石墨相氮化碳非共价负载型Salen金属配合物催化剂催化水相有机反应研究

Graphitic carbon nitride (g-C3N4), as a novel two-dimensional layered materials, has attracted much attention in the field of catalysis due to its non-toxic, inexpensive, excellent thermal and chemical stability and easy to prepare. Salen metal complexes with the structural variability and excellent catalytic capability have become a matter of current interest, widely used in various organic catalytic reactions. However, their reactions generally proceed in homogeneous systems, and the major drawback of homogeneous catalysis is the need for separation and recovery of the metal-salen complexes from the reaction mixture. Currently, realizing the immobilization of homogeneous metal-salen complexes easily and efficiently is a difficult and important problem in the catalytic field. In this project, metal Salen catalysts are loaded on the surface of g-C3N4 by non-covalent bond functionalization and applied to aqueous organic reactions. This solves the problem of catalyst recycling and reuse, provides new routes and ideas for the design of new carbon nitride catalytic materials and broadens the application scope of carbon nitride in the catalytic field.

石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新颖的二维层状材料，具有无毒、廉价、良好的热稳定性和化学稳定性以及制备方法简单等优良性能，已成为催化领域的研究热点。Salen金属配合物因其结构可控且催化功能优异而备受关注，广泛应用于催化各类有机反应中。但其催化的反应主要发生在均相体系中，使催化剂的分离和回收较困难，并造成环境污染。当前，简单而有效地实现金属Salen催化剂固载化是催化领域面临的难点和重点问题。本项目拟将金属Salen催化剂以非共价键功能化的方式负载到g-C3N4的表面，并应用于催化水相有机反应，解决催化剂回收再利用的问题，为开展新型氮化碳催化材料的设计提供新的路线和思路，拓宽氮化碳的在催化领域的应用范围。

g-C3N4是一种单层二维材料，由sp2杂化碳原子组成，拥有很大的比表面积、数量较多的共轭结构和优异的机械、热力学性能。因其特殊的结构，可以将其他催化剂负载在g-C3N4骨架上来催化不同反应，并实现催化剂的回收利用。金属Salen催化剂是一类配位化学和均相催化中常用的螯合催化剂。Salen金属配合物已经广泛应用于催化有机反应中，但是大多数出现在均相催化体系中，很难实现催化剂的回收再利用。项目的主要研究内容如下：.1.设计合成了一种二乙氨基轴向芘功能化SalenCo配合物，通过π-π共轭作用负载到石墨相氮化碳的表面，并应用于催化二氧化碳和环氧化合物的偶联反应，考察了不同催化剂的量、反应温度和时间对反应的影响。结果表明，在80℃和常压条件下，无需加入任何溶剂就可以使二氧化碳和环氧化合物发生偶联反应，并以较高的收率得到环碳酸酯。.2.设计合成了一种双功能聚合SalenCo-OAc催化剂，通过非共价键的方式与g-C3N4复合，并应用于催化二氧化碳和环氧化合物的偶联反应。结果表明，在最佳反应条件下，无需加入溶剂和共催化剂，不同的环氧化合物均以较高的收率得到环碳酸酯。此外，该催化材料在循环使用五次后，仍能保持良好的催化效果，具有工业应用价值。.3.合成出一系列烷基长度可调的芘基修饰的离子液体（Py-Cn，n = 4, 8, 12, 16, 18），通过π-π堆积作用，与g-C3N4组合形成催化体系。通过研究反应时间、反应温度和催化剂用量等因素对催化剂活性的影响，探索出最佳反应条件：80 ºC、二氧化碳压力1 bar、催化剂用量15 mg g-C3N4和23.8 mg Py-C12、反应时间16 h，环碳酸酯产率可达95%以上。对于不同的环氧化合物做底物，均能表现出良好的催化活性。