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定向催化氨解木质素衍生芳香化合物的C(sp2)–OMe键一步合成芳香胺的研究

批准号:
22072042
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
刘晓晖
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘晓晖

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
木质素C(sp2)–OMe键的一步定向催化氨解是非化石资源制芳香胺的一条绿色经济的新路线,但胺化试剂与C(sp2)–OMe在催化剂上的竞争吸附将影响C(sp2)–OMe的活化氨解,因此构建氨解条件下高选择性活化C(sp2)–OMe键的催化剂是木质素定向氨解的关键。我们前期的研究发现,配位不饱和的NbOx具有优异的C–O活化能力,为此本项目拟通过改变铌材料的形貌组成、掺杂具有空轨道金属M(易与N的孤对电子成键)来调控铌的配位状态、电子价态及Nb–M间距离,从而增强铌对C–O的活化并抑制其对胺的吸附,合适的Nb–M距离使M活化的胺进一步氨解活化后的C(sp2)δ+–Oδ−成为可能;另一方面,选择不同的胺化试剂,优化反应条件,明确氨解反应速控步,理清氨解机理;并结合原位表征和理论计算,制备出定向氨解C(sp2)–OMe的高效铌基催化剂,实现木质素衍生芳香化合物一步定向催化氨解制芳香胺的过程。
英文摘要
One-step and site-directed catalytic amination of C(sp2)–OMe in lignin can provide a new green and economical route from non-fossil energy sources to anilines. However, there is the competitive adsorption between C(sp2)–OMe and amination reagents on the catalyst surface for the amination of lignin. The selective activation of C(sp2)–OMe bond in the presence of amination reagents is the key to solve it. It has been found in our previous research that NbOx with high unsaturated coordination has a good ability of C–O bond activation. In this project, we intend to start to study from the design and preparation of Nb based materials. Coordination and electronic valence of niobium and the distance between Nb and metal M will be controlled in a certain range by altering the morphology and composition of Nb based materials and doping the metals (M) with empty orbits (easy to bond N with lone pair electrons from N of amination reagents) to enhance the activation of O and inhibit the adsorption of amine on Nb. Suitable distance between Nb and metal M makes further amination of the active C(sp2)δ+–Oδ− possible; on the other hand, various amination reagents with different substituents will be assembled in the amination of C(sp2)–OMe. The reaction conditions will be optimized and the rate-determining step and the mechanism of the amination of C(sp2)–OMe will be clarified. Correlated with in situ characterization and calculation theory, the Nb based catalysts for the site-directed and efficient amination of C(sp2)–OMe will be constructed and one-step catalytic synthesis of anilines from lignin-derived aromatic compounds via site-directed C(sp2)–OMe amination will be realized.
木质素C-OMe键的一步定向催化氨解是非化石资源制芳香胺的一条绿色经济的新路线。本项目首先选择苯甲醇取代胺化制备芳香胺为模型反应进行研究,发现水热法制备的氧化铌和磷酸铌具有很好的催化活性,苯甲醇转化率100%,N-苄基苯胺收率76.3%。通过反应级数、溶剂和空间位阻效应以及碳正离子的相关实验对铌基材料催化苯甲醇取代胺化的反应路径和机理进行研究,结果表明反应经历的是苯甲醇生成碳正离子的SN1反应机制。苯甲醇和苯胺的原位红外吸脱附实验证明,铌基材料能活化苯甲醇的C-O键以及苯胺的N-H键,促进碳正离子的生成及苯胺N-H键的断裂,从而具有优异的苯甲醇取代胺化催化活性。接着对愈创木酚及Beta-O-4的取代胺化反应进行研究,发现愈创木酚与苯胺发生烷基化反应,分别生成邻苯二酚和N-甲基苯胺,两者的收率分别为38.7%和37.7%。前期研究发现,NH3易吸附在铌基材料上毒化活性位;同时愈创木酚与苯胺发生烷基化反应而非取代胺化反应。因此,项目技术路线由木质素经取代胺化合成芳香胺调整为经借氢胺化/还原胺化合成芳香胺。在课题组已有的借氢胺化研究基础上,制备了Pt基/CeO2催化剂,将其应用于环己醇与NH3的借氢胺化反应中,并通过串联环己胺脱氢芳构化到苯胺的过程,开发了一条环己醇构建芳香胺的新策略。进一步将此催化剂应用于木质素解聚到对乙基环己醇以及对乙基环己醇脱氢——胺化——芳构化到对乙基苯胺的反应中,桦木木质素解聚所得对乙基环己醇的摩尔收率为47%;解聚后通入0.5 MPa NH3,借氢胺化产物对乙基苯胺的收率为31%。Pt基/CeO2的优异催化性能与其Pt物种的高度分散以及CeO2合适的酸碱性有关。基于反应时间曲线,明确了Pt基/CeO2催化剂上醇到胺的主要反应路径,并确定胺脱氢芳构化为芳香胺是整个反应过程的控速步骤;与此同时,通过对比环己胺、N-甲基环己胺以及N, N-二甲基环己胺三种脂肪胺上脱氢芳构化行为的差异,提出了胺脱氢为芳香胺的可能机理。由此可见,在Pt基/CeO2催化剂上,有望实现从木质素出发,一锅法解聚胺化制备芳香胺(对乙基苯胺)的过程。
精准活化木质素单元结构中C(sp2)-OMe键的Nb基催化剂的结构设计及调控研究
  • 批准号:
    21872050
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    刘晓晖
  • 依托单位:
糠醛制γ-戊内酯的高选择性Cu-Ni/铌固体酸多功能催化剂的制备及协同效应研究
  • 批准号:
    21403065
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    刘晓晖
  • 依托单位:
国内基金
海外基金