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作者：

吴腊霞

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摘要：

CO2是主要的温室气体之一,同时也是一种无毒,廉价,丰富,可再生的C1资源,将其固定利用,不但可以解决温室效应带来的环境问题,而且还可以缓解日益严重的能源枯竭问题.但CO2热力学高度稳定,如何将其活化成为了CO2利用的关键问题.电化学方法是CO2活化的有效方式之一,通常在常温常压下即可实现CO2的固定利用. 在CO2资源化利用中,将CO2转化为有机碳酸酯是利用CO2的有效途径之一.有机碳酸酯是一类重要的化工原料,在化学化工,医药等领域具有重要的用途.高温高压下,使用催化剂如金属烷氧基化物,有机/无机碱,乙酸盐及金属氧化物等可催化CO2与醇反应合成有机碳酸酯,但这些过程普遍存在着催化剂催化活性不高,目标产物产率低,反应条件苛刻等问题.因而需要研发更为绿色的合成路线. 近年来鉴于离子液体优异的物理化学性质和独特的电化学特性,其被广泛应用于电化学研究中.由于离子液体对CO2有较好的溶解性,使得离子液体成为电化学固定CO2的良好反应介质.离子液体阴极还原可以生成N-杂环卡宾(NHCs).NHCs可作为小分子催化剂催化各种有机反应,且具有无金属参与,反应条件温和,对环境友好等优点.最近研究发现NHCs可以与C02反应形成NHC-CO2加合物,该加合物可用于活化利用CO2. 在温和条件下,采用电化学方法对温室气体C02进行固定利用,并合成有用的有机碳酸酯具有重要的意义.而离子液体,作为绿色反应介质或绿色反应介质兼NHCs的前驱体,应用于有机碳酸酯的合成,具有一定的创新意义和实用价值. 本论文主要研究内容如下: (1)有机溶剂中直接电还原CO2合成有机碳酸酯 常温常压下,一室型电解池中,研究了饱和CO2的DMF/CH3CN-TBAI(0.1mol L-1)溶液中直接电还原CO2与醇的反应,合成了相应的碳酸酯.以甲醇为模板原料,考察了溶剂,电极材料,电流密度,电解电量,温度以及甲醇的浓度等实验因素对目标产物碳酸二甲酯产率的影响.在优化条件下,研究了一系列一元醇,邻二醇和苯酚的反应.由实验可知,一元伯醇,仲醇在实验条件下可转化为相应的线性碳酸酯,邻二醇可转化为环状碳酸酯,但一元叔醇和苯酚在实验条件下不能发生羧化反应.根据实验结果及文献,探讨了反应历程,该工作对有机溶剂中直接电还原CO2合成有机碳酸酯反应做了较深入的研究,具有一定的参考价值. (2)电致乙腈负离子(-CH2CN)活化邻二醇与CO2反应合成环状碳酸酯 常温常压下,在两室型电解池中,以CO2和邻二醇为原料,通过电致乙腈负离子(-CH2CN)的方法合成相应的环状碳酸酯.该反应过程中避免了传统有机碱及催化剂的使用.实验中以乙二醇(EG)为模板原料,考察了支持电解质,阴极材料,电流密度,电解电量,底物浓度,反应温度以及搅拌时间等实验因素对目标产物碳酸乙烯酯(EC)产率的影响.优化后EC的产率为36%,并在优化条件下考察了该反应的普遍适用性. (3)离子液体中直接电还原CO2与邻二醇反应合成环状碳酸酯 首次以离子液体为溶剂-电解质体系,研究直接电还原CO2与邻二醇的反应合成环状碳酸酯.整个反应过程在一室型电解池中常压温和条件下进行,且避免了催化剂,支持电解质及有机溶剂的使用.实验过程中考察了电极材料,电解电位,温度,电解电量,邻二醇浓度,离子液体的组成,超声等对反应的影响,并利用循环伏安法研究了CO2及反应底物在离子液体中的电化学行为.此外还对离子液体的循环使用性进行了考察.该工作为环状碳酸酯提供了一条绿色的合成途径. (4)电致N-杂环卡宾活化CO2与邻二醇反应合成环状碳酸酯 温和条件下,两室型电解池中电解咪唑离子液体可生成NHCs,向电解后的咪唑离子液体中通入CO2可形成NHC-CO2加合物.首次利用电化学方法分析NHC-CO2的形成,并以NHC-CO2为C02的活化载体,研究了C02与邻二醇反应合成相应的环状碳酸酯.反应中以苯乙二醇为模板原料,考察了电极材料,离子液体种类,电解电量,电流密度,反应温度,搅拌时间等实验因素对反应的影响.优化条件下碳酸苯乙烯酯的产率可达到60%.在优化条件下考察了反应的普适性,并对反应的历程进行了推测.该工作为环状碳酸酯提供了一种新的合成途径,同时也拓展了NHCs在C02固定上的应用. (5)电致N-杂环卡宾活化C02与一元醇反应合成线性碳酸酯 咪唑离子液体1e-阴极还原可生成相应的NHCs,亲核的NHCs可以活化二氧化碳形成NHC-CO2加合物(咪唑-2-羧酸盐),该加合物可作CO2的活化载体.该工作在电致NHCs活化C02合成环状碳酸酯反应的基础上,研究NHC-CO2作为C02的活化载体与一元醇反应合成线性碳酸酯.反应中以苯甲醇为模板原料,考察不同实验因素对反应的影响,优化条件下苯甲醇的转化率为90%,碳酸甲苄酯的选择性为96%.咪唑离子液体在反应过程中起着绿色溶剂及NHCs前驱体的双重作用,避免了有毒易挥发有机溶剂及支持电解质的使用.该工作为线性碳酸酯提供了一种新的合成途径,同时也进一步拓展了NHCs在CO2固定上的应用.

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关键词：

电合成 二氧化碳 有机碳酸酯 离子液体 N-杂环卡宾