多相硅氢加成催化剂的制备及应用

硅氢加成反应是有机硅化学领域最为重要的反应之一。自该反应于1947年被发现以来,大量的文献对其进行了报道。本文综述了近十年来应用于硅氢加成反应的各类负载型催化剂的研究进展,介绍了活性炭、二氧化硅、分子筛等负载过渡金属催化剂,重点介绍了有机-无机杂化载体负载Pt、Rh、Au等多相催化剂的制备方法及其在硅氢加成反应中的应用,并分析了其催化作用机理;总结了功能高分子化合物负载过渡金属在硅氢加成反应中的研究,和新型含不同官能基团的离子液体络合金属催化剂的制备方法及其对不饱和烃与含氢硅烷的硅氢加成反应的催化性能,总结和讨论了催化反应机理的研究,并对多相硅氢加成催化剂的发展方向进行了分析和展望。     

基于氮掺杂多孔炭的加氢催化剂的理性设计

选择性加氢反应是化学化工领域中最具挑战性的反应之一.针对选择性加氢反应来设计具有工业应用价值的负载型纳米催化剂一直是学术界和工业界的研究热点与难点.载体是负载型催化剂的重要组成部分,在不同类型的载体中,炭载体因其来源广、成本低、耐酸碱、具有高比表面积而被广泛采用.但是,由于炭材料本身相对惰性,炭与负载的金属之间相互作用较弱;此外,碳前驱体的种类甚至产地对炭载体性能影响也非常大,导致催化剂活性及稳定性难以满足工业要求,从而严重限制了炭负载型催化剂的发展.近年来,氮掺杂炭由于其独特的性质受到了广泛的关注,大量的研究证实氮原子的掺入有助于提高炭负载型纳米催化剂的催化效率.本文将重点关注氮掺杂多孔炭负载型催化剂在选择性加氢反应中的应用;最后,将讨论并展望如何基于氮掺杂炭理性设计新型负载型纳米金属催化剂.氮掺杂炭材料中的氮主要可分为石墨氮、吡啶氮、吡咯氮和氨基氮.氮的引入一方面可改变炭材料的局域电子密度,引发电子在载体与活性组分之间的重新分配,电子转移的方向和程度可通过氮掺杂形式(如吡啶型或石墨型氮等)及浓度进行调节,从而实现对活性组分电子结构的调控;另一方面,提供了孤对电子用于形成氢键网络,从而调节了催化剂的亲水性,改善了催化剂在反应体系中的分散性.而且丰富的氮物种可为活性组分提供了稳定的锚定位点,从而提高了活性组分在炭载体上的分散度和稳定性.此外,部分氮物种为催化剂提供了碱性位点,可作为固体碱参与反应,丰富了氮掺杂炭负载型催化剂的应用范围.本文将氮掺杂炭负载型催化剂分为以下四种类型:传统负载型、包覆型、镶嵌型以及单原子催化剂.传统负载型催化剂即以氮掺杂炭材料为载体,采用浸渍法或液相还原法等将活性组分负载其上,该类型催化剂已经被广泛研究和使用.对于包覆型和镶嵌型催化剂,其金属和载体间的相互作用要强于传统炭负载型催化剂,这种强相互作用可有效提升催化剂稳定性,更能使某些高活性亚稳相稳定存在,进而大幅增强催化性能.但是炭层的过度包覆会导致暴露的金属活性位点减少,进而影响催化剂的性能.最近,炭负载型单原子催化剂得到迅速发展,它有着独特的配位环境和微观结构,众多单原子催化剂(如镍、钌、金等)已在选择性加氢反应中展现出优异的催化性能,且在某些反应中表现出独特的选择性.最后,本文讨论了氮掺杂炭负载型加氢催化剂未来的发展方向.原始生物质是氮掺杂炭的理想原料,且制备过程应尽量避免模板剂的使用.丰富氮掺杂炭材料的形貌和微观结构,以应对不同的反应需求是今后的重点发展方向.贵金属催化剂拥有优异的催化性能,如何提升其稳定性是急需解决的问题.非贵金属催化剂的活性相对较低,多组分协同催化是提升其性能的有效方法,进一步的工业应用也值得期待.不含金属的氮掺杂炭直接催化加氢反应需要极为苛刻的反应条件,其工业应用前景相对较低.     

二苯基膦功能化氧化石墨固载铂催化剂的制备及其催化烯烃硅氢加成性能

以氧化石墨为载体,采用二苯基膦配体对其进行改性,再利用膦配体对Pt的螯合配位作用合成了氧化石墨固载膦铂配合物催化剂(GO-P-Pt),并采用元素分析、FT-IR、XRD等方法对催化剂进行了表征,考察了催化剂催化不同烯烃与三乙氧基硅烷的硅氢加成反应性能。结果表明,该催化剂对烯烃与三乙氧基硅烷的硅氢加成反应具有良好的催化活性,在100℃,反应180 min后,1-辛烯的转化率为94.6%,β-加成产物的选择性高达99.4%;当底物为芳香烯烃时,β-加成产物的选择性比脂肪烯烃低。此外,催化剂在重复使用4次之后,活性基本保持不变。     

二苯基膦功能化氧化石墨固载铂催化剂的制备及其催化烯烃硅氢加成性能

以氧化石墨为载体,采用二苯基膦配体对其进行改性,再利用膦配体对Pt的螯合配位作用合成了氧化石墨固载膦铂配合物催化剂(GO-P-Pt),并采用元素分析、FT-IR、XRD等方法对催化剂进行了表征,考察了催化剂催化不同烯烃与三乙氧基硅烷的硅氢加成反应性能。结果表明,该催化剂对烯烃与三乙氧基硅烷的硅氢加成反应具有良好的催化活性,在100℃,反应180min后,1-辛烯的转化率为94.6%,β-加成产物的选择性高达99.4%;当底物为芳香烯烃时,β-加成产物的选择性比脂肪烯烃低。此外,催化剂在重复使用4次之后,活性基本保持不变。     

无机载体负载型硅氢加成反应铂催化剂的研究进展

过渡金属或其配合物催化的硅氢加成反应是合成有机硅化合物的重要途径之一,其中铂催化剂是应用最多的催化剂.无机载体负载型铂催化剂不仅可以避免均相催化剂腐蚀反应器、铂回收困难、反应产物选择性差的缺点,而且由于良好的机械强度及反应介质稳定性可以用于连续反应.大量文献报道了炭载体、二氧化硅、金属氧化物、分子筛等无机载体直接负载或利用载体表面修饰的乙烯基、膦基、氨基、胂基、巯基等功能基团的配位络合作用间接负载铂化合物制备用于硅氢加成反应的负载型铂催化剂.综述了近15年来这些催化剂的制备方法、结构特点、催化性能等方面的研究成果,并对其发展方向进行了分析和展望.     

小麦粉衍生中孔氮掺杂颗粒炭负载金催化剂用于乙炔氢氯化反应（英文）

聚氯乙烯是五大工程塑料之一,在国民经济中占有重要的地位.基于中国富煤少油缺气的能源格局,我国主要采用基于煤化工的电石法氯乙烯生产工艺,但该工艺必须采用氯化汞催化剂,受到国际限汞公约的影响,无汞催化剂的开发迫在眉睫.其中炭负载金催化剂在该反应中活性最高,近几年来取得了较大进展,有望实现产业化.氮掺杂的炭材料在诸多反应中展现了较好的性能,其负载金属催化剂可以有效提高金属的分散度及稳定性,成为近几年多相催化领域的一个研究热点.最近我们课题组报道了一种氮掺杂中孔成型的制备方法:以小麦粉为原料,通过直接炭化法制备了氮掺杂中孔成型炭,这种氮掺杂中孔成型炭作为无汞催化剂在乙炔氢氯化反应中显示出了优异的催化性能.小麦粉衍生的氮掺杂中孔成型炭具有成型容易.原料价廉易得、易于放大生产等优点,是优选的工业化催化剂的载体.本文以这种氮掺杂的成型炭为载体制备了负载型金催化剂,研究其催化乙炔氢氯化性能.结果表明,氮的掺杂使得中孔炭负载金(Au/N-MC)催化剂上乙炔氢氯化活性明显提高.在氯化氢/乙炔比例1.1、反应温度180℃、乙炔空速600 h~(-1)的条件下,Au/N-MC上的乙炔转化率为50%,是Au/MC催化剂活性的2倍.通过对催化剂的表征发现,氮的掺杂能有效地锚定Au/N-MC催化剂中活性组分Au~(3+),抑制催化剂制备过程中Au~(3+)还原为Au~0,从而提高催化剂活性和稳定性.小麦粉衍生的氮掺杂中孔炭的原料廉价易得,生产工艺简单,易成型,也容易实现工业化生产,是负载型金属催化剂的优良载体,其负载的无汞催化剂性能优越,有望取代电石法氯乙烯产业的汞催化剂,成为新一代无汞催化剂.     

单原子催化剂的制备、表征及催化性能

单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂.与传统载体型催化剂相比,SACs具有活性高、选择性好及贵金属利用率高等优点,在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电化学催化等领域都具有广泛应用,是目前催化领域的研究热点之一.常见的SACs制备方法有共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及反奥斯瓦尔德熟化法等.实验及理论研究表明,单原子催化剂高的活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用及由此引起的电子结构改变.载体是影响单原子催化剂性能的重要因素之一.目前常用的SACs载体有金属氧化物、二维材料和金属纳米团簇等,本文着重综述了这三种负载型SACs的制备、表征、催化性能及催化机理,并概述了SACs未来可能的发展方向和应用.研究表明,共沉淀法、湿浸渍法和反奥斯瓦尔德熟化法等方法可用来制备氧化物负载的SACs.高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)表明金属是以单原子形式均匀分散在载体上,近边X射线吸收精细结构(XANES)结果表明金属原子与载体之间存在着强相互作用.实验和理论研究均表明该类催化剂在CO氧化反应、水煤气转化及乙炔加氢生成乙烯等反应中具有高的催化活性和稳定性.采用化学气相沉积法和原子层沉积法等方法可以将金属原子稳定地负载在具有缺陷活性位点的石墨烯、MXene及六方氮化硼等二维材料上并相应制备出SACs.X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和XANES分析表明样品中金属以单原子形式存在,而且金属原子与载体之间也存在着强相互作用,理论计算表明金属原子与二维载体之间的电荷转移是SACs活性高的主要原因.置换反应法和连续还原法是制备溶胶型SACs的有效方法,其中置换反应法可将活性金属原子原位组装在金属模板团簇的顶点位置,连续还原法可将活性原子负载于金属模板团簇的表面.DFT计算表明活性原子和金属模板团簇之间存在电荷转移效应,这是溶胶型SACs具有非常高的催化活性的主要原因.SACs下一步的研究方向可能是:(1)研究开发新型SACs,尽可能提高催化剂中活性金属原子的含量;(2)深入研究SACs的结构、活性以及催化机理之间的关系;(3)尝试将SACs大规模应用于工业催化.     

硅氢加成反应高选择性合成甲基苯乙基二氯硅烷

研究了硅胶负载聚乙二醇铂催化苯乙烯与甲基二氯氢硅的硅氢加成反应,β-加成产物甲基苯乙基二氯硅烷的选择性为100%,10℃下反应8h苯乙烯转化率为96.0%.反应存在一个诱导期,温度等反应参数对诱导期有重要影响,40℃下反应的诱导期不到1h,并探讨催化剂的催化机理和目标产物高选择性的原因.     

硅氢加成反应用铂催化剂的研究进展

系统综述了铂催化剂体系研究的几个主要发展阶段及目前存在的问题;介绍了铂催化烯烃硅氢加成反应合成有机硅的机理.指出有机硅产品在我们的生活和生产中越来越重要,是不可或缺的化工材料;不饱和烃的硅氢加成反应是合成有机硅的重要途径之一,主要利用过渡金属作为催化剂进行加成.     

光催化硅氢加成反应研究进展

有机硅产品已成为我们生活中不可或缺的一部分.催化硅氢加成反应是制备有机硅化学品和材料的重要方法,廉价而性能优异的催化剂研制和开发受到广泛关注.目前催化硅氢加成的研究还主要集中在探索新型贵金属和非贵金属配合物的催化性能,但受贵金属高成本和非贵金属配合物较低催化活性等限制,光催化作为一种环保、安全的催化方式,光催化硅氢加成反应受到重视.介绍了近年来光催化硅氢加成反应的研究进展.     

同核铁系双金属络合物及其在均相催化体系中的应用

随着合成化学的不断发展,开发高活性催化剂来活化一些惰性化学键或者惰性分子受到越来越多的关注。双核金属络合物作为一类特殊的催化剂展现出了不同于单核金属催化剂的催化活性。在双核过渡金属催化体系中,因两个金属中心存在协同作用而表现出了独特的催化活性。铁、钴、镍为第四周期第VIII族元素,也称为铁系元素。该类金属廉价易得且参与的催化反应种类繁多,近年来引起了人们的广泛关注。本综述重点介绍了近年来同核双金属铁系络合物的合成及其表征。同时,对相关同核铁、钴以及镍催化剂在均相催化体系中的应用也进行了详细的介绍和总结。     

Density functional analysis of group 10 organometallic diphosphinito complexes for catalytic formation of C‐P bonds

New group 10 metalloorganic complexes are proposed as the basis of new catalysts for the formation of carbon‐phosphorous bonds. Density functional theory (DFT) is applied, using multiple DFT functionals, to model molecular geometry as well as electron density distribution in the highest occupied molecular orbitals (HOMOs) expected to carry out a reductive catalytic cycle. DFT/M06 analysis predicts a robust planar geometry, regardless of alteration of major components. Precursors for rapid catalyst generation should begin with an electron‐withdrawing monodentate ligand. Palladium and platinum catalysts have lower chemical hardness, but the electron distribution in the HOMO of the nickel‐based catalyst is preferred for reductive catalytic mechanisms. Both electron density and chemical hardness, however, are affected by the choice of metal ion and the composition of the monodentate ligand bound to it. Group 10 metalloorganic complexes are modeled as precursors for generating new catalysts for a minimally wasteful method of forming bonds commonly found in biochemically active compounds. Suitable precursors have an accessible metal center, as well as significant the HOMO/LUMO involvement at the metal center. All complexes studied offer similar geometries, but precursor transformation into catalyst depends on the electron‐withdrawing ligand being exchanged. Catalyst turn over number is predicted to depend primarily on the central metal. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.     

Oxygen‐chelated indenylidene ruthenium catalysts for olefin metathesis

Olefin metathesis is a transition metal‐mediated transformation that rearranges the carbon atoms of the carbon–carbon double bond of olefins. This reaction has become one of the most important and powerful reactions. Therefore development of new, well‐defined, highly active and selective catalysts is very desirable and a valuable goal. This mini‐review mainly introduces the development of ruthenium catalysts in olefin metathesis highlighting oxygen‐chelated indenylidene ruthenium catalysts. Applying an alkoxyl group on the indenylidene ligand fragment can generate the Ru ? O chelating bond. Additionally, various modifications of the ligand as well as the catalytic activity for ring‐closing metathesis reaction and selectivity of cross metathesis reaction are overviewed. Finally, the perspectives on the development of new catalysts are summarized. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

多相催化剂活性位点的配位环境及其对催化性能的影响

多相催化技术在化工产业中一直发挥着重要作用,近年来也被广泛应用于燃料电池、绿色化学、纳米技术、生物技术等新兴领域.其中,金属催化剂在加氢、氧化、氢甲酰化、偶联等多种反应中表现出较高的催化效率.然而社会发展对金属催化剂的效率提出了更高的要求,针对特定反应,开发兼具高活性、高选择性和优良稳定性的理想催化剂一直是学术界和工业...     

Bis(oxazolinyl)phenyl transition metal complexes: synthesis, asymmetric catalysis, and coordination chemistry

Molecular catalysts for organic synthesis should be constructed to be tailored to target reactions and their desirable conditions. In our search for them, we have studied new types of transition metal molecular catalysts dressed with a tridentate N,C,N modular ligand, which consists of a C2-symmetric side-by-side phenyl group with chiral bis(oxazolinyl) substituents. The ligand, 2,6-bis(oxazolinyl)phenyl abbreviated as Phebox, can connect covalently to transition metals by the central carbon atom. Here, we review our recent work on the chemistry of Phebox and its metal complexes, including preparation, structural analysis, asymmetric Lewis acid catalysis, asymmetric hydrosilylation, asymmetric conjugate reduction, asymmetric reductive aldol reaction, and organometallic reactions.     

燃料电池非铂基氧还原电催化剂的最新研究进展

目前,燃料电池中广泛使用的Pt基阴极催化剂价格昂贵、资源缺乏,且易中毒,故急需开发廉价、耐用、高效和高耐醇的非铂基阴极氧还原催化剂. 本文阐述了国内外在非铂氧还原催化剂方面的研究,并着重介绍了作者课题组的最新研究进展. 主要集中在非贵金属（Fe）负载和杂原子（F）掺杂的非金属催化剂,力求原料廉价并可提高催化剂的催化活性、稳定性、抗毒化能力,实现较高的性价比. 同时通过理论计算解释了氟单掺杂和氮氟共掺杂高效性的根源,为设计高效催化剂提供了有力的理论支持.     

金属蒸气法制备聚合物固载双金属催化剂———Pd-Cu催化剂的价态,分散度与活性

利用金属蒸气法制备了三种不同金属重量比的树脂固载及活性炭负载Ｐｄ Ｃｕ双金属催化剂．透射电镜（ＴＥＭ）和Ｘ 射线衍射（ＸＲＤ）测定结果表明催化剂中Ｐｄ Ｃｕ已形成合金．合金粒度极小，平均直径小于５ｎｍ．树脂固载催化剂金属粒度远小于活性炭负载催化剂的金属粒度．Ｘ 射线光电子能谱（ＸＰＳ）结果表明Ｐｄ和Ｃｕ均以零价态存在．在４ 甲基 ３ 戊烯 ２ 酮加氢反应中，树脂固载催化剂的活性和选择性均高于相应的活性炭负载催化剂     

碳纳米管担载CuCoCe催化剂催化合成气制低碳醇的性能

以碳纳米管为载体,采用等体积浸渍法制备了一系列Cu Co Ce催化剂,考察了碳纳米管长度及羧基官能团对该系列催化剂催化合成气制低碳醇反应性能的影响;采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂进行了结构和性能表征.实验结果表明,以含有羧基官能团的、长度为0.5~2μm的碳纳米管为载体时,催化剂的低碳醇时空收率最高,达到783.72mg·gcat-1·h-1,醇产物中C2+醇选择性达到82.71%.研究结果表明,短纳米管有利于活性金属进入碳纳米管内部,并促使活性组分分散均匀,这对CO转化率和低碳醇时空收率的提高有显著作用;碳纳米管上羧基官能团的存在促进了金属与金属、金属与载体之间的相互作用,从而使醇产物中C2+醇选择性明显提高.     

Reverse-flow adsorption for process-integrated recycling of homogeneous transition-metal catalysts

Supramolecular strategies, based on hydrogen bonds and ionic interactions, were investigated as tools for the recovery and recycling of homogeneous transition-metal catalysts by using reverse-flow adsorption (RFA) technology. The association (in solution) and adsorption (on support) of new functionalized host materials and phosphine guest ligands, functionalized with the complementary binding motifs, were fine-tuned for the application of these materials in a RFA reactor. The RFA technology for process-integrated recycling of homogeneous catalysts using these tailor-made phosphine ligands and silica-supported host materials resulted in a stable, semicontinuous catalytic system. Rhodium-catalyzed asymmetric hydrogenation of methyl acetamidoacrylate and asymmetric hydrosilylation of acetophenone were studied as test reactions. Depending on the catalytic process the metal complex could be recycled several times without significant loss in conversion.     

聚苯胺衍生Fe-N-C催化剂在碱性电解质中对氧还原反应的催化性能

经过热解聚苯胺、碳和FeCl₃的混合物制备的Fe-N-C材料在酸性电解质中对氧还原反应表现出高的催化活性;由于材料中不存在任何贵金属, 因而被认为是一类新型非贵金属氧还原催化剂. 然而这类催化剂在碱性电解质中催化氧还原反应的性能如何尚不清楚. 本文使用旋转圆盘电极技术考察了制备的两个Fe-N-C催化剂在KOH水溶液中催化氧还原反应性能, 发现这两个催化剂表现出比无金属的N掺杂碳材料更高的活性. 与商业Pt/C催化剂相比, 它们催化氧还原反应的起始电势和半波电势分别仅低60和40 mV左右, 计时电流测试表明, 它们比Pt/C催化剂显示出更好的稳定性. 此外, 在这两个Fe-N-C催化剂上的氧还原反应主要遵循四电子途径. 本工作显示, Fe-N-C材料有望用于碱性燃料电池氧还原反应催化剂.