双功能聚合离子液体催化水合制乙二醇的反应链调控机制

Ethylene glycol is described as the new cornerstone of organic synthesis in the 21st Century. Its traditional process is non-catalytic hydration of ethylene oxide, while it suffers from drawbacks such as high water/ethylene oxide molar ratio, long technological process, low efficiency, high energy consumption and so on. This project aims to design and synthesis three kinds of dual functional poly(ionic liquid)s including straight chain-, side chain-, star shape-poly(ionic liquid)s. After their chemical fixation of carbon dioxide as adsorbents, carbon dioxide adducts are to be employed as efficient catalysts for the synthesis of ethylene glycol. The effects of backbone structures and special functional groups of poly(ionic liquid)s on catalytic and carbon dioxide fixation abilities will be investigated. And the reaction mechanism will be studied by combining the experiment results and quantitative theoretical calculation. Finally, this project will explore a new integration process of reaction, separation and catalyst regeneration, which will lay the theoretical and scientific foundation for the development of new efficient technology.

乙二醇被誉为21世纪有机合成的“新基石”，但是其传统的直接水合法制备工艺存在水比高、流程长、效率低和能耗大等问题。本项目拟设计、合成三类（直链型、侧链型、星型）双功能聚合离子液体，使其先作为吸附剂与二氧化碳作用，将形成的含羧酸根负离子的二氧化碳加合物再作为催化剂，用于催化环氧乙烷直接合成乙二醇的反应链。考察聚合离子液体微观结构（骨架结构、聚合度、特殊官能团）对催化性能及二氧化碳吸附性能的影响。采用实验和量化理论计算相结合的方法，研究离子液体催化环氧乙烷生成乙二醇的反应链机理。最后基于该反应链，探索环氧乙烷高效转化、乙二醇产物分离以及催化剂再生一体化的工艺过程，为高效温和制备乙二醇新工艺的开发提供理论基础和科学依据。

乙二醇是一种重要的基础化工原料，广泛用于生产聚酯、防冻剂、不饱和聚酯树脂等材料。国内乙二醇的市场需求保持增长态势，但产能难以满足实际生产的需求，供需矛盾凸显。我国主流的生产技术环氧乙烷直接水合法存在水比高、流程长、效率低和能耗大等问题，制约了乙二醇行业的可持续发展。因此本项目通过研发新型催化剂开发了高效节能的环氧乙烷直接合成乙二醇的反应链生产新工艺，降低了水比和反应温度，提高了环氧乙烷的转化率和乙二醇的选择性，主要研究内容包括：（1）设计合成了多种离子液体链节结构单体，并将优选的聚合单体进一步通过亲核取代反应自聚，制备出具有不同微观结构的聚合离子液体；（2）重点考察了催化剂酸碱性、空间位阻及特殊官能团如氨基、羧基等氢键供体基团、吸供电基团等对环氧乙烷反应活性的影响，并研究了催化剂活性单元在不同骨架结构下的反应活性差异；（3）采用量子化学计算和分子动力学研究了催化剂与反应物之间的相互作用方式，考察聚合离子液体主干结构上引入的特殊基团对环氧乙烷开环的诱导作用，捕捉到催化剂与反应物之间的相互作用，阐明环状碳酸酯反应转化的机理。研究结果表明，将离子液体限域到特定孔道结构内能显著提高其催化活性和产物选择性，环氧乙烷转化率可达97%，乙二醇选择性>99%，为进一步探索环氧乙烷转化、产物与催化剂分离以及催化剂再生一体化的反应链过程提供支撑。本项目共发表SCI论文4篇，申请发明专利4项，其中已授权1项，培养研究生3人。