不同模板剂含量MCM-49分子筛的CTAB修饰及在苯甲醚酰基化反应中的应用

芳香族化合物的Friedel-Crafts酰基化反应是制备芳香酮的一类重要反应,传统的Lewis酸(如AlCl3)和质子酸(如H2SO4)催化剂易制备,价格便宜,但存在对环境污染严重、与产物难分离等问题.因此,近年来研究者一直致力于环境友好催化剂的研发,其中分子筛因选择性好、与产物易分离、可再生和无污染等优点而日益受到人们的重视,尤其是MWW分子筛,由于具有较多的外表面酸性位,而在酰基化反应中表现出良好的抗积碳性能.本课题组曾讨论了对一系列不同模板剂(六亚甲基亚胺, HMI)含量的MCM-49分子筛进行NaOH与十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)共处理的情况,而本文重点考察的是只用CTAB处理不同HMI含量的MCM-49分子筛时,其结构与酸性会如何变化,改性前后样品的结构与酸性借助XRD, N2吸脱附等温线测试,29Si与27Al MAS NMR, NH3-TPD, Py-IR与漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)等技术进行表征.另外,将一系列样品用于催化苯甲醚(AN)与乙酸酐(AA)的酰基化反应,考察CTAB处理对MCM-49分子筛催化性能的影响.将含模板剂HMI的MCM-49分子筛原粉在不同温度(250,350,450或550°C)下焙烧,得到一系列不同孔道系统内保留HMI的样品,随后采用CTAB溶液(0.27 mol/L)对其在70°C下进行后处理1 h.结构表征的结果表明,在脱除模板剂HMI及CTAB处理的过程中,分子筛骨架结构基本未被破坏,同时, CTAB处理不能向分子筛中引入任何形式的介孔,无论是晶内介孔还是晶间介孔.在CTAB处理时,可以清除分子筛中部分无定形物种,尤其是无定形Al物种,同时也可能发生部分非骨架Al原子重新进入分子筛骨架的情况,造成骨架铝的比例相对提高.根据29Si与27Al MAS NMR结果可以推断,进入分子筛骨架的Al原子可能会取代T3位置上的Si原子,亦或直接进入T2或T3位置缺陷位.酸性表征的结果表明, CTAB修饰后样品Br?nsted酸量比HMCM-49明显提高,并随HMI含量的逐渐降低呈现先增加后降低的趋势,而Lewis酸量则相对于HMCM-49有所降低.将一系列CTAB修饰前后的MCM-49样品用于催化AN与AA的酰基化反应,反应条件为：压力1.0 MPa、温度110°C、总质量空速WHSV(AN+AA)为10.2 h?1及原料中AN与AA的摩尔比为5：1.反应数据表明,相对于HMCM-49样品, CTAB修饰后样品对应的AA转化率显著提高(初始转化率由51.4%最高增加至85.0%),并随CTAB处理过程中HMI含量的逐渐降低呈现先增加后降低的趋势,而产物选择性则基本没有变化.各样品的AA初始转化率与其Br?nsted酸量基本呈现正向关联.通过间二甲苯歧化反应预积碳堵塞超笼及碱性探针分子2,4-二甲基喹啉吸附覆盖表面半超笼的方法,研究CTAB修饰前后各样品的不同孔道系统对酰基化反应的催化贡献.结果表明,酰基化反应主要发生在MCM-49分子筛的表面半超笼,其次为超笼,正弦孔道的贡献很小.另外, CTAB修饰后样品催化活性的提高主要来自于不含HMI的孔道系统的贡献,进一步验证在CTAB处理过程中,改性作用主要发生在MCM-49分子筛中不含HMI的区域.结合表征和反应评价结果,提高酰基化反应活性需尽可能提高催化剂的Br?nsted酸量,这是分子筛催化剂今后改进的一个主要方向.     

不同模板剂含量MCM-49分子筛的CTAB修饰及在苯甲醚酰基化反应中的应用（英文）

芳香族化合物的Friedel-Crafts酰基化反应是制备芳香酮的一类重要反应,传统的Lewis酸(如Al Cl3)和质子酸(如H2SO4)催化剂易制备,价格便宜,但存在对环境污染严重、与产物难分离等问题.因此,近年来研究者一直致力于环境友好催化剂的研发,其中分子筛因选择性好、与产物易分离、可再生和无污染等优点而日益受到人们的重视,尤其是MWW分子筛,由于具有较多的外表面酸性位,而在酰基化反应中表现出良好的抗积碳性能.本课题组曾讨论了对一系列不同模板剂(六亚甲基亚胺,HMI)含量的MCM-49分子筛进行NaO H与十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)共处理的情况,而本文重点考察的是只用CTAB处理不同HMI含量的MCM-49分子筛时,其结构与酸性会如何变化,改性前后样品的结构与酸性借助XRD,N2吸脱附等温线测试,29Si与27Al MAS NMR,NH3-TPD,Py-IR与漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)等技术进行表征.另外,将一系列样品用于催化苯甲醚(AN)与乙酸酐(AA)的酰基化反应,考察CTAB处理对MCM-49分子筛催化性能的影响.将含模板剂HMI的MCM-49分子筛原粉在不同温度(250,350,450或550°C)下焙烧,得到一系列不同孔道系统内保留HMI的样品,随后采用CTAB溶液(0.27 mol/L)对其在70°C下进行后处理1 h.结构表征的结果表明,在脱除模板剂HMI及CTAB处理的过程中,分子筛骨架结构基本未被破坏,同时,CTAB处理不能向分子筛中引入任何形式的介孔,无论是晶内介孔还是晶间介孔.在CTAB处理时,可以清除分子筛中部分无定形物种,尤其是无定形Al物种,同时也可能发生部分非骨架Al原子重新进入分子筛骨架的情况,造成骨架铝的比例相对提高.根据29Si与27Al MAS NMR结果可以推断,进入分子筛骨架的Al原子可能会取代T3位置上的Si原子,亦或直接进入T2或T3位置缺陷位.酸性表征的结果表明,CTAB修饰后样品Br?nsted酸量比HMCM-49明显提高,并随HMI含量的逐渐降低呈现先增加后降低的趋势,而Lewis酸量则相对于HMCM-49有所降低.将一系列CTAB修饰前后的MCM-49样品用于催化AN与AA的酰基化反应,反应条件为:压力1.0 MPa、温度110°C、总质量空速WHSV(AN+AA)为10.2 h-1及原料中AN与AA的摩尔比为5:1.反应数据表明,相对于HMCM-49样品,CTAB修饰后样品对应的AA转化率显著提高(初始转化率由51.4%最高增加至85.0%),并随CTAB处理过程中HMI含量的逐渐降低呈现先增加后降低的趋势,而产物选择性则基本没有变化.各样品的AA初始转化率与其Br?nsted酸量基本呈现正向关联.通过间二甲苯歧化反应预积碳堵塞超笼及碱性探针分子2,4-二甲基喹啉吸附覆盖表面半超笼的方法,研究CTAB修饰前后各样品的不同孔道系统对酰基化反应的催化贡献.结果表明,酰基化反应主要发生在MCM-49分子筛的表面半超笼,其次为超笼,正弦孔道的贡献很小.另外,CTAB修饰后样品催化活性的提高主要来自于不含HMI的孔道系统的贡献,进一步验证在CTAB处理过程中,改性作用主要发生在MCM-49分子筛中不含HMI的区域.结合表征和反应评价结果,提高酰基化反应活性需尽可能提高催化剂的Br?nsted酸量,这是分子筛催化剂今后改进的一个主要方向.     

微介孔复合分子筛合成及其在汽车冷启动尾气控制中的应用

分别采用稀溶液和浓溶液双模板剂两步水热合成法,以二氧化硅微硅粉和铝酸钠为硅源和铝源,第一步获得β分子筛晶种,第二步以β分子筛晶种为结构单元组装形成兼具MCM-41分子筛和β分子筛结构特点的复合型分子筛β/M(其中β是指β分子筛,M是指MCM-41介孔分子筛).采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、氮气吸附(BET)和高分辨透射电镜(HRTEM)对样品的物相结构和微观形貌进行了表征,并对复合分子筛的合成过程进行了分析.结果表明:复合分子筛β/M的形成是微孔β结构和介孔MCM-41结构的竞争生长过程,β分子筛晶种的晶化时间和晶粒度大小对β/M复合分子筛的结构有重要影响.此外,我们以甲苯为探针分子,比较研究了三类分子筛β/M、MCM-41和β的原样以及经高温水热处理后样品的吸附性能,结果表明:β/M复合分子筛的热稳定性优于介孔分子筛MCM-41,其甲苯吸附容量比MCM-41和β分子筛的高,其中以浓溶液法合成的复合分子筛吸附容量最高.     

介孔分子筛MCM-41负载磷钨酸催化合成香兰素1,2-丙二醇缩醛

以香兰素和1,2-丙二醇为原料,以介孔分子筛MCM-41负载磷钨酸为催化剂,环己烷为带水剂,合成了香兰素1,2-丙二醇缩醛.考察了醛醇物质的量比、反应时间、带水剂用量、催化剂用量及负载量对产率的影响.实验表明,介孔分子筛MCM-41负载磷钨酸是合成香兰素1,2-丙二醇缩醛的理想催化剂,较优反应条件为:n(香兰素)∶n(1,2-丙二醇)=1∶2.4,负载量为50%,催化剂用量为反应物总质量的2.0%,带水剂环己烷15mL,回流反应2.0h,香兰素1,2-丙二醇缩醛的收率达92%以上.     

HAIMCM-41介孔分子筛催化1，3-苯并二嗯茂烷合成的研究

研究了HAlMCM-41分子筛催化邻苯二酚与环己酮、丁酮、丙酮、丙醛、丁醛、异丁醛、戊醛、正己醛、正辛醛、苯甲醛、二苯甲酮等十余种醛(酮)的缩合反应.考察了反应时间、酚与醛(酮)的配比、HA1MCM-41分子筛用量、硅铝比、催化剂重用次数等因素对邻苯二酚与醛(酮)反应的影响.结果表明,当邻苯二酚与醛(酮)物质的量比为1:1.4,催化剂用量为3.5g/mol邻苯二酚,反应4h,分子筛n(SiO_2)/n(Al_2O_3)为15时,选择性一般在99.4%以上,转化率也一般在85.6%以上,因此,HAlMCM-41分子筛对邻苯二酚与醛(酮)的反应有较好的催化性能.     

基于MCM-41模板制备β-MnO_2纳米纤维及其催化降解亚甲基蓝染料

以介孔氧化硅材料MCM-41为模板,硝酸锰为锰源,通过浸渍、450℃焙烧4 h得到Mn-MCM-41,用NaOH溶液溶解除去氧化硅模板得到锰氧化物,采用XRD,HRTEM和N2吸附-脱附等测试技术对产物进行了表征.结果表明,所得产物是纯相的β-MnO2纳米纤维,直径小于3 nm.纳米纤维之间有序排列组成类似MCM-41模板的介孔结构,其比表面积达到136.5 m2/g.将所制备的β-MnO2纳米纤维用于催化过氧化氢氧化分解质量浓度为60 mg/L的亚甲基蓝(MB)模拟染料废水,经100 min反应后,亚甲基蓝水溶液脱色率达到97.59%.所制备的催化剂对降解处理高浓度亚甲基蓝溶液,具有降解脱色率高和反应速度快等优点.     

MCM-41负载钨磷杂多酸催化剂的性能研究

制备并表征MCM-41负载H~3PW~1~2O~4~0(PW)催化剂.PW杂多酸在MCM-41上负载量高达70%(质量分数)时,XRD中仍未检测到其晶相峰.PW杂多酸与MCM-41载体的相互作用要比与SiO~2载体的强.PW杂多酸中的质子位是非常强的酸中心,它们对NH~3的微分吸附热在160-180kJ/mol的范围.与PW杂多酸相比,PW/MCM-41催化剂的酸中心强度变弱并且分布不均匀,其酸量和酸中心分布可以通过改变PW杂多酸的负载量来调节.PW/MCM-41是一类适合于中强酸和弱酸催化反应的新型固体酸催化剂。     

Hβ分子筛催化剂的制备及其在合成2-乙基蒽醌中的应用

制备了系列Hβ分子筛催化剂Cat T(T为焙烧温度)和系列负载型催化剂CatR550[R=H2SO4(a),(NH4)2S2O8(b)和(NH4)2SO4(c)]。以邻苯二甲酸酐(2)和乙苯(3)经Friedel-Crafts酰基化反应合成2-乙基葸醌(1)为探针反应,考察了T和R对其催化活性的影响。结果表明:最佳焙烧温度为550℃;最佳R为c。以Cat550为催化剂对合成1的反应条件进行了优化,考察了反应温度,反应时间,Cat550用量及r[n(2)∶n(3)]对酰化反应的影响。在最佳反应条件[2 40 mmol,n(2)∶n(3)=1∶25,Cat550用量2.0 g,于250℃反应5 h]下,2的转化率为30.6%,1的选择性为33.8%,1的收率为10.3%。以Catc550为催化剂,在c(c)为1.75 mol·L-1时,在相同的最佳反应条件下,2的转化率为39.0%,1的选择性为43.4%,1的收率为16.9%。     

MCM-41负载ZrCl_4催化喹啉衍生物的合成

喹啉衍生物在生物、医药及精细化学品中有重要的应用。本文以MCM-41负载ZrCl4(ZrCl4/MCM-41)为价廉、无毒及可循环使用的催化剂,以芳香胺和正丁醛为原料,采用"一锅法"合成了一系列2,3-二取代喹啉衍生物,当反应条件为n(苯胺)∶n(正丁醛)=1∶3、40℃下反应5h时,3-乙基-2-丙基喹啉的收率为71%,同时生成N-丁基苯胺的收率为10%。复合催化剂ZrCl4/MCM-41至少可以重复使用3次。     

模板剂对全硅MCM-41介孔分子筛结构的影响

分别采用十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基三乙基溴化铵作为模板剂,硅溶胶为硅源,用水热晶化法在碱性（NaOH）介质中合成了MCM-41介孔分子筛样品.通过XRD、N2吸附-脱附、TG-DTA、IR等测试手段对这两种样品进行了对比表征分析.考察了两种不同模板剂对其晶体结构、比表面及孔径大小的影响.实验结果表明,相对于十六烷基三甲基溴化铵做模板剂,采用大头基的十六烷基三乙基溴化铵可以合成较大孔径和孔容（分别为4.72 nm和1.14 cm3•g-1）的MCM-41介孔分子筛,而且具有较窄的孔径分布,因此对于合成大孔径的介孔分子筛MCM-41,十六烷基三乙基溴化铵是一种很好的模板剂.     

ZSM-5/MCM-41复合分子筛的合成与表征

以碱处理的ZSM-5浆液为硅铝源,通过水热自组装过程合成了介孔-微孔复合孔道结构的分子筛,并采用XRD、BET、HRTEM、Py-IR和水热处理等手段对合成分子筛进行了表征。结果表明,碱处理ZSM-5时的苛刻程度是影响复合分子筛合成的重要因素,适宜的碱处理条件为NaOH浓度1 mol/L、80℃时处理1 h。表征结果表明,复合分子筛具有规整互通的微孔-介孔梯级复合孔道结构,孔容、比表面积和平均孔径分别为0.63 mL/g,684 m²/g和3.76 nm,属典型的MCM-41结构;与MCM-41相比,复合分子筛的B酸(尤其是强B酸)酸量明显增强,水热稳定性显著提高。     

负载型中孔分子筛上苯与长链烯烃烷基化反应

在合成纯硅及含铝MCM-41中孔分子筛基础上,制备负载PW12、SiW12及PMo12杂多酸的催化剂。用XRD、N2吸附和苯与1-十二烯烷基化反应对几种催化剂进行表征。结果表明,与HY、HM和Hβ分子筛相比,HAlMCM-41和HSiMCM-41中孔分子筛具有较好的线性烷基苯选择性,其苯基十二烷异构体分布优于HY而不及HM和Hβ分子筛;负载型中孔分子筛催化剂具有杂多酸分散性好、比表面积大和孔径分布集中的性质,与载体相比其催化活性明显提高;关于催化活性,负载型催化剂载体或负载杂多酸种类比较结果为HAlMCM-41>HSiMCM-41、PW12>SiW12>PMo12,其中SiW12HAlMCM-41催化剂的苯基十二烷选择性和异构体分布为最佳。     

MCM-41负载ZrCl4催化喹啉衍生物的合成研究

喹啉衍生物在生物、医药及精细化学品中有重要的应用。本文以MCM-41负载ZrCl4(ZrCl4/MCM-41)为价廉、无毒及可循环使用的催化剂,以芳香胺和正丁醛为原料,采用"一锅法"合成了一系列2,3-二取代喹啉衍生物,当反应条件为n(苯胺)∶n(正丁醛)=1∶3、40℃下反应5h时,3-乙基-2-丙基喹啉的收率为71%,同时生成N-丁基苯胺的收率为10%。复合催化剂ZrCl4/MCM-41至少可以重复使用3次。     

CMC和CTAB双模板法合成具有稳定结构的MCM-41中孔分子筛

以羧甲基纤维素和十六烷基三甲基溴化铵为双模板,制备出了具有更高稳定性并且具有高度有序二维六方结构的MCM-41介孔分子筛.透射电镜和X射线衍射结果表明,以双模板制备的MCM-41介孔分子筛具有高度有序的二维六方(p6mm)孔道结构.此外,以双模板制备的MCM-41介孔分子筛焙烧前后的X射线衍射结果表明,在焙烧过程中其晶胞收缩比例为3.1%.与以纯表面活性剂为模版制备的MCM-41介孔分子筛(晶胞收缩比例为9.7%)相比,双模板制备的MCM-41介孔分子筛具有更高的稳定性能. MCM-41介孔分子筛稳定性能的提高可能是由于在硅物种、表面活性剂以及羧甲基纤维素在自组装过程中,羧甲基纤维素表面丰富的羟基与硅物种Si-(OH)x的相互作用促进了Si-(OH)x的缩聚.     

HMCM-56分子筛负载磷钨酸催化苯酚与异丙醇烷基化反应

采用浸渍法制得了负载量不同的PW/MCM-56分子筛催化剂,并用X射线衍射(XRD)、NH_3化学吸附表征了催化剂的结构,在自制反应装置上完成苯酚与异丙醇烷基化反应,以此评价负载磷钨酸的MCM-56分子筛的催化活性。表征结果显示,磷钨酸能很好地分散在HMCM-56分子筛的表面,强酸中心酸强度有所增加,过高的负载量降低酸量及酸强度。实验结果表明,PW/MCM-56分子筛催化剂活性随着负载量的增加有所提高,负载量为10%的PW/MCM-56分子筛催化剂上,在温度220℃,异丙醇与苯酚进料配比0.8,空速为3.0 h~(-1)的条件下,苯酚转化率最高,对、邻异丙基苯酚总选择性接近80%。     

MCM-41分子筛的表面修饰及其催化合成乙酸异戊酯

通过后合成处理将苄基、三甲基硅烷基和磺酸基接枝到MCM-41分子筛上,制备了一种新型的有机-无机杂化S-B-MCM-41催化剂.采用X射线衍射、低温N2吸附-脱附和酸碱滴定对样品的结构和质子酸量进行了表征和测定.结果表明,S-B-MCM-41催化剂较好地保持了MCM-41分子筛的介孔结构,BET比表面积高达798m2/g,质子酸量为4.0mmol/g.将S-B-MCM-41催化剂用于乙酸与异戊醇合成乙酸异戊酯的反应,考察了各种反应条件对酯化率的影响.在乙酸用量为0.1mol,异戊醇用量为0.15mol,催化剂用量为0.2g,带水剂甲苯为15ml,反应温度为110～125℃,反应时间为2h的优化条件下S-B-MCM-41上的酯化率可达99%以上;而MCM-41分子筛上的酯化率仅为54%.经3次重复使用后,S-B-MCM-41催化剂上的酯化率依然保持在90%以上.初步探讨了S-B-MCM-41催化剂催化合成乙酸异戊酯的反应机理.     

MCM-56分子筛催化苯与丙烯液相烷基化反应性能

在晶化釜内动态水热合成了MCM-56分子筛, 采用过氧化氢回流处理方法脱除模板剂, 获得了高比表面积分子筛MCM-56[MCM-56(H2O2)]. 采用XRD, N2气吸附-脱附, NH3-TPD和FTIR等对其结构和酸性进行表征, 考察了HMCM-56(H2O2)分子筛在苯与丙烯液相烷基化合成异丙苯中的催化性能. 研究结果表明, 过氧化氢回流处理能够有效去除模板剂. 与焙烧去除模板剂的HMCM-56(C)相比, HMCM-56(H2O2)分子筛的BET比表面积达到563 m2/g, 外表面积提高近2倍. 酸性表征说明, 与HMCM-56(C)相比, HMCM-56(H2O2)的总酸量较高而酸强度分布不变. 在苯与丙烯液相烷基化反应中, HMCM-56(H2O2)分子筛表现出更好的低温活性和更高的异丙苯选择性.     

负载型铜系分子筛催化剂在苯酚羟基化反应中的应用

以介孔分子筛MCM-41、MCM-48和AIMCM-41以及微孔分子筛Naβ和MOR为载体,分别采用有机官能团化法和分步水热合成法制备了系列负载型催化剂,考察了其在苯酚羟基化反应中的活性;得到了不同载体类型、不同负载方法及不同助剂与反应活性的对应关系．结果表明：以微孔分子筛为载体的催化剂对副产物有明显的抑制作用．介孔分子筛AIMCM-41,MCM-41,MCM--48为载体时,催化剂在苯酚羟基化反应中的活性顺序为AIMCM-41〉MCM-48〉MCM-41,助剂镧和钴的引入可以有效抑制副产物的产生．     

基于MCM-41微反应器的微波辅助合成新方法研究

采用微波辐射合成法合成了纳米介孔分子筛MCM-41作为微反应器.以苯并呋喃-2(3H)-酮的合成为实例,在甲苯介质中将邻羟基苯乙酸组装到MCM-41微反应器中,研究了溶液体系及微反应器中反应温度、反应时间及微波辐射时间对反应的影响.结果显示,在施加微波与不施加微波情况下,MCM-41微反应器中进行的反应较溶液体系中进行的反应产率提高了2～33与2～12倍.对于MCM-41微反应器中的反应,施加微波辐射后反应产率可进一步提高20%～100%.     

嫁接Al改性MCM-41介孔分子筛催化合成双酚F

以十六烷基三甲基溴化铵和正硅酸乙酯为原料,合成纯硅MCM-41介孔分子筛。再利用九水硝酸铝为改性剂来嫁接改性纯硅MCM-41介孔分子筛,NH3-TPD结果表明,嫁接后的AlMCM-41产生了中强酸。用改性后不同n(Si)/n(Al)的AlMCM-41催化合成双酚F,在n(苯酚)/n(甲醛)=30、反应时间5 h、反应温度90℃、m(甲醛)/m(AlMCM-41)=7的反应条件下,在一定范围内,双酚F的产率随Al含量增加而增加,但在n(Si)/n(Al)50时,双酚F的产率反而下降,当n(Si)/n(Al)=50时,双酚F的产率最高,为42.28%。