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    我国学者在金属有机催化的烃类物质转化领域取得重要进展

    日期 2016-06-27   来源:化学科学部   作者:郑企雨 张艳 陈拥军  【 】   【打印】   【关闭

      近日,中国科学院上海有机化学研究所的黄正课题组和加州大学尔湾分校管治斌课题组合作,在聚乙烯废塑料降解研究方面取得重大进展,相关成果于6月17日以“Efficient and selective degradation of polyethylenes into liquid fuels and waxes under mild conditions”(温和条件下高效选择性降解聚乙烯制备液体燃料和石蜡)为题在Science Advances杂志上在线发表(Sci. Adv., 2016, 2, e1501591)。该研究工作得到优秀青年科学基金(21422209)和重点项目(21432011)等的支持。

      烃类物质(烷烃、烯烃、芳烃等)是化石能源的重要组成体,也是重要的基础化工原料。为应对绿色、可持续发展的挑战,一方面需要从自然界丰富的烃类物质出发,发展高效、原子经济性的合成技术,直接制备高价值化学品,实现“分子价值的增量”;另一方面也需要发展温和、实用的催化降解技术,将废弃的高分子量、稳定的烃类化学化工产品转化成可再次利用的小分子物质,避免对环境造成污染,实现“污染物质的减量”。黄正课题组发展了高效的金属有机催化方法和技术,在这两方面取得了重要突破。

      烷烃由高键能、非极性C-C单键和Csp3-H键组成,是最惰性的有机分子之一,其在合成化学中的应用价值较低。黄正课题组一直致力于烷烃催化转化方面的研究。该课题组先前发展了一类新型的PSCOP螯钳型铱金属有机配合物,其在烷烃脱氢反应中表现出非常高的催化活性,但是在直链烷烃脱氢过程中,由于催化剂具有烯烃异构活性,在反应后期阶段不可避免地生成内烯烃混合物作为主要产物。为解决该问题,他们巧妙地利用双金属催化一锅两步法进行烷烃末端高区域选择性硅基化,实现烷烃至直链烷基硅的高效催化转化(图1a)。催化体系包括由该课题组发展的PSCOP螯钳型铱金属有机络合物作为烷烃脱氢催化剂,将烷烃脱氢生成内烯烃混合物,吡啶二亚胺铁络合物作为串联烯烃异构和端烯烃硅氢化催化剂。该转化的关键在于:烷烃脱氢所生成的烯烃中间体快速异构,并通过铁催化剂对端烯烃选择性硅氢化促使内烯烃向端烯烃转化。该工作为烷烃选择性官能团化提供了新思路,相关成果发表在Nature Chemistry上(Nat. Chem.,2016, 8, 157; Conversion of alkanes to linear alkylsilanes using an iridium–iron-catalysed tandem dehydrogenation–isomerization–hydrosilylation;利用铑-铁催化的脱氢-异构化-硅氢化串联反应实现烷烃到直链烷基硅的转化)。

      聚乙烯和烷烃结构单元相似,均由C-C单键和Csp3-H键组成。聚乙烯是年产量 大的塑料产品(年产超过上亿吨),由于其化学惰性,被弃置后难以降解构成“白色垃圾”主要成分。研究人员利用双金属催化交叉烷烃复分解策略,使用价廉量大的低碳烷烃作为反应试剂和溶剂,与聚乙烯发生重组反应,可有效降低聚乙烯的分子量。由于在反应体系中低碳烷烃过量存在,可多次参与和聚乙烯的重组反应,直至把分子量高至上百万的聚乙烯降解为适用于运输系统燃油的烷烃产品。该反应适用于 HDPE、 LDPE和 LLDPE的降解,且催化剂可以兼容商业级聚乙烯中包含的各类添加剂,并进一步被证明可应用于实际生活中所产生的聚乙烯废塑料瓶、废塑料膜和废塑料袋的降解(图1b)。相比较传统高温裂解方法,该方法具有反应条件相对温和,产物选择性高的优点。高温裂解方法往往需要超过400度反应温度,产生包括气、油、蜡、焦等非常复杂的混合物;产物包括直链烷烃、支链烷烃、烯烃、芳烃等,产品利用价值低。而且黄正等发展的降解方法温度较低(150-200度),生成的产物以直链烷烃为主,且可以通过催化剂结构调控或反应时间控制,选择性生成可作为柴油的C9-C22烷烃或者聚乙烯蜡。这项研究成果得到了NatureScienceChemical &Engineering News等学术杂志的正面评论,并被《洛杉矶时报》、《华盛顿邮报》和新华网等国内外新闻媒体报道。

    图1. a) 烷烃选择性硅基化;b) 聚乙烯降解。




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