Fe基催化剂上苯与氯化苄苄基化反应研究

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苯和氯化苄的苄基化反应是一个非常重要的有机合成反应,是制备苄基取代苯的重要方法,其产物二苯甲烷是医药、染料和塑料等行业广泛应用的重要的高附加值产品或中间体。由于苯不带有可以使芳环活化的取取代基,因此,苯的苄基化反应仍是催化科学中的挑战,而实现这一过程的关键是使用高效催化剂。然而,目前工业上使用的催化剂因存在催化效率低、催化剂回收困难、污染环境和腐蚀设备等缺陷,而不符合“绿色合成化学”的要求。因此,开展新型催化剂及其构效关系的研究均具有十分重要的意义。本论文分别对FeOx/HZMS-5 (SiO2/Al2O3=25)和Fe-P-0催化剂上苯与氯化苄苄基化性能、催化剂性质及构效关系进行了研究。(1)首先,采用等体积浸渍法和离子交换法,将多种载体和负载组份前躯体进行组合,相同条件下评价了催化剂的性能,结果表明FeOx/HZMS-5 (SiO2/Al2O3=25, Fe负载量为2.5 wt%)的活性最好。然后,对该催化剂的反应条件进行了优化,结果表明:提高催化剂上Fe的负载量、升高反应温度、延长反应时间,适当提高反应体系中苯/氯化苄比例,有助于提高氯化苄的转化率和二苯甲烷的收率,催化反应符合拟一级反应动力学规律。最后,通过表征发现:催化剂上分立的Fe3+与催化剂的反应活性密切相关,增加催化剂上分立的Fe3+的量,有助于提高转化率,催化剂上存在的少量的纳米Fe203有助于活化苯。由于FeOx/HZMS-5 (SiO2/Al2O3=25)沸石分子筛催化剂的催化活性特别是催化剂的重复使用性有待进一步提高,所以,研究了Fe-P-0催化剂用于苯和氯化苄的苄基化反应。(2)首先,采用湿混合法制备了Fe-P-0催化剂,考察了反应条件对催化剂性能的影响;催化剂评价结果表明:Fe-P-0催化剂是有效的苯与氯化苄苄基化反应的催化剂。这类催化剂(Fe/P=1:1-1:0.12)催化苯与氯化苄苯基化反应的转化率均大于99%,选择性均为100%。由于反应速率较快,因此,将达到相同转化率(>99%)时所需要的时间做为比较催化剂性能差异的标准。湿混合法制备的Fe-P-0催化剂(Fe/P=1:0.25),在60℃、苯与氯化苄摩尔比为14.4:1和0.2 g催化剂用量的条件下完成反应的时间为20min。然后,对Fe-P-0催化剂进行了一系列的表征,考察了催化剂的性质和结构对其催化性能的影响。催化剂表征结果表明:催化剂上铁磷比的不同,直接影响着催化剂的性质和活性。Fe/P=1:0.25的Fe-P-O催化剂具有较高的活性和较好的重复使用性,这些是大多数已报道的催化剂所没有的性能。通过调变铁磷比可以改变催化剂的性质,从而影响催化剂的活性。催化剂上Fe(PO3)2和Fe2O3之间有相互作用,包括Lewis酸和电子传递。中等强度的Lewis酸中心与这些催化剂上苯与氯化苄苄基化反应的活性密切相关。Fe-P-O催化剂上,高浓度的Lewis酸中心有助于苯与氯化苄的苄基化反应。该研究可以为改性沸石分子筛类催化剂和Fe-P-O催化剂的制备提供一定的理论指导,对铁基催化剂的构效关系的探索,Fe-P-O催化剂的应用,以及苯和氯化苄苄基化反应新型催化剂的研制均具有重要的参考价值。
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