温和条件下功能化离子液体催化CO2与含炔基的醇、胺、酮反应研究

Conversion of CO2 into value-added products under mild conditions is highly desirable. CO2 can be transformed into carbonates, oxazolones or lactones by reaction with alkyne-group-containing substances such as the alcohols/amines or the ketones. Task-specific ionic liquids (TSILs), which contain organic functional groups and metal ions, are expected to promote these reactions effectively, since TSILs can act as both solvents and catalysts. Aimed to get these kinds of TSILs, systematic investigation will be carried out to evaluate the catalytic performance of TSILs employing both experiment and quantum calculations. The influences of various factors, such as the anion/cation structure, the particular species on the organic functional group, and the metal, on the catalytic performances of TSILs will be investigated. The synergistic effect between the electrostatic interactions and the hydrogen bonding on the reactions will be elucidated. Reaction conditions, such as temperature and pressure will be optimized. A series of TSILs with excellent catalytic performance at mild reaction conditions for reactions of CO2 with the alkyne-group-containing alcohols, amines and ketones will be obtained. The results of this project will lay foundation for developing green and new method, route and technology to utilize CO2 efficiently.

温和条件下CO2高效转化合成重要化学品是重要的前沿课题。本项目针对温和条件下CO2与丙炔醇反应生成碳酸酯、与含炔基的胺反应合成恶唑酮或恶唑烷酮、与含炔基的酮反应合成内酯等重要反应，设计、合成带有有机官能团和金属离子的功能化离子液体。以这些功能化离子液体同时为催化剂和溶剂，系统研究它们对上述反应催化性能，将实验和量化计算相结合，研究离子液体阴阳离子结构、有机官能团种类、金属离子种类等与催化性能之间的关系，探索有机官能团、金属离子、静电作用、氢键作用在催化反应中的协同作用规律和机理，揭示功能化离子液体催化反应机理和溶剂效应本质。研究温度、CO2压力、时间等对反应转化率和选择性的影响规律，获得一系列温和条件下对CO2与含炔基的醇、胺、酮反应有良好催化性能的功能化离子液体和优化的反应条件。为发展CO2高效绿色转化利用的新方法、新途径、新技术奠定科学基础，这方面的工作具有十分重要的理论和实际意义。

二氧化碳（CO2）既是主要的工业废气和温室气体，又是无毒、可再生的碳资源。将CO2转化为化工及能源产品，对碳资源合理利用和环境保护有着重要意义。针对CO2高效转化利用，设计制备催化剂、研究催化剂构效关系及相关催化反应机理、开发相关技术是目前国内外普遍关注的课题。.本项目设计、制备l了一系列新型功能离子液体催化剂或固体催化材料，使用热催化或电催化方法，实现了温和条件下将CO2高效转化为有机碳酸酯、醇、酸等化工中间体或能源产品。探索了催化剂结构、组成对其催化活性的影响规律；揭示了各种反应条件对目标产物收率的影响规律，进而优化催化剂的制备和调控方法，获得了最佳反应条件。应用DFT计算揭示了催化作用机制和溶剂效应对反应的影响。.1）提出了两条新的CO2转化反应路线：CO2、硝基苯和水三组分反应合成N,N二甲基苯胺；CO2、伯醇和丙炔醇三组分反应合成不对称线性有机碳酸酯。.2）合成了多种新型功能离子液体催化体系，实现了室温条件下催化CO2转化为不饱和环状碳酸酯。.3）揭示了金属盐/有机碱组合体系协同催化CO2与丙炔醇反应机制。.4）构筑和调控多种催化剂，实现高效、高选择性将CO2电化学还原为能源产品。.本项目按照申请书上研究内容开展工作，现已完成申请书上研究目标，取得了一些研究成果。发表SCI论文11篇，其中影响因子大于9的7篇。培养博士研究生3人，为后续工作继续深入打下良好的研究基础。.该项目研究既可以为新型CO2转化路线的开发，新型功能离子液体的研制，新型催化剂的设计、合成提供理论依据，又为工业上CO2化学转化和功能离子液体工业化生产提供相关技术支持，在CO2催化转化和离子液体制备领域有广泛应用前景。