芳香族溴化物的电催化羧化研究

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随着人类对赖以生存的环境保护意识的增强,绿色化学的概念日益兴起。绿色化学的范围很广,包括消除有害物质、生产环境友好产品、也可以是生产过程的绿色化等。其根本目的是从节约资源和防止污染的观点来重新审视和改革现在的整个化学和化工。绿色化学的原则之一是“原子经济性”,即最大限度地利用原料分子中的每个原子,使之结合到目标分子中,达到零排放。有机电合成使用电子作为反应试剂,是一种绿色的合成技术。同时随着全球经济的发展,能源需求的增长,人类向大气中排放的(二氧化碳)CO2量急剧增大,而CO2是引起全球“温室效应”的气体之一。因此如何将其固定变废为宝,成为全球瞩目的重要研究课题之一。安息香酸类化合物是一种重要的有机化工原料,其传统的合成方法通常条件苛刻,需要在高温高压或者昂贵催化剂的存在下才能进行,而且产率也不是很高。将电化学这一绿色方法直接用于固定CO2合成安息香酸类化合物,具有很好的应用价值。本论文主要包括四部分来研究芳香基溴化物的电羧化,分别考察了不同实验条件对该类反应的影响,并初步推导了合成机理。第一部分常温常压下,在一室型电解池中,采用恒电流电解,以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,研究了溴苯的电羧化,并合成了苯甲酸。研究了支持电解质、阴极材料、电流密度、通电量、温度对该电羧化反应的影响。在优化条件下,苯甲酸的产率可达78.2%。然后把该反应扩展到其他的芳香族溴化物,都得到了相应的羧酸化产物,产率在20.6%~35.3%范围内。运用循环伏安法研究了溴苯的电化学还原行为,以及通入CO2对其还原的影响,结合电解结果和循环伏安行为研究推得了该电羧化反应机理。第二部分常温常压下,运用循环伏安法研究了对甲氧基溴苯的电化学行为。在一室型电解池中,采用恒电流电解,以饱和了CO2的DMF为溶液,Mg为牺牲阳极,研究了对甲氧基溴苯的电羧化。探讨了支持电解质、阴极材料、电流密度、通电量、温度对该反应的影响。在0℃下,以银为工作电极,镁棒为对电极,在5 mA·cm-2的电流密度下恒电流电解,当通过2 F·mol-1的电量后,对甲氧基苯甲酸的产率可达68.7%。第三部分常温常压下,在一室型电解池中,采用恒电流电解,以DMF为溶剂,Mg为牺牲阳极,研究了4-溴苯甲酸甲酯的电羧化。羧酸化产率受各个反应条件所影响,如:支持电解质、电极材料、电流密度、通电量等。在优化条件下,4-甲酸甲酯苯甲酸的产率可达60.4%。并运用循环伏安法研究了4-溴苯甲酸甲酯的电化学还原行为,以及通入CO2对其还原的影响。第四部分常温常压下,在一室型电解池中,采用恒电流电解,以DMF为溶剂,四乙基碘化铵(TEAI)为支持盐,研究了溴化苄的电羧化。探讨了阴极材料、电流密度、通电量对该电羧化反应的影响。并运用循环伏安法研究了溴化苄在不同电极上的电化学还原行为。在0℃下,以银为工作电极,镁棒为对电极,在5 mA·cm-2的电流密度下恒电流电解,当通过2.5 F·mol-1的电量后,苯乙酸的产率可达74%。
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