纳米限域离子液体催化烷基化反应的基础研究

The confined ionic liquid is the forefront of the ionic liquid research field. In the nano-confined space, the reactions catalyzed by ionic liquid can be promoted highly and controlled desirably. The alkylation of iso-butane is an important technology to produce branched alkanes for the gasoline pool. It is with important application value and theoretical significance that confined ionic liquid were used as green catalysts in alkylation reaction. However, absence of in-depth investigation on the reaction mechanism of confined ionic liquid catalysis become to a bottleneck problem in scale application. This project will research deeply on the alkylation reaction catalyzed by confined- ionic liquids in nano silicon structures by computational chemistry and multiple experimental analysis methods. The structure-activity relationship of confined ionic liquid catalysts will be established, specially based on ionic cluster. This project will also propose molecular design methods for confined ionic liquid catalyst, obtain the interaction law of the ionic liquid with relative species, and reveal the reaction mechanism of alkylation. All of these researches will provide scientific basis for the establishment of alkylation reaction process and the development of efficient confined ionic liquid catalyst.

限域离子液体作为新型催化体系，是离子液体研究领域的前沿。在纳米胶囊型限域空间进行反应，可促进反应的高效催化转化、实现定向调控。采用新型纳米限域离子液体进行高效的烷基化反应，具有重要的应用价值和理论意义。现有研究对限域空间离子液体结构、电子效应及其反应规律仍缺乏了解。本项目拟采用量子化学、分子动力学等计算模拟方法，结合多种光谱表征及实验检测手段，对纳米硅基材料限域离子液体催化烷基化反应进行探索研究：对限域离子液体催化体系与限域结构相互作用进行分析，对限域环境中离子及离子簇存在状态、形成机理、电子效应及化学活性进行探讨，对催化剂结构、组成及性能进行优化；对催化活性中心与烷烃、碳正离子等相关物种相互作用及转化机制进行分析，揭示限域离子液体催化烷基化反应机理及调控规律。课题将为限域离子液体理论体系的发展提供科学基础，并为开发新型的烷基化反应催化剂提供理论指导和依据。

限域离子液体作为新型催化体系，是离子液体催化反应过程研究领域的前沿。采用纳米限域离子液体来进行高效碳-碳偶联烷基化反应，在受限空间内可促进反应的高效催化转化和定向调控，具有重要的应用价值和理论意义。本项目主要研究内容和进行的主要工作包括：对纳米硅基材料进行筛选，对其限域结构进行构建；选择不同种类离子液体如咪唑类等与硫酸等Brønsted酸类形成酸性离子液体混合物，对烷基化反应的离子液体混合催化体系进行分析和比较；采用量化和分子动力学模拟方法，对不同种类和尺寸的纳米限域材料进行构建和模拟；对具有特定功能基团和酸碱度的离子液体体系，进行结构、电荷性质、轨道分布等催化反应相关性质的量子化学模拟；开发和建立考虑离子液体独特氢键作用的新型力场，对离子液体物理化学性质进行模拟和预测；对离子液体催化体系进行实验检测及物理化学性质测定，并与模拟结果进行比较和对照，通过实验和计算结果的相互验证，对计算方法和参数进行调整，优化计算方法和模型，并改进分子设计方法；计算模拟方法与实验表征手段相结合，对纳米限域离子液体以及复合离子液体催化体系的反应性质进行研究，对离子液体、限域材料以及限域空间离子与反应相关物种相互作用及活化机理进行研究。.课题对纳米限域环境内酸性离子液体体系阴阳离子与纳米结构相互作用进行明晰，对阴阳离子在限域环境中的特殊存在状态及其化学活性等进行了研究；对限域体系中离子簇等催化结构单元与反应相关物种的相互作用及稳定机制进行探讨，研究阴阳离子及离子簇催化反应规律及调控机制。本课题的进行从分子尺度揭示限域离子液体催化体系活性中心的形成及影响规律，获得限域离子液体催化结构、吸收及反应性质，为限域离子液体理论的发展和设计新型离子液体催化剂提供科学支撑。