绿色化学导论 固体酸和碱

第六章固体酸和碱绿色化学导论1目录26.1引言6.2聚合磺酸6.3聚合物负载路易斯酸6.4

硫酸化的氧化锆6.5负载的金属氧化物6.6稀土金属三氟甲磺酸盐6.7固体碱6.8沸石和相关材料6.9金属有机骨架材料6.10粘土6.11杂多酸化合物第一节

引言本章将继续讨论固体反应物的使用，如能减少有毒物质泄漏、更易检测、减少废物生成。液体酸具有腐蚀性，难以循环使用，并且在某些反应中是低活性或地选择性。上述反应是：在石油炼制过程中大量使用硫酸和氢氟酸，产生高辛烷汽油。36.1引言但氢氟酸（bp19.5oC）具有很强的生物活性，人体中超过2%或空气中50ppm将导致死亡。Olah提出加入季铵盐降低氟化氢挥发。另有公司申请专利使用较少的氟化氢。前述反应中Mobil公司使用22:1氟化氢/三氟化硼的1300ppm催化剂，2-丁烯的转化率为100%。烃制造商首次称此反应是一种温和的固体超酸催化剂，并能在连续流实验系统条件下稳定表现。46.1引言123UOP“烯烃”过程使用AlCl3/Al2O3

流化床在10-40

oC氢化再生。Exelus使用沸石和固定床反应器，在60-90oC经10-12h烷基化后，催化剂经氢化2h再生。此过程产生纯度大于98%的辛烷汽油。ABBLummus和AkzoNobel拥有“AlkyClean”工艺过程。使用沸石在70-90oC产生96辛烷汽油。目前该反应的固体催化剂已经实现产业化。56.1引言此外，也有用固体酸催化剂催化异丁烯二聚。例如，使用离子交换树脂-大孔树脂15催化二聚，然后氢化。氟化氢也用在苯与线性烯烃的烷基化反应来生产烷基洗涤剂，之后被磺化生产洗涤剂。在UOP过程中，有的用氟代硅烷-氧化铝催化剂代替氟化氢。66.1引言Hoechst-Celanese三步法制备布洛芬取代了六步法过程。其中，在酰基化的溶剂和催化剂中使用了氟化氢(图6.3)。替代氟化氢含有两种方法：使用UOP-Petresa催化剂或高表面积的聚合含氟代磺酸聚合物。76.1引言现已报道多种类型的超酸和碱。超酸是指至少和100%硫酸一样强的酸。酸度由指示器测定并用一个哈密顿函数H0表示。表6.1列出了一些超酸，顶部为最强的超酸。8液体6.1引言最强的布朗斯特酸是H(CHB11C11)。包含许多氟原子的非氧化性路易斯超酸足够强时，可以和氟代苯配位。许多固体酸，如粘土和分子筛的形状和尺寸是可以选择的，这些因素也会决定哪一种固体酸能够使用。下面将介绍不同类型的固体酸。9第二节聚合磺酸磺酸离子交换树脂能催化：酯化、醚化和水、乙醇对烯烃的加成反应，此部分见第五章。Degussa合成了与烷基磺酸基相似的聚硅氧烷，相比聚苯乙烯的120oC，它可以在230oC以下稳定。杜邦公司生产了一种聚合全氟代磺酸作为NafionH(如图)10它是三氟甲烷磺酸的聚合等效物用于1,2-二醇的频哪醇重排时，可避免脱水用于1,4-二醇和1，5-二醇却脱水6.2聚合磺酸聚合磺酸在苯胺的烷基化反应中非常有用，此反应不能在通常的离子交换树脂上完成，因为它的最高使用温度是120oC。由于二氢喹啉副产物，因此不能由丙酮与苯胺直接形成。116.2聚合磺酸环氧化物的溶液通过一根10cm的NafionH柱子就可以完成烷基化反应。尽管产率与那些用氯化锡(IV)和三氟硼酸乙酯催化的反应相当。具有的优点：替代用于膨胀高分子的溶剂CH2Cl2/47CFCl3/3CF3CH2OH溶剂，且无毒、不破坏臭氧层。126.2聚合磺酸Nafion催化剂的活性可通过硅胶、四甲基硅氧烷或四乙基硅氧烷和二甲基溶胶法加强。约增加100倍活性。上述催化剂比大孔树脂15（离子交换树脂）性能优越的多。在苯的卞化反应中，此催化剂比三氟甲磺酸具有更好的活性，而在此反应中，大孔树脂15和对甲苯磺酸是不活泼的。136.2聚合磺酸Nafion-硅胶类似物，可以由硅胶-凝胶法制备，在苯与1-十二碳烯的烷基化反应中得到99%的转化率。此法同样适用于芳烃化合物的酰化反应。这样就可以在一种聚合物上同时连接上磺酸和胺基而不彼此中和。14第三节聚合物负载路易斯酸布朗斯特酸和路易斯酸的无机载体的使用在第五章中讲述过，它们包括Contract公司生产的无机载体上作为“环境催化剂”的金属卤化物和质子酸，它们是在空气中稳定存在的无毒粉末，可多次使用。含羟基的聚丙烯用作与氯化铝和三氟化硼制备PPOAlCl2

和PPOBF2，这些化合物用于聚合异丁烯和异丁烯醚。可以重复多次使用。一种苯乙烯-二乙烯苯共聚物磺酸用作与氯化铝一起作为制备脂的催化剂，如制备乳酸丁酯，产率99.5%，这可能包括聚合物SO3AlCl2。15第四节硫酸化的氧化锆硫酸化氧化锆是已知最强的固体酸，它可以用作顺2-丁烯异构化丁烷与烷基异丁烯。可以由二氧化锆与硫酸反应或通过溶胶-凝胶法由锆盐制备。但它的结构说法不一。16硫酸锆高温分解制备材料的红外光谱的研究说明其表面上有双硫酸盐和单硫酸盐（如图），硫酸氢或环硫酸也是可能的。6.4硫酸化的氧化锆有作者认为四面体硫酸锆具有活性，而非单斜的氧化锆。当其加热失去硫酸，四面体可以转化为单斜体。也有认为单斜体有活性。在硫酸锆中加入铂、镱、锇、钯、铁、钇等金属可以加强其活性。锰可以增强其活性1000倍，但很快就分解了。铂作为一种引发剂，活性不大，但不分解。17硫酸化的氧化锆钨酸化的氧化锆钼酸化的氧化锆硫酸化的氧化钛硫酸化的氧化锡硫酸化的二氧化钛由于催化剂在煅烧或者还原条件下，硫酸根易失去，所以探索了更多的氧酸根负离子。第五节负载的金属氧化物烷氧基钽出来硅胶制备的硅胶负载氧化钽是环己酮贝克曼重排的催化剂。消除了副产物硫酸铵。烷基化反应也可以用氧化铁催化剂完成。高酸度的催化剂可以在氧化铁、锡和钛负载氧化钨制得。186.5负载的金属氧化物用CuFeO4作催化剂，苯被苄基化反应生成二苯甲烷，收率81.5%。使用5次，活性不降低。HNbMoO6

是一种强耐水性的固体催化剂，高表面的TiN已经用在高产率的烷基化反应中。19第六节稀土金属三氟甲磺酸盐稀土金属和一些其他金属三氟甲磺酸盐对水、醇和羧酸稳定。它们可以催化用作耐水性酸。通常不是固体催化剂，但能循环使用且活性不减。在聚苯乙烯微胶囊中的三氟甲磺酸钪易于过滤回收和重复使用且不失活性。在亚胺aldol反应中，其活性比非胶囊化的三氟甲磺酸钪的高，7次后保持活性（收率90%）。。206.4稀土金属三氟甲磺酸盐茴香醚能与乙酸酐发生乙酰化反应，收率99%。催化剂也可为三氟甲酸镱。用摩尔分数为1%的三氟甲磺酸钪作为催化剂可以很好的催化醇的酰化反应。用甲苯作为溶剂。216.4稀土金属三氟甲磺酸盐三氟甲酸钪也能催化羰基-烯反应。三氟甲酸稀土也能用作醛与芳环的反应。226.4稀土金属三氟甲磺酸盐它们也能催化一些通常的碱催化反应。它们适用于aldol反应、Diels-Alder反应、频哪醇和开环反应。三氟甲磺酸钇能作用于四氢呋喃聚合反应的催化剂。而三氟甲磺酸镝可用于乙烯基异丁基醚聚合反应的催化剂。三氟甲磺酸铪能催化芳香化合物的酰基化和烷基化反应。用于芳香化合物的消化时，能消除废酸。236.4稀土金属三氟甲磺酸盐十二烷基硫酸钪在水相分散剂中可作催化剂。该反应比在二氯甲烷中快5000倍。钪盐用于制备聚酯时，只有伯羟基可以反应。246.4稀土金属三氟甲磺酸盐三氯化铟是另一种在水中稳定存在的路易斯酸。它已被用作Diels-Alder反应和其他反应的催化剂，如6.25。此反应无需加入有机溶剂就可分离出有机层。三（五氟苯基）硼是一种对空气稳定、耐水的路易斯酸。在一些反应中只需2%就有效果。但循环使用未见报道。25第七节固体碱负载于氧化铝上的氟化钾就是一种固体碱。如下反应。它能在无溶剂条件下催化苯甲醛的Tishichenko反应。苯甲酸苄酯的收率为94%。碱金属和碱土金属碳酸盐能催化苯甲醛与丙二腈的Knoevenagel反应。266.7固体碱层状氢氧根和碳酸根双负离子镁铝盐称为水滑石（如Mg6Al2(OH)16CO3▪H2O）。水滑石煅烧前后生成的镁铝-氧化物都可以作固体催化剂。也被嵌入介孔硅胶中，增加附加尺寸和选择性。水滑石能催化许多化学反应。276.7固体碱28

催化水滑石

丙烯腈的醇加反应异丙醇对酮的还原反应甘油和甘油三油脂反应生成甘油单油酸酯4

煅烧的水滑石能催化苯胺反应，专一生成单烷基化衍生物，如图6.283

催化氰基三甲基硅烷对

醛酮的加成反应催化醛与活泼亚甲基的缩合反应当Aldol反应在0oC

时，得

到羟基酮，产率88%-97%

未发生脱水产生不饱和酮216.7固体碱氧化镁、氧化钙和羟磷灰石可催化氰基三甲基硅烷对环氧化物的反应，区域选择性为92%-99%，比在均相反应中高。这种酞氢四磺酸钴嵌入层状双氢氧根的镁铝盐，对2，6-二甲基苯酚的空气活性提高125倍。这种层状化合物也可以作为一些客体化合物，如碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐和多金属聚合物的主体，它们通过负离子交换置入主题化合物内。氧化铈和氧化镁的固溶胶能催化苯酚的邻位烷基化反应。296.7固体碱负载在硅胶上的苯酚盐能催化Michael反应，收率99%。烯烃，由氧化铝或氧化镁与碱金属氢氧化物或碱金属在氮气保护下制备。在介孔氧化铝的氧化钾也是一种超碱。30第八节沸石和相关材料定义：沸石是无机铝硅酸盐聚合物，包含AlO4和SiO4两个四面体单元，通过共享的氧原子相连，没有相邻的氧化铝单元。对于氧化铝来说，为了达到电中性，必须存在一个碱或碱土金属的另个正电荷。这些沸石的结构中含有一个、两个或者三个方向的通道，两个通道相交时可能形成一个大的笼。孔道中含有碱金属或者碱土金属正离子。如图31左图：ZSM-5沸石通道右图：X和Y型沸石注：每个拐角代表一个硅原子或铝原子I和II表示正离子可能存在的地方6.8沸石和相关材料硅-铝比率随着典型值而变化，如沸石A（1.0）、沸石X（1.1）、沸石Y（2.4）、无定型硅质岩。干燥后，一些沸石大约有50%的空隙。几种典型的沸石孔径和孔体积百分率见表6.2。孔径随着其中的正离子变化而变化，A型和X型沸石的数据见表6.3。326.8沸石和相关材料图6.33显示了沸石孔径和碳氢化合物的尺寸。336.8沸石和相关材料沸石的命名方式很多，但最普遍的是涉及这种材料首先被制备的地方。如ZSM-5，是zeoliteSOCONY-MobilNO.5，SOCONY代表公式名称为StandardOilofNewYork。沸石的制备1、可以通过硅酸钠、铝酸钠和氢氧化钠在模板氢氧化季胺盐存在下反应生成凝胶经陈化结晶制备（溶胶-凝胶法）2、非水解的溶胶-凝胶法使用氯化金属架金属醇盐。3、沸石A或沸石X由燃煤电厂的飞灰制备。346.8沸石和相关材料35合成各种季铵盐制备新结构的沸石四丙基氢氧化铵用来制备钛硅酸盐沸石十六烷基三甲基氯化铵和四甲基硅酸铵及铝酸钠用来合成中孔沸石也可以由亚撑和苯撑双三烷氧基硅烷合成材料乙二醇、正丙醇、环丁砜和吡啶被广泛应用非离子模板化合物（如胺类）也被应用非离子表面活性剂，可以用来代替胺类改性季铵盐模板烧掉后剩下的羟基呈酸性，可以用各种离子中和，如铯各种离子可用来交换沸石中的钠、钾和其他离子，添加稀土离子可以使沸石更稳定加入三氟化硼乙醚配合物能调节醚化反应的催化剂的酸性除去沸石中的铝可以使沸石更稳定HY型沸石的孔径尺寸可以通过硅烷和NO的连续处理来调整6.8沸石和相关材料牺牲模板法已被用于许多多孔材料。多孔陶瓷材料已用有机模板制备，之后有机模板被烧掉。一些有机聚合物有固定的微孔。如图6.35。沸石与分子筛因大小形状不同有不同用途。36优点很少甚至没有腐蚀性无污染易适应连续操作过程有热稳定性局限性微孔偶尔被二级产物堵塞而失活

可以通过建立连续的循环过程。先经反应器，再经过再生循环克服。难以适用大分子

层状沸石可以使用克服此局限6.8沸石和相关材料371234最大的用途是：洗涤剂，它可以从硬水中出去钙镁离子5沸石用处从直链中分离出支链烃（如用A型钙沸石）从混合二甲苯中分离对二甲苯（如用X型沸石）从空气中分离95%的氧气（用于炼钢和废水的处理）石油的催化裂解可以用稀土正离子稳定的X型和Y型沸石。6.8沸石和相关材料下面将给出一些用沸石催化有机反应更好的例子。Ghiba和Arco公司用沸石使苯与乙烯烷基化反应生成乙苯，然后转化为苯乙烯。达到99.7%的选择性和100%的转化率。在β-沸石催化下，苯与丙烯烷基化反应生成异丙苯，产率在99%以上。386.8沸石和相关材料联代苯在卤化和本甲酰化反应中都有利于生成对位产物。在H-ZSM-5沸石存在下用硝酸正丙酯对甲苯硝化得到95%的对位选择性。苯在170oC气相中以丝光沸石作催化能够被65%的硝酸硝化。这些方法避免了传统硝化处理大量副产物硫酸的问题396.8沸石和相关材料醇和酚与乙酸酐的乙酰化反应在60oC下用HSZ-360沸石作催化剂可在无溶剂条件下进行。胺与乙酸在HY沸石存在下生成乙酰胺，产率为98%-99%。在100oC无溶剂的条件下用H-β-沸石作为催化剂，乙酸酐与苯甲醚进行乙酰化以98%的产率得到4-甲氧基苯乙酮。催化剂回收、再生、重复利用，产率不下降，表明：不是所有的沸石都必须在高温、气相条件下使用。406.8沸石和相关材料在155oC下用Y9沸石催化剂，苯甲醚可以被脂肪酸或芳香酸以70%-87%的转化率乙酰化化成苯乙酮。使用H-ZSM-5沸石，43%转化率乙酰化化成苯乙酮。另一种情况下，邻位异构体优先生成。原因：可能因为在ZSM-5沸石中分子内环状过渡态较生成对位异构体的过渡更有利。这是Friess重排，对位产物比率为98.7：1.3。416.8沸石和相关材料萘和联苯同样也能够选择性地烷基化。426.8沸石和相关材料有时可以根据要得到的产物来决定选择哪种沸石。在气相中用甲醇对4-甲基咪唑经行烷基化就是如此。Meerwein-Ponnodorff-Verley还原反应的产物随着沸石催化剂的不同而发生变化。436.8沸石和相关材料使用不同的沸石可以高选择性的从烯丙醇得到丙烯醛、丙烯和烯丙基醚。氢化反应对沸石的大小和形状都有选择性。环己酮肟通过Beckman重排生成己内酰胺的反应中使用硫酸，最后生成低价的硫酸铵，当使用沸石或分子筛就没有硫酸铵生成。446.8沸石和相关材料使用不同的沸石可以高选择性的从烯丙醇得到丙烯醛、丙烯和烯丙基醚。氢化反应对沸石的大小和形状都有选择性。环己酮肟通过Beckman重排生成己内酰胺的反应中使用硫酸，最后生成低价的硫酸铵，当使用沸石或分子筛就没有硫酸铵生成。456.8沸石和相关材料用H-ZSM-5沸石将叔丁醇转化为新戊酸避免了硫酸的使用。在合成茉莉醛的过程中，用MCM-41代替氢氧化钠或氢氧化钾，用比例为1.5:1的苯甲醛/1-庚醛和5%的催化剂，得到90%的选择性和80%以上的转化率。466.8沸石和相关材料被包封在沸石中物质的光化学反应可以生成不同比例的产物，或者在一些情况下还能生成与液相不同的产物，产物的分布随沸石的改变而改变。芳基酯在沸石上的光重排反应得到不同的产物分布。二苯乙烯与氧化的光敏感氧化反应导致在溶液和在沸石上生成不同的产物。476.8沸石和相关材料甾族α，β-不饱和酮中双键的选择性还原需在异丙醇/正己烷用MCM-41和NaY沸石作催化剂才能进行。沸石也可用于聚合反应。总之，沸石和分子筛是多用途的固体酸和碱，能为反应提供大小和形状选择性。48第九节金属有机骨架材料典型的金属有机骨架由双功能的羧酸、磺酸、磷酸、氧肟酸Fe(III)、硼酸，或带二价金属离子的二胺组成。除了对苯二酸外，也有其他多功能酸。496.9金属有机骨架材料金属有机骨架也可用不同的二胺。一些多功能的酚可以和硼酸混合使用。506.9金属有机骨架材料Zn(II)是最普通的和酸共用的离子，也可以用Cu(II)、Co(II)或Ni(II)。三价和四价离子，如Eu(III)、La(III)、Ce(III)、Er(III)、Lu(III)、Yb(III)、Cr(III)、V(III)、Fe(III)和Zr(III)也可以使用。Zn(II)、Co(II)、Ni(II)和Pt(II)可以与二胺或三胺一起使用。多酚可用作与Sn、Mo、W、Cd和Nb反应。共价有机多孔性骨架有60%的开放空间，而沸石只有50%。开放的空间可以用作气体的储存。多种的化合物已被引入空穴中。Pd、Cu和Ag的金属纳米颗粒通过化学蒸汽沉积，然后被利用还原的方法引入对苯二酸锌中。51