新型多功能多相界面催化剂的开发与应用

Interfacial catalysis, as one kind of heterogeneous phase-transfer catalysis, is always an important branch of catalytic chemistry and has become a new research subject due to their significant development in recent five years. Our research in this project centers on the preparation of amphiphilic porous functional materials and their applications in the interfacial catalysis. The goal of current project is to sovel the following problems: the quite low reaction rate of biphasic reactions; the difficulty in separation, purification and reusability when using conventional phase-transfer catalysts; the structural stability, catalytic efficiency and catalytic stability of the reported interfacial catalysts. After finishing this project, a significant progress in the design, preparation and application of interfacial catalysts will be achieved. Generally, the content includes the following topics: (1) the design, preparation and application of acid/basic interfacial catalysts; (2) the design, preparation and application of interfacial catalysts containing nobel metal nanoparticles; (3) the application of interfacial catalysts in the catalytic reactions using water as the green solvent; (4) the design of multifunctional interfacial catalysts and their applications in the one-pot cascade reactions.

本项目主要是根据绿色化工的需要，以我们研究小组率先提出的生长诱导腐蚀法制备高效多相界面催化剂的全新合成路线为基础，以设计和构筑高效多相界面一锅串联反应催化剂为核心，研究多相界面串联反应催化剂的合成方法、路线和机理，调控催化剂拓扑结构、活性中心的种类和空间分布规律，明晰多相界面串联催化剂的双亲性、拓扑结构、活性中心的种类及空间分布状态等性质与多相界面串联催化反应活性、选择性之间互应关系，实现绿色高效催化水相有机反应和多相界面串联有机反应的目标。.研究内容：(1)酸/碱型多相界面催化剂的设计；(2)贵金属负载型多相界面催化剂的开发；(3)多相界面催化剂在水系有机反应中的应用；(4)多功能多相界面串联催化剂的制备及其在水系多相界面串联有机反应中的应用研究。

上个世纪 90 年代，“绿色化学”和“可持续发展化学”的概念被逐渐引入科学研究和生产领域。根据绿色化工的需要,溶剂的选择尤为重要，水不仅是自然界生命体系中化学反应的介质,还是理想的的绿色溶剂，然而大多数有机物在水中溶解度极低,导致反应物与催化剂接触困难,反应十分缓慢。双亲型的化合物作为相转移催化剂可以有效的增加相之间的接触面积和加快反应物的传质速率,最终提高催化活性。目前以表面活性剂和具有催化活性位点的催化剂联合使用的实现方法因为有大量两亲表面活性剂的存在，最终在分离、回收和重复使用方面存在诸多问题。.为了解决上述问题，将相转移催化多相化，开发出新型的多相界面催化剂成为催化研究的一个新兴领域。这种催化剂在双相体系下能够形成均一稳定的微乳液，使相之间的接触面积和反 应物的传质都得到明显的改善；同时该体系具有巨大的反应界面和短的分子扩 散距离，能显著提高水相加氢、氧化、手性拆分等反应的效率。.课题组由构筑材料的基元模块分子入手，利用生长诱导腐蚀法、溶胶凝胶法和原位碳化法等手段设计合成了具有蛋黄壳结构、空心结构和树枝状结构的双亲性化多孔合物。从功能出发，利用所构筑材料的高比表面积、具有等级孔结构和表面存在不同反应位点的特性，制备了具有金属-酸碱双活性中心、双金属中心和金属-盐离子配位中心的连通反应催化材料。通过水相催化氧化反应、脱氢反应、偶联反应和加成反应等有机反应的研究，探索了催化剂拓扑结构，活性中心类型、性质和结构位置以及材料骨架的双亲性与有机反应活性和选择性的互应关系。阐明了宏观催化等性能与材料微观构筑基元结构及组装集成方式之间的关系，进一步发展了多相界面催化材料由功能出发引导定向设计合成的理论和机制，揭示了材料微观结构对于宏观催化性能的影响。