二氧化碳与环氧化物共聚催化剂

综述了二氧化碳与环氧化物共聚催化剂方面的研究进展，重点介绍了90年代后期出现的新型高效率的高位阻型催化剂。     

二氧化碳与环氧化物的共聚反应

自1969年Inoue用ZnEt₂/H₂O的混合物作催化剂由二氧化碳与环氧化物合成聚碳酸酯以来,化学家们在催化剂体系的设计与合成方面进行了大量研究。目前,这条合成聚碳酸酯的绿色合成路线已日渐成熟。本文综述了近5年来环氧化物与二氧化碳反应合成聚碳酸酯的研究成果,主要考察催化剂的催化活性对共聚反应的影响以及反应机理研究。     

二氧化碳与环氧化合物共聚催化剂研究进展

二氧化碳是一种廉价、低毒、资源丰富的可用于有机合成的理想原料。由二氧化碳和环氧化合物共聚合成的脂肪族聚碳酸酯具有生物可降解性。自1969年井上祥平等发现二氧化碳和环氧化合物通过共聚反应合成脂肪族聚碳酸酯以来,利用二氧化碳制备高分子材料一直备受人们注目。该过程的关键是寻找具有高选择性的高效催化剂,三十余年来通过各国科学家的不懈努力已取得了不少成果,本文对其研究的最新进展进行了综述。     

二氧化碳与环氧丙烷共聚稀土改性羧酸锌催化剂的研究：（Ⅰ）催化剂的？…

用稀土氧化物Ｌｎ２Ｏ３（Ｌｎ：Ｌａ,Ｎｄ,Ｅｕ,Ｈｏ,Ｙｂ,Ｓｍ）对戊二酸锌进行改性,制备出新催化剂。在８０℃,３．０￣３．５ＭＰａ条件下,该催化剂催化二氧化碳与环氧丙烷共聚,反应时间为６．５￣７．０ｈ,催化活性达到３．０￣３．４ｇ ｐｏｌｙｍ．／（ｇｃａｔ．·ｈ）,转化率７０．８％￣７９．７％,共聚物中碳酸酯单元分数４８．４％,产品热分解温度２３８．１℃。     

铝卟啉折叠催化剂催化二氧化碳/环氧化物共聚反应

折叠催化剂因具有“类酶”的二级结构,被广泛应用于小分子化合物合成,然而其在高分子合成中的应用却鲜有报道.基于双氨基功能化的铝卟啉与2,5-吡啶二甲酰氯的缩聚反应,本文报道了一种铝卟啉芳香酰胺折叠体催化剂,有效(300～1250 h^-1)、高选择性(99%)地催化了二氧化碳(CO₂)与环氧化物的共聚反应.值得一提的是,该催化剂可以实现无助催化剂条件下CO₂和环氧丙烷的共聚,催化活性可达525 h^-1,同时聚合物选择性在95%以上,并且在80℃下表现出“类酶”的最佳温度特性.在催化CO₂与环氧环己烷共聚时,催化活性与二氧化碳压力(1～7 MPa)呈线性正相关关系,催化活性最高可达1250 h^-1,聚合物选择性和碳酸酯单元含量保持在99%以上.本文报道的铝卟啉折叠体催化剂为芳香酰胺折叠体在催化领域的发展提供了借鉴,同时也进一步拓展了折叠催化在高分子合成中的应用.     

二氧化碳共聚物的合成,性质和应用

二氧化碳是开发中的重要的碳资源,它的一个有效利用方式是和环氧化物等单体共聚生成脂肪族聚碳酸酯。该反应现已能够较顺利地实现。反应中加入第三单体、扩链剂、调节剂,可以使共聚物具有不同的化学结构,以及能随意控制分子量和官能度。在了解反应系统的相平衡特性和共聚动力学以后,可以聚合过程的计算机模拟。使用交联,共混复合或网络互穿等手段,能够使产物具有各种不同的性能。二氧化碳共聚物已在许多方面获得重要的应用,是     

戊二酸锌体系催化合成二氧化碳基聚碳酸酯研究进展

二氧化碳(CO2)是一种无毒无害、性质稳定、可再生的C1资源.近年来,以CO2为原料合成的CO2基聚酯受到了广泛关注.其中,戊二酸锌催化CO2和环氧化物共聚生成聚碳酸酯成为CO2高值转化的途径之一(特别是戊二酸锌催化CO2和环氧化物共聚,包括引入酸酐、环酯等三元共聚).我们综述了近年来戊二酸锌催化CO2基聚合反应的研究进展,对催化剂发展、结构、活性和产物性能等进行了系统的总结,分析了戊二酸锌催化剂在聚合反应过程中的优势和不足,最后对戊二酸锌催化剂的发展、挑战等进行了展望分析.     

二氧化碳同环氧丙烷交替共聚用催化剂的研究

探讨了有机金属催化剂的组成及其对二氧化碳同环氧丙烷交替共聚产物结构的影响,发现二乙基锌—助剂体系的催化活性按如次顺序递降:二乙基锌—连苯三酚>二乙基锌—间苯二酚>二乙基锌—对苯二胺>二乙基锌—亚乙基脲。若用三异丁基铝代替二乙基锌同连苯三酚构成催化剂,则失去对二氧化碳同环氧丙烷交替共聚反应的活性同时,著者发现二乙基锌—二元芳胺催化体系与二乙基锌—二元酚催化体系的催化活性规律完全不同。     

非金属催化剂在催化环氧化物和CO2合成环状碳酸酯中的研究进展

随着科学技术的进步和工业化的发展,大量化石燃料被消耗,大气中二氧化碳浓度急剧增加,导致温室效应加剧,严重威胁到人类的生存和发展。基于可持续发展的思想,利用储量丰富且廉价的二氧化碳作为 C1资源替代有毒的气体(如一氧化碳和光气等)制备具有广泛应用的环状碳酸酯,不仅满足“绿色化学”的要求,而且符合“原子经济性”的原则。迄今为止,大量用于催化二氧化碳和环氧化物环加成反应合成环状碳酸酯的催化剂,包括均相催化剂(如金属卤化物、有机碱、离子液体和金属配合物),多相催化剂(如金属氧化物、负载型催化剂、有机聚合物、金属有机框架材料和碳材料等)被报道。其中金属催化剂占主导地位,大多表现出优异的催化活性。然而,目前可供开采的金属矿越来越少,大多数金属的回收再利用率较低,重金属污染日趋严重。因此,开发新型、廉价、绿色、高效、循环性和稳定性好的非金属催化剂具有重要意义。
　　本文主要介绍了近3年以来用于催化二氧化碳和环氧化物环加成反应合成环状碳酸酯的非金属催化剂,主要包括有机碱、离子液体、固载型催化剂、有机聚合物和碳材料等。概括了不同种类催化剂的设计思想及其催化反应机理,重点阐述了分子内以及分子间各种功能基团的协同作用对环加成反应的影响。通过比较发现,具有“C–N=C”结构的有机碱活性相对较高,氢键给体和亲核物质都能与有机碱协同作用提高其催化活性;传统离子液体的活性一般不理想,氢键给体如羟基和羧基的引入有利于促进环加成反应,且多阳离子和多氢键给体功能化的离子液体表现出更高的催化活性;负载型催化剂中,载体和活性组分之间的协同作用有利于加速环加成反应的进行,多种功能基团负载和以共价键方式多层固载能更好地提高催化剂稳定性和催化活性;利用非烯烃化合物制得的活性组分位于主链的多孔有机聚合物,催化活性和稳定性大多高于活性组分位于侧链的烯烃聚合物;碳材料催化剂中,引入不饱和的 N物种(如伯胺和吡啶氮),有利于 CO2的吸附和活化,能促进环加成反应。此外,利用密度泛函的方法,计算模拟催化反应过程,能更好地揭示反应机理,并为设计和制备高效的催化剂提供理论指导。
　　该领域目前面临的重要挑战是研发可以同时实现二氧化碳捕获和转化的新型、环保和高效非金属催化剂,终极目标是利用多孔催化材料在常温和常压下直接捕获工业废气中的二氧化碳,并利用捕获的二氧化碳实现环状碳酸酯的连续生产。基于协同催化的设计思想,利用多种基团功能化的策略合成高效吸附和活化二氧化碳以及开环活化环氧化物的非金属催化剂,有望实现上述目标。     

Biodegradable Polycarbonate Synthesis by Copolymerization of Carbon Dioxide with Epoxides Using a Heterogeneous Zinc Complex

As a means for the chemical fixation of carbon dioxide and the synthesis of biodegradable polycarbonates, copolymerizations of carbon dioxide with various epoxides such as cyclohexene oxide (CHO), cyclopetene oxide, 4-vinyl-1-cyclohexene-1,2epoxide, phenyl glycidyl ether, allyl glycidyl ether, propylene oxide, butene oxide, hexene oxide, octene oxide, and 1-chloro-2,3-epoxypropane were investigated in the presence of a double metal cyanide catalyst (DMC). The DMC catalyst was prepared by reacting K₃Co(CN)₆ with ZnCl₂, together with tertiary butyl alcohol and poly(tetramethylene ether glycol) as complexing reagents and was characterized by various spectroscopic methods. The DMC catalyst showed high activity (526.2 g-polymer/g-Zn atom) for CHO/CO₂ (P_CO2 = 140 psi) copolymerization at 80 °C, to yield biodegradable aliphatic polycarbonates of narrow polydispersity (M_w/M_n = 1.67) and moderate molecular weight (M_n = 8900). The DMC catalyst also showed high activities with different CO₂ reactivities for other epoxides to yield various aliphatic polycarbonates with narrow polydispersity.     

Differences in Reactivity of Epoxides in the Copolymerisation with Carbon Dioxide by Zinc-Based Catalysts: Propylene Oxide versus Cyclohexene Oxide

The homogeneous dinuclear zinc catalyst going back to the work of Williams et al. is to date the most active catalyst for the copolymerisation of cyclohexene oxide and CO₂ at one atmosphere of carbon dioxide. However, this catalyst shows no copolymer formation in the copolymerisation reaction of propylene oxide and carbon dioxide, instead only cyclic carbonate is found. This behaviour is known for many zinc‐based catalysts, although the reasons are still unidentified. Within our studies, we focus on the parameters that are responsible for this typical behaviour. A deactivation of the catalyst due to a reaction with propylene oxide turns out to be negligible. Furthermore, the catalyst still shows poly(cyclohexene carbonate) formation in the presence of cyclic propylene carbonate, but the catalyst activity is dramatically reduced. In terpolymerisation reactions of CO₂ with different ratios of cyclohexene oxide to propylene oxide, no incorporation of propylene oxide can be detected, which can only be explained by a very fast back‐biting reaction. Kinetic investigations indicate a complex reaction network, which can be manifested by theoretical investigations. DFT calculations show that the ring strains of both epoxides are comparable and the kinetic barriers for the chain propagation even favour the poly(propylene carbonate) over the poly(cyclohexene carbonate) formation. Therefore, the crucial step in the copolymerisation of propylene oxide and carbon dioxide is the back‐biting reaction in the case of the studied zinc catalyst. The depolymerisation is several orders of magnitude faster for poly(propylene carbonate) than for poly(cyclohexene carbonate).     

二氧化碳与环氧化合物直接制备聚碳酸酯

综述了近几年来发展的用于二氧化碳与环氧化合物直接催化合成聚碳酸酯的各类催化剂,并详细讨论了其催化反应机理.利用二氧化碳与环氧化合物来合成聚碳酸酯,对于高分子合成化学、碳资源利用和环境保护都具有重大意义.它是发展聚碳酸酯生产的一个具有很大潜力的方面.     

二氧化碳-氧化环己烯的共聚反应

由CO2 -氧化环己烯 (CHO)配位催化共聚制得高Tg 的脂肪族聚环己基撑碳酸酯 ,并用IR、NMR和DSC等进行了表征 ,用TG对聚合物的热稳定性进行了分析。加入异氰酸苯酯有提高产物特性粘数的作用。     

二氧化碳-氧化苯乙烯的共聚反应

由ＣＯ２－氧化苯乙烯（ＳｔＯ）配位催化共聚制得脂肪族聚碳酸苯亚乙酯,并用 ＩＲ、１ＨＮＭＲ和 ＤＳＣ等进行表征,用 ＴＧ对聚合物的热稳定性进行了分析。     

Highly Active and Robust Metalloporphyrin Catalysts for the Synthesis of Cyclic Carbonates from a Broad Range of Epoxides and Carbon Dioxide

Bifunctional metalloporphyrins with quaternary ammonium bromides (nucleophiles) at the meta, para, or ortho positions of meso‐phenyl groups were synthesized as catalysts for the formation of cyclic carbonates from epoxides and carbon dioxide under solvent‐free conditions. The meta‐substituted catalysts exhibited high catalytic performance, whereas the para‐ and ortho‐substituted catalysts showed moderate and low activity, respectively. DFT calculations revealed the origin of the advantage of the meta‐substituted catalyst, which could use the flexible quaternary ammonium cation at the meta position to stabilize various anionic species generated during catalysis. A zinc(II) porphyrin with eight nucleophiles at the meta positions showed very high catalytic activity (turnover number (TON)=240 000 at 120 °C, turnover frequency (TOF)=31 500 h^?1 at 170 °C) at an initial CO₂ pressure of 1.7 MPa; catalyzed the reaction even at atmospheric CO₂ pressure (balloon) at ambient temperature (20 °C); and was applicable to a broad range of substrates, including terminal and internal epoxides.     

二氧化碳与环氧化合物的三元共聚反应

用二氧化碳与环氧化合物共聚合反应制备脂肪族聚碳酸酯,是近几年化学利用二氧化碳研究的重要课题之一.其中最受关注的是二氧化碳与环氧丙烷共聚制备聚碳酸丙烯酯(PPC)和二氧化碳与环氧环己烷共聚制备聚碳酸环己烯酯(PCHC).但是,PPC和PCHC的热性能和力学性能欠佳,限制了它们的规模化生产与应用.利用二氧化碳与环氧化合物进行三元共聚是改善二氧化碳共聚物材料热性能和力学性能的有效途径之一,本文对此项研究的新进展进行了综述.