[发明专利]一种低共熔离子液体催化二氧化碳合成环状碳酸酯的方法

说明书

本发明涉及一种低共熔离子液体催化二氧化碳合成环状碳酸酯的方法，该方法以卤化胆碱、N‑羟基琥珀酰亚胺按照摩尔比1:2合成的新型低共熔离子液体为催化剂，以二氧化碳和不同取代基环氧化合物为原料，在催化剂用量为环氧化合物摩尔量的5%~10%，反应压力为0.1~1 MPa，反应温度为25~80℃，反应时间为1~24小时的条件下合成相应的环状碳酸酯。本方法所采用的催化剂环境友好、廉价易得、制备简单高效、催化性能优异，可以实现温和（或常温常压）、无金属、无溶剂条件下环状碳酸酯的高选择性合成，而且该催化剂与产物易分离，循环使用性能良好。

技术领域

本发明涉及一种低共熔离子液体催化二氧化碳合成环状碳酸酯的方法，属于催化化学领域。

背景技术

二氧化碳(CO₂)是大气中主要的温室气体，还是自然界中储量丰富、价廉、无毒、不易燃的可再生C1资源，实现CO₂的资源化利用有助于降低大气中CO₂的浓度，同时还可以得到高附加值化工与能源产品，从环境保护及可持续发展化学的角度来讲，具有重大意义。通过CO₂与环氧化合物环加成合成环状碳酸酯是实现CO₂减排及资源化利用的有效途径，一方面该反应属于原子经济性反应；另一方面，合成的环状碳酸酯是一类非常重要的化工产品，具有优异的理化性质，如高沸点、高极性、低挥发性以及良好的生物降解性和溶解性，可广泛应用于锂离子电池电解液、添加剂、医药中间体、聚合物单体等领域。

对于CO₂与环氧化合物环加成反应而言，已报道出系列催化剂，包括金属氧化物、碱金属盐、Salen金属配合物、季铵/或鏻盐、金属有机骨架化合物以及离子液体。然而，报道的大部分催化剂存在以下弊端：(1)催化剂合成成本高、合成过程复杂；(2)催化反应条件苛刻(高温、高压)、助催化剂易流失、使用挥发性有机溶剂(N，N-二甲基甲酰胺、氯苯、甲基乙基酮)等，并不适合工业应用。因此，开发环保型高活性单组份催化剂成为必然的发展趋势。

最近，离子液体由于具有许多独特性质，如高稳定性、低蒸气压、强溶解性及优异再生性能，引起人们广泛关注，并且在CO₂与环氧化合物环加成制备环状碳酸酯反应中表现出优异的催化性能。早在2001年，Deng等人(New Journal of Chemistry，2001，25，639-641)首次报道1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐可以催化环氧丙烷定量转化合成碳酸丙烯酯；李浩然等人报道了金属螯合的胺型离子液体应用于吸收与催化转化CO₂合成环状碳酸酯(CN 103159731 B)，获得理想产品收率所需的反应条件较为苛刻(100℃，12小时或130℃，4小时)。随后，报道出一系列羟基或羧基功能化的咪唑类、季铵盐类、季鏻盐类、吡啶类、胍盐类、聚合类及各种固载化离子液体应用于CO₂与环氧化合物环加成反应中，然而，催化活性仍不够理想，有待进一步提高。最近，Abbott等人报道有机胺或醇(例如尿素、乙二醇)结合金属卤化物，在合适摩尔比条件下，可以混合形成低共熔离子液体。该类离子液体合成简单、成本低、环境友好，可广泛应用于燃料油脱硫、金属电沉积等领域。Baj等人(AppliedCatalysis A:General 2014,488,96–102) 报道了氯化胆碱/醋酸体系对CO₂与环氧丙烷环加成反应的催化活性，发现在反应温度为110℃、CO₂压力为2MPa条件下反应6h，环氧化物转化率仅为37％，选择性为96％。我们之前也报道了低共熔离子液体尿素/卤化锌对CO₂与环氧化物环加成反应的催化活性(Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,2016,412, 20–26)，在反应温度为120～140℃、CO₂压力为1.5MPa条件下反应3～6h，环状碳酸酯收率可达90％以上。最近，Lü等人(Chemical Communications,2018,54, 9579–9582)报道了低共熔离子液体氯化胆碱/聚乙二醇催化转化CO₂合成环状碳酸酯的研究，在反应温度为150℃、CO₂压力为0.8MPa条件下反应5h，环状碳酸酯收率为75～99％。综合以上报道，能够实现在温和条件下(常温或常压) 高效催化CO₂合成环状碳酸酯的非金属型离子液体催化剂还鲜有报道。基于此，我们提出本项发明研究。