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关键词： 绿色化学   水   有机合成   吲哚螺环化合物  

摘要： 目的:C2螺环吲哚和四氢哒嗪均是具有显著药理活性的药效骨架,广泛存在于多种天然活性物质和上市药物中。基于绿色化学合成理念,通过药效团融合等药物设计手段,发展一种全新的绿色高效合成方法,以此实现C2吲哚螺哒嗪类化合物合成路径的前瞻性开发和类药骨架的多样性构建。方法:基于药效团融合等药物设计方法,以2-甲基-3H-吲哚盐与α-溴代N-酰基腙为底物构建模板反应。在碱性条件下,2-甲基-3H-吲哚盐与原位生成的偶氮二烯发生水上[4+2]环化反应,构建新型C2吲哚螺四氢哒嗪结构,并对反应进行适应性考察。通过核磁共振氢谱、碳谱、高分辨质谱以及X-ray单晶衍射等方法对目标产物结构进行确认,通过熔点仪进行熔点测定,并结合密度泛函理论计算阐释反应机理。结果:顺利在水相条件下构建新型C2吲哚螺四氢哒嗪类化合物共计35个,并通过核磁共振氢谱、碳谱、高分辨质谱对35个相关化合物进行结构鉴定,通过X-ray单晶衍射对化合物3z进行结构确认,并通过熔点仪测定了所有衍生物的熔点。DFT计算表明,该反应通过分步的离子环化发生[4+2]环化反应,并阐释了水作为溶剂的关键作用。结论:在绿色化学理念下,成功开发一种在水相条件下合成新型C2吲哚螺环化合物的合成策略,实现了一类全新的C2吲哚螺四氢哒嗪类化合物的多样性构建,为更进一步的药理药效研究研究提供物质基础,也为更为深入的新药创新研发提供可能。

关键词： α-1抗胰蛋白酶   吡咯并[2,3-f]吲唑类化合物   有机合成  

摘要： 吡咯类化合物和吲唑类化合物都有着抗炎、抗菌、抗癌等药效,因此被广泛应用在医药领域。本文致力于合成可以调节α-1抗胰蛋白酶(AAT)活性的吡咯并[2,3-f]吲唑类化合物,主要工作内容有:1.以5-碘-2-甲基苯胺为起始原料,先与N-溴代丁二酰亚胺反应得到4-溴-5-碘-2-甲基苯胺,再与亚硝酸异戊酯在酸性条件下反应得到5-溴-6-碘-1H-吲唑,该吲唑化合物先与3-甲基-1-丁炔发生Sonogashira偶联反应,再将吲唑环上的N-H键用2-(三甲基硅烷基)乙氧甲基保护起来,通过Buchwald反应、脱保护基、关环得到5-(4-氟苯基)-6-异丙基-1,5-二氢吡咯并[2,3-f]吲唑。该吡咯并吲唑化合物先与氯甲酸苄酯反应得到5-(4-氟苯基)-6-异丙基吡咯并[2,3-f]吲唑-1(5H)-羧酸苄酯,再与3,3-二甲氧基丙酸甲酯反应得到(E)-5-(4-氟苯基)-6-异丙基-7-(3-甲氧基-3-氧代丙基-1-烯基)吡咯并[2,3-f]吲唑-1(5H)-羧酸苄酯,得到的化合物经过还原、水解得到最终化合物3-(5-(4-氟苯基)-6-异丙基-1,5-二氢吡咯并[2,3-f]吲唑-7-基)丙酸,该路线原料简单易得,各个步骤收率稳定、重现性好。2.探究5-溴-6-碘-1H-吲唑与3-甲基-1-丁炔的Sonogashira偶联反应过程中3-甲基-1-丁炔的用量、反应温度和反应时间对反应收率的影响,最终优化反应条件为0.02当量的碘化亚铜、0.02当量的双三苯基膦二氯化钯、2.5当量的二乙胺和1.05当量的3-甲基-1-丁炔。具体实验步骤为:将5-溴-6-碘-1H-吲唑溶于N,N-二甲基甲酰胺后加入碘化亚铜和双三苯基膦二氯化钯,将上述混合物降到0°C后加入二乙胺和3-甲基-1-丁炔。将氮气保护的化合物置于85°C下搅拌,反应时间为2小时。该条件下反应副产物生成极少,反应收率可达60%以上。3.4-氟苯胺与5-溴-6-(3-甲基-1-丁炔基)-1H-吲唑偶联时受吲唑环上活泼氢的影响致使反应不发生,改变反应路线为5-溴-6-(3-甲基-1-丁炔基)-1H-吲唑先与2-(三甲基硅烷基)乙氧甲基氯反应,用2-(三甲基硅烷基)乙氧甲基基团保护吲唑N上的活泼氢得到5-溴-6-(3-甲基-1-丁炔基)-1-((2-(三甲基硅烷基)乙氧基)甲基)-1H-吲唑后再与4-氟苯胺通过Buckwald反应生成N-(4-氟苯基)-6-(3-甲基-1-丁炔基)-1-((2-(三甲基硅烷基)乙氧基)甲基)-1H-吲唑-5-胺,最后用四丁基氟化铵同时完成脱掉2-(三甲基硅烷基)乙氧甲基和关环的工作,直接得到吡咯并[2,3-f]吲唑母环化合物。这两步收率分别为75%和65%。4.对最终产品的纯度进行分析,发现了杂质(E)-3-(5-(4-氟苯基)-6-异丙基-1,5-二氢吡咯并[2,3-f]吲唑-7-基)丙烯酸甲酯的存在,它是在(E)-5-(4-氟苯基)-6-异丙基-7-(3-甲氧基-3-氧代丙基-1-烯基)吡咯并[2,3-f]吲唑-1(5H)-羧酸苄酯加氢还原生成3-(5-(4-氟苯基)-6-异丙基-1,5-二氢吡咯并[2,3-f]吲唑-7-基)丙酸甲酯的过程中产生的苄氧羰基脱除而双键未被还原的杂质,该杂质和产物在液质联用仪中254 nm吸收的出峰位置相同,且通过紫外无法检测,也无法将两者分离,所以在实验过程中需要结合化合物质谱图的离子流和分子量共同监测反应进程,直至反应完全。

关键词： 土臭素   有机合成   半抗原修饰物   抗体   ELISA  

摘要： 土臭素(GSM)是富营养化水体中过度生长的放线菌、蓝绿藻的代谢产物,土腥味浓烈,且易被水体中水生生物吸附,使其产生难闻气味。人的嗅觉对GSM极其敏感,使得即使它在水中的含量极低也能被察觉。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)对GSM的允许限值均为10 ng·L-1。为了保障水质安全及人们的身体健康,迫切需要建立灵敏度高、选择性强、快速、简便的测定检测水样及水产品中痕量GSM的分析方法。目前,检测GSM的主要方法为气相色谱-质谱联用仪法。由于GSM在样品中含量极低,样品需先经固相萃取法或固相微萃取法等分离、萃取。但上述方法存在仪器昂贵、操作复杂、检测费用高、不能用于现场快速检测等缺点。免疫分析是建立在抗原与抗体之间特异性反应基础上的分析方法。目前,在临床、生物、食品和环境分析领域中广泛应用的酶联免疫吸附分析方法(ELISA)具有灵敏度高、特异性强、简便、快速、可同时检测大量样品的优点。建立免疫分析方法的先决条件是获得针对待测物的特异性结合的抗体。大分子化合物如蛋白质等可以直接作为免疫原免疫动物产生抗体。然而,分子量小于1000Da的小分子化合物(通常被称为半抗原)不具有免疫原性,不能直接免疫动物产生抗体;利用半抗原上的羧基等活性基团(自身存在或修饰得到)与载体蛋白(如牛血清白蛋白)制备成免疫原免疫动物能够获得与待测物相结合的抗体。其中活性基团修饰的原则:得到的新半抗原应尽量保持本有的分子特征结构。GSM的分子量仅为182,结构简单。GSM含有羟基,似乎可通过丁二酸酐活化法,使羟基酯化从而使GSM带上羧基。但存在GSM价格昂贵(约￥1000·μg-1),修饰成本过高的问题。同时羟基位阻过大,修饰困难。不仅如此,羟基的丢失极有可能大幅降低抗体的特异性。曾有学者通过价格便宜的2-甲基环己酮为起始物合成了 GSM半抗原修饰物。但由于所合成的修饰物结构与GSM的原有分子结构相差较大,因此产生的抗体的灵敏度低、特异性差。为了获得高灵敏度和高特异性的抗GSM抗体,本文的主要研究工作是:①设计并合成多种GSM半抗原修饰物;②通过活性基团(主要是羧基)与载体蛋白相连,制得免疫原和包被抗原;③以免疫原免疫小鼠,得到多种鼠抗GSM的多克隆抗体;④将包被抗原用于间接竞争ELISA(ic-ELISA)并对抗体的性能进行考察,研究GSM半抗原修饰物分子结构对抗体性能的影响。具体如下:①在半抗原合成上,创造了一种新的方法,即亲核取代——分子内成环串联反应代替曾经的替罗宾森环化法,在获得GSM骨架的同时构建GSM半抗原所需的官能团,减少了合成步骤和风险。②在半抗原结构上,通过不同的合成路线,合成了羟基保留、羟基邻位甲基保留或者不保留的GSM修饰半抗原、其中存在不同结构变化的连接臂。③在免疫原的制备与动物实验上,合成了五种免疫原偶联BSA并免疫动物。④在评估抗体性能上,合成了四种包被抗原支撑ic-ELISA评估抗体与GSM的结合能力和特异性。以在一定条件下免疫原P-B4获得的血清血清为多克隆抗体,以P-C3作为包被抗原,初步构建ic-ELISA分析方法,并得到GSM(±)的检测限为42 pg·mL-1。

关键词： 水介质反应   固载化   共缩合   周期性介孔有机硅  

摘要： 传统的均相有机金属催化剂具有高催化效率,但难以从均一的物相中分离回收,因而在工业应用上具有很大的局限性。此外,有机合成中极易挥发的有机溶剂对人体的危害是巨大的。相比于均相有机金属催化剂,选择有机金属固载化更具有优势,但依然存在活性位点脱落以及微环境破坏导致的低活性问题。周期性介孔有机硅(PMO)是一种新兴的二维六方介孔材料,其较大的比表面积和均匀的长孔道结构便于有机物反应物分子在传质时的有效吸附与扩散。其中含有膦配体的有机金属催化剂由于膦配体的强给电子作用而形成高负电子中心,有效的促进了电子的转移,因而具有高的活性。因此基于之前组内的研究,本文主要是采用低温还原有机金属催化剂,构筑超细的有机金属粒子协同膦配体的强给电子作用,使其形成零价态的活性位点高负电子中心,促进高富电子的位点的形成,并探究其应用于水介质反应中的催化性能和机理。本文主要内容为以下两部分:(1)首先分别将以Pd(COD)Cl、PPh(CH)Si(OEt)为金属源和膦配体源的原料在以甲苯为溶剂的体系中室温下连续搅拌24 h后合成有机金属硅烷Pd Cl[PPh(CH)Si(OEt)],而后将表面活性剂P123在酸性条件下充分溶解,将有机金属硅烷与(OEt)Si(CH)Si(OEt)通过共缩合法一步制得Pd(II)-PPh-PMO(Et)。最后用0.2 mol/L的Na BH水溶液将Pd(II)-PPh-PMO(Et)还原为Pd(0)-PPh-PMO(Et)。制得的催化剂具有高度有序的二维六方结构有利于体系中反应物分子的扩散与传输。超细钯颗粒活性位点均匀分散在孔道内部,增加了与反应物分子的接触面,同时有机膦配体能够锚定超细钯颗粒并提供电子转移。将其应用于水相的Suzuki偶联反应中,其活性可达90%以上,且循环利用8次以后依然保持较好的活性。(2)以(Au(tht)Cl)和PPh(CH)Si(OEt)为原料,以无水CHCl为溶剂合成Au[PPh(CH)Si(OEt)]Cl。将表面活性剂P123,一定量的有机金属金硅烷和(OEt)Si(CH)Si(OEt)在30 m L的0.5 M HCl/HO溶剂中通过一锅法共缩合制得Au(I)-PPh-PMO(Et)。最后用0.2 mol/L的Na BH水溶液将Au(I)-PPh-PMO(Et)还原为Au(0)-PPh-PMO(Et)。制得的催化剂同样具有高度有序二维六方的独特结构以及较大的比表面积和孔径,且还原后得到的有机金纳米粒子能够均匀有序地分布在长孔道结构内。在水介质炔烃水合反应中其效率可达99%以上,循环利用6次后活性依然较好。

关键词： carbon dioxide   silver catalysis   propargylic alcohol   C-C bord formation   Kolbe-Schmitt reaction   HIGHLY ENANTIOSELECTIVE CYCLOPROPANATION   DECARBOXYLATIVE NAZAROV CYCLIZATION   CATALYZED REDUCTIVE CARBOXYLATION   ALKYLIDENE CYCLIC CARBONATES   ACTIVE METHYLENE-COMPOUNDS   STEREOSELECTIVE PREPARATION   3-OXOBUTYLIDENEAMINATOCOBALT(II) COMPLEXES   ALTERNATING COPOLYMERIZATION   3-COMPONENT REACTION   PROPARGYLIC AMINES  

摘要： A silver/DBU catalyst system was developed for the effective synthesis of cyclic carbonates from the reaction of CO2 with propargylic alcohols in high yields under mild conditions. In DMF solvent, it was found that the[3,3]-sigmatropic Meyer-Schuster-type rearrangement of the propargylic alcohol was mediated by CO2 to afford the corresponding alpha, beta-unsaturated carbonyl compounds. The silver salt combined with the chiral Schiff base ligand was applied to enantioselective chemical CO2 incorporation into various bispropargylic alcohols to produce the corresponding cyclic carbonate with high enantioselectivity. Next, we successfully developed a catalytic C-C bond-forming reaction with CO2; this reaction employed catalytic silver benzoate in the presence of MTBD to afford lactone derivatives under mild reaction conditions. The geometry of the C-C double bond of the products was confirmed to be Z based on X-ray analysis and NOE experiments. The silver catalyst system catalyzed the C-C bond forming reaction of o-alkynylacetophenone derivatives and CO2 to afford the corresponding dihydroisobenzofuran derivatives. Benzoxazine-2-one derivatives are important heterocycle structures, though their synthetic methods had been limited. It was found that a silver catalyst successfully promoted the incorporation of CO2 into o-alkynylanilines to afford the corresponding benzoxazine-2-ones bearing Z exo-olefin via 6-exo-dig cyclization at the activated C-C triple bond. For the o-alkynylanilines with primary amine, 4-hydroxyquinolin-2(1H)-one derivatives were obtained via intramolecular isocyanate rearrangement in high yields. From easily available propargylic amines, a conceptually new synthetic strategy including intramolecular isocyanate rearrangement was proposed to afford tetramic acid derivatives. Through the reaction of conjugated ynones with CO2, facile and versatile access to highly functionalized tetronic acids has been achieved. This reaction was successfully applied to

关键词： 光固化   阳离子光引发   碘鎓盐   硫鎓盐   有机合成  

摘要： 阳离子光引发剂主要分为重氮盐、鎓盐类和芳茂铁盐。鎓盐类阳离子光引发剂因其优异的性能,成为目前市场上最为常见的阳离子光引发剂。本文介绍了鎓盐类的阳离子光引发剂合成,包括碘鎓盐和硫鎓盐。具体研究内容和结论如下:（1）[4-[（2-羟基十四烷基）氧基]苯基]苯基碘鎓六氟锑酸盐的合成通过碘苯,硫代硫酸钾,对甲苯磺酸,1-十四烯等原料,经过一系列的合成步骤,合成了[4-[（2-羟基十四烷基）氧基]苯基]苯基碘鎓六氟锑酸盐。利用红外光谱,紫外光谱和核磁共振等方法对目标化合物进行了结构表征,通过高效液相色谱测试确定纯度。结论得羟基（对甲苯磺酰氧代）碘苯、1,2-环氧十四烷、1-苯氧基-十四烷-2-醇、([4-[（2-羟基十四烷基）氧基]苯基]苯基碘鎓六氟锑酸盐的纯度分别为:89.26%,92.71%,96.37%和96.7%;收率分别为:91.62%,60.71%,84.36%和54.68%。同时对[4-[（2-羟基十四烷基）氧基]苯基]苯基碘鎓六氟锑酸盐的合成工艺进行探究,运用控制变量法,确定了最佳反应条件。（2）（4-辛氧基氧基苯基）苯基碘六氟锑酸盐的合成以苯酚,1-溴辛烷,碘苯,硫代硫酸钾和对甲苯磺酸等为原料,合成了（4-辛氧基氧基苯基）苯基碘六氟锑酸盐。通过红外光谱和核磁共振等方法对目标化合物进行了结构表征,通过高效液相色谱法确定了其纯度。结论得(羟基（对甲苯磺酰氧代）碘苯,辛烷氧基苯、（4-辛氧基氧基苯基）苯基碘甲苯磺酸盐和（4-辛氧基氧基苯基）苯基碘六氟锑酸盐的纯度分别为:89.26%,98.99%,96.49%和92.45%;收率分别为:91.62%,91.82%,95.41%和79.40%。同时对合成工艺步骤采用控制变量法进行了讨论分析,确定最佳反应条件。（3）三[4-[（4-乙酰基苯基）硫基]苯基]硫鎓六氟磷酸盐的合成以对苯硫醚,乙酰氯,二氯亚砜和六氟磷酸钾为原料,三氯化铝为催化剂,经过三步反应后,合成得到三[4-[（4-乙酰基苯基）硫基]苯基]硫鎓六氟磷酸盐。通过红外光谱和核磁共振氢谱等方法对目标化合物进行了确定结构表征,通过高效液相色谱确定了其纯度,三[4-[（4-乙酰基苯基）硫基]苯基]硫鎓六氟磷酸盐的收率达到81.63%,纯度达到98.58%。在合成过程中运用控制变量法对每一步工艺进行优化,得到最佳反应条件。

关键词： CCR4拮抗剂   有机合成   体外活性测试   结构修饰   血液暴露量  

摘要： CCR4是一种由CCR4基因编码的G蛋白偶联受体，其广泛参与炎症、自身免疫病、变态反应、肿瘤和艾滋病等疾病的表达机制中。合成小分子CCR4拮抗剂，利用其与天然配体封闭趋化因子受体治疗上述疾病已成为国内外研究的热点。　　本文研究内容包含两个部分：　　(1)CCR4拮抗剂类似物的合成：以（±）-2,4-二氯苯基氨基乙烷为原料，经过化学手性拆分后与2,4,5-三氯嘧啶发生亲核取代，得到中间体(R)-2,5-二氯-N-(1-(2,4-二氯苯基)乙基)嘧啶-4-胺。以3-溴吡啶为原料，经过格氏试剂交换、偶联、催化氢化、化学手性拆分、胺化还原和脱Boc保护，得到中间体3-（R）-3-氮杂环丁烷-3-哌啶-1-基-1-甲基环丁烷-1-羧酸甲酯盐酸盐，继续水解得到3-（R）-3-氮杂环丁烷-3-哌啶-1-基-1-甲基环丁烷-1-羧酸。以叔丁氧羰基-D-脯氨酸为原料，经过酰胺缩合、脱Cbz保护基得到目标化合物侧链（R）-2-甲基哌嗪-1-羰基吡咯烷-1-羧酸叔丁酯。以(R)-2，5-二氯-N-(1-(2,4-二氯苯基)乙基)嘧啶-4-胺为母体化合物，利用二甲基氧化磷、环丙乙炔和丙炔首先取代嘧啶环上5号位的氯原子，分别得到化合物（R）-2-氯-4-（1-（2,4-二氯苯基）乙基氨基）嘧啶-5-二甲基氧化磷、（R）-2-氯-5-环丙乙炔基-N-（1-（2,4-二氯苯基）乙基）嘧啶-4-胺和（R）2-氯-5-丙炔基-N-（1-（2,4-二氯苯基）乙基）嘧啶-4-胺。最后，（R）-2-氯-4-（1-（2,4-二氯苯基）乙基氨基）嘧啶-5-二甲基氧化磷与3-（R）-3-氮杂环丁烷-3-哌啶-1-基-1-甲基环丁烷-1-羧酸反应得到化合物（R）-4-（1-（2,4-二氯苯基）-乙基）氨基-5-（二甲基磷酰基）-嘧啶-2-（（氮杂环丁烷-3-基）-哌啶）-1-甲基环丁烷-1羧酸（13）。（R）-2-氯-5-环丙基乙炔基-N-（1-（2,4-二氯苯基）乙基）嘧啶-4-胺与3-（R）-氮杂环丁烷-3-哌啶-1-基-1-甲基环丁烷-1-羧酸甲酯盐酸盐反应后水解得到化合物（1R，3r）-3-（（R）-3-（1-（5-（环丙炔基）-4-（（R）-1-（2,4-二氯苯基）乙基）氨基）嘧啶-2-基）氮杂环丁烷-3-基）哌啶-1-基）-1-甲基环丁烷-1-羧酸（16）。（R）-2-氯-5-丙炔基-N-（1-（2,4-二氯苯基）乙基）嘧啶-4-胺与（R）-2-甲基哌嗪-1-羰基吡咯烷-1-羧酸叔丁酯反应后脱Boc保护得到化合物2-（（R）-（4-D-脯氨酰基）-3-甲基哌嗪-1-基）-4-（（R）-1-（2,4-二氯苯基）乙基氨基）-5-丙炔基嘧啶（19）。目标产物及部分中间体经过核磁和LCMS确认。　　(2)CCR4拮抗剂类似物的生物活性测试：对已合成的CCR4拮抗剂类似物13，16和19进行了初步的体外活性测试，其中化合物16的CCR4IC50=69.36nM，CTXIC50=627.8nM，半衰期t1/2=4.60h,达峰时间Tmax=2.92h,峰浓度Cmax=192.37ng/mL，曲线下面积AUC0-t=2057.52h*ng/ml。化合物16能够一定程度上解决CCR4小分子拮抗剂在药物代谢中血液暴露量低的问题，但是结合该化合物的钙离子流动活性和细胞趋化活性来看，还需要对其进行结构修饰，从而得到细胞活性好，细胞因子趋化抑制性强，目标接触量高，细胞毒性低，血液暴露量高的小分子拮抗剂。

关键词： organoboranes   organostannanes   cross-coupling   copper   palladium   Lewis acidity   CATALYZED BORYLATION   ALKYNES   ACIDS   HYDROBORATION   DIBORON  

摘要： Lewis acidity-diminished boron functionalities, B(dan) (dan=naphthalene-1,8-diaminato) and B(aam) (aam=anthranilamidato), have efficiently been installed into organic frameworks in a straightforward manner by a variety of catalytic borylation reactions, where chemoselective sigma-bond metathesis between a transition metal catalyst and an unsymmetrical diboron [(pin)B-B-(dan) or (pin)B- B(aam)] is a key elementary step. The dan/aam-substituted organoboranes obtained therefrom have been found to be utilized for direct cross-coupling without prior acidic deprotection, regardless of their diminished boron-Lewis acidity that usually retards transmetalation. In addition, we have also succeeded in developing copper-catalyzed aryl- and cyanostannylation of arynes, in which Lewis acidity increment of a tin center facilitates their progress.

关键词： 电催化   氮气还原反应   有机合成   肉桂醛选择性加氢   5-羟甲基糠醛氧化   苯甲醇氧化  

摘要： 电化学催化技术是通过控制施加偏压高效地获取清洁能源和合成高附加值化学品的技术,具有能耗低、环境友好和工作条件温和等特点。电催化合成反应的核心是设计并制备出对特定反应具有高活性、高选择性和高稳定性的电催化剂材料。过渡金属基纳米材料因为具有特殊的电子结构和相对丰富的地球储量等优点,通过元素掺杂、空位设计、界面调控、形貌和尺寸调节后,可应用于多种催化反应。氨是植物生长必需的含氮养料,维系着人类社会的发展。目前,工业合成氨主要以氮气和氢气作为原料在高温高压条件下合成,不仅耗能高,而且产生大量温室气体对环境造成了巨大的影响。此外,对于生物质和石油衍生的有机物小分子等转化为高附加值化学品的反应,也同样严重依赖于高温、高压的热催化生产方式。因此,发展环境友好、利用可再生能源的电催化技术,实现将氮气转化为氨和有机分子高附加值转化,具有重要的科学价值和社会经济意义。本论文工作基于上述讨论,针对电催化氮气还原反应(Nitrogen Reduction Reaction,NRR)以及生物质平台分子电催化还原或氧化合成高附加值化学品的需求和特点,设计并制备了一系列高效过渡金属催化剂,获得了优异的电催化合成氨和高附加值化学品催化性能,并理论结合实验揭示了催化剂电催化活性机制。本论文主要研究内容及取得成果如下:一、分别利用等离子刻蚀和阳极氧化法处理商业氮化钛粉体和商业铌金属片,得到氧原子掺杂的钛氧氮相(TiOxNy)催化剂以及原位生长在铌片上具有丰富氧空位的氧化锯纳米阵列薄膜(Nb2O5-NCF)。电催化NRR测试结果表明,这两种催化剂分别在-0.6 V和-0.4 V(vs.可逆氢电极,Reversible Hydrogen Electrode,RHE)的电位下获得最大 3.32×10-10 mol s-1 cm-2和 2.52×10-10 mol s-1 cm-2的产氨速率,法拉第效率分别达到9.10%和9.81%。15N同位素标记实验发现,TiOxNy催化剂产物中的氨主要来源于电催化NRR和催化剂晶格中的氮两部分,揭示了反应符合Mars-van Krevelen机制,即催化剂和氮气循环脱出氮原子形成氨气,降低了氮气分子中的氮氮三键活化能;Nb2O5-NCF催化合成的氨来自于NRR,然而电极在反应中发生了电致变色现象,导致产氨速率大大降低。表征发现,在电催化NRR过程中氧化铌由赝六方相转变为立方相,导致氧空位浓度下降和NRR性能降低。采用低温热处理或阳极氧化方式可以使电极恢复为初始晶相,展示了良好的循环重现性。二、通过液相化学合成法,制备了碳负载的铂修饰氧化钼纳米颗粒(Pt-MoO3/C)催化剂。结果表明,在-0.4 V(***)电位下,Pt-MoO3/C展示了优异的肉桂醛C=O键选择性加氢合成肉桂醇催化活性,其转化率几乎达到99%,选择性为78%,法拉第效率约为50%。理论研究揭示,铂修饰的氧化钼催化剂中电子易在MoO3(002)表面富集,利于肉桂醛分子垂直吸附在催化剂表面,导致尾端C=O键优先加氢,因而提高了肉桂醇合成的选择性。三、通过浸渍、煅烧和硫化的方式,制备了碳负载的铂和硫化镍纳米颗粒(PtNiSx/CB)催化剂。结果表明,PtNiSx/CB在氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)和 5-羟甲基糠醛(5-Hydroxymethylfurfural,HMF)氧化为2,5-呋喃二甲酸(2,5-Furardicarboxylic Acid,FDCA)反应中展现出优异的双功能催化活性。结合ORR和HMF氧化反应,利用PtNiSx/CB双功能电极组装燃料电池,在60℃下电池放电效率为2.12 mW cm-2,同时获得电能和实现高附加值FDCA的合成。四、为解决碱水电解制氢过程中氢氧混合问题,提出利用有机物氧化反应代替析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)的解决思路。利用一步水热法在商业泡沫镍基体上原位合成了氢氧化钴纳米片(Co(OH)2/NF)阵列结构。结果表明,Co(OH)2/NF展示了优异的电催化氧化苯甲醇为苯甲酸活性。在1.7 V(***)电位下,反应物转化率和产物选择性均可达到99%,电流密度高达100 mA cm-2,且产物在电解液酸化后可直接结晶析出。将该反应和析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER)耦合,可同时获得高附加值化学品和氢气,为解决碱水电解制氢过程中氢氧混合问题提供了新思路。

关键词： 光催化有机反应   连续流   有机合成   气-液-固段塞流   微反应器   流动化学  

摘要： 可见光催化有机反应具有选择性好、反应条件温和、安全性高和能耗低的特点，已经成为有机合成领域可靠且高效的合成策略。然而，传统釜式反应器在有机光催化实验和生产中具有重复性差、反应速率低、放大困难的缺点，限制了光催化有机合成的研究和工业应用。连续流反应器具有物料停留时间可控、比表面积大、放大效应小等优点，近年来在光催化有机合成领域得到了广泛关注。为进一步拓展光催化有机合成在连续流反应器的应用范围，加深连续流对光催化反应强化机制的理解，本文选取苯乙烯光催化反马氏水合制2-苯乙醇的均相光催化反应和偶氮化合物的非均相光催化合成为研究对象，开展了连续流强化可见光催化有机反应研究。本论文主要包括四部分工作:　　第一部分:利用连续流光催化反应平台，进行连续流强化苯乙烯光催化反马氏水合制2-苯乙醇的研究工作。结果表明，光源形状对光催化反应速率有较大影响。与平面LED光源相比，采用环形LED光源可以大大缩短光催化反应时间，连续流反应器将苯乙烯完全转化所需时间由20h缩短至2h。通过反应条件的优化发现，光敏剂最佳浓度为2mol％，氢原子转移催化剂在0-20mol％范围内增加其浓度可显著促进反应，增加底物浓度导致苯乙烯阳离子中间体与苯乙烯的加成反应，降低了2-苯乙醇的选择性。连续流反应器中获得的苯乙醇最大生产能力为0.122mol/(L·h)，比公开文献中报道的值(0.0036mol/(L·h))高34倍。　　第二部分:采用气-液-固三相段塞流的流动模式，研究了非均相光催化偶氮化合物的连续流合成。实验发现，段塞流有效避免了固体催化剂颗粒的沉降，稳定性测试表明催化剂沉降量小于5％。升高反应温度有利于硝基苯的转化，反应温度从20℃升高到30℃，硝基苯的转化率由41％升高至89％，60℃时达到95％。光源功率的增加显著提升光催化反应速率，当功率从50W增加到150W，硝基苯转化率从36％增加到88％。不同光源功率下，连续流光催化反应器的表观量子产率(AQY)在0.9％到1.4％之间。由于固体催化剂对光的吸收和反射，当催化剂含量超过一定值时反应速率降低，最佳催化剂浓度为5mg/mL。得益于更好的透光性，连续反应器相对于间歇反应器表现出更高的光催化反应速率，在达到同样的反应效果的情况下，连续流反应器将反应时间从90min缩短至7.5min。反应动力学测试表明，连续流反应器硝基苯的光催化转化反应更接近于一级反应动力学。　　第三部分:采用高速摄像机和显微粒子成像测速系统(micro-PIV)进行了气-液-固三相段塞流流动行为与光催化反应的耦合机理研究。结果表明，气-液-固段塞流流体力学特性对光催化反应性能有较大的影响。在气体分数对光催化反应的影响中，研究发现增大气体分数有利于光催化反应进行。气体分数从0.2增加到0.9，液体段长度从10.4减小到1.5mm，硝基苯转化率从50％增加到96％。当气体分数为0.67时气-液-固段塞流动最为稳定。在流量对光催化反应的影响方面，在低气体分数情况下(βG=0.25)，流量对反应速率影响较小。随着总流量的增加，相邻的液体段倾向于相互合并，导致液体段的长度增加，硝基苯转化率在30-40％之间波动。在高气体分数情况下(βG=0.67)，硝基苯的转化率随着总流速的增加而明显增加，总流速从1.2mL/min增加到6.0mL/min，硝基苯的转化率从41％增加至81％。结合高速摄像机和micro-PIV观察到的流体力学行为发现，总流量的增加导致液体段内再循环增强，避免了固体催化剂颗粒的沉降并加强了固体催化剂与反应物之间的传质，提高了硝基苯转化率。气-液-固段塞流光催化反应器单位体积的偶氮化合物最大生产率达到26.1mmol/(L·h)，是相同条件下间歇式反应器的5.6倍，远高于文献报道的数据，证明了气-液-固段塞流在非均相光催化领域的巨大应用潜力。　　第四部分:采用大功率LED光源，通过增加全氟烷氧基烷烃(PFA)管路长度和管径的方法对气-液-固段塞流光催化反应进行了放大。研究表明，在大功率LED光源驱动的连续流光催化反应器中，光源功率以及气体分数对光催化反应的影响与小型30mL段塞流光催化反应器具有相似的规律。经过放大，大功率LED气-液-固段塞流反应器偶氮化合物的生产能力达到37.4g/d，是30mL段塞流反应器的10倍以上，是文献中报道的30mL釜式反应器的130倍以上。反应器反应温度以及转化率等各项指标在90min的运行测试中表现出较高的稳定性。提出了根据反应物接收到的光子流量对反应器的产量做出准确的计算评估手段，为非均相光催化放大提供理论基础。