钯配合物均相催化氧化羰基化合成碳酸二苯酯

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碳酸二苯酯(Diphenyl Carbonate, DPC)是合成通用工程材料聚碳酸酯(PolyCarbonate, PC)最主要的中间体。DPC的合成方法主要包括光气法、酯交换法以及苯酚氧化羰基化法。氧化羰基化有效地避免了使用剧毒原料光气、反应过程复杂和副产物多等其他两种方法的缺点,相对另外两种方法而言,氧化羰基化法原子利用率高、副产物少且无害等,符合绿色化学和低碳经济发展模式的要求,已成为现阶段国内外研究合成DPC的主要发展方向。氧化羰基化法的核心技术主要集中在催化体系(包括主催化剂及催化助剂)的选择上,催化反应大多是在固定床、流化床、高压反应釜等反应器中完成的,反应过程中存在传质传热差、压降大、反应体系复杂等问题。因此需要针对反应过程的复杂性设计催化体系。就目前而言,催化体系主要分非均相负载型和均相配合物型两大类。非均相负载型主要是将活性组分负载在载体(钙钛矿、分子筛等)上,该方法有利于反应之后催化剂与反应物的分离,但是该体系是气、液、固三相反应,传质传热不理想,通常催化剂的活性不是很高。而均相配合物催化剂能够克服这些问题,反应选择性高,能够提高产物的收率。在均相配合型催化剂中,通常所使用的配体主要是含有P、N、P-P、N-N、C、C-C等杂环配体,该体系为气液两相反应,能够相对有效提高产物收率,通过配合物的分子设计可以有效解决活性组份易于脱落问题,从而提高催化剂的催化寿命。本文在对前人研究总结的基础之上,以二苯膦基为配体,PdCl2做为活性组份,设计制备了1,1’-双(二苯膦基)二茂铁二氯化钯(DPPF-PdCl2),1,2-双(二苯膦基)乙烷二氯化钯(DPPE-PdCl2),1,3-双(二苯膦基)丙烷二氯化钯(DPPPr-PdCl2),1,4-双(二苯膦基)丁烷二氯化钯(DPPB-PdCl2)四种催化剂。经IR、1H-NMR、EA、 TG等手段对催化剂结构和性质进行了表征分析。同时,将催化剂应用于苯酚催化氧化羰基化合成碳酸二苯酯中,研究了配体对催化剂的选择性和转化率的影响,并且考察了反应工艺,得到了以下结论:(1)以二苯基氯化磷为原料分别制备了四种催化剂:DPPF-PdCl2、DPPE-PdCl2、 DPPPr-PdCl2、DPPB-PdCl2。发现随着两个P原子之间的距离逐渐增大在形成配合物的过程中对反应的温度要求越来越高,合成条件越来越苛刻。(2)在同一反应条件下催化活性为:DPPF-PdCl2>DPPE-PdCl2>DPPPr-PdCl2> DPPB-PdCl2。这主要是因为配合物中含有二茂铁的缘故,二茂铁是一种富电子集团,配合后能够很有效地的将电子反馈给钯,增大了钯的电子云密度,使得配位键更加稳定,从而提高了催化活性。而其他三种催化剂活性较低的原因是随着两个P原子之间的距离增大,使得配体和配合物之间形成的配位键不够牢固,导致主催化剂容易脱落。(3)对助催化剂(主要是无机助剂)选择时发现:CuCl2、CuCl、Ce(NO3)3的活性要强于Mn(NO3)2和Co(NO3)2。进一步研究发现CuCl2、CuCl、Mn(NO3)2三种盐类的金属阳离子的氧化还原电势都在Pd2+/Pd0(0.99V)和[PdBr4]2-/Pd0(0.64V)之上,并且小于O2/H2O的氧化还原电势(1.23V)。所添加助的氧化还原电位只有介于此区间才能够有效的氧化Pd0到Pd2+,有效促进整个催化体系的氧化还原循环。(4)优化的合成反应工艺条件为:使用DPPF-PdCl2做催化剂,溶剂二氯甲烷30mL,添加无机助剂CuCl20.75mmol和有机助剂苯醌(BQ)0.375mmol以及表面活性剂正四丁基溴化铵2.5g,反应总压为5MPa(其中p(CO):p(O2)=93:7),反应温度110℃,反应时间3小时,转化数(TON)可以达到69.5DPCmol/Pdmol。
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