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膦酸锆、杂化磷酸锆的合成、表征插层及催化性能研究

曾仁权

   膦酸锆、杂化磷酸锆的合成、表征、插层及催化研究对于主-客体超分子化学、多功能材料的性质、制备、应用和开发具有重要意义。本文通过类Mannich方法合成了10种α-氨基膦酸衍生物,进行了元素分析、红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1H NMR)和核磁共振磷谱(31P NMR)等表征,详细讨论了它们的结构。 本文合成了层状甲基、乙基、丙基、丁基、庚基、癸基-N,N-双甲基膦酸锆主体及相应的6种苯胺插层化合物,并进行了元素分析、电感偶合等离子发射光谱(ICP)、X射线粉末衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、激光拉曼光谱(Raman Spectra)、扫描电镜(SEM)、热重分析(TG-DSC)等表征。结果表明6种膦酸锆组成:Zr(O3PCH2)2N(CH2)nCH3·xH2O (n=0,1,2,3,6,9),层间距:1.046~1.962 nm,其结构;带有机侧链的双膦酸连在主体的同一层板上。苯胺插层化合物组成:Zr(O3PCH2)2N(CH2)nCH3·xC6H5NH2·yH2O,层间距:1.097~2.526 nm,苯胺以单分子层排列于主体层间。苯胺聚合反应结果表明聚苯胺并没有包夹在主体层间,而是分散在主体微粒之间。 本文合成了x=1.0的层状晶态和无定形脯氨酸-N-甲基膦(磷)酸锆(分别记为:α-ZLPMPAx=1和ZLPMPAx=1),并进行了相应表征。α-ZLPMPAx=1的组成:Zr(O3PG)(HPO4)·H2O,层间距:1.520 nm,理想结构模型:有机基团与无机基团尽可能均匀地交错排布。通过振荡法、回流法和微波法研究了丁胺(BA)、庚胺(HA)、癸胺(DA)、精氨酸(Arg)、赖氨酸(Lys)、组氨酸(His)等碱性客体分子与α-ZLPMPAx=1主体的插层反应,每个α-ZLPMPAx=1主体分子分别嵌入:0.43 BA、0.34 HA、0.33 DA、0.20 Arg、0.54 Lys和0.39 His。插层化合物α-ZLPMPAx=1-BA、α-ZLPMPAx=1-HA、α-ZLPMPAx=1-DA成功地吸附了酚。 本文合成了4种层状晶态、无定形甘氨酸-N,N-双甲基膦(磷)酸锆(分别记为:α-ZGMDPAx=0.66、α-ZGMDPAx=2、ZGMDPAx=0.66、ZGMDPAx=2),并进行了相应表征。α-ZGMDPAx=0.66、α-ZGMDPAx=2的组成分别为: Zr[(O3PCH2)2NCH2COOH]0.33 (HPO4)1.34·0.70 H2O和Zr[(O3PCH2)2NCH2COOH]·H2O,层间距分别为:1.542和1.271 nm。考察了烷基单胺(甲胺(MA)、乙胺(EA)、丙胺(PA)、BA、HA、DA)、烷基多胺(乙二胺(1E2A)、二乙基三胺(2E3A)、三乙基四胺(3E4A)、四乙基五胺(4E5A)、1,3-丙二胺( PDA))和六氢吡啶(HHP)等客体分子与α-ZGMDPAx=0.66、α-ZGMDPAx=2主体的插层反应。烷基单胺、杂环化合物以双分子层排列于α-ZGMDPAx=0.66主体层间,烷基多胺在α-ZGMDPAx=0.66、α-ZGMDPAx=2主体中产生了多种排列方式。 本文以无定形ZLPMPAx=1、ZGMDPAx=0.66、ZGMDPAx=2为载体制备了固体碱,固体碱强度H-:9.3~15.0,在微波辐射、无溶剂或加热条件下,催化芳香醛与活泼亚甲基化合物的Knoevenagel反应产率:76.4~91.1 %,能重复使用4次以上,是一类环境友好催化剂。ZGMDPAx=0.66固载钯配合物催化Suzuki反应的取代联苯产率:81.4 %。 本文合成了6种不同x值的层状晶态和无定形苄基-N,N-双甲基膦(磷)酸锆(分别记为:α-ZBMDPA、ZBMDPA),并进行了相应表征。α-ZBMDPAx=1.0的组成:Zr[C6H5CH2N(CH2PO3)2]0.5(HPO4)·2.1 H2O,层间距:2.034 nm,其理想结构:层间苯环与苯环相对。详细研究了α-ZBMDPAx=1.0的插层反应性能,成功地将客体分子:烷基单胺(MA、二甲胺(DMA)、三甲胺(TMA)、EA、二乙胺(DEA)、三乙胺(TEA)、PA、BA、二丁胺(DBA)、三丁胺(TBA)、HA、DA)、烷基多胺(1E2A、2E3A、3E4A、4E5A、PDA)、杂环化合物(四氢吡咯(TPR)、HHP、吗啉(ML)、哌嗪(PH))嵌入层状化合物α-ZBMDPAx=1.0层间,烷基单胺、杂环化合物在α-ZBMDPAx=1.0主体层间单分子层排列并与主体层板倾斜成一定角度,烷基多胺也有多种排列方式。插层化合物α-ZBMDPAx=1.0-BA\α-ZBMDPAx=1.0HA、α-ZBMDPAx=1.0-DA成功地吸附了酚,α-ZBMDPAx=1.0-3E4A、α-ZBMDPAx=1.04E5A吸附了甲醛。 本文合成了无定形ZBMDPA载体固载多胺(1E2A、2E3A、3E4A、4E5A)配体及4种钯配合物,进行了FTIR、原子吸收光谱(AAS)、X射线光电子能谱(XPS)、XRD等表征,苄基-N,N-双甲基膦(磷)酸锆多胺配体固载钯配合物催化卤代芳烃与芳基硼酸的Suzuki反应,结果表明碘代芳烃偶联反应产率:92.1 %,催化剂与产物分离容易,催化剂能重复使用5次以上,而对溴代芳烃和氯代芳烃催化活性较低。本文通过微波辐射、超声波震荡、回流法等研究了His、Arg、Lys与α-Zr(HPO4)2·H2O(α-ZrP)的超分子插层组装,这些客体以单分子层排列在α-ZrP主体层间,每个α-ZrP分子分别嵌入:0.50 His、0.13 Arg和0.84 Lys。插层化合物α-ZrP-His对水相中丙酮与4-硝基苯甲醛Aldol反应具有一定的催化活性和一定的重复使用性,是一类值得进一步研究的多相催化材料。……   
[关键词]:α-氨基膦酸衍生物;膦酸锆;杂化磷酸锆;合成;表征;插层;催化
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:四川大学2007年