电气工程与电子技术学报

综述无金属催化剂在用环氧物化学固定二氧化碳生产环状碳酸酯方面的最新进展

梅塞鲁·埃斯凯齐亚

“绿色科学”和“分子经济”的目的是利用二氧化碳并取代有害反应物，例如 CO 和光气，来生产环状碳酸酯。本文研究了包括有机碱、离子流体和支持性催化剂在内的无金属催化剂，用于通过二氧化碳与环氧物的环加成反应来合成环状碳酸酯。总结并讨论了催化剂设计和反应机理理解方面的最新进展。重点介绍了有机碱和氢键促进剂、有机碱和亲核阴离子、氢键促进剂和亲核阴离子以及活性成分和载体的协同作用。最终目标是在流动反应器中将有机排气中的分子二氧化碳直接转化为环状碳酸酯，反应温度和环境压力为适宜。通过利用协同效应，多功能方法可以满足二氧化碳吸附和引发以及环氧化物开环的非金属推动力的计划系统。二氧化碳（CO2）是增加温室效应的气体之一，空气中二氧化碳的聚集已造成严重问题，破坏了环境和人类健康。因此，这种气体的开采和使用引起了全世界的广泛关注。在最近的十年中，由于严重的大气破坏以及二氧化碳可能用作开发重要化学物质的安全、丰富、取之不尽和合理的 C1 热点而受到广泛关注。使用二氧化碳作为理想的 C1 构件已成为学术和工业方面的热门和有前途的领域。大量的兴趣点推动了对 CO2 协同转化为化合物（CO、CN 和 CC 键形成）和能源的广泛而深入的研究，然而，由于 CO2 转化的热力学稳定性和反应潜伏期，它仍然面临许多挑战。因此，大多数已实现的研究都使用高反应性底物和高反应条件来激活 CO2，限制了此类方法的使用。具体而言，CO2 与高能底物（例如环氧化物和氮丙啶）的协同偶联以产生聚碳酸酯/聚氨基甲酸酯或潜在的环状碳酸酯/氨基甲酸酯在过去几年中引起了广泛关注。为了与 CO2 形成 CC 键，碳亲核试剂的使用仅限于强亲核有机锂和格氏试剂以及苯酚盐。在其他潜在反应中，环氧化物和 CO2 中环状碳酸酯的分子货币合成在现代和学术上都引起了极大的兴趣。环状碳酸酯用于合成多种工业上重要的化合物，如碳酸二甲酯和聚碳酸酯，它们还被用作精细化学品合成的溶剂和中间体。传统上，这些环状碳酸酯是使用光气或 CO 制备的，这些物质具有危险性和对环境的不利性，因此被避免使用，而将 CO2 作为 C1 资产合成环状碳酸酯。环状碳酸酯是无毒、易于生物降解、高极性和高沸点的液体，可用作工业原料，用途广泛：脱脂溶剂、环氧沥青和聚氨酯的稀释剂、填料添加剂、聚碳酸酯和其他聚合物合成的合成中间体以及通过与甲醇的酯交换反应合成碳酸二甲酯 (DMC)。环状碳酸酯的主要合成方法依赖于羰基化或羧化反应。前者是通过用危险的光气或毒性较小的羰基衍生物（如碳酸二烷基酯或尿素）反应二醇来实现的。尽管光气法易于操作且需要温和的温度条件，但它存在使用剧毒且危险的试剂的缺点。此外，这还存在两个其他缺点：反应产物的选择性低，以及以化学计量量形成的 HCl 的成本高。其他两种方法虽然更具生态友好性，但也存在需要化学计量量的有机碳酸盐或尿素的问题，这需要成本、高温（T > 130 ◦C）和基于金属氧化物的昂贵催化剂。此外，由于合成反应是可逆的，因此反应很少完成，并且需要单调的分离步骤。对于使用尿素的反应，必须回收以化学计量量形成的嗅盐。至于羧化方法，通常是通过 CO2 与烯烃和氧气反应，或 CO2 直接与环氧化物或二醇反应而实现的。尽管这些方法比光气方法更可取，因为它们具有使用臭氧破坏物质的优势，但它们会遭受其他问题的负面影响，这些问题至今仍未得到解决。用作工业原料，用途广泛：脱脂溶剂、环氧沥青和聚氨酯稀释剂、填料添加剂、聚碳酸酯和其他聚合物混合物的合成中间体以及通过与甲醇的酯交换反应生成碳酸二甲酯 (DMC)。环状碳酸酯的主要合成方法依赖于羰基化或羧化步骤。前者是通过使二醇与有害的光气或毒性较小的羰基衍生物（如碳酸二烷基酯或尿素）反应来实现的。尽管光气方法易于实现并且需要温和的温度条件，但它存在使用剧毒且危险的试剂的缺点。此外，这还有另外两个缺点：反应产物的选择性低以及以化学计量方式形成的 HCl 的废弃成本。另外两种方法虽然更具生态友好性，但也存在需要按化学计量使用有机碳酸盐或尿素的问题，这些方法成本高，需要高温（T > 130 ◦C）以及需要昂贵的基于金属氧化物的催化剂。此外，由于合成反应是可逆的，因此转化很少完成，并且需要单调的分离步骤。对于尿素反应，必须回收按化学计量形成的嗅盐。至于羧化方法，通常通过将 CO2 与烯烃和氧气反应，或直接将 CO2 与环氧化物或二醇反应来培养。尽管这些方法优于光气方法，因为它们具有使用臭氧破坏剂的优势，但它们会遭受其他问题的负面影响，这些问题仍然未得到解决。用作工业原料，用途广泛：脱脂溶剂、环氧沥青和聚氨酯稀释剂、填料添加剂、聚碳酸酯和其他聚合物混合物的合成中间体以及通过与甲醇的酯交换反应生成碳酸二甲酯 (DMC)。环状碳酸酯的主要合成方法依赖于羰基化或羧化步骤。前者是通过使二醇与有害的光气或毒性较小的羰基衍生物（如碳酸二烷基酯或尿素）反应来实现的。尽管光气方法易于实现并且需要温和的温度条件，但它存在使用剧毒且危险的试剂的缺点。此外，这还有另外两个缺点：反应产物的选择性低以及以化学计量方式形成的 HCl 的废弃成本。另外两种方法虽然更具生态友好性，但也存在需要按化学计量使用有机碳酸盐或尿素的问题，这些方法成本高，需要高温（T > 130 ◦C）以及需要昂贵的基于金属氧化物的催化剂。此外，由于合成反应是可逆的，因此转化很少完成，并且需要单调的分离步骤。对于尿素反应，必须回收按化学计量形成的嗅盐。至于羧化方法，通常通过将 CO2 与烯烃和氧气反应，或直接将 CO2 与环氧化物或二醇反应来培养。尽管这些方法优于光气方法，因为它们具有使用臭氧破坏剂的优势，但它们会遭受其他问题的负面影响，这些问题仍然未得到解决。这些方法成本高昂，需要高温（T > 130 ◦C）和昂贵的金属氧化物催化剂。此外，由于合成反应是可逆的，因此转化很少完成，并且需要单调的分离步骤。对于尿素反应，必须重复使用按化学计量形成的嗅盐。关于羧化方法，通常通过将 CO2 与烯烃和氧气反应或直接将 CO2 与环氧化物或二醇反应来培养。尽管这些方法比光气方法更可取，因为它们具有使用臭氧破坏物质的优势，但它们会受到其他问题的负面影响，这些问题仍然未得到解决。这些方法成本高昂，需要高温（T > 130 ◦C）和昂贵的金属氧化物催化剂。此外，由于合成反应是可逆的，因此转化很少完成，并且需要单调的分离步骤。对于尿素反应，必须重复使用按化学计量形成的嗅盐。关于羧化方法，通常通过将 CO2 与烯烃和氧气反应或直接将 CO2 与环氧化物或二醇反应来培养。尽管这些方法比光气方法更可取，因为它们具有使用臭氧破坏物质的优势，但它们会受到其他问题的负面影响，这些问题仍然未得到解决。