赵聪
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陈圣新
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张瑞锐
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李自航
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刘瑞霞
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任保增
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张锁江
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62831-6
丙二醇醚类化合物是性能优良的精细化学品,也是环保型高级溶剂.该类化合物具有两个强溶解性功能基团—醚键和羟基,前者具有亲油性,可溶解疏水性物质,后者具有亲水性,可溶解亲水性物质,因而丙二醇醚具有很强的溶解能力,素有"万能溶剂"之称,可广泛应用于涂料、油墨、油漆、印刷、电子化学品、染料、净洗和纺织等行业.丙二醇醚类化合物目前主要由环氧丙烷和低级脂肪醇反应合成,然而,由于环氧丙烷的位阻效应,使其在酸或碱的条件下开环的位置会不同,从而得到不同的醇醚产物.由于碱催化的醇醚产物更加环境友好,因而越来越被人们所关注.工业上丙二醇醚合成多采用传统的强碱性催化剂醇钠以及氢氧化钠,腐蚀性强,产生的废液量大.本文采用环境友好的非卤素离子液体作为催化剂,研究了其催化环氧丙烷醚化合成丙二醇醚的反应特性.本文采用两步法合成了一系列环境友好的醋酸类碱性功能化离子液体,并在温和的条件下将其用于催化环氧丙烷与醇反应合成丙二醇醚.结果表明,该类离子液体可以高效催化该反应的进行.利用紫外-可见光谱测定Hammett指数来表征实验中所用离子液体的碱强度,并构建了离子液体碱性与催化活性之间的关系.结果表明,离子液体的催化性能和其碱性密切相关,随着离子液体碱性的增加,催化活性增强,其中咪唑醋酸类离子液体碱性强于季胺类,表现出优异的催化性能.离子液体的碱性明显弱于NaOH,但却呈现出更优异的催化性能.相同反应条件下,EmimOAc离子液体作为催化剂,PO的转化率分别较NaOH高出20%–30%,选择性略高于NaOH,这可能是由于二者催化机理不同造成的.传统NaOH催化机理的关键步骤是醇在碱性催化剂的作用下去质子化形成电子供体烷氧根离子,促进环氧丙烷的开环加成.而本文提出了离子液体亲电亲核双活化作用机理,即离子液体在阴阳离子之间的氢键和电荷相互作用的共同作用下,促进环氧丙烷开环和醇的去质子化,形成相应的反应中间体.通过电喷雾质谱分析手段检测到了阴阳离子通过协同作用亲电亲核催化过程中的反应中间体,证明了该假设机理的可行性.此外,还考察了催化剂浓度、醇比、反应温度以及醇的空间位阻效应对反应的影响.以EmimOAc催化合成丙二醇丁醚为例,反应的转化率随催化剂浓度的增加而增大,在催化剂添加量1%(催化剂与PO的摩尔比)时,PO转化率达到最大值为98.2%,1-丁氧基-2-丙醇的选择性为86.4%.当正丁醇与环氧丙烷的摩尔比为3时,转化率最高为88.6%,选择性高达94%.该反应为放热反应,最适反应温度约为140 oC,此时转化率高达96.5%.在环氧丙烷和不同的低碳醇合成丙二醇醚的反应中,反应物醇的碳链越短,支链越少,催化反应效率越高.
关键词:
离子液体
,
丙二醇醚
,
酯化反应
,
环氧丙烷
,
碱强度
,
反应机理
,
环境友好
张军营
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杨小峰
,
侯宝林
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王爱琴
,
李振雷
,
王华
,
张涛
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60151-0
选用纤维二糖作为探针分子，探索纤维素催化转化制备乙二醇过程的反应路径。分别考察了纤维二糖和葡萄糖在双组分催化剂H2WO4和Ru/C下的催化反应活性。结果表明，乙二醇不仅来自于纤维二糖水解产物葡萄糖的逆羟醛缩合作用，同时也可以来自于纤维二糖的直接逆羟醛缩合过程。而且，纤维二糖的直接逆羟醛缩合作用对糖苷键的水解也有一定的促进作用。比较发现，钨基催化剂作用下纤维二糖的逆羟醛缩合反应活性比葡萄糖要低，因此乙醇醛可以缓慢产生并在Ru/C催化剂上迅速加氢生成乙二醇。使得以纤维二糖作为原料比以葡萄糖作为原料时获得更高的乙二醇收率。
关键词:
纤维二糖
,
反应机理
,
葡萄糖
,
乙二醇
王传明
,
王仰东
,
刘红星
,
杨光
,
杜钰珏
,
谢在库
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60891-9
由于可以从非石油资源如煤、天然气、生物质等出发制备低碳烯烃,分子筛催化甲醇制烯烃(MTO)反应在学术界和工业界引起了广泛的研究兴趣. H-SAPO-34是目前表现优异性能的分子筛催化剂之一,其双烯(乙烯+丙烯)的选择性在80%以上,已经实现了工业化应用.为了提升MTO反应的选择性,以及调控乙烯丙烯的选择性之比,非常有必要从反应机理出发来优化设计新的催化剂.然而,由于MTO催化反应产物复杂多样,对MTO反应机理的认识还存在很大的争议.目前基本能够接受的是MTO催化反应沿着烃池机理进行.在此反应机理中,无机分子筛和有机烃池活性中心形成共催化剂,甲醇进攻有机活性中心生成烷基链,此烷基链断裂得到烯烃产物.目前提出的烃池活性中心主要包括多甲基苯和烯烃自身,它们分别沿着各自的循环反应网络(芳烃循环和烯烃循环)生成烯烃产物.有文献指出在H-ZSM-5分子筛中芳烃循环主要生成乙烯,而烯烃循环主要生成丙烯等产物.因此,系统研究分子筛结构对两条循环网络相对贡献程度的影响规律,从而阐述分子筛结构和MTO催化性能之间的关系具有重要的意义. H-SAPO-18是一类结构上与H-SAPO-34相类似的分子筛,其笼由八元环孔道互联.实验研究指出,其也具有优异的MTO催化性能.在本工作中,我们利用包含范德华相互作用校正的交换相关泛函(BEEF-vdW),系统研究了H-SAPO-18分子筛中的芳烃循环反应机理.所有计算用VASP程序包完成, H-SAPO-18用48T周期性结构模型表示.利用静态吸附和相互转化的自由能变化情况,我们首先确认了反应条件下H-SAPO-18中最稳定的多甲基苯的结构.计算结果指出,1,2,4,5-四甲基苯的吸附能最强,而六甲基苯是主要存在的多甲基苯组分.多甲基苯在分子筛孔道内的稳定性主要由两个相反的作用共同影响：范德华相互作用引起的吸引,以及分子筛孔道结构引起的排斥.在芳烃循环路线中,乙基侧链的增长是反应的关键基元步.吉布斯自由能分析指出芳烃循环路线中,在反应温度673 K下H-SAPO-18中的六甲基苯并不比五甲基苯,四甲基苯的活性高,这与H-SAPO-34分子筛中的结果相一致. H-SAPO-18中的四甲基苯、五甲基苯和六甲基苯的总吉布斯自由能垒分别是208,215,239 kJ/mol.六甲基苯循环路线所表现出的高反应能垒的一个原因,是由于分子筛几何限域效应引起的熵增加所致.通过与烯烃循环路线的动力学进行比较,本文芳烃循环路线动力学的工作可以为MTO催化反应机理的研究提供一些启示.
关键词:
甲醇制烯烃
,
分子筛催化
,
密度泛函理论
,
H-SAPO-18分子筛
,
反应机理
,
芳烃循环路线
林森
,
叶欣欣
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60662-7
基于第一性原理方法,证明了甲醛在In2O3(110)表面可以选择性地转化为CO2.水分解得到的OH物种有利于甲醛脱氢得到CHO,后者不易直接脱氢,其H原子被周围的OH捕获生成CO和H2O.最后,相比较其从表面直接脱附,CO更容易获得一个晶格氧生成CO2.计算结果表明,在没有PdIn合金参与催化的甲醇水蒸气重整反应过程中,In2O3确实扮演着非常重要的角色,进而从理论上证实了甲醇在氧化铟表面选择性生成CO2的实验结果.
关键词:
密度泛函理论
,
甲醇水蒸气重整
,
反应机理
,
氧化铟
孙科举
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62476-2
近年来，纳米金催化剂独特的催化性质，特别是其优异的低温催化氧化活性，引起了人们极大的研究热情.除低温选择氧化外，在精细化学品合成、大气污染物消除、氢能的转换和利用等领域也开发出了一系列有广泛应用前景的金催化反应.此外，体相金的化学惰性和纳米金的超高活性之间差异的“鸿沟”也引起了理论工作者浓厚兴趣，试图从原理上理解体相金和纳米金活性差异的根源. CO催化氧化是最具有代表性的研究金催化活性的化学反应，本文主要综述了近十多年来金催化 CO氧化反应理论计算方面的研究工作.一般认为， CO在纳米金表面的吸附是 CO氧化反应的初始步骤.密度泛函理论研究表明， CO在金表面的吸附强度主要与被吸附金原子的配位数有关：金配位数越低， CO的吸附能越强，部分研究结果表明两者之间存在近似的线性关系.我们研究发现， CO吸附强度也与被吸附金周围配位金原子的相对位置有关，其中位于正下方的配位金原子加强 CO吸附，而位于侧位的配位金原子则弱化 CO吸附，这显然削弱了 CO吸附与金配位数线性关系的可靠性.理论研究表明，在纯金表
面上 O2吸附强度一般很弱，只有在一些特殊结构的金团簇上才有较强的吸附，但在 Au/TiO2界面及 CeO2表面上 O2吸附较强.金表面原子氧的吸附和金的表面结构有关.我们发现，原子氧倾向于在金的表面形成一种线性的 O–Au–O结构以增加其稳定性.当金表面的氧覆盖度增大时，会形成一种金氧化物薄膜结构，其结构依赖于氧的化学势和金的表面结构.纳米金催化 CO氧化反应机理可能因体系、载体等的差异而不同.大部分理论计算结果表明，在纯金表面上 O2很难直接解离形成原子氧，因此反应机理可能是吸附的 CO先与 O2反应形成了一种 CO–O2中间体，然后解离形成 CO2.在 Au/TiO2和 Au/CeO2催化剂上 CO催化氧化机理争议很大，均有计算结果支持 LH机理和 M–vK机理.另外，根据实验上观察到了负载型纳米金能直接活化分子氧的结果，理论上也提出了分子氧先解离为原子氧再与 CO反应的氧解离机理.针对如何解离分子氧问题，人们分别提出了低配位金模型、正方形金结构模型、Ti5c模型及 Au/Ti5c模型等.我们也提出了一种独特的双直线 O–Au–O模型来理解 Au/TiO2或 Au/CeO2界面解离活化分子氧.理论计算结果表明，低配位的金，金和载体之间的电荷转移，以及金所表现出的强相对论效应对于纳米金的活性影响很大.需要特别指出的是，金的强相对论效应有助于理解金表面的 CO吸附与金配位的关系、金表面原子氧的吸附特性、金氧化物薄膜的结构和分子氧的活化等过程.我们认为，金的强相对论作用导致了体相金的化学惰性以及纳米金的活性，因此相对论效应的深入研究将有助于理解金催化 CO氧化反应机理，从而有助于深层次理解纳米金催化活性来源.
关键词:
一氧化碳氧化反应
,
金纳米粒子
,
反应机理
,
理论计算
,
相对论效应
Tadahiro Fujitani
,
Isao Nakamura
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62516-0
在分子尺度上介绍了Au/TiO2(110)模型催化剂表面和单晶Au表面CO氧化反应机理和活性位、以及H2O的作用.在低温(<320 K), H2O起着促进CO氧化的作用, CO氧化的活性位位于金纳米颗粒与TiO2载体界面(Auδ+–Oδ––Ti)的周边. O2和H2O在金纳米颗粒与TiO2载体界面边缘处反应形成OOH,而形成的OOH使O–O键活化,随后OOH与CO反应生成CO2.300 K时CO2的形成速率受限于O2压力与该反应机理相印证.相反,在高温(>320 K)下,因暴露于CO中而导致催化剂表面重组，在表面形成低配位金原子.低配位的金原子吸附O2,随后O2解离,并在金属金表面氧化CO.
关键词:
金
,
模型催化剂
,
一氧化碳氧化
,
反应机理
,
活性位
张武英
,
罗荣昌
,
徐祺航
,
陈亚举
,
林小微
,
周贤太
,
纪红兵
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62802-X
随着全球“温室效应”和能源危机的加剧,近几年二氧化碳作为一种丰富、无毒、廉价的碳一原料广受关注.目前,在温和条件下实现二氧化碳的化学转化仍然是一个十分具有挑战性的课题,其关键的科学问题是二氧化碳分子的有效活化.本文发现,在不添加任何助催化剂的条件下,季膦盐型双功能金属Salen配合物不仅能够以有机胺、含氢硅烷和二氧化碳为原料,在温和条件下通过N-甲酰化反应实现系列甲酰胺类衍生物的高效合成,而且能够催化二氧化碳和环氧化合物的环加成反应,从而实现环状碳酸酯的宏量制备.催化实验及动力学研究结果表明,该双功能催化剂通过金属活性中心和卤素阴离子之间的分子内协同催化作用,既可利用高活性锌氢键调控含氢硅烷中的硅氢键,又能通过高活性铝氧键激活环氧化物的三元环,进而导致二氧化碳的方便插入及高效活化.譬如:当使用1.0 mol％锌催化剂时,仅加入1倍当量的苯硅烷,在25℃C和0.5 MPa的条件下,反应6h后N-甲酰苯胺收率高达99％;而当使用0.5 mol％铝催化剂时,在100℃C和2.0 MPa的条件下反应2h,环加成反应转化率接近100％,环状碳酸酯选择性可达99％.另外,上述两个反应都表现出优异的底物扩展性,具有良好的官能团相容性.在此基础上通过构建反应动力学模型,采用在线红外跟踪技术,阐明了协同活化机制在二氧化碳催化转化过程中的作用原理及共性/个性规律,丰富并发展了二氧化碳活化的基本理论.最后,单组分催化剂可通过溶剂调变的方式很容易实现回收及再利用,表现出“均相催化,两相分离”的特点.循环使用五次后催化活性和选择性未见明显下降.
关键词:
二氧化碳
,
Salen催化剂
,
季膦盐
,
协同作用
,
反应机理
