含磷/膦酸基团催化材料在酯化反应中的应用研究

论文摘要

含磷/膦酸基团材料在催化裂解、异构化、环化等有机反应中取得了很大的进展,但在酯化或酯交换反应中应用较少。本文通过简单的合成方法,制备或改性得到一系列含磷/膦酸基团材料,将其用于催化各种酯化反应。并利用元素分析、红外光谱（FT-IR）、X-射线分析、孔结构分析、热重分析等方法对所合成催化材料的结构和性质进行了系统表征。1.采用室温固相法,以草酸铵、乙酸铵、EDTA、三乙烯二胺和咪唑作为模板剂,合成了热稳定性良好的不同形貌的磷酸镉铵材料。结果表明,模板剂的使用能够有效的控制产物的形貌,防止团聚。这一系列材料对乙酸与正丁醇酯化反应的催化效果良好,尤其以乙酸铵和三乙烯二胺做模板剂合成的磷酸镉铵催化效果最好。2.将1-羟基亚乙基二膦酸（PA）负载于NaY型分子筛制备出固体酸催化剂（PA/NaY）。有机膦酸分子分布在NaY分子筛孔道中,并与分子筛的活性位点发生反应和交换,从而产生酸位点。因此,对催化合成乙酸正丁酯、硬脂酸正丁酯、硬脂酸乙酯和油酸乙酯等酯化反应均具有较好的效果。Box-Behnken设计在酯化反应中得到了应用,能够较好地优化反应条件和预测出反应转化率。催化合成乙酸正丁酯和硬脂酸乙酯较好的符合拟均相二级不可逆反应,而拟均相二级可逆反应较好的描述了催化合成硬脂酸正丁酯和油酸乙酯的反应。3.将Na型氨基膦酸树脂转化成H型,用于催化合成油酸乙酯。在单因素实验的基础上采用Box-Behnken设计原理优化实验,当树脂用量为2.9g,醇酸摩尔比为14:1时,在115℃下反应10h油酸的转化率达到92.02±0.74%,而理论预测值Y=91.19%。在动力学研究中,采用拟均相二级可逆反应模型较好的拟合了实验数据,并得到该反应的正、逆活化能分别为36.89kJ·mol-1和11.76kJ·mol-1,以及指前因子分别为62.18和3.24×10-2。4.在课题组研究的基础上制得氨基膦酸改性硅胶,对催化油酸和乙酸酯化反应具有较好的效果。通过响应面法得到最优条件:催化剂用量4.0g,醇酸摩尔比8.5:1和温度110℃。在此优化条件进行实验,反应3次,实际测得的平均转化率为76.55±0.80%,而理论预测值为78.39%。在动力学研究中,采用拟均相二级可逆反应模型较好的拟合了实验数据,并得到该反应的正、逆活化能分别为16.97kJ·mol-1和14.33kJ·mol-1,以及指前因子分别为6.06×10-2和8.36×10-2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 酯化或酯交换反应制备生物柴油的催化剂研究进展
• 1.1.1 碱催化法
• 1.1.1.1 液体碱催化剂
• 1.1.1.2 固体碱催化剂
• 1.1.2 酸催化法
• 1.1.2.1 液体酸催化剂
• 1.1.2.2 固体酸催化剂
• 1.1.3 酶催化剂
• 1.1.4 超临界法
• 1.2 含磷/膦酸基团催化材料的研究进展
• 1.2.1 磷酸盐分子筛
• 1.2.1.1 磷酸铝系列分子筛
• 1.2.1.2 其他金属磷酸盐
• 1.2.2 有机膦酸盐
• 1.2.3 膦酸树脂
• 1.3 本课题的提出及研究内容
• 第二章 磷酸镉铵的合成及其催化性能
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要仪器与试剂
• 2.2.2 主要表征方法
• 2.2.3 磷酸镉铵的合成
• 2.2.4 催化试验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 磷酸镉铵的表征
• 2.3.1.1 热重分析
• 2.3.1.2 X-射线衍射分析
• 2.3.1.3 SEM 表征及分析
• 2.3.2 磷酸材料的催化性能
• 2.4 本章小结
• 第三章 PA/NaY 负载型催化材料的制备及其催化性能
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 PA/NaY 的制备
• 3.2.2 催化合成乙酸正丁酯及其动力学实验
• 3.2.3 催化合成硬脂酸正丁酯及其动力学实验
• 3.2.4 催化合成硬脂酸乙酯及其动力学实验
• 3.2.5 催化合成油酸乙酯及其动力学实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PA/NaY 负载型固体酸的表征
• 3.3.1.1 FT-IR 分析
• 3.3.1.2 X-射线衍射分析
• 3.3.1.3 孔结构分析
• 3.3.1.4 热重分析
• 3.3.2 响应面法优化合成乙酸正丁酯及其动力学研究
• 3.3.2.1 单因素实验
• 3.3.2.2 响应面的分析设计
• 3.3.2.3 数据输入及响应面分析法处理
• 3.3.2.4 响应面优化反应条件
• 3.3.2.5 动力学研究
• 3.3.3 响应面法优化合成硬脂酸正丁酯及其动力学研究
• 3.3.3.1 单因素实验
• 3.3.3.2 响应面的分析设计
• 3.3.3.3 数据输入及响应面分析法处理
• 3.3.3.4 响应面优化反应条件
• 3.3.3.5 动力学研究
• 3.3.4 响应面法优化合成硬脂酸乙酯及其动力学研究
• 3.3.4.1 单因素实验
• 3.3.4.2 响应面的分析设计
• 3.3.4.3 数据输入及响应面分析法处理
• 3.3.4.4 响应面优化反应条件
• 3.3.4.5 动力学研究
• 3.3.5 响应面法优化合成油酸乙酯及其动力学研究
• 3.3.5.1 单因素实验
• 3.3.5.2 响应面分析设计
• 3.3.5.3 数据输入及响应面分析法处理
• 3.3.5.4 响应面优化反应条件
• 3.3.5.5 动力学研究
• 3.4 PA/NaY 催化各酯化反应的效果对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 氨基膦酸树脂的改性及其催化性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 氨基膦酸树脂的酸改性
• 4.2.2 催化合成油酸乙酯及其动力学实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 单因素实验
• 4.3.2 响应面法优化合成油酸乙酯
• 4.3.2.1 响应面分析设计
• 4.3.2.2 数据输入及响应面分析法处理
• 4.3.2.3 响应面优化反应条件
• 4.3.3 动力学研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 CPTS 桥联氨基膦酸型硅胶的合成及其催化性能
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 CPTS 桥联氨基膦酸型硅胶的合成
• 5.2.1.1 硅胶的活化
• 5.2.1.2 SG-TETA-P 的合成
• 5.2.2 催化合成油酸乙酯及其动力学实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 CPTS 桥联氨基膦酸型硅胶的表征
• 5.3.1.1 FT-IR 分析
• 5.3.1.2 能谱分析表征
• 5.3.1.3 孔结构分析
• 5.3.1.4 热重分析
• 5.3.2 单因素实验
• 5.3.3 响应面法优化合成油酸乙酯及其动力学研究
• 5.3.3.1 响应面设计
• 5.3.3.2 数据输入及响应面分析法处理
• 5.3.3.3 响应面优化反应条件
• 5.3.4 动力学研究
• 5.4 含磷/膦酸材料催化合成油酸乙酯的性能对比
• 5.5 含磷/膦酸材料催化酯化反应的机理
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢