,包括论文的第四章和第七章的全部内容以及第五、六章的催化剂制备部分。第四章将环戊二烯与顺丁烯二酸酐的Diels-Alder反应应用于制备SBA-15-(COOH)2,这是首次将Diels-Alder反应运用介孔材料官能化中。FT-IR、XRD、TEM、氮物理吸附等表征结果显示,羧基成功引入到SBA-15中,SBA-15-(COOH)2具有高有序的二维六方结构,其孔径、比表面及孔容较SBA-15-Cp变小；酸碱滴定结果表明SBA-15-(COOH)2的酸量为0.56

6、mmol/g,pKa为4.84。第五章中通过环戊二烯与富马二腈间的Diels-Alder反应及用NaBH4/I2体系还原腈基制备出SBA-15-NH2,是一种合成间隔胺基修饰的介孔材料的新方法。FT-IR、TEM、氮物理吸附、XRD、热重分析等表征结果显示,胺基经上述反应后引入到SBA-15中,尽管SBA-15-NH2的孔径、比表面及孔容较SBA-15-Cp变小,但是仍较好的保持了SBA-15-Cp的二维六方孔结构。热重分析结果显示SBA-15-NH2中氨基的含量约为0.95mmol/g,接近文献报道的孤立胺基官能化材料的最高值。第六章在SBA-15-(COOH)2的基础上原位合成了SBA-1

7、5-Co()。元素分析、XPS、FT-IR、TEM、氮物理吸附、XRD结果显示Co()成功引入材料中,含量为0.144mmol/g,SBA-15-Co()较好的保持了SBA-15-(COOH)2的二维六方孔结构。第七章通过SBA-15-NH2与水杨醛反应形成席夫碱修饰的SBA-15(SBA-15-SB),后SBA-15-SB与乙酸锰反应制备出SBA-15-Mn(SB)。FT-IR结果证实通过以上两步反应,Mn/席夫碱配合物引入到SBA-15中；XRD和TEM表征结果显示SBA-15-Mn(SB)较好的保持了SBA-15-NH2的二维六方孔结构。第三部分对应于论文第五章和第六章的催化反应部分。第

8、五章以丙二腈与苯甲醛的Knoevenagel聚合反应为探针反应,考查了SBA-15-Cp、SBA-15-和SBA-15-NH2的催化性能,结果显示SBA-15-NH2的催化活性远远大于前两者,从另一方面说明经过Diels-Alder反应及还原反应后胺基引入SBA-15中。第六章以环己烯环氧化为探针反应,考查了三价钴络合物()Co4(-O)4(-O2CH2CH3)4(py)4和SBA-15-Co()的催化性能,结果显示SBA-15-Co()的催化活性和环氧环己烷选择性略高于三价钴络合物()；随着氧气流速的增加,SBA-15-Co()的活性和环氧环己烷选择性降低较快；经过6次循环后,SBA-15-

9、Co()仍保持了较高的活性和环氧环己烷选择性。【关键词】：介孔SBA-15官能化环戊二烯Diels-Alder反应【学位授予单位】：XX大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：O624.12【目录】：中文摘要12-15ABSTRACT15-19第一章前言19-531.1介孔材料概述19-261.1.1有序介孔材料的发展19-201.1.2介孔材料的合成20-221.1.3介观结构22-261.2介孔材料官能化26-371.2.1嫁接法(GraftingorPost-syntheticModification)27-281.2.2共聚法或直接法(Co-condensation

10、/Directsynthesis)28-291.2.3周期性介孔氧化硅(PMOs)29-321.2.4表面合成(On-surfacesynthesis)32-331.2.5官能团束缚于介孔内(Confiningfunctionsinmesopores)33-371.2.5.1官能结构的包合(Inclusionoffunctionalstructure)33-351.2.5.2官能化模板法(FunctionalTemplate)35-361.2.5.3蜥蜴模板法(LizardTemplate)36-371.3展望37-381.4课题的选择及主要研究内容38-39参考文献39-53第二章实验部分5

11、3-592.1实验用试剂53-562.1.1实验用试剂53-542.1.2试剂纯化542.1.32-(1,3-环戊二烯基)乙基三乙氧基硅烷(TEECp)的制备54-562.2表征方法56-572.2.1X-射线粉末衍射(XRD)562.2.2比表面及孔径分布分析562.2.3透射电镜(TEM)562.2.4核磁共振(NMR)562.2.5元素分析(ICP-AES)562.2.6傅立叶变换红外光谱分析(FT-IR)562.2.7热重分析(TG)56-572.2.8酸量及pKa测定572.2.9气相色谱分析(GC)572.2.10X射线光电子能谱(XPS)572.32-(1,3-环戊二烯基)乙基三

12、乙氧基硅烷表征57-592.3.12-(1,3-环戊二烯基)乙基三乙氧基硅烷的1HNMR表征57-582.3.22-(1,3-环戊二烯基)乙基三乙氧基硅烷的FT-IR表征58-59第三章环戊二烯修饰SBA-15的合成及表征59-653.1引言593.2实验部分59-603.3结果及讨论60-633.3.1XRD60-613.3.2氮物理吸附61-623.3.3透射电镜(TEM)623.3.4FT-IR62-633.4小结63参考文献63-65第四章邻二羧酸官能化SBA-15的合成与表征65-774.1引言65-664.2实验部分664.3结果与讨论66-714.3.1FT-IR66-674.3

13、.2XRD674.3.3氮物理吸附67-694.3.4TEM694.3.5热重分析69-714.3.6pH滴定714.4小结71-72参考文献72-77第五章间隔胺官能化SBA-15:合成、表征及催化Knoevenagel缩合反应77-875.1引言775.2实验部分77-785.2.1间隔胺基修饰的SBA-15(SBA-15-NH_2)的合成77-785.2.2催化苯甲醛与丙二腈Knoevenagel缩合785.3结果与讨论78-835.3.1FT-IR78-795.3.2XRD79-805.3.3氮物理吸附80-815.3.4TEM815.3.5热重分析81-825.3.6催化Knoeve

14、nagel缩合反应82-835.4小结83参考文献83-87第六章Co()官能化SBA-15的制备、表征及其催化环己烯环氧化87-976.1前言876.2实验部分87-896.2.1SBA-15-Co()的制备87-886.2.2Co()络合物Co_4(-O)_4(-O_2CH_2CH_3)_4(py)_4()的制备886.2.3催化剂的评价88-896.3结果与讨论89-956.3.1XRD结果896.3.2N_2物理吸附-脱附结果89-916.3.3TEM结果916.3.4FT-IR结果91-926.3.5XPS结果926.3.6负载催化剂和非负载催化剂的比较92-936.3.7O_2流速的影响93-946.3.8催化剂稳定性94-956