共价有机框架-杂多酸复合材料用于非均相催化烯烃环氧化

doi:10.7503/cjcu20230282

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 20230282.doi: 10.7503/cjcu20230282

• 研究论文: 无机化学 • 上一篇

共价有机框架-杂多酸复合材料用于非均相催化烯烃环氧化

孔祥宇¹^,², 廖力³, 卢灿忠¹^,²(), 方千荣³()

^1.中国科学院福建物质结构研究所, 福州 350025
^2.上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
^3.吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室, 长春 130012

收稿日期:2023-06-14 出版日期:2023-12-10 发布日期:2023-09-14
通讯作者: 方千荣 E-mail:czlu@fjirsm.ac.cn;qrfang@jlu.edu.cn
作者简介:卢灿忠, 男, 博士, 研究员, 主要从事多酸、配位聚合物、有机-无机复合材料、光电转换材料等领域的研究. E-mail: czlu@fjirsm.ac.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2022YFB3704900);国家自然科学基金(52073286)

Application of Covalent Organic Framework-Polyoxometalates Composites in Heterogeneous Catalytic Epoxidation of Olefins

KONG Xiangyu¹^,², LIAO Li³, LU Canzhong¹^,²(), FANG Qianrong³()

^1.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 350025，China
^2.School of Physical Science and Technology，Shanghai Tech University，Shanghai 201210，China
^3.State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry，Jilin University，Changchun 130012，China

Received:2023-06-14 Online:2023-12-10 Published:2023-09-14
Contact: FANG Qianrong E-mail:czlu@fjirsm.ac.cn;qrfang@jlu.edu.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2022YFB3704900);the National Natural Science Foundation of China(52073286)

摘要/Abstract

摘要：

共价有机骨架是一种结晶性多孔材料, 在非均相催化方面有着巨大的应用潜力. 本文利用缺电子结构萘二酰亚胺(NDI)的衍生物作为单体, 合成了一种新型功能性共价有机框架材料COF-FL-2. COF-FL-2具有较大的孔径和良好的吸附性能, 骨架上的NDI结构能通过π-阴离子作用与杂多酸形成稳定的功能性复合材料. 通过将磷钨酸(PTA)负载在COF-FL-2上, 进一步制备了一种新型杂化杂多酸基复合物PTA@COF-FL-2. PTA@COF-FL-2对以过氧化叔丁醇（t-BuOOH）为氧化剂的烯烃环氧化反应表现出高的催化活性, 可以在温和的条件下将环辛烯和1-辛烯环氧化成相应的环氧化物. PTA@COF-FL-2具有出色的稳定性, 在反应条件下可长期使用, 使用时无PTA浸出现象. 此外, PTA@COF-FL-2回收非常方便, 可以多次循环使用.

关键词: 共价有机框架, 杂多酸, 非均相催化, 负载材料, 烯烃环氧化

Abstract:

Covalent organic frameworks are crystalline porous materials with great application potential in heterogeneous catalysis. We synthesized a new functional covalent organic framework， COF-FL-2， using derivatives of electron-deficient naphthalene diimide（NDI） as monomers. COF-FL-2 has a large pore size and good adsorption performance. The NDI structure on the skeleton can form a stable functional composite with polyoxometalates through π-anion interaction. A novel hybrid heteropolyacid complex， PTA@COF-FL-2， was prepared by loading phosphotungstic acid（PTA） on COF-FL-2. Remarkably， PTA@COF-FL-2 shows high catalytic activity for the epoxidation of olefins with t-BuOOH as the oxidant， and can epoxidate cyclooctene and 1-octene into the corresponding epoxides under mild conditions. PTA@COF-FL-2 can be used for a long time under reaction conditions， and there is no PTA leaching phenomenon when used. In addition， PTA@COF-FL-2 is very convenient to recycle and can be recycled many times.

Key words: Covalent organic framework, Polyoxometalate, Heterogeneous catalysis, Loading material, Epoxidation of alkene

中图分类号:

O611

TrendMD:

孔祥宇, 廖力, 卢灿忠, 方千荣. 共价有机框架-杂多酸复合材料用于非均相催化烯烃环氧化. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230282.

KONG Xiangyu, LIAO Li, LU Canzhong, FANG Qianrong. Application of Covalent Organic Framework-Polyoxometalates Composites in Heterogeneous Catalytic Epoxidation of Olefins. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230282.

图/表 7

Fig.1 PXRD patterns(A), AA⁃stacking(B) and AB⁃stacking structures(C) of COF⁃FL⁃2

Fig.2 PXRD patterns of COF⁃FL⁃2 after treatment with different solutions for 24 h(A) and PTA@COF⁃FL⁃2 after immersed in PTA(B)

Fig.3 SEM images of COF⁃FL⁃2(A) and PTA@COF⁃FL⁃2(B)

Fig.4 N2 adsorption⁃desorption isotherms of COF⁃FL⁃2 and PTA@COF⁃FL⁃2 at 77 K(A) and pore size distribution of COF⁃FL⁃2(B)

Fig.5 FTIR spectr of COF⁃FL⁃2 and PTA⁃COF⁃FL⁃2a(A) and TGA curve of COF⁃FL⁃2(B)

Table 1 Conversion rates of substrates cis-cyclooctene and 1-octene with PTA and PTA@COF-FL-2 as catalysts*

Catalyst	Substrate	Conversion rate（%）
PTA	cis⁃Cyclooctene	89
PTA@COF⁃FL⁃2（40）	cis⁃Cyclooctene	38
PTA@COF⁃FL⁃2（80）	cis⁃Cyclooctene	81
PTA@COF⁃FL⁃2（120）	cis⁃Cyclooctene	9
PTA	1⁃Octene	43
PTA@COF⁃FL⁃2（40）	1⁃Octene	12
PTA@COF⁃FL⁃2b（80）	1⁃Octene	33
PTA@COF⁃FL⁃2c（120）	1⁃Octene	13

Fig.6 Conversion rates at different reaction times(A) and for different cycles(B) using PTA@COF⁃FL⁃2(40) and PTA@COF⁃FL⁃2(80) as catalysts

参考文献 48

1	Pope M. T.， Heteropoly and Isopoly Oxometalates， 8th ed.， Springer Verlag， New York， 1983
2	Hill C. L.， White G. C.， Chem. Rev.， 1998， 98， 1—2
3	Kozhevnikov I. V.， Chem. Rev.， 1998， 98， 171—198
4	Mizuno N.， Misono M.， Chem. Rev.， 1998， 98， 199—218
5	Sadakane M.， Steckhan E.， Chem. Rev.， 1998， 98， 219—238
6	Kozhevnikov I. V.， Catalysts for Fine Chemical Synthesis： Catalysis by Polyoxometalates， Wiley， Chichester， 2002
7	Mizuno N.， Kamata K.， Uchida S.， Yamaguchi K.； Mizuno N.， Ed.， Modern Heterogeneous Oxidation Catalysis， Wiley⁃VCH， Weinheim， 2009
8	Muller A.， Peters F.， Pope M. T.， Gatteschi D.， Chem. Rev.， 1998， 98， 239—272
9	Yamase T.， Chem. Rev.， 1998， 98， 307—326
10	Coronado E.， Gomez⁃Garcia C. J.， Chem. Rev.， 1998， 98， 273—296
11	Rhule J. T.， Hill C. L.， Judd D. A.， Chem. Rev.， 1998， 98， 327—358
12	Weissermel K.， Arpe H. J.， Industrial Organic Chemistry， 3rd Ed.， VCH， Weinheim， 1997
13	Misono M.， Nojiri N.， Appl. Catal.， 1990， 64， 1—4
14	Izumi Y.， Catal. Today， 1997， 33， 371—409
15	Izumi Y.， Urabe K.， Onaka M.， Zeolite， Clay and Heteropoly Acid in Organic Reactions， Kodansha/VCH， Tokyo， 1992
16	Aoshima A.， Tonomura S.， Yamamatsu S.， Polym. Adv. Technol.， 1990， 2， 127—132
17	Armor J. N.， Appl. Catal.， A： Gen.， 2001， 222， 407—426
18	Sano K.， Uchida H.， Wakabayashi S.， Catal. Surv. Asia， 1999， 3， 55—60
19	Howard M. J.， Sunley G. J.， Poole A. D.， Watt R. J.， Sharma B. K.， Stud. Surf. Sci. Catal.， 1999， 121， 61—68
20	Okuhara T.， Chem. Rev.， 2022， 102， 3641—3666
21	Inumaru K.， Ishihara T.， Kamiya Y.， Okuhara T.， Yamanaka S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2007， 46， 7625—7628
22	Côté A. P.， Benin A. I.， Ockwig N. W.， O’Keeffe M.， Matzger A. J.， Yaghi O. M.， Science， 2005， 310， 1166—1170
23	Colson J. W.， Dichtel W. R.， Nat. Chem.， 2013， 5， 453—465
24	Ding S. Y.， Wang W.， Soc. Rev.， 2013， 42， 548—568
25	Guan X. Y.， Chen F. Q.， Fang Q. R.， Qiu S. L.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49， 1357—1384
26	Yusran Y.， Guan X. Y.， Li H.， Fang Q. R.， Qiu S. L.， Natl. Sci. Rev.， 2020， 7， 170—190
27	Lyu H.， Diercks C. S.， Zhu C. H.， Yaghi O. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141， 6848—6852
28	Ding S. Y.， Gao J.， Wang Q.， Zhang Y.， Song W. G.， Su C. Y.， Wang W.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133， 19816—19822
29	Vyas V. S.， Haase F.， Stegbauer L.， Savasci G.， Podjaski F.， Ochsenfeld C.， Lotsch B. V.， Nat. Commun.， 2015， 6， 8508―8516
30	Sun Q.， Aguila B.， Perman J.， Nguyen N.， Ma S. Q.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138， 15790—15796
31	Wang X.， Han X.， Zhang J.， Wu X.， Liu Y.， Cui Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138， 12332—12335
32	Yan S. C.， Guan X. Y.， Li H.， Li D. H.， Xue M.， Yan Y. S.， Valtchev V.， Qiu S. L.， Fang Q. R.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141， 2920—2924
33	Bi S.， Thiruvengadam P.， Wei S.， Zhang W. B.， Zhang F.， Gao L. S.， Xu J. S.， Wu D. Q.， Chen J. S.， Zhang F.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142， 11893—11900
34	Kuhn P.， Antonietti M.， Thomas A.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 47， 3450—3453
35	Han S. S.， Furukawa H.， Yaghi O. M.， Goddard W. A.， J. Am. Chem. Soc.， 2008， 130， 11580—11581
36	Fang Q. R.， Zhuang Z. B.， Gu S.， Kaspar R. B.， Zheng J.， Wang J. H.， Qiu S. L.， Yan Y. S.， Nat. Commun.， 2014， 5， 4503—4510
37	Wan S.， Guo J.， Kim J.， Ihee H.， Jiang D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 47， 8826—8830
38	Dogru M.， Handloser M.， Auras F.， Kunz T.， Medina D.， Hartschuh A.， Knochel P.， Bein T.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52， 2920—2924
39	Bertrand G. H. V.， Michaelis V. K.， Ong T. C.， Griffin R. G.， Dinca M.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2013， 110， 4923—4928
40	Li H.， Chang J. H.， Li S. S.， Guan X. Y.， Li D. H.， Li C. Y.， Tang L. X.， Xue M.， Yan Y. S.， Valtchev V.， Qiu S. L.， Fang Q. R.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141， 13324—13329
41	Du Y.， Yang H.， Whiteley J. M.， Wan S.， Jin Y.， Lee S. H.， Zhang W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55， 1737—1741
42	Chandra S.， Kundu T.， Kandambeth S.， BabaRao R.， Marathe M. Y.， Kunjir S. M.， Banerjee R.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136， 6570—6573
43	Wang S.， Wang Q.， Shao P.， Han Y.， Gao X.， Ma L.， Yuan S.， Ma X.， Zhou J.， Feng X.， Wang B.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 4258—4261
44	Guan X. Y.， Li H.， Ma Y. C.， Xue M.， Fang Q. R.， Yan Y. S.， Valtchev V.， Qiu S. L.， Nat. Chem.， 2019， 11， 587—594
45	Xu G. J.， Chang J. H.， Fang Q. R.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（12）， 2667—2672
	徐国杰，常建红，方千荣. 高等学校化学学报， 2020， 41（12）， 2667—2672
46	Chang J. H.， Xu G. J.， Li H.， Fang Q. R.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（7）， 1609—1614
	常建红，徐国杰，李辉，方千荣. 高等学校化学学报， 2020， 41（7）， 1609—1614
47	Liao J. Z.， Wu X. Y.， Yong J. P.， Lu C. Z.， Crystal Growth & Design， 2015， 15， 4952—4958
48	Gao W. X.， Sun X. Y.， Niu H. L.， Song X. J.， Li K. G.， Gao H. C.， Zhang W. X.， Yu J. H.， Jia M. J.， Micropor. Mesopor. Mater.， 2015， 213， 59—67

[1]	侯俊英, 侯传源, 郝建军, 李建昌, 王雅雅. 铜掺杂多孔氧化镍非均相催化材料的制备及催化氧化性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20230042.
[2]	韩旭, 白雪, 张仲, 杨琰莉, 崔红, 刘术侠. PW₁₁M@Cu₃(BTC)₂杂化物的合成及燃料油深度脱硫活性[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(4): 20220702.
[3]	王凯旋, 黎子平, 陈先阳, 崔勇. 一种基于二氢吩嗪的三维共价有机框架的合成、结构与表征[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220210.
[4]	王迪, 钟克利, 汤立军, 侯淑华, 吕春欣. 席夫碱共价有机框架的合成及对I ^‒ 的识别[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220115.
[5]	王婕, 霍海燕, 王洋, 张仲, 刘术侠. 铜箔上原位合成NENU-n系列多酸基MOFs的通用策略[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210557.
[6]	李海勃, 肖长发, 江龙, 黄云, 淡宜. MCM-41分子筛负载氯化铝催化丙烯酸甲酯与1-辛烯共聚[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2974.
[7]	赵雪, 张安歌, 田洪瑞, 王赫男, 霍海燕, 刘术侠. 基于Keggin型杂多酸的无机-有机杂化物的合成和光催化活性[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1723.
[8]	颜艳红, 吴锶敏, 严逸伦, 汤西豪, 蔡松亮, 郑盛润, 章伟光, 顾凤龙. 具有超高阳离子染料去除能力的磺酸功能化球形共价有机框架[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 956.
[9]	颜艳红, 李舒晴, 汤西豪, 郑盛润, 蔡松亮, 章伟光, 顾凤龙. 阳离子共价有机框架对水中非甾体药物的强化去除[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3091.
[10]	严逸伦, 黄晓玲, 范军, 蔡松亮, 郑盛润, 章伟光. β-酮烯胺类手性共价有机框架的合成及在毛细管气相色谱中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 1996.
[11]	李丽, 李鹏飞, 王博. 共价有机框架材料在光催化领域中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 1917.
[12]	常建红, 徐国杰, 李辉, 方千荣. 基于醌基的共价有机框架用于电催化析氧反应[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1609.
[13]	熊俊宇, 王姗姗, 许颜清, 胡长文. 原子级分散Fe-N-C温和条件下选择性氧化催化特性[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1262.
[14]	李闪闪, 赵文娟, 李辉, 方千荣. 偶氮苯功能化的光响应共价有机框架材料[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1384.
[15]	张丹维, 王辉, 黎占亭. 水溶性三维有序超分子和共价有机聚合物[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1139.

共价有机框架-杂多酸复合材料用于非均相催化烯烃环氧化

Application of Covalent Organic Framework-Polyoxometalates Composites in Heterogeneous Catalytic Epoxidation of Olefins

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 48

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价