一种磁性钯复合催化剂及其制备方法和用途.pdf

本发明公开了一种磁性钯复合催化剂及其制备方法和用途，所述磁性钯复合催化剂以超顺磁性的Fe3O4@SiO2微球为载体，表面共价修饰负载氨基Pd(II)粒子，是通过依次制备Fe3O4纳米颗粒、核壳结构磁性纳米微球Fe3O4@SiO2、Fe3O4@SiO2固载型氨基配体后得到。本发明的磁性氨基钯复合催化剂能应用于Suzuki反应中，无论是对于具有供电子基还是吸电子基的卤苯都能达接近等量的转化，催化剂连续使用5次，催化活性没有明显下降，其原因是活性组分固载量没有明显的下降。

1.  一种磁性钯复合催化剂，其特征在于，所述磁性钯复合催化剂是以超顺磁性Fe₃O₄@SiO₂纳米微球作为载体，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球表面共价修饰负载氨基Pd(II)粒子，所述磁性钯复合催化剂的结构式为：
。

2.  根据权利要求1所述的磁性钯复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤为：（1）将Fe₃O₄@SiO₂纳米微球与氨水和3-氨基丙基三乙氧基硅烷反应得到修饰后的磁性配体Fe₃O₄@SiO₂@APTES；（2）将所述Fe₃O₄@SiO₂@APTES与醋酸钯或双乙腈氯化钯反应得到磁性钯复合催化剂。

3.  根据权利要求2所述的磁性钯复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球的制备包括步骤为：（1）以氯化亚铁、三氯化铁为原料，加碱和柠檬酸钠反应得到Fe₃O₄纳米颗粒固体；（2）将所述Fe₃O₄纳米颗粒固体制成悬溶液后与四乙氧基硅脂反应得到Fe₃O₄@SiO₂纳米微球。

4.  根据权利要求3所述的磁性钯复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球的制备具体步骤为：（1）惰性气体保护下，将氯化亚铁、三氯化铁和去离子水混合加热至40 ℃，滴加碱，保持此温度搅拌30分钟后升温，加入柠檬酸钠水溶液搅拌数小时，停止反应，外加磁场分离，得黑色Fe₃O₄颗粒，然后将所得黑色固体分散到一定体积乙醇溶液中制备成0.1 g mL^-1的Fe₃O₄悬浮液；（2）惰性气体保护下，取10 mL浓度为0.1g mL^-1 Fe₃O₄乙醇悬浮液中，加入总体积为60~120 mL的乙醇和水作为溶剂、1~5 mL氨水，分散均匀，加入1~10mL四乙氧基硅脂，室温搅拌1~12个小时，利用外加磁场分离，得到直径大小为80~350nm的Fe₃O₄@SiO₂纳米微球。

5.  根据权利要求3或4所述的磁性钯复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球的制备过程中，步骤（1）中所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙醇钠中的一种或多种，升温反应温度为80~120 ℃，所述柠檬酸钠水溶液的质量浓度为15~25%，得到的Fe₃O₄固体颗粒直径大小为40~250nm，步骤（2）中加入的乙醇和水的体积比为2：1。

6.  根据权利要求2所述的磁性钯复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述磁性钯复合催化剂的制备具体步骤为：（1）惰性气体保护下，向5 mL 0.1g mL^-1 Fe₃O₄@SiO₂乙醇悬浮液中加入无水乙醇120 mL，分散均匀，依次加入1~5 mL氨水、0.1~2 g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷反应24小时后得到修饰后的磁性配体Fe₃O₄@SiO₂@APTES；（2）惰性气体保护下，向0.1~1 g Fe₃O₄@SiO₂@APTES中依次加入5~50 mg醋酸钯或双乙腈氯化、反应溶剂，分散均匀后室温反应4小时，利用外加磁场，使得磁性材料与溶剂分离得到磁性钯复合催化剂。

7.  根据权利要求6所述的磁性钯复合催化剂的制备方法，其特征在于，制备所述磁性钯复合催化剂的步骤（2）中，所述溶剂为乙醇、四氢呋喃、甲苯、DMF、乙腈、水中的一种或多种。

8.  根据权利要求1所述的磁性钯复合催化剂的用途，其特征在于，所述磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应中，所述Suzuki反应的底物为卤代芳烃和硼酸，所述磁性钯复合催化剂的摩尔比是所述卤代芳烃的0.01%~1%。

9.  根据权利要求8所述的磁性钯复合催化剂的用途，其特征在于，所述卤代芳烃为缺电子卤代芳烃或富电子卤代芳烃，所述缺电子卤代芳烃为对硝基溴苯、邻硝基溴苯、2，4，二硝基溴苯、对乙酰基溴苯、对氰基溴苯、对三氟甲基溴苯、对氟溴苯、对氯溴苯、对硝基氯苯、邻硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、对乙酰基氯苯、对氰基氯苯、对三氟甲基氯苯、对氟氯苯、1,4-二氯苯，所述富电子卤代芳烃为碘苯、对甲碘苯、对乙基溴苯、对甲基溴苯、溴苯、对异丙基溴苯、对甲基氯苯、氯苯、对异丙基氯苯，所述硼酸为缺电子苯硼酸或富电子苯硼酸，所述缺电子苯硼酸为对氰基苯硼酸或对氯苯硼酸，所述富电子苯硼酸为对甲基苯硼酸、对甲氧基苯硼酸或苯硼酸。

10.  根据权利要求8所述的磁性钯复合催化剂的用途，其特征在于，所述Suzuki反应中所用溶剂为乙醇和水的混合溶剂或N，N-二甲基甲酰胺，所述Suzuki反应中所用碱为M₂CO₃或/和M₃PO₄，其中M为Li、Na、K、Cs中一种或多种，所述Suzuki反应中所用相转移催化剂为R₄NX季铵盐，其中R为H、C₁-C₁₈中一种或多种，X为Cl，Br，I中一种或多种，所述Suzuki反应的反应温度为60-130℃。

一种磁性钯复合催化剂及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种纳米贵金属催化剂，特别是涉及一种磁性可回收钯复合催化剂及其制备方法与应用，属于材料科学中的贵金属催化剂技术领域。
背景技术
均相贵金属催化剂具有反应活性高、可控性强和催化选择性好等优势，在有机偶联反应如Suzuki，Heck反应中有着广泛的应用，但是其存在难回收、易失活和易造成环境污染等缺点，这是工业生产亟待解决的问题。使用非均相贵金属催化剂替代均相催化剂，实现催化剂的回收虽然是一种可行的办法，但如何提高非均相催化剂的催化性能和回收效率是其中的关键点。磁性纳米颗粒催化、分离技术是解决这一问题的有效途径。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种磁性钯复合催化剂及其制备方法和用途，解决了现有偶联反应中使用非均相催化剂时材料催化性能和回收效率低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种磁性钯复合催化剂，所述磁性钯复合催化剂是以超顺磁性Fe₃O₄@SiO₂纳米微球作为载体，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球表面共价修饰负载氨基Pd(II)粒子，所述磁性钯复合催化剂的结构式为：
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提供一种磁性钯复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤为：（1）将Fe₃O₄@SiO₂纳米微球与氨水和3-氨基丙基三乙氧基硅烷反应得到修饰后的磁性配体Fe₃O₄@SiO₂@APTES；（2）将所述Fe₃O₄@SiO₂@APTES与醋酸钯或双乙腈氯化钯反应得到磁性钯复合催化剂。
在本发明一个较佳实施例中，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球的制备包括步骤为：（1）以氯化亚铁、三氯化铁为原料，加碱和柠檬酸钠反应得到Fe₃O₄纳米颗粒固体；（2）将所述Fe₃O₄纳米颗粒固体制成悬溶液后与四乙氧基硅脂反应得到Fe₃O₄@SiO₂纳米微球。
在本发明一个较佳实施例中，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球的制备具体步骤为：（1）惰性气体保护下，将氯化亚铁、三氯化铁和去离子水混合加热至40 ℃，滴加碱，保持此温度搅拌30分钟后升温，加入柠檬酸钠水溶液搅拌数小时，停止反应，外加磁场分离，得黑色Fe₃O₄颗粒，然后将所得黑色固体分散到一定体积乙醇溶液中制备成0.1 g mL^-1的Fe₃O₄悬浮液；（2）惰性气体保护下，取10 mL浓度为0.1g mL^-1 Fe₃O₄乙醇悬浮液中，加入总体积为60~120 mL的乙醇和水作为溶剂、1~5 mL氨水，分散均匀，加入1~10mL四乙氧基硅脂，室温搅拌1~12个小时，利用外加磁场分离，得到直径大小为80~350nm的Fe₃O₄@SiO₂纳米微球。
在本发明一个较佳实施例中，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球的制备过程中，步骤（1）中所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙醇钠中的一种或多种，升温反应温度为80~120 ℃，所述柠檬酸钠水溶液的质量浓度为15~25%，得到的Fe₃O₄固体颗粒直径大小为40~250nm，步骤（2）中加入的乙醇和水的体积比为2：1。
在本发明一个较佳实施例中，所述磁性钯复合催化剂的制备具体步骤为：（1）惰性气体保护下，向5 mL 0.1g mL^-1 Fe₃O₄@SiO₂乙醇悬浮液中加入无水乙醇120 mL，分散均匀，依次加入1~5 mL氨水、0.1~2 g 3-氨基丙基三乙氧基硅烷反应24小时后得到修饰后的磁性配体Fe₃O₄@SiO₂@APTES；（2）惰性气体保护下，向0.1~1 g Fe₃O₄@SiO₂@APTES中依次加入5~50 mg醋酸钯或双乙腈氯化、反应溶剂，分散均匀后室温反应4小时，利用外加磁场，使得磁性材料与溶剂分离得到磁性钯复合催化剂。
在本发明一个较佳实施例中，制备所述磁性钯复合催化剂的步骤（2）中，所述溶剂为乙醇、四氢呋喃、甲苯、DMF、乙腈、水中的一种或多种。
提供一种磁性钯复合催化剂的用途，所述磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应中，所述Suzuki反应的底物为卤代芳烃和硼酸，所述磁性钯复合催化剂的摩尔比是所述卤代芳烃的0.01%~1%。
在本发明一个较佳实施例中，所述卤代芳烃为缺电子卤代芳烃或富电子卤代芳烃，所述缺电子卤代芳烃为对硝基溴苯、邻硝基溴苯、2，4，二硝基溴苯、对乙酰基溴苯、对氰基溴苯、对三氟甲基溴苯、对氟溴苯、对氯溴苯、对硝基氯苯、邻硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、对乙酰基氯苯、对氰基氯苯、对三氟甲基氯苯、对氟氯苯、1,4-二氯苯，所述富电子卤代芳烃为碘苯、对甲碘苯、对乙基溴苯、对甲基溴苯、溴苯、对异丙基溴苯、对甲基氯苯、氯苯、对异丙基氯苯，所述硼酸为缺电子苯硼酸或富电子苯硼酸，所述缺电子苯硼酸为对氰基苯硼酸或对氯苯硼酸，所述富电子苯硼酸为对甲基苯硼酸、对甲氧基苯硼酸或苯硼酸。
在本发明一个较佳实施例中，所述Suzuki反应中所用溶剂为乙醇和水的混合溶剂或N，N-二甲基甲酰胺，所述Suzuki反应中所用碱为M₂CO₃或/和M₃PO₄，其中M为Li、Na、K、Cs中一种或多种，所述Suzuki反应中所用相转移催化剂为R₄NX季铵盐，其中R为H、C₁-C₁₈中一种或多种，X为Cl，Br，I中一种或多种，所述Suzuki反应的反应温度为60-130℃。
本发明的有益效果是：本发明的磁性钯复合催化剂及其制备方法和用途，该催化剂可以在外加磁场的作用下与反应介质快速分离开，大大提高了分离效率。同时由于磁性纳米微球的超大比表面积所带来的高负载率，该磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应中，无论是对于具有供电子基还是吸电子基的卤苯（卤元素可以是Cl、Br、I），都能达到接近等量的转化，催化剂连续使用5次，催化活性没有明显下降，其原因是活性组分固载量没有明显的下降。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的信息，其中：
图1是本发明的磁性钯复合催化剂中中间体的电镜结构图，图中a和b为纳米Fe₃O₄粒子的TEM表征图，c和d为Fe₃O₄@SiO₂纳米微球的TEM表征图；
图2是本发明的磁性钯复合催化剂中中间体的尺寸大小和磁性能图，图中e和f为Fe₃O₄粒子和Fe₃O₄@SiO₂纳米微球的DLS测定及磁性能测定图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
提供一种磁性钯复合催化剂，所述磁性钯复合催化剂是以超顺磁性Fe₃O₄@SiO₂纳米微球作为载体，所述Fe₃O₄@SiO₂纳米微球表面共价修饰负载氨基Pd(II)粒子，所述磁性钯复合催化剂的结构式为：
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请参阅图1，提供一种磁性钯复合催化剂的制备方法，包括步骤为：
（1）纳米Fe₃O₄的制备过程
在氮气保护下，向250 mL的四口瓶中加入2.5 g水合氯化亚铁、3.2 g三氯化铁和100 mL去离子水。加热反应液至40 ℃，滴加氨水10 g，保持此温度搅拌30分钟，升温至80 ℃，加入8.8 g柠檬酸钠水溶液（溶于50 mL的去离子水）搅拌1.5小时。停止反应，自然降温至室温，外加磁场分离，得黑色固体。用去离子水洗涤三次固体，然后将所得黑色固体分散到20mL乙醇溶液中制备成Fe₃O₄悬浮液。
（2）Fe₃O₄@SiO₂的制备过程
在氮气保护下，向上述Fe₃O₄悬浮液中加入80 mL乙醇、20 mL去离子水和5 mL氨水，反应液在超声仪中超声45分钟。加入1-10mL的四乙氧基硅脂（TEOS），室温搅拌4个小时。利用外加磁场分离，除去上清液，去离子水洗涤3次，乙醇洗涤3次，得到不同尺寸大小的Fe₃O₄@SiO₂纳米微球。将该固体分散到一定体积的乙醇溶液中制备成0.1 g mL^-1的Fe₃O₄@SiO₂悬浮液。
（3）纳米磁性材料（Fe₃O₄@SiO₂@APTES）的制备过程
在氮气保护下，向四口瓶中加入新合成的Fe₃O₄@SiO₂悬浮液5 mL，加入无水乙醇30 mL，在超声仪中超声0.5个小时，使其分散均匀后，加入1 mL氨水，3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）0.38 g，机械搅拌下室温反应24小时。反应结束后，用无水乙醇洗涤三次，水洗涤三次，磁性分离获得黑色固体后，真空干燥3个小时，即可得到修饰后的磁性配体Fe₃O₄@SiO₂@APTES 0.38 g。
（4）磁性材料负载贵金属Pd催化剂（Fe₃O₄@SiO₂@APTES@PdCl₂）的合成
在氮气保护下，将新合成的磁性配体Fe₃O₄@SiO₂@APTES 0.6 g加入至反应瓶中，依次加入双乙腈氯化钯12.97 mg，新蒸的四氢呋喃20 mL。在超声仪中超声0.5个小时，使其分散均匀后，室温反应4个小时。反应结束后，利用外加磁场，使得磁性材料与溶剂分离，除去有机溶剂。用新蒸的四氢呋喃洗涤三次。50 ℃干燥3小时，得到灰黑色固体产品0.621 g。
实施例二：
本实施方式与具体实施例一不同的是：步骤（1）中采用的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水和乙醇钠。其它步骤和实施方式与具体实施例相同。
实施例三：
本实施方式与具体实施例一或二不同的是：步骤（1）中采用的反应温度为80~120 ℃。其它步骤和实施方式与具体实施例相同。
实施例四：
本实施方式与具体实施例一至三之一不同的是：步骤（1）中采用的柠檬酸钠水溶液质量分数为15~25%（w/w）。其它步骤和实施方式与具体实施例一至三相同。
实施例五：
本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤（2）中加入TEOS的用量为1~10mL，调节TEOS的用量可以获得80~350nm的磁性微球。其它步骤和实施方式与具体实施例一至四相同。
实施例六：
本实施方式与具体实施例一至五之一不同的是：步骤（3）中加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）的用量为 0.1~2 g。其它步骤和实施方式与具体实施例一至五之一相同。
实施例七：
本实施方式与具体实施例一至六之一不同的是：步骤（4）中加入双乙腈氯化钯的用量为5~50 mg。其它步骤和实施方式与具体实施例一至七相同。
实施例八：
本实施方式与具体实施例一至七之一不同的是：步骤（4）中加入乙醇、甲苯、DMF、乙腈和水。其它步骤和实施方式与具体实施例一至七相同。
实施例九：
本实施方案中磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应时按照以下条件进行的：
在氩气保护下，向反应管中分别加入对卤代芳烃（0.55 mmol，0.1 g）、硼酸（0.67 mmol，0.104 g）、磁性钯复合催化剂（以Pd含量计算0.05 mol %， 0.0033 g）、无水碳酸钾（1.38 mmol，0.192 g）、相转移催化剂四丁基溴化铵TBAB（0.225 mmol，0.09 g）、无水乙醇0.5 mL和去离子水0.5 mL。磁力剧烈搅拌，加热至80 ℃，维持此温度，直至反应结束为止（高效液相色谱跟踪检测）。反应结束后，先分离催化剂，后减压蒸馏出去所有溶剂，用乙酸乙酯洗涤固体三次，所有的有机相减压蒸馏，得到粗产品，通过过层析柱进行色谱分离进一步纯化产品。分离出来的催化剂用乙醇洗涤三次，干燥，催化下一组反应。
实施例十：
本实施方式与具体实施例九不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应，底物为卤代芳烃和硼酸，所用催化剂用量是卤代芳烃的0.01%~1%。其它步骤和实施方式与具体实施例一至十之一相同。
实施例十一：
本实施方式与具体实施例一至十之一不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应使用的溶剂为N，N二甲基甲酰胺。其它步骤和实施方式与具体实施例一至十一之一相同。
实施例十二：
本实施方式与具体实施例一至十一之一不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应使用的碱是用的碱为M₂CO₃或M₃PO₄，其中M为Li、Na、K、Cs中任意至少一种。其它步骤和实施方式与具体实施例一至十一之一相同。
实施例十三：
本实施方式与具体实施例一至十二之一不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应使用的反应温度为60-130℃。其它步骤和实施方式与具体实施例一至十二之一相同。
实施例十四：
本实施方式与具体实施例一至十三之一不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应，所用硼酸为苯硼酸，所用的缺电子卤代芳烃为对硝基溴苯、邻硝基溴苯、2，4-二硝基溴苯、对乙酰基溴苯、对氰基溴苯、对三氟甲基溴苯、对氟溴苯、对氯溴苯、对硝基氯苯、邻硝基氯苯、2，4-二硝基氯苯、对乙酰基氯苯、对氰基氯苯、对三氟甲基氯苯、对氟氯苯、1,4-二氯苯；富电子卤代芳烃为甲基碘苯、碘苯、对乙基溴苯、对甲基溴苯、溴苯、对异丙基溴苯、对甲基氯苯、氯苯、对异丙基氯苯。其它步骤和实施方式与具体实施例一至十三之一相同。
本实施中的反应方程式如下：
，其中R为4-NO₂,2-NO₂, 2,4-di-NO-₂,4-COCH₃, 4-CN, -CF₃,-F,-Et,-Cl,-CH₃,-H,-C(CH3)₃,X为I, Br, Cl。
。
实施例十五：
本实施方式与具体实施例一至十四之一不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应，所用缺电子苯硼酸为对氰基苯硼酸。其它步骤和实施方式与具体实施方式一至十四之一相同。

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实施例十六：
本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应，所用缺电子苯硼酸为对氯苯硼酸。其它步骤和实施方式与具体实施方式一至十五之一相同。

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实施例十七：
本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应，所用缺电子苯硼酸为对甲基苯硼酸。其它步骤和实施方式与具体实施方式一至十六之一相同。


反应情况见此表。
实施例十八：
本实施方式与具体实施方式一至十七之一不同的是：磁性钯复合催化剂应用于Suzuki反应，所用缺电子苯硼酸为对甲氧基苯硼酸。其它步骤和实施方式与具体实施方式一至十七之一相同。

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以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。