双功能金属卟啉催化环氧化合物与 CO2 偶联反应合成环碳酸酯

 合成了新颖的双功能水溶性金属卟啉 催化剂 M(TTMAPP)I4(X) (M = Co, Fe, Mn 和 Cr; X = OAc, CF3COO, CCl3COO, OTs, Cl, Br 和 I), 研究了它们催化 CO2 与末端环氧化合物合成环碳酸酯的偶联反应. 分别考察了反应温度、不同金属的 Lewis 酸中心、抗衡离子和催化剂重复使用次数对反应性能的影响. 当以 Co(III)(TTMAPP)I4(OAc) 为催化剂, 底物与催化剂摩尔比为 1 000, 温度为 353 K, CO2 压力为 667 kPa 和无溶剂条件下, 反应 5 h 时丙烯环碳酸酯收率为 95.4%. 在 298 K, 底物与催化剂之比为 2 000 时, 加入 1 ml 甲醇, 反应 24 h 丙烯环碳酸酯收率为 19.4%. 催化剂可以用乙醚回收, 循环使用 5 次后催化剂活性没有明显降低.     

均相与多相催化剂在CO2环加成反应中的研究进展

二氧化碳(CO₂)是一种主要的人为温室气体,主要由化学、热电和钢铁工业以及运输等部门产生。大气层中CO₂浓度的增加是导致诸多环境问题的主要原因,如全球变暖、海平面上升和全球气温升高。然而,CO₂作为一种可再生、廉价和无毒的化学原料,可用来生产具有高附加值的化学品,进而降低碳浓度。五元环碳酸酯由于其优越的物理化学特性,如高沸点、高偶极矩和生物降解等性能而被广泛应用。由环氧化合物和CO₂合成环碳酸酯是迄今为止研究较多的方法。然而,由于CO₂的高热稳定性和动力学惰性,使其作为反应原料需要大量的能量投入,可能导致的结果是CO₂浓度是一个净增长过程。因此,利用CO₂作为C1构筑单元是一个长期的挑战。本工作基于CO₂固定反应机制,概述了各种类型的均相和多相催化剂在CO₂固定反应合成精细化学品环状碳酸酯中的研究进展,包括有机催化剂、离子液体、金属有机框架化合物、多孔有机聚合物等。目前,几乎所有类别催化剂均...     

二氧化碳与环氧化合物反应均相催化剂的研究进展

现在全世界每年产生二氧化碳的量已超过百亿吨,预计到2010年全球二氧化碳的排放量将是278亿吨．二氧化碳是一种温室气体,它在大气中的含量不断增加会导致全球变暖,造成全球性气候异常,给生态环境带来严重影响,引发频繁的自然灾害．因此,如何控制二氧化碳的排放已经引起世界范围的广泛关注．2007年12月在印度尼西亚巴厘岛召开的联合国巴厘国际气候会议重点讨论了二氧化碳的排放问题,目前世界各国均投入大量人力物力进行二氧化碳的治理,如发达国家研发将二氧化碳收集并深埋地下,在治理的同时也限制企业二氧化碳排放量．     

CO2与环氧化合物聚合反应的金属卟啉催化体系研究

作为金属卟啉催化作用的新研究领域,金属卟啉作为催化剂催化CO2与环氧化合物合成具有生物降解性能的聚碳酸酯,具有良好的应用前景,在碳资源利用、环境保护和高分子合成化学方面具有重大意义.自从1978年Inoue首次采用金属卟啉催化剂由CO2与环氧化物合成聚碳酸酯以来,化学家们在金属卟啉催化剂体系的设计与合成方面进行了大量研究.在此基础上,本文对金属卟啉作为催化剂应用于CO2与各种环氧化合物的聚合反应、偶联反应及其反应机理研究加以综述;并展望了其应用前景.     

高效Ni/Zn催化剂体系固定CO2与环氧化合物的环加成反应

在1.5-MPa CO₂,100℃下NiCl₂/bipy/Zn/TBAB催化剂体系能够高效、无溶剂地催化固定二氧化碳和环氧化合物的环加成制备环状碳酸酯的反应,得到了很高的催化收率和转化频率.并且在该催化剂体系中第一次得到了全顺式的环氧环己烷的碳酸酯.     

负载型咪唑类离子液体催化CO2转化合成碳酸丙烯酯研究

CO₂是导致全球气候变暖的主要温室气体之一,但同时又是丰富的C1资源,故其高值化利用受到了人们关注。环状碳酸酯是电池及电容器的优良介质,在工业生产中应用极为广泛。因此,从环境保护和资源利用的角度看,将CO₂转化为环状碳酸酯具有重要的意义。本工作合成了一系列聚苯乙烯树脂负载的咪唑类非均相催化剂,考察了此类催化剂在高压反应釜中催化二氧化碳环加成反应的活性。结果表明,催化剂PS-TBIM-PCIMBr₂表现出优秀且稳定的催化活性,PSTBIM-PCIMBr₂在固定床连续反应器上可以连续运行500 h,反应依旧可以获得91%的产率。     

溴化锌-季(鎓)三溴盐催化二氧化碳和环氧化合物偶联反应

研究了溴化锌-季鎓三溴盐催化二氧化碳和环氧化合物偶联反应,考察了反应温度、压力和不同金属盐对反应的影响以及催化剂的循环使用性能.结果表明,在413 K和1.0 MPa条件下,以溴化锌为催化剂,苯基三甲基三溴化铵为共催化剂,无需加入任何溶剂就可以使二氧化碳和环氧化合物发生偶联反应,并以很高的收率得到环碳酸酯.     

Ni-Co/TiO2增强CO2加氢反应性能的研究

通过浸渍-沉淀法合成负载型双金属催化剂Ni-Co/TiO₂,采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附-脱附(BET)对其晶型、形貌、组成、表面元素价态和比表面积进行表征.在CO₂加氢反应中,Ni-Co/Ti O₂催化剂在3 h反应时间内生成84.4μmol CH₄,相较于Ni/Ti O₂催化剂,其CH₄产量提高了46.3%.二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)和氢气程序升温还原(H₂-TPR)测试结果证实,Co的引入能增强Ni-Co/Ti O₂对CO₂的吸附和活化,从而促进其加氢反应效率的提高.经过5次循环活性测试,Ni/Ti O₂的活性降低了20.5%,而Ni-Co/Ti O₂的活性仅仅降低了10.9%,这表明Co的引...     

新型Br?nsted酸性离子液体催化二氧化碳与环氧化合物偶联反应

设计合成了一系列由碳链长度可调节的Br?nsted酸中心阳离子及Lewis碱中心阴离子构成的酸性离子液体,,并应用于二氧化碳与环氧化合物的偶联反应合成环碳酸酯。考察了离子液体结构以及温度、压力和催化剂用量等参数的影响。结果表明,具有长碳链的离子液体表现出高催化活性及可重复使用性能。离子液体的酸性影响催化活性。     

新型Br?nsted酸性离子液体催化二氧化碳与环氧化合物偶联反应

设计合成了一系列由碳链长度可调节的Br?nsted酸中心阳离子及Lewis碱中心阴离子构成的酸性离子液体,,并应用于二氧化碳与环氧化合物的偶联反应合成环碳酸酯。考察了离子液体结构以及温度、压力和催化剂用量等参数的影响。结果表明,具有长碳链的离子液体表现出高催化活性及可重复使用性能。离子液体的酸性影响催化活性。     

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。     

手性双提蓝钴卟啉配合物催化二氧化碳对环氧的不对称环加成（英文）

绿色化学是当今化学科学研究的前沿领域.仿生催化是绿色合成技术和方法学研究的一个重要方面.生物质和酶分子在酶催化转化过程中的"构-效"关系可以通过仿生催化进行模拟研究.CO_2作为温室气体的主要成分是造成全球气候变暖的主要因素,但它同时也是C1化学的重要原料.利用CO_2与有机环氧化合物通过偶联反应制备有机环碳酸酯或聚碳酸酯则是CO_2化学研究的热点之一,并已经取得了长足的进步.但是运用手性催化剂对此反应进行不对称环加成得到手性环碳酸酯的研究不多.本文首次设计并合成了具有双提篮结构的手性钴卟啉螯合物.其中的提篮部分由手性联萘酚(S或R)和L-苯丙氨酸组成,从卟啉骨架的meso位引入,首先制备了两种手性结构的自由卟啉配体(6a,7a);然后与醋酸钴反应得到两种二价钴卟啉手性配合物(6b,7b),加入醋酸后,通过空气氧化得到三价钴卟啉手性催化剂(6c,7c).采用紫外、红外光谱、质谱和核磁共振(包括二维NMR)等技术对得到的卟啉中间化合物、配合物和催化剂进行了详细的表征,确定了化合物的结构.将得到的三价钴卟啉配合物作为手性催化剂用于CO_2和环氧化合物的不对称环加成反应.结果表明,提篮的手性基团对小分子的环氧化合物环氧丙烷具有手性选择性,在低温-20°C下,可以得到大于50%的ee值.同时由于提篮与卟啉平面空间的有限性,导致分子体积较大的环氧化合物与CO_2的反应很慢,也没有发现其对环碳酸酯的对映选择性.我们相信本工作对于合成手性卟啉分子及其在不对称催化中的应用具有一定的意义.     

Effective synthesis of cyclic carbonates from carbon dioxide and epoxides by phosphonium iodides as catalysts in alcoholic solvents

Phosphonium iodides effectively catalyzed the reaction of CO₂ and epoxides under mild conditions such as ordinary pressure and ambient temperature in 2-propanol, and the corresponding five-membered cyclic carbonates were obtained in high yields.     

乙腈体系中咪唑溴盐和电制镁盐协同促进环氧化物与 CO2羧化反应合成环状碳酸酯

CO2是一种储量丰富且廉价易得的可再生 C1资源.以 CO2为原料的羧化反应可将 CO2高效转化成羧酸及其衍生物等高附加值化学品.例如, CO2和环氧化物反应生成环状碳酸酯属于“原子经济”反应,是有效利用 CO2的方法之一,其产物环状碳酸酯广泛用于极性有机溶剂、电池电解液和化妆品等.由于 CO2化学性质非常稳定,不易活化,制备环状碳酸酯的传统方法是以金属卤化物或金属配合物为催化剂在高温高压下进行反应.因此,开发出操作简便且能耗低的绿色技术用于合成环状碳酸酯面临巨大挑战.
　　最近研究表明,电催化技术可使环氧化物和 CO2在温和条件下转化为环状碳酸酯.已报道的电催化反应研究重点都是如何通过多相或均相电催化还原 CO2的方式使环氧化物能够在温和条件下进行羧化反应.然而, CO2电还原生成的 CO2?-自由基非常活泼,在其扩散到溶液中与环氧化物反应之前易在电极上直接转化为 CO和碳酸盐等副产物,从而导致羧化反应较低的电流效率.
　　 Ema课题组报道环氧化物与 CO2羧化反应经历三个步骤,即开环反应、CO2插入反应和闭环反应,其中开环反应活化能最大,是羧化反应决速步骤.与已报道的电催化途径不同,本文通过建立一个由电化学反应和羧化反应组成的催化反应体系,旨在通过降低开环反应活化能来促进环氧化物羧化反应.在电化学反应过程中,由牺牲阳极提供羧化反应必需的路易斯酸,即电制镁盐;在羧化反应过程中,通过电制镁盐和咪唑溴盐的协同作用实现环氧化物和 CO2在温和条件下高效率地转化为环状碳酸酯.
　　实验首先选取环氧苯乙烷为反应原料,考察了电制镁盐、共催化剂的阳离子以及羧化反应温度对目标产物产率的影响.如果羧化反应过程中没有镁盐或直接用等量溴化镁代替电制镁盐,羧化产率仅为5.4%和35.5%,而电制镁盐条件下羧化反应产率高达90.7%,表明电制镁盐作为路易斯酸催化剂对提高羧化反应产率是必不可少的.比较了在 N2和 CO2气氛中分别电解制备得到的镁盐的催化性能. N2气氛中电制镁盐更高的催化性能可能与溶剂乙腈或支持电解质的阳离子在阴极发生电还原生成的物质有关.该电还原产物可部分代替溴离子与电制镁盐配对,由于其体积更大,一定程度上提高了电制镁盐的亲电性,有利于羧化反应进行.如果用四丁基溴化铵代替咪唑溴盐作为共催化剂,羧化反应产率从90.7%降为65.5%.羧化反应过程中溴离子对电制镁盐的配对能力受共催化剂阳离子静电引力的牵制而减弱,共催化剂的阳离子对溴离子的静电引力越强,溴离子对电制镁盐亲电性的影响就越弱.前期研究成果表明,在乙腈溶液中咪唑阳离子对阴离子的静电引力明显强于季铵阳离子,由此可认为当咪唑溴盐作为共催化剂时提高了电制镁盐的亲电性,促进了环氧化物的开环反应.提高羧化反应温度虽然可以降低环氧化物开环反应的活化能,但也会降低 CO2在乙腈溶液中的溶解度,50°C反应较为合适.在最优反应条件下考察了该催化体系对其他环氧化物羧化反应的普适性,所得环状碳酸酯产率为48.3%–90.7%.     

Nanostructured heterogeneous catalysts for electrochemical reduction of CO2

Electrochemical reduction of CO₂ provides a sustainable solution to address the intermittent renewable electricity storage while recycling CO₂ to produce fuels and chemicals. Highly efficient catalytic materials and reaction systems are required to drive this process economically. This Review highlights the new trends in advancing the electrochemical reduction of CO₂ by developing and designing nanostructured heterogeneous catalysts. The activity, selectivity and reaction mechanism are significantly affected by the nano effects in nanostructured heterogeneous catalysts. In the future, energy efficiency and current density in electrochemical reduction of CO₂ need to be further improved to meet the requirements for practical applications.     

Heterogeneous catalysts for cyclic carbonate synthesis from carbon dioxide and epoxides

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Effects of Mo promoters on the Cu-Fe bimetal catalysts for the DMC formation from CO2 and methanol

The Mo-promoted Cu-Fe bimetal catalysts were prepared and used for the formation of dimethyl carbonate（DMC） from CO₂ and methanol.The catalysts were characterized by X-ray diffraction（XRD）, temperature programmed reduction（TPR）,laser Raman spectra（LRS）,energy dispersive spectroscopy （EDS） and temperature programmed desorption（TPD） techniques.The experimental results demonstrated that the Mo promoters can decrease the reducibility and increase the dispersion of Cu-Fe clusters.The concentration balance of base-acid sites can be readily adjusted by changing the Mo content.The moderate concentration balance of acid and base sites was in favor of the DMC formation. Under optimal experimental conditions,the highest methanol conversion of 6.99%with a DMC selectivity of 87.7%can be obtained when 2.5 wt%of Mo was loaded.     

Tin-derivative sandwich-type polyoxometalates supported on Nd-doped TiO2 nanoparticles as efficient and reusable catalysts in the oxidation of sulfides and alcohols

New nanocomposites, including different loading levels of sandwich-type polyoxometalates [(HOSn^IVOH)₃(XW₉O₃₄)₂]^n? (X = As (1), P (2) n = 12 and Si (3) n = 14) on Nd-doped TiO₂ nanoparticles were prepared by a simple impregnation method. The nanocomposites were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Fourier transform infrared (FTIR), and energy-dispersive X-ray spectroscopy. Compounds 1–3 were successfully loaded on Nd-doped crystallized anatase-phase TiO₂ nanoparticles of 20–25 nm. Catalytic activities of nanocomposites were examined by carrying out the oxidation of sulfides and alcohols with H₂O₂. Simple synthesis method, reusability, and low amounts of the heterogeneous catalysts with a slight excess of H₂O₂ and mild reaction conditions make these oxidation reactions an environmentally benign chemical process.     

Conversion of CO2 to Multi-carbon Compounds over a CoCO3 Supported Ru-Pt Catalyst Under Mild Conditions

The catalytic hydrogenation of CO₂ to multi-carbon compounds under mild conditions would not only provide value-added products, but also benefit for the reduction of CO₂ emission if hydrogen derives from renewable energy sources. Herein, we report CoCO₃ supported Ru and Pt nano-particles, which could catalyze hydrogenation of CO₂ to produce higher hydrocarbons(C₂-C₂₆) and higher alcohols(C₂OH-C₆OH) at low temperatures of 80-130℃. The selectivity for C₂₊ compounds reached 81.1% at 80℃, which was the highest value reported so far. This work provides a promising catalyst for highly selective converting CO₂ and H₂ to C₂₊ compounds at low temperatures.     

Salen-decorated Periodic Mesoporous Organosilica: From Metal-assisted Epoxidation to Metal-free CO2 Insertion

We clicked a salen ligand onto a thiol-ethane bridged periodic mesoporous organosilica (Salen-PMO) using a photo-initiated thiol-ene click reaction. This process resulted in a covalently bonded salen ligand on the PMO material. The final BET surface area amounts 511 m²/g and the pore size diameter is approximately 7 nm. The functionalized PMO material showed an excellent carbon dioxide uptake capacity of 1.29 mmol/g at 273 K and 1 bar. More importantly, by coordinating a MoO₂²⁺ complex onto the Salen-PMO material, we obtained a heterogeneous catalyst with a good catalytic performance for the epoxidation of cyclohexene. The catalyst was highly reusable, as no decrease in its activity was observed for at least four runs (99% conversion). Finally, the metal-free Salen-PMO showed an exceptional catalytic performance in the cycloaddition of CO₂ to epoxides. The obtained results clearly demonstrate the versatility of the Salen-PMO material not only as metal-free catalyst but also as a support material to anchor metal complexes for specific catalytic applications. With the same catalytic platform, we were able to firstly create epoxides out of alkenes, and subsequently turn these epoxides into cyclic carbonates, consuming CO₂.