Изобретение относится к способу связывания диоксида углерода окисями олефинов (оксиранами, эпоксидами) в присутствии катализаторов. Согласно изобретению в качестве катализаторов этого процесса впервые предложены электрохимически восстановленные (электрохимически активированные) моно- и дианионные формы планарных и сэндвичеобразных фталоцианиновых комплексов переходных и редкоземельных элементов, а также безметального тетра-трет-бутилфталоцианина.
Реакция может быть осуществлена как в условиях гомогенного (фталоцианиновый комплекс находится в растворе), так и гетерогенного (фталоцианиновый комплекс нанесен на графитовый электрод) катализа в мягких условиях (атмосферное давление, комнатная температура).
Стремительно возрастающая антропогенная нагрузка на биосферу и сжигание все больших количеств ископаемого топлива приводит к увеличению концентрации двуокиси углерода в атмосфере, которое достигло критической величины и становится опасным. Одним из способов решения этой проблемы является использование атмосферного CO2 как источника углерода для тонкого органического синтеза, поскольку углекислый газ является дешевым и широко доступным сырьем. Однако молекула CO2 сама по себе очень инертна, поэтому необходима ее активация. Существуют три основных способа активации CO2: каталитический, фотохимический и электрохимический. Однако такая классификация достаточно условна, поскольку наиболее эффективной, как правило, является фото- или электрохимическая активация в присутствии металлокомплексов.
Известны электрокаталитические реакции связывания CO2 с помощью фталоцианиновых комплексов переходных металлов в водном растворе с образованием CO, CH4 и HCOOH (N.Furuya, S.Koide, Electrochimica Acta, 1991, Vol.36, P. 1309). Однако для осуществления этого процесса необходимо приложить высокий катодный потенциал, т.к. реакции происходят только при потенциалах близких к -1.5 B (относительно насыщенного каломельного электрода) и выше. Это значительно ограничивает возможности метода, поскольку при таких высоких потенциалах возможно протекание различных побочных процессов, например восстановления присутствующих в растворе реагентов-"ловушек" для связывания CO2. Кроме того, образующиеся при этом продукты опять легко превращаются в CO2 (окисление кислородом воздуха, нагревание). Одним из перспективных направлений является превращение двуокиси углерода в полимерные продукты, которые экологически безопасны и надолго выводят CO2 из оборота. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является реакция образования алкиленкарбонатов по реакции CO2 с оксиранами, катализируемая фталоцианиновыми комплексами металлов (US Patent N 5283356). Недостатком такого процесса является протекание его в жестких условиях (высокая температура и давление CO2). Кроме того, низкая растворимость предложенных катализаторов приводит, по-видимому, к протеканию процесса в гетерогенных условиях и, соответственно, значительно снижает эффективность известного способа.
Сущность изобретения
Заявитель указанного изобретения обнаружил, что указанные недостатки могут быть устранены при использовании в качестве катализаторов процесса связывания CO2 окисями олефинов с образованием циклических алкиленкарбонатов восстановленные (т.е. электроактивированные) формы следующих фталоцианиновых соединений: безметального тетра-трет-бутилфталоцианина, а также тетра-трет-бутилзамещенных моно- и дифталоцианиновых комплексов переходных и редкоземельных элементов (см. формулы I, II, III и IV, представленные в конце описания)
Активная форма катализатора образуется при обратимом электрохимическом одно- и двухэлектронном восстановлении комплексов, приводящем к образованию моно- и дианионных форм соответственно.
Связывание CO2 протекает по следующей схеме:
(На схеме PcM - любое из соединений I-IV, см. в конце описания).
В качестве модельных соединений для связывания диоксида углерода изучены окись пропилена и эпихлоргидрин.
Строение продуктов реакции доказано спектральными методами и данными масс-спектрометрических исследований. Для определения числа каталитических циклов, реализующихся в системе в зависимости от условий реакции и природы используемого катализатора, применен метод калибровочной кривой, позволяющий определить концентрацию продуктов реакции в растворе с помощью ИК-спектроскопии.
Для осуществления процесса подходит простейшая электрохимическая ячейка любой формы с разделенным анодным и катодным пространством, предусматривающая возможность ввода CO2. В качестве рабочего электрода могут быть использованы платина или графит. Приготовление активной формы катализатора осуществляется в потенциостатических условиях (при контроле потенциала рабочего электрода). Катализ может быть осуществлен как при потенциалах первой, так и второй волны восстановления фталоцианиновых комплексов, при этом выход алкиленкарбоната на второй волне восстановления, как правило, увеличивается.
Реакцию можно проводить как в условиях гомогенного, так и гетерогенного катализа. В первом случае используется раствор катализатора - восстановленной формы фталоцианинового комплекса в CH3CN или смеси CH3CN:CH2Cl2=4:1, в присутствии большого избытка эпоксида.
Можно увеличить эффективность процесса, если нанести катализатор на пористый графитовый электрод, через который подается ток CO2. Электрод погружается в раствор CH2CN, содержащий 0.02 М Bu4NBF4 и эпоксид. Выход продукта реакции существенно зависит от структуры и пористости графита.
Поскольку катализатор в процессе реакции не расходуется и не разрушается, увеличение числа каталитических циклов на 1 моль катализатора (и, следовательно, выхода продукта реакции) может быть достигнуто простым увеличением времени реакции.
Предлагаемый способ электрокаталитического связывания диоксида углерода имеет ряд преимуществ. Во-первых, CO2 удается превращать не в обычные продукты его электрокаталитического восстановления (CO, CH4, HCOOH), а в ценные органические продукты - алкиленкарбонаты, что до сих пор не удавалось сделать в мягких условиях. Во-вторых, реакцию можно осуществлять (особенно в случае дифталоцианинов) при уникально низких потенциалах (-0.1 - -0.2 B отн. нас. каломельного электрода). Протекающий при этом процесс не является электрокаталитическим восстановлением CO2, а представляет собой химическую реакцию взаимодействия CO2 с эпоксидом, катализируемую моновосстановленной формой дифталоцианина. Благодаря тому, что электрохимическое восстановление дифталоцианинов протекает очень легко, удается достичь высокой селективности процесса, т.к. побочные реакции электровосстановления других присутствующих в растворе электроактивных соединений не будут происходить.
Изобретение относится к разработке способа электрокаталитического связывания диоксида углерода путем электрохимической активации фталоцианиновых комплексов за счет их восстановления до моно- и дианионов, которые являются гораздо более эффективными катализаторами связывания двуокиси углерода окисями олефинов с образованием циклических алкиленкарбонатов, чем исходные фталоцианины.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение данного изобретения.
Пример 1. B электролитическую трехэлектродную ячейку (рабочий электрод -платиновая пластина площадью 1.85 см2) объемом 7 мл с разделенным анодным и катодным пространством помещали 2.5 мг (3•10-6 моль) тетра-трет-бутилфталоцианина палладия, 6 мл смеси CH3CN: CH2Cl2 (4:1), 40 мг (0.02 моль/л) Bu4NBF4 Раствор продували аргоном в течение 15 мин и после этого начинали электролиз в потенциостатическом режиме при потенциале -0.94 B (отн. насыщенного хлорсеребряного электрода). После окончания электролиза (когда значение тока падает до 10% от первоначального) ячейку отключали и через раствор в течение 30 мин пропускали CO2 и затем добавляли предварительно продутую аргоном окись пропилена (2 мл). Реакционную смесь продували CO2 в течение 30 мин, затем передавливали аргоном в сосуд Шленка и использовали для определения степени протекания реакции на ИК-спектрометре. Получено 7.5-10-5 моль пропиленкарбоната, т. е. число каталитических циклов на 1 моль катализатора равно 25.
Пример 2. В ячейку, отличающуюся от описанной в примере 1 только тем, что вместо платиновой пластины в качестве рабочего электрода использовали стержень из электролитического графита (диаметр 5 мм) с отверстиями для подачи CO2 в раствор, помещали 2 мл CH3CN, 13 мг (0.02 моль/л) Bu4NBF4 и 1 мл (1.3•10-2 моль) эпихлоргидрина. На графитовый электрод был предварительно нанесен катализатор - тетра-трет-бутилзамещенный фталоцианин палладия. Нанесение проводилось следующим образом: 0.8 мг (10-6 моль) PctPd растворяли в 0.5 мл CH2Cl2 (предварительно перегнанного над CaH2). Графитовый стержень погружали в этот раствор на 1 мин, затем вынимали и высушивали электрод током теплого воздуха. Процедуру повторяли 2-3 раза, пока весь раствор не был нанесен на конец стержня, погружаемый в раствор. Подготовленный таким образом электрод погружали в раствор и прикладывали потенциал -0.94 B, постоянно пропуская CO2. Через 2,5 часа раствор передавливали аргоном в сосуд Шленка и использовали для определения степени протекания реакции на ИК-спектрометре. Получено 2.5•10-4 моль хлорметилэтиленкарбоната, т.е. число каталитических циклов на 1 моль катализатора равно 2.5•102.
Пример 3. В условиях, аналогичных примеру 2, за исключением того, что в качестве катализатора использовали 0.74 мг (10-6 моль) тетра-трет-бутилфталоцианина; на электрод подавался потенциал -1.12 B и время реакции составляло 1 ч 15 мин. Получено 2.2•10-3 моль хлорметилэтиленкарбоната, т.е. число каталитических циклов на 1 моль катализатора равно 2.2•103.
Пример 4. В условиях, аналогичных примеру 3, за исключением того, что время реакции составляло 2 ч 30 мин. Получено 3.5•10-3 моль хлорметилэтиленкарбоната, т.е. число каталитических циклов на 1 моль катализатора равно 3.5•103.
Пример 5. В условиях, аналогичных примеру 4, за исключением того, что в качестве катализатора использовали 1.2 мг (10-6 моль) дифталоцианина лютеция; и на электрод подавался потенциал -0.10 B. Получено 1.3•10-4 моль хлорметилэтиленкарбоната, т.е. число каталитических циклов на 1 моль катализатора равно 1.25•102.
Пример 6. В условиях, аналогичных примеру 5, за исключением того, что в качестве катализатора использовали 1.6 мг (10-6 моль) тетра-трет-бутилзамещенного дифталоцианина празеодима; и на электрод подавался потенциал -1.10 B. Получено 5.9•10-4 моль хлорметилэтиленкарбоната, т.е. число каталитических циклов на 1 моль катализатора равно 5.85•102.
Пример 7. (В условиях, аналогичных примеру 4, за исключением того, что на электрод подавался потенциал -0.74 B. Получено 4.8•10-4 моль хлорметилэтиленкарбоната, т.е. число каталитических циклов на 1 моль катализатора равно 4.8•102.
Количества реагентов, используемые в примерах, могут быть увеличены в десятки раз. Для этого достаточно простого увеличения объема ячейки и площади электрода.
Поскольку процесс происходит без разрушения структуры катализатора, количество каталитических циклов может быть легко увеличено за счет увеличения продолжительности процесса.
Другие примеры содержат моно- и дифталоцианиновые комплексы различных металлов и другие оксираны.
Таким образом, приведенные данные позволяют предложить новый эффективный способ электрокаталитического связывания диоксида углерода за счет активации катализаторов - моно- и дифталоцианиновых комплексов переходных и редкоземельных элементов, а также безметального тетра-третбутилфталоцианина. Электрохимическое восстановление до моно- и дианионных форм позволяет превратить неактивные при нормальных условиях фталоцианины в активные формы катализатора реакции связывания диоксида углерода при нормальных условиях (20oC, атмосферное давление CO2) с помощью оксиранов.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОГО СВЯЗЫВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОПОЛИМЕРИЗОВАННЫХ ФТАЛОЦИАНИНОВЫХ КОМПЛЕКСОВ | 1999 |
|
RU2154052C1 |
СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО СВЯЗЫВАНИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА | 1996 |
|
RU2100355C1 |
СПОСОБ ЭКСТРАКЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПЛАТИНЫ И ПАЛЛАДИЯ | 1998 |
|
RU2151209C1 |
СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАСТВОРЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ | 1996 |
|
RU2117517C1 |
СПОСОБ ПРЕВРАЩЕНИЯ МЕТАНА В ЭТИЛЕН И ЭТАН В ПРОЦЕССЕ ЕГО ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФТАЛОЦИАНИНОВЫХ КОМПЛЕКСОВ В КАЧЕСТВЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ | 2008 |
|
RU2412143C2 |
РЕГЕНЕРАЦИЯ ФТАЛОЦИАНИНОВЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ДВУОКИСЬЮ УГЛЕРОДА В СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ | 2003 |
|
RU2236290C1 |
ПРОИЗВОДНЫЕ ГИДРИРОВАННЫХ ПИРИДО(4,3-B)ИНДОЛОВ, СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ, ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЛЕЧЕНИЯ | 1995 |
|
RU2140417C1 |
НЕПРЕРЫВНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОПИЛЕНКАРБОНАТА В РЕАКЦИИ КАРБОКСИЛИРОВАНИЯ ОКИСИ ПРОПИЛЕНА В ПРИСУТСТВИИ ФТАЛОЦИАНИНОВЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ | 2003 |
|
RU2228933C1 |
6,7-ДИФЕНИЛ-2,3-ДИЦИАНОНАФТАЛИН И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 6,7-ДИФЕНИЛ-2,3-ДИЦИАНОНАФТАЛИНА | 2010 |
|
RU2426725C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 4-МЕТИЛ-5-ФОРМИЛТИАЗОЛА | 2002 |
|
RU2228332C1 |
Изобретение относится к способу электрокаталитичесного связывания диоксида углерода путем взаимодействия его с оксиранами в присутствии катализатора, отличающийся тем, что в качестве катализатора используются электрохимически активированные формы фталоцианиновых комплексов. Способ отличается высокой эффективностью. 2 з.п. ф-лы, 1ил.
Электролит для осаждения сплавов на основе серебра | 1974 |
|
SU528356A1 |
Катализатор для окисления сернистых соединений и способ его приготовления | 1980 |
|
SU1041142A1 |
Способ получения катализатора для удаления окислов азота, окиси углерода и/или остаточных углеводородов | 1987 |
|
SU1657048A3 |
Furuya N | |||
et al | |||
Electrochimica Acta | |||
Циркуль-угломер | 1920 |
|
SU1991A1 |
Авторы
Даты
1999-11-20—Публикация
1997-05-28—Подача