CN104492487A - 一种二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂及其制备方法。所述催化剂采用氨烷基三烷氧基硅烷与丙烷磺内酯或丁烷磺内酯反应，得到含三烷氧基硅的内鎓盐,再用酸进行酸化，最后与正硅酸乙酯进行水解缩合，形成二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂。所述材料热稳定性高，酸值高，在2.5mmol/g以上，具有较大的表面积，催化效果好，可重复多次使用。

Description

一种二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及有机化学合成技术领域，特别涉及是一种二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂及其制备方法。

背景技术

在能源问题、环境问题出现危机的现今，以少量的能量不产生不必要的副产物仅有效地生成目的产物成为现代化工追求的目标。在现代化学产业中酸催化剂是必不可少的，广泛应用于药品、石油化学工业产品、高分子产品等各种各样产品的制造，但目前使用的大多为盐酸、硫酸之类的液体酸催化剂。在生产过程中使用的液体催化剂需要由碱中和，通过除去由中和生成的盐等工序，从产物中分离、回收。但是，上述中和与盐的除去工序中消耗相当一部分能量。另外，在市场上回收的盐供给过剩，其大多为可用性小的副产物，因此通常难于处理。

相对于上述情况，由于固体酸催化剂在分离、回收时不需要上述中和或盐的除去工序，可以不生成不必要的副产物，且节能地制造目的产物，因此这方面的研究已受到科学工作者的关注(Ishihara,K；Hasegawa,A；Yamamoto,H.Angew.Chem.Int.Ed.2001,40,4077.)。在固体酸催化剂的研究与开发方面，沸石、二氧化硅-氧化铝、含水铌等固体酸催化剂已成为化学工业的巨大成果，给社会带来很大贡献。另外，作为强酸聚合物，可认为将聚苯乙烯磺化得到的材料是固体酸，以往一直用作具有酸性的阳离子交换树脂。另外，已知在聚四氟乙烯骨架中具有磺基的Nafion(杜邦公司的注册商标)也是具有亲水性的极强的固体酸(固体超强酸)，已知它们作为具有大于液体酸的酸强度的超强酸起作用。但是，有对热不稳定、工业上使用时价格过高的问题。根据上述情况，从性能和成本等方面考虑，使用固体酸催化剂比使用上述液体酸更难于设计有利的工业工序，现今几乎所有的化学产业都依赖于液体酸催化剂。离子液体作为一种绿色环保催化剂和反应溶剂一直受到国内外学者的重视。

但离子液体在使用过程中的回收，特别是在与极性较大的醇类、羧酸类物质反应后，由于会溶解在有机物中很难分层而无法回收。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂，在传统离子液体结构中引入可水解的烷氧基硅，通过与正硅酸乙酯混合水解，合成二氧化硅复合离子液体固体酸材料，在保持离子液体高催化活性的基础上，简化材料的回收过程。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂，所述催化剂采用氨烷基三烷氧基硅烷与丙烷磺内酯或丁烷磺内酯反应，得到含三烷氧基硅的内鎓盐,再用酸进行酸化，得到阴离子为酸根的磺酸基功能化离子液体单体，最后将离子液体单体与正硅酸乙酯在乙醇水混合溶剂中进行水解缩合，形成二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂。

进一步，所述的氨烷基三烷氧基硅烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、2-氨乙基三乙氧基硅烷或2-氨乙基三甲氧基硅烷等中的一种，优选的为3-氨丙基三甲氧基硅烷。

进一步，所述酸为硫酸，盐酸，磷酸，对甲苯磺酸中的一种，优选的为硫酸。

本发明的另一个目的在于提供一种二氧化硅复合离子液体固体酸材料制备方法，该制备方法操作简单，产率高。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种如权利要求1所述的二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤a，内鎓盐的制备，以氨烷基三烷氧基硅烷为原料，四氢呋喃为溶剂，加入丙烷磺内酯或丁烷磺内酯混合后，加热搅拌得到内鎓盐；其中氨烷基三烷氧基硅烷与丙烷磺内酯或丁烷磺内酯的摩尔比为1:1；

步骤b，酸化，将内鎓盐溶于乙醇水混合溶剂后，加入等物质的量的酸在室温进行搅拌，得到均相的阴离子为酸根的离子液体溶液；

步骤c，固体酸材料的合成

向所述离子液体溶液中，加入摩尔比为1：0.5～1：5.0的正硅酸乙酯，继续进行加热搅拌水解缩合后，倾倒到蒸发皿中，在烘箱中进行溶剂挥发，进一步 反应过夜，再用热水洗涤3次，将固体在烘箱中干燥12h，即得二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂。

进一步，步骤a中所述四氢呋喃溶剂的用量为氨烷基三烷氧基硅烷质量的4～10倍。

进一步，步骤a中加热温度为70℃。

进一步，步骤a中得到的内鎓盐为白色固体，抽滤后，用浓度大于99％的乙醚或乙酸乙酯洗涤3次后，60℃进行真空烘干，得到内鎓盐；

进一步，步骤b中乙醇水混合溶剂中乙醇和水的体积比1:1。

进一步，步骤c中水解缩合反应时，加热温度为80℃。

进一步，步骤c中溶剂挥发温度和热水温度及烘干温度均为80℃。

将上述制备的酸性离子液体二氧化硅复合固体酸为催化剂,可用于酯化、缩合、烷基化、醚化等反应。

催化剂进行过滤回收，并用丙酮洗，烘干后，可直接用于下一次反应。

与现有技术相比，本发明的优点是：本发明的催化剂热稳定定性高，热分解温度在180℃以上；酸值高，在2.5mmol/g以上；具有较大的表面积；催化效果好，对一般的酸催化反应如：酯化、缩合、烷基化、醚化等有很高的催化活性；催化剂回收简便，可通过简单过滤分离，可重复多次使用。本发明合成的二氧化硅复合离子液体固体酸材料具有广泛的应用前景。

进一步，本发明催化剂的制备方法操作简单，产率高。

具体实施方式

以下将通过具体的实施例对本发明做进一步的阐述：

实施例1

二氧化硅复合3-氨丙基三甲氧基硅烷基离子液体固体酸材料的制备

第1步内鎓盐的制备

取3-氨丙基三甲氧基硅烷与1，4-丁烷磺内酯的物质量相等的原料，加入四氢呋喃溶剂，用量为3-氨丙基三甲氧基硅烷质量的6倍，于70℃进行加热搅拌2h后得到白色固体，然后抽滤，用浓度为99％乙醚洗涤3次后，60℃进行真空烘干，即得内鎓盐；

第2步酸化

将1g内鎓盐溶解在5g体积比1:1的乙醇和水混合溶剂中，加入与内鎓盐的物质量相等的硫酸，在室温下进行搅拌混合4h，得到相应的阴离子为硫酸氢根的离子液体溶液；

第3步二氧化硅复合离子液体固体酸材料合成

向上述离子液体溶液中加入与离子液体单体摩尔比为1：1.0的正硅酸乙酯，在80℃下继续进行加热搅拌聚合12h后，倾倒到蒸发皿中，在80℃烘箱中进行溶剂挥发进一步反应过夜，再用80℃热水洗涤3次，将固体在80℃烘箱中干燥12h即得二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂,其酸值4.2mmol/g,热解温度220℃。

实施例2-4

除以下不同外，其余同实施例1,氨烷基三烷氧基硅烷分别按表1所示，得到以下离子液体固体酸材料催化剂。

表1实施例2-4所用氨烷基三烷氧基硅烷和得到的催化剂参数

实施例5-6

除以下不同外，其余同实施例1,酸分别按表2所示，不同酸得到的催化剂结果如表2.

表2实施例5-6所用酸和得到的催化剂参数

实施例7

催化酯化反应:在备有电磁搅拌，温度计，回流冷凝管，分水器的100mL三颈瓶中加入0.1mol乙酸、0.15mol正丁醇、0.05g的实施例1制得的催化剂进 行70℃加热搅拌，反应4h,计算收率为95.1％.催化剂重用5次,催化活性没有改变.

实施例8

催化缩合反应:在备有电磁搅拌，回流冷凝管，分水器的100mL三颈瓶中加入0.1mol环己酮、0.12mol乙二醇、10ml环己烷和0.05g实施例6制得的催化剂，进行加热回流搅拌使反应产生的水与共沸剂共沸蒸出，反应1.5h左右,收率为99.5％.催化剂重用5次,催化活性没有改变.

实施例9

催化烷基化反应:在备有电磁搅拌，回流冷凝管，分水器的100mL三颈瓶中加入0.1mol邻苯二酚、0.2mol叔丁醇和0.1g实施例6制得的催化剂，进行加热回流搅拌，反应5h左右,收率为94％.催化剂重用5次,催化活性没有改变.

实施例10

催化醚化反应:在备有电磁搅拌，回流冷凝管，分水器的100mL三颈瓶中加入0.1mol2-萘酚、0.3mol甲醇和0.1g实施例6制得的催化剂，进行加热回流搅拌，反应6h左右,收率为90％.催化剂重用5次,催化活性没有改变。

Claims (10)

1.一种二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂，其特征在于：所述催化剂采用氨烷基三烷氧基硅烷与丙烷磺内酯或丁烷磺内酯反应，得到含三烷氧基硅的内鎓盐,再用酸进行酸化，得到阴离子为酸根的磺酸基功能化离子液体单体，最后将离子液体单体与正硅酸乙酯在乙醇水混合溶剂中进行水解缩合，形成二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂。

2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述的氨烷基三烷氧基硅烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、2-氨乙基三乙氧基硅烷或2-氨乙基三甲氧基硅烷中的一种。

3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述酸为硫酸，盐酸，磷酸，对甲苯磺酸中的一种。

4.一种如权利要求1所述的二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a，内鎓盐的制备，以氨烷基三烷氧基硅烷为原料，四氢呋喃为溶剂，加入丙烷磺内酯或丁烷磺内酯混合后，加热搅拌得到内鎓盐；其中氨烷基三烷氧基硅烷与丙烷磺内酯或丁烷磺内酯的摩尔比为1:1；

步骤b，酸化，将内鎓盐溶于乙醇水混合溶剂后，加入等物质的量的酸在室温进行搅拌，得到均相的阴离子为酸根的离子液体溶液；

步骤c，固体酸材料的合成

向所述离子液体溶液中，加入摩尔比为1：0.5～1：5.0的正硅酸乙酯，继续进行加热搅拌水解缩合后，在烘箱中进一步溶剂挥发反应，再用热水洗涤，将固体在烘箱中干燥，即得二氧化硅复合离子液体固体酸材料催化剂。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤a中所述四氢呋喃溶剂的用量为氨烷基三烷氧基硅烷质量的4～10倍。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤a中加热温度为70℃。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤a中得到的内鎓盐为白色固体，抽滤后，用浓度大于99%的乙醚或乙酸乙酯洗涤后，进行真空烘干，得到内鎓盐。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤b中乙醇水混合溶剂中乙醇和水的体积比1:1。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤c中水解缩合反应时，加热温度为80℃。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤c中溶剂挥发温度和热水温度及烘干温度均为80℃。