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。     

离子液体催化CO2与环氧化物合成环状碳酸酯

综述了离子液体催化CO2与环氧化物的环加成反应制备环状碳酸酯的研究进展。目前报道的离子液体主要包括咪唑盐、季铵盐、季鏻盐等。对比了传统离子液体与功能化离子液体对CO2环加成反应的催化活性、选择性以及催化作用机制。与传统的离子液体相比,功能化离子液体的羟基或羧基等官能团与卤素离子等Lewis碱之间存在协同效应,使得其对CO2与环氧化物的环加成反应具有更好的催化活性;将功能化离子液体固载于无机材料(SiO2,SBA-15,MCM-41等)或聚合物所得的多相催化剂不仅保持了官能团与阴离子之间的协同效应,而且载体与离子液体活性组分之间也显示出协同效应,使得该类催化剂具有很好的催化活性,稳定性好,可以多次重复使用,具有较好的工业化前景,是值得深入研发的一类催化材料。此外,离子液体对于手性环状碳酸酯的合成也具有较好的催化活性和立体选择性。     

新型氮杂环卡宾锌化合物催化CO2和环氧化物高效合成环状碳酸酯

合成了一系列新型的芘标记含溴亲核阴离子的氮杂环卡宾前驱体化合物,接枝卤化锌后获得具有CO2捕获能力以及路易斯酸碱位点的NHC-PDBI-ZnX2(X=Cl、Br、I)催化剂,通过1H NMR、13C NMR 、XPS、FT-IR、13C CP-MAS NMR和ICP-AES表征技术对该类催化剂结构和化学性质进行了表征。氮杂卡宾锌配合物被证明是有效的单组分多功能催化剂,对环氧丙烷和CO2的环加成反应显示出较高的催化活性和选择性。最佳活性的NHC-PDBI-ZnI2催化剂在120℃、3.0MPa、2.0h较温和条件下,取得98%以上碳酸丙烯酯收率。该催化剂还具有优异的底物普适性和循环使用稳定性,归因于路易斯酸性Zn 2 与NHC-PBDI主链形成的强共价键。此外,结合FTIR等表征推测了反应机理,其中NHC-PDBI-ZnX2的卡宾位吸附活化CO2以及路易斯酸碱位点开环的协同效应促进了环加成反应在无溶剂和助催化剂的条件下有效地进行。     

超临界二氧化碳中马来酸锌催化合成环状碳酸酯

在超临界二氧化碳中, 利用马来酸锌催化二氧化碳与环氧化物反应合成环状碳酸酯. 单独使用马来酸锌作为催化剂时, 对二氧化碳与环氧丙烷反应的催化活性较低, 而在DBU、DMAP、三乙胺、吡啶、咪唑或4-氨基吡啶等有机碱的存在下, 反应活性较高, 产物的收率得到明显提高. 有机碱作用的强弱顺序为DBU>Et3N>咪唑>4-氨基吡啶>DMAP>吡啶. 在压力为8 MPa, 温度110 ℃, 反应时间48 h条件下, 马来酸锌与DBU组成的二元催化系统可以催化二氧化碳与环氧丙烷反应, 得到83.4%产率的碳酸丙烯酯. 该二元系统也能催化其它环氧化物高产率地转化为相应的环状碳酸酯.     

水合碱金属卤化物催化 CO2 与环氧化物合成环状碳酸酯

 在不添加任何助剂及溶剂的条件下, 考察了水合碱金属卤化物催化 CO2 与环氧丙烷合成碳酸丙烯酯的反应性能. 结果表明, 水合碱金属卤化物表现出远高于无水碱金属卤化物的催化活性, 其中, 以 NaI2H2O 的催化性能最好, 在 120 C, 1 MPa 的条件下反应 1.5 h, 碳酸丙烯酯收率达 97%. 此外, NaI2H2O 在 CO2 与其它环氧化物合成相应环状碳酸酯反应中也表现出较高的催化活性.     

聚苯乙烯支载的苯酚/ DMAP: 一个高效催化二氧化碳固定生成环状碳酸酯的二元体系

通过苯酚与2%DVB 交联的氯甲基化聚苯乙烯树脂的烷基化反应，成功合成了聚苯乙烯支载的苯酚高分子(PS-PhOH)，利用红外光谱和元素分析对其进行表征。在DMAP，DBU，三乙胺，二乙胺或吡啶等有机碱的共同作用下, 该聚苯乙烯支载的苯酚能在温和的条件下有效地催化二氧化碳与环氧化物的偶联反应，高产率和高选择性的生成环状碳酸酯。由PS-PhOH/DMAP组成的二元催化体系催化活性最高。详细地研究了反应温度、二氧化碳压力和反应时间对产物收率的影响。通过简单的过滤，该高分子催化剂能够回收、重复使用十次以上，且催化活性不变。     

超临界二氧化碳中组氨酸催化合成环状碳酸酯

研究了超临界二氧化碳中α-氨基酸催化二氧化碳与环氧化物环加成反应合成环状碳酸酯,发现组氨酸的催化活性最高.在二氧化碳压力为8MPa、反应温度130℃、反应时间48h、组氨酸加入量为0.8mol%的条件下,二氧化物可以顺利的与各种环氧化物反应,以高的选择性和产率生成相应的环状碳酸酯.     

溴化锌-卤化正四丁基铵高效催化合成苯乙烯环状碳酸酯

溴化锌-卤化正四丁基铵二元催化剂高效催化合成苯乙烯环状碳酸酯, 当n-Bu4NI/ZnBr2摩尔比为2时, 在短时间内(30 min)可将苯乙烯环氧化物几乎完全转化为环状碳酸酯, 无其它副产物的生成. 在ZnBr2/n-Bu4NX的催化体系中加入Au/SiO2 氧化催化剂时, 能将苯乙烯直接氧化, 然后碳酰化实现“一锅法”制备环状碳酸酯. 在此合成路线中担载的纳米金催化第一步苯乙烯环氧化反应; ZnBr2/n-Bu4NBr催化第二步CO2环加成反应. 在温和的反应条件下(80 ℃, 1 MPa, 4 h)将环状碳酸酯的产率提高到42%.     

离子液体中CO_2与炔醇在温和条件下高效合成-亚甲基环状碳酸酯

本文研究了离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二乙基磷酸酯([EMIM][(EtO)2PO2])中醋酸银(AgOAc)对CO2与炔醇反应生成-亚甲基环状碳酸酯的催化性能,发现该反应可以在温和的条件下进行.在AgOAc/[EMIM][(EtO)2PO2]催化体系中,30℃、4 MPa CO2压力下,反应6h时-亚甲基环状碳酸酯的产率为97%;当压力降到0.5 MPa时,反应24 h产物产率为65.8%.[EMIM][(EtO)2PO2]在反应中起到了溶剂和碱的双重作用.AgOAc/[EMIM][(EtO)2PO2]体系重复利用3次活性仅略有下降.另外,该体系也可用于催化CO2与其他炔醇(3-甲基-1-戊炔-3-醇、3,5-二甲基-1-己炔-3-醇和2-苯基-3-丁炔-2-醇)的反应.     

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.     

Polystyrene-supported Phenol/DMAP： an Efficient Binary Catalyst System for CO2 Fixation to Give Cyclic Carbonates

Polystyrene-supported phenol （PS-PhOH） was successfully synthesized by alkylation reaction of phenol with 2% DVB cross-linked chloromethylated polystyrene and characterized by IR spectra and elemental analysis. In conjunction with an organic base such as DMAP, DBU, triethylamine （Et3N）, diethylamine （Et2NH） or pyridine, the PS-PhOH could effectively catalyze the coupling reaction of carbon dioxide with epoxides to give cyclic carbonates in high yield and selectivity under mild conditions. The binary catalyst system of the PS-PhOH/DMAP was found to be the most active. The influence of reaction temperature, carbon dioxide pressure and reaction time on the yield of product was carefully investigated. The PS-PhOH could be recycled by simple filtration for at least up to ten times without loss of catalytic activity.     

CO2 Fixation with Epoxides under Mild Conditions with a Cooperative Metal Corrole/Quaternary Ammonium Salt Catalyst System

The cooperative catalytic activity of several metal corrole complexes in combination with tetrabutyl‐ammonium bromide (TBAB) has been investigated for the reaction of epoxides with CO₂ leading to cyclic carbonates. It was found that the use of just 0.05 mol % of a manganese(III)corrole with 2 mol % TBAB exhibits excellent catalytic activity under an atmosphere of CO₂.     

Efficient and Reusable Iron Catalyst to Convert CO2 into Valuable Cyclic Carbonates

The production of cyclic carbonates from CO₂ cycloaddition to epoxides, using the C-scorpionate iron(II) complex [FeCl₂{κ³-HC(pz)₃}] (pz = 1H-pyrazol-1-yl) as a catalyst, is achieved in excellent yields (up to 98%) in a tailor-made ionic liquid (IL) medium under mild conditions (80 °C; 1–8 bar). A favorable synergistic catalytic effect was found in the [FeCl₂{κ³-HC(pz)₃}]/IL system. Notably, in addition to exhibiting remarkable activity, the catalyst is stable during ten consecutive cycles, the first decrease (11%) on the cyclic carbonate yield being observed during the 11th cycle. The use of C-scorpionate complexes in ionic liquids to afford cyclic carbonates is presented herein for the first time.     

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.     

A Simple and Practical Method for the Oxidation of Thiols to Disulfides at Mild Conditions Without Solvents

Abstract

A green, straightforward, and novel method for the oxidation of thiols to the corresponding disulfides is reported using hydrogen peroxide catalyzed by tetrabutylammonium iodide (TBAI) without solvents at room temperature. The corresponding disulfides were obtained with excellent yields and short reaction times.     

CO2的化学固定及碳酸亚烃酯的合成研究

报道了氯铝酞菁(PcAlCl)与n-BuPh3PBr, n-Bu4NBr, MePh3PI和n-Bu4NI等卤代季铵盐或季盐二元催化剂对CO2与环氧丙烷制备碳酸亚烃酯的环加成反应有明显的协同催化作用, 并初步探讨了其反应机理. 在100 ℃下, PcAlCl/n-BuPh3PBr的催化活性达360 mol/(mol*h), 选择性达99%; 而在同样条件下PcAlCl和n-BuPh3PBr单独对该反应的催化活性只有57 mol/(mol*h)和90 mol/(mol*h). 实验结果表明, PcAlCl与n-BuPh3PBr之间可能形成了1∶1型配合物, 导致催化活性显著增强.     

Bifunctional Boron Phosphate as an Efficient Catalyst for Epoxide Activation to Synthesize Cyclic Carbonates with CO2

Development of inexpensive, easily prepared, non‐toxic, and efficient catalysts for the cycloaddition of CO₂ with epoxides to synthesize five‐membered cyclic carbonates is a very attractive topic in the field of CO₂ transformation. In this work, we conducted the first work on the cycloaddition of CO₂ with epoxides to produce cyclic carbonates catalyzed by a binary catalyst system consisting of KI and boron phosphate (BPO₄), which are both inexpensive and non‐toxic, and various corresponding cyclic carbonates could be produced with high yields (93–99 %) at 110 °C with a CO₂ pressure of 4 MPa under solvent‐free conditions. In the BPO₄/KI catalyst system, BPO₄, a Brønsted and Lewis acid hybrid, played the role of activating the epoxy ring through the formation of hydrogen bonds with Brønsted acidic sites and the interaction with Lewis acidic sites simultaneously, and thus enhanced the activity of KI for the cycloaddition of CO₂ with epoxides significantly. Additionally, the activity of the BPO₄/KI catalyst system showed no noticeable decrease after being reused five times, indicating that the BPO₄ was stable under the reaction conditions.     

Mild and efficient Cs2CO3-promoted synthesis of phosphonates

A mild and convenient synthesis for phosphonates using cesium carbonate (Cs₂CO₃), tetrabutylammonium iodide (TBAI) and DMF was developed at room temperature. Numerous dialkyl phosphites were screened using a diverse array of alkyl halides and these reaction conditions were found to be highly efficient producing various phosphonates exclusively in moderate to high yields.