分子筛限域离子液体催化合成乙二醇的研究

Direct synthesis of ethylene glycol (EG) with high selectivity at the stoichiometric ratio has now become a frontier of petrochemical industry and a hot issue in academia. The main contents of this project are as follows: 1) Experiment, theory and simulation will be combined in the design and synthesis of hydroxyl (carbonyl, carboxyl) functionalized ionic liquids. 2) Relationship between structure-controllable ionic liquids and pore-size-adjustable molecular sieves will be investigated to obtain the law on synthesis of ionic liquids confined in molecular sieves. 3) Catalytic mechanism in confined space and ionic liquids scale effect on reaction could be uncovered via DFT and MD study, together with characterization such as XPS, NMR and in situ IR. 4) The main and side reactions could be selectively controlled for high EG yield . Base on the above studies, the reaction law and regulatory mechanism of confined ionic liquids on ethylene oxide hydration would be revealed, which constitutes the fundamental basis for design of confined ionic liquids and industrial synthesis of ethylene glycol.

乙二醇（EG）作为乙烯最大的含氧衍生物，实现其化学计量比下的高选择性合成不仅具有紧迫的工业背景，而且也是目前国际学术前沿方向。本项目拟采用实验、理论和计算紧密结合的研究方法，研究阳离子调变空间结构和阴离子调变酸碱度的作用，阐明功能化离子液体合成的规律；研究分子筛笼、孔道及骨架结构对阴阳离子的影响，阐明分子筛结构与离子液体结构之间的对应关系，获得离子簇在孔穴内的限域效应（电荷作用，氢键或非键作用等）；捕获阳离子和阴离子与C-O-C键合的过渡态物种及与H2O分子键合的中间体，阐明环氧乙烷开环方式、H2O分子进攻位点以及阴阳离子还原的状态，结合原位表征技术和DFT计算，揭示催化水合的反应历程和反应机理；通过对环氧乙烷水合主副反应选择性调控机制的研究，获得离子液体限域体系催化水合反应的规律性认识，为限域离子液体设计合成和乙二醇工业化提供科学依据和理论基础。

针对现有研究乙二醇合成反应催化体系稳定性差、活性组分流失、水比高及选择性低等问题，本项目结合结构可控、酸碱可调的离子液体与孔径尺度可调的分子筛等多孔材料，通过一步限域组装法合成了兼具活性与选择性的10余种限域离子液体催化剂。探究了限域离子液体构效关系以及催化乙二醇合成反应的结构性能规律，获得了高稳定高性能限域离子液体材料的结构调控机制。结合模拟计算与实验手段，考察了限域空间与阴阳离子对环氧分子的作用规律，最终揭示了限域离子液体催化反应机理。项目取得的成果对离子液体结构调控、反应活性与选择性调控以及离子液体催化反应扩散过程调控提供了重要的方法和参考，为离子液体催化合成乙二醇技术放大提供理论依据。