一种离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂及其制备方法，采用含烯键的咪唑、吡啶及叔胺类化合物与丙烷磺内酯或丁烷磺内酯反应，得到含烯键的内鎓盐；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；接着，通过溶剂热法合成磁性氧化铁，加入烯基三烷氧基硅烷进行水解缩合，形成表面具有双键的磁性氧化铁核；最后将离子液体单体与双键的磁性氧化铁核进行混合共聚而形成离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂。所述催化剂材料热稳定性高，酸值高，具有较大的表面积，具有核壳结构，易与反应物反应，催化效果好，可重复多次使用。
【专利说明】一种离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及有机化学合成【技术领域】，特别是一种离子液体固载化磁性固体酸材料 制备方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003]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，因此这方面的研宄 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宄与开发方面，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 月旨。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，上述固体酸催化剂存在有对热不稳定、难以回收、工业上使用时价格过高的 问题。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]为解决上述问题，本发明提供制备一种固载化离子液体固体酸材料催化剂，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。在传统离子液体中引入双键，通过 与表面双键修饰的磁性氧化铁核进行共聚，得到离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂。
[0007]本发明的一个目的在于提供一种离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂，该催化 剂热稳定性高；对水稳定；酸值高；催化效果好；可通过磁性吸收回收，回收利用简便。
[0008]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009]一种离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂，采用含烯键的咪唑、吡啶及叔胺类 化合物与丙烷磺内酯或丁烷磺内酯反应，得到含烯键的内鑰盐；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；接着，通过溶剂热法合成磁性氧化铁，加入烯基三 烷氧基硅进行水解缩合，形成表面具有双键的磁性氧化铁核；最后将离子液体单体与双键 的磁性氧化铁核进行混合共聚而形成离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂。
[0010] 进一步，所述的含稀键的化合物为乙稀基咪挫、稀丙基咪挫、2-乙稀卩比啶，4-乙稀 吡啶，三烯丙胺等中的一种，优选的为乙烯基咪唑。
[0011] 进一步，所述的酸为硫酸，盐酸，磷酸，对甲苯磺酸等中的一种，优选的为硫酸。
[0012] 进一步，所述的條基二烧氧基娃为乙條基二甲氧基娃烧，條丙基二甲氧基娃烧，乙 條基二乙氧基娃烧，條丙基二乙氧基娃烧中等的一种，优选的为乙條基二甲氧基娃烧。
[0013] 本发明的另一个目的在于提供一种离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂的制 备方法。
[0014] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0015] -种离子液体固载化磁性固体酸材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016] 包括以下步骤：
[0017] 步骤a，内鑰盐的制备，
[0018] 以含烯键的咪唑、吡啶及叔胺类化合物为原料，加入丙烷磺内酯或丁烷磺内酯混 合后，室温搅拌得到内鑰盐，其中含烯键的咪唑、吡啶及叔胺类化合物与丙烷磺内酯或丁烷 磺内酯的摩尔比为1:1 ;
[0019] 步骤b，酸化，
[0020] 向内鑰盐中加入等物质量的酸，混合旋蒸，形成均相离子液体单体；
[0021] 步骤c，双键磁性氧化铁核的制备，
[0022] 将三氯化铁，无水醋酸钠，乙二醇按摩尔比为1 :8?10 :15?20进行混合溶解后， 加热反应，用磁铁吸收分离后，水洗后干燥；
[0023] 将氧化铁，乙醇，水，氨水及烯基三烷氧基硅按摩尔比为1 :20?100 :1?5 :2? 10 :0. 1?2进行机械搅拌分散，室温反应，用磁铁吸收分离后，水洗，干燥后二氧化硅包裹 磁性氧化铁核；
[0024] 步骤d，离子液体固载化磁性固体酸材料的制备，
[0025] 将离子液体单体溶解在乙醇和水混合溶剂中，磁性核加入到上述离子液体溶液 中，加入偶氮二异丁腈引发剂，磁性核用量为离子液体质量的〇. 1?5. 0倍，加热搅拌反应 后，进行磁铁吸收，再用热水洗涤，将固体干燥后即得离子液体固载化磁性固体酸材料催化 剂。
[0026] 进一步，步骤a中得到的内鑰盐为白色固体，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，得到内鑰盐。
[0027] 优选的，步骤c中加热反应温度为200 °C。
[0028] 进一步，步骤d中乙醇水混合溶剂中乙醇和水的体积比1:1。
[0029] 进一步，步骤d中乙醇和水混合溶剂的量为离子液体单体质量的10?50倍。
[0030] 进一步，步骤d中引发剂的用量为离子液体单体质量的1%。
[0031] 优选的，步骤d中反应温度，烘干温度和洗涤温度均为80°C。
[0032] 与现有技术相比，本发明的优点是：本发明制备的催化剂热稳定性高，热分解温度 在180°C以上；酸值高，在2. 4mmol/g以上；具有较大的表面积；具有核壳结构，酸性中心覆 盖在催化剂表面，易与反应物作用；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。 本发明合成的离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂具有广泛的应用前景。
[0033] 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】
[0034] 以下将通过具体的实施例对本发明做进一步的阐述：
[0035] 实施例1
[0036] 乙烯咪唑硫酸离子液体固载化磁性固体酸材料的制备
[0037] 第1步内鑰盐的制备
[0038] 秤取等物质量的乙烯咪唑与1，4-丁烷磺内酯的原料，在室温下搅拌72h后得到白 色的固体盐，然后抽滤，用浓度为99%乙醚洗涤3次后，60°C进行真空烘干，即得内鑰盐；
[0039] 第2步酸化
[0040] 将内鑰盐与硫酸、磷酸、盐酸或对甲苯磺酸进行混合旋蒸，酸的用量与内鑰盐的物 质量相等，在80°C下进行旋蒸4h，得到均相离子液体单体；
[0041 ] 第3步双键磁性氧化铁核制备
[0042] 将三氯化铁，无水醋酸钠，乙二醇按摩尔比为1 :8 :16进行混合溶解后，进行200°C 反应12h，用磁铁吸收分离后，水洗3次，80°C烘箱中干燥4h后，将氧化铁，乙醇，水，氨水及 乙烯基三甲氧基硅烷按摩尔比为1 :50 :1 :2 :0. 5进行机械搅拌，在室温反应24h，用磁铁吸 收分离后，水洗3次，80°C烘箱中干燥4h后得双键磁性氧化铁核；
[0043] 第4步离子液体固载化磁性固体酸材料
[0044] 将离子液体单体溶解于体积比1:1的乙醇和水混合溶剂中，溶剂量为离子液体单 体质量的20倍，加入偶氮二异丁腈引发剂，用量为离子液体单体质量的0. 5%，溶解后加入 双键磁性氧化铁核，磁性核用量为Ig离子液体I.〇g，在80°C下继续进行加热搅拌反应12h 后，进行磁铁吸收，再用80°C热水洗涤3次，将固体在80°C烘箱中干燥12h即得离子液体固 载化磁性固体酸材料，酸值3. 5mmol/g,热解温度211°C;
[0045] 实施例2-6
[0046] 除以下不同外，其余同实施例1，烯基化合物分别按表1所示，得到以下结果。
[0047] 表1实施例2-6所用烯基化合物和得到的催化剂参数
[0048]
【权利要求】
1. 一种离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂，其特征在于：所述催化剂采用含烯键 的咪唑、吡啶及叔胺类化合物与丙烷磺内酯或丁烷磺内酯反应，得到含烯键的内鑰盐；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；接着，通过溶剂热法合成磁 性氧化铁，加入烯基三烷氧基硅烷进行水解缩合，形成表面具有双键的磁性氧化铁核；最后 将离子液体单体与双键的磁性氧化铁核进行混合共聚而形成离子液体固载化磁性固体酸 材料催化剂。
2. 根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述的含烯键的化合物为乙烯基咪唑、 烯丙基咪唑、2-乙烯吡啶，4-乙烯吡啶，三烯丙胺中的一种。
3. 根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述的酸为硫酸，盐酸，磷酸，对甲苯磺 酸中的一种。
4. 根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述的烯基三烷氧基硅为乙烯基三甲 氧基娃烧，條丙基二甲氧基娃烧，乙條基二乙氧基娃烧，條丙基二乙氧基娃烧中的一种。
5. -种如权利要求1所述的离子液体固载化磁性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，内鐵盐的制备， 以含烯键的咪唑、吡啶及叔胺类化合物为原料，加入丙烷磺内酯或丁烷磺内酯混合后， 室温搅拌得到内鑰盐，其中含烯键的咪唑、吡啶及叔胺类化合物与丙烷磺内酯或丁烷磺内 酯的摩尔比为1:1 ; 步骤b，酸化， 向内鑰盐中加入等物质量的酸，混合旋蒸，形成均相离子液体单体； 步骤c，双键磁性氧化铁核的制备， 将三氯化铁，无水醋酸钠，乙二醇按摩尔比为1 : 8?10 : 15?20进行混合溶解后， 加热反应，用磁铁吸收分离后，水洗后干燥； 将氧化铁，乙醇，水，氨水及烯基三烷氧基硅按摩尔比为1 : 20?100 : 1?5 : 2? 10 : 0. 1?2进行机械搅拌分散，室温反应，用磁铁吸收分离后，水洗，干燥后二氧化硅包裹 磁性氧化铁核； 步骤d，离子液体固载化磁性固体酸材料的制备， 将离子液体单体溶解在乙醇和水混合溶剂中，磁性核加入到上述离子液体溶液中，加 入偶氮二异丁腈引发剂，磁性核用量为离子液体质量的〇. 1?5. 0倍，加热搅拌反应后，进 行磁铁吸收，再用热水洗涤，将固体干燥后即得离子液体固载化磁性固体酸材料催化剂。
6. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤a中得到的内鑰盐为白色固体， 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，得到内鑰盐。
7. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤d中乙醇水混合溶剂中乙醇和 水的体积比1:1。
8. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤d中乙醇和水混合溶剂的量为 尚子液体单体质量的10?50倍。
9. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤d中引发剂的用量为离子液体 单体质量的1%。
10. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤d中反应温度，烘干温度和洗 涤温度均为80°C。
【文档编号】B01J31/28GK104492495SQ201410696687
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】梁学正 申请人:绍兴文理学院