疏水性全氟烷基磺酰亚胺固体酸的合成及催化应用

【摘要】固体酸在有机催化方面的应用,是绿色化学的重要内容之一。本文设计和制备一类具有良好疏水性的强酸性高分子材料,并将其应用于催化酯化反应和Pechmann缩合反应。首先以对苯乙烯磺酸钠和全氟烷基磺酰胺为原料,合成了含双键的全氟烷基磺酰亚胺类可聚合单体,对苯乙烯磺酰基全氟烷基磺酰亚胺钠盐(p-CH2=CH-C6H4SO2NNaSO2CmF2m+1,m=1,4,记作SSFAI),其结构通过FT-IR,1HNMR,19FNMR,MS等手段进行表征。SSFAI与二乙烯基苯(DVB)在溶剂热条件下进行聚合反应,获得具有丰富多孔性的高分子共聚物,聚苯二乙烯负载全氟烷基磺酰亚胺(H-PDVB-x-SSFAI,x表示SSFAI和DVB的摩尔比)。共聚的优化条件为：SSFAI:DVB(mol/mol)=0.3,CH3COOEt:H2O(v/v)=10:2为溶剂,nano-CaCO3为致孔剂,0.3mmol%AIBN为引发剂,在密封反应釜中,100℃搅拌反应24h,反应结束后6mol/LHC1酸化12h。采用FT-IR,XPS,TEM,N21吸附-脱附对H-PDVB-x-SSFAI的结构进行了表征。结果表明,全氟烷基磺酰亚胺官能团SO2NHSO2CmF2m+1已成功负载,材料具有高比表面(346-385m2/g)和多孔性,最可几孔径分布在约3.8nm,以介孔为主。以丙酮为探针分子的固体13CMASNMR技术测定H-PDVB-x-SSFAI酸强度,化学位移值>220ppm,表明其具有强酸性；酸碱滴定法测定酸负载量,在0.55-0.84mmol/g范围内可调。此外,水对于H-PDVB-x-SSFAI的静态接触角>120°,表明其具有优秀的疏水性；TG测试表明H-PDVB-x-SSFAI在208℃下可以安全使用,以月桂酸和乙醇的反应(1：5)的酯化反应来衡量H-PDVB-0.3-SSFAI的催化活性。80℃条件下,H-PDVB-0.3-SSFAI在催化反应6h,转化率可达到93-95%,频率转换因子(TOF)最高达到30.5h-0。同等条件下,H2SO4催化的相应结果分别为71.7%和31.9h-1。进一步使用H-PDVB-0.3-SSFAI在水体系中进行催化,延长至24h,月桂酸转化率仍可达79-88%。H-PDVB-0.3-SSFAI的疏水性能有效地“排斥”反应中产生的水及溶剂中存在的水分子,打破酯化反应平衡,从而提高酸转化率。H-PDVB-0.3-SSFAI用于催化乙酸／已酸与环己醇(仲醇)的酯化,转化率87-92%,而叔丁醇的酯化,转化率仅27-39%。H-PDVB-0.3-SSFAI强酸性的作用,使空间位阻较大的仲醇的酯化反应仍能够顺利进行,而叔醇的反应效果仍不理想。H-PDVB-0.3-SSFAI用于催化乙酸和正戊醇的反应,110℃下,乙酸正戊酯产率达93%,可循环使用7次,产率没有明显的下降,具有良好的可循环使用性能。采用Pechmann缩合反应进一步考察H-PDVB-0.3-SSFAI在较高温度下催化反应的稳定性。140℃下,催化间苯二酚与乙酰乙酸乙酯的缩合,产物7-羟基-4-甲基香豆素的产率为88-91%。催化剂循环使用4次后,产率下降,表明该固体酸在较高反应温度下,具备一定可循环使用性能。
【作者】贺梦丽；
【导师】马敬中；马忠华；
【作者基本信息】华中农业大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】全氟烷基磺酰亚胺；固体酸；共聚；疏水性；酯化反应；香豆素合成；

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