近年來發展起來的微流控技術具有精確操控微尺度流體的能力,將其用于液/液、氣/液及其它多相體系,可獲得形狀、組成和內部結構高度可控的分散相,不僅可以用于制備尺寸分散系數在5%以下的微球和藥用微膠囊,還能實現對聚合物分子量的控制和對微膠囊形態結構的復雜調控。

因此,本文利用微流控技術提供的均勻、可控的反應平臺,嘗試建立一種連續化、快速制備粒徑均勻的微膠囊負載Pd催化劑的方法,通過在微通道內原位、連續地進行液滴分散和聚合反應,在320~420μm范圍內實現了對微膠囊尺寸的靈活和準確調節;以Suzuki偶聯反應為模型(圖式1),對比分析了微膠囊尺寸對催化活性的影響,考察了微膠囊負載鈀催化劑的循環使用性能。

實驗部分

2.1.4-二苯基膦苯乙烯單體的合成

根據報道方法合成4-二苯基膦苯乙烯化合物.向裝有恒壓滴液漏斗的250ml三口圓底燒瓶中加入1.46g(60mmol)鎂粉和少量對苯二酚。在高純N2下,向恒壓滴液漏斗中緩慢滴加含6.50ml(50mmol)4-溴苯乙烯的四氫呋喃溶液30ml,反應混合液的溫度控制在40°C以下.待鎂粉基本消失,將混合液的溫度降至–15°C,并開始滴加含氯化二苯基膦9.4g的THF溶液24ml,2h內滴加完畢.緩慢升至室溫,用飽和NH4Cl水溶液調節pH至弱酸性,用乙酸乙酯萃取并分出有機相。依次用飽和NaHCO3、飽和食鹽水洗滌,加入無水Na2SO4干燥,去除有機溶劑,獲得粗品。采用200~300目硅膠柱層層析(展開劑是石油醚(沸點60~90°C):乙酸乙酯=20:1),獲得產品.整個過程產品收率78%,產品熔點79~80°C,與文獻一致。

2.2.微膠囊負載鈀催化劑的制備

2.2.1.含膦配體微膠囊的制備

圖1為采用PMMA板材作為基材制作同軸環管微反應器,其中水平通道內嵌入石英毛細管(外徑0.70mm,內徑0.53mm)用于引入分散相流體,兩側垂直通道嵌入聚四氟乙烯管用于引入連續相流體.連續相流體是含1.0wt%聚乙烯醇和0.5%十二烷基硫酸鈉的去離子水;分散相流體是含4-二苯基膦苯乙烯(1.0mmol,0.29g)、二乙烯基苯、偶氮二異丁基氰、苯乙烯和正十六烷(占單體總量的10wt%)的混合溶液。兩相流體的流量通過注射泵調控。微反應器的出口盤管置于98°C的油浴中,分散相流體液滴在流經6m長的盤管過程中經4.0~4.3min發生自由基聚合反應,固化成微膠囊顆粒.然后取出,經乙醇洗滌真空室溫干燥后,備用。

2.2.2.Pd(0)在微膠囊上的負載

將1.0g微膠囊加入到N2保護下的Schlenk瓶中,然后添加一定量Pd(PPh3)4(StremChemicals,99%)的CH2Cl2溶液,室溫攪拌4h,使用微孔過濾膜進行分離,再經CH2Cl2洗滌和真空干燥,獲得微膠囊負載鈀催化劑,其制備過程示意圖如圖2所示。

2.3.樣品的表征

將準確稱量的微膠囊負載鈀催化劑,置入馬弗爐中于700°C焙燒2h,待冷卻至室溫后,用王水(鹽酸和硝酸的體積比為3:1)溶解,并用容量瓶定容;最后,利用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-AES,Optima2000DV)測定溶液中的P和Pd含量.

使用掃描電鏡(SEM,JSM-6700)和X射線能譜(EDX,JSM-6700)分別對微膠囊的外觀形態和表面元素進行表征.將微膠囊分散在導電膠帶上,在1200V,10mA條件進行鍍金3min后,利用SEM觀察樣品外觀形態,并利用EDX譜對微膠囊表面進行元素分析,加速電壓20kV.利用馬爾文2000型激光粒度儀對膠囊顆粒的平均粒徑大小和分布進行檢測.將待測樣品加入到去離子水中,超聲分散2min后開始檢測.顆粒的粒徑分布用變異系統(CV)值表示,計算公式如下:

其中,di代表顆粒粒徑,dn代表平均粒徑,N代表統計的顆粒個數.

2.4.Suzuki偶聯反應

將1.0mol%的微膠囊負載鈀催化劑,0.25mmol對溴代芳烴(AlfaAesar),0.38mmol苯硼酸(AlfaAesar,98+%),0.38mmolK2CO3和干燥的異丙醇同時加到N2下的Schlenk瓶中,于80°C反應4~6h后,利用2.5μm孔徑的微孔過濾膜進行分離,收集濾液,加入定量苯乙酮(Acro,99.9%)作內標物,采用安捷倫GC6790型色譜儀對偶聯產物進行定量分析.簡單過濾后,回收的催化劑依次用CH2Cl2(5ml×2)和乙醇(5ml×2)洗滌后用于下一次反應.

結果與討論

微膠囊的形態和粒徑

在同軸環管式微反應器內,利用微流控技術可以得到粒徑均一的球形液滴,液滴聚合固化后得到的微膠囊球形度和單分散性良好,尺寸在數百微米且可控,結果如圖3所示.在實驗條件下,微膠囊呈規整的球形,粒徑普遍在200μm以上.隨著分散相流量的增加,其粒徑大小呈增加趨勢:當分散相流量為10μl/min,連續相流量為300μl/min時,微膠囊的平均粒徑為339μm,CV值是4.82%;當分散相流量分別增加到15和20μl/min時,微膠囊的平均粒徑分別為379和393μm,CV值分別為4.37%和5.49%.Liu等利用膜乳化法制備7~10μm的微膠囊,相比而言,本文方法可以實現連續制備,這無疑將提高制備的效率和可控性;且所制微膠囊的尺寸在亞毫米量級,更適合在固定床反應器內使用,與漿態床反應器相比,固定床反應器的催化劑不易出現與結構破壞有關的失活現象。

鈀的負載

均相催化劑Pd(PPh3)4通過配體交換法負載在平均粒徑為339μm的微膠囊顆粒上,獲得了微膠囊負載鈀催化劑(記為Mac-Pd),圖4和圖5分別比較了微膠囊負載前后內部結構和組分的變化.由圖4可見,微膠囊外表面光滑,球形度良好,粒徑均一,顆粒之間沒有粘連現象.將微膠囊切片之后,其內部結構呈納米顆粒的堆積狀態,EDX分析表明,合成的膠囊顆粒上含有有機膦基團,其中P的摩爾含量是0.96atm%,質量含量是1.86%,與ICP-AES的檢測結果(1.79%)基本一致.微膠囊負載Pd(PPh3)4后(圖4(c)),微顆粒內部結構未受到負載過程中有機溶劑的明顯影響,且Pd(PPh3)4均勻負載在微顆粒內部,Pd負載量是1.07%,Pd/P摩爾比約為1/4,與ICP-AES結果基本一致.由此推測,金屬Pd原子周圍存在4個P原子與之配位,較高的配位數有助于負載在微膠囊上的金屬活性物種在使用中保持穩定。

催化活性

圖6考察了微膠囊負載Pd催化劑上4-溴苯乙酮與苯硼酸的Suzuki偶聯反應活性.反應30min后,每隔20min取樣0.5ml,進行定量分析.由圖5可見,產物產率隨著反應時間的延長而提高;其中負載后的微膠囊Pd催化劑Mac-Pd和Mic-Pd催化活性高于均相Pd(PPh3)4.這可能是由于負載型催化劑局部空間Pd(0)活性中間體濃度增大,使局部催化轉化效率提高所致[6].另外,Mic-Pd催化劑(7~8μm)活性略高于Mac-Pd(300~400μm),但通過適當延長后者的反應時間至4h,產物收率達98%,與Mic-Pd的相當.由此可見,顆粒尺寸的增大對反應表觀動力學的影響不大,該過程主要受反應動力學控制.大尺寸的微膠囊負載鈀催化劑可在固定床反應器中使用,與微米級微膠囊催化劑適用的漿態床反應器相比,其在催化劑加入量和機械可靠性上更高.此外,針對微膠囊負載鈀催化劑,催化過程機制和催化劑優化等都還有待進一步研究。

反應底物適應性

到較大的空間位阻作用所致.溴代芳烴底物芳環上含有吸電子基CH3C(O)–和CH3O–(實驗3和4)時,產物收率分別為98%和85%,高于含供電子基溴代芳烴的(實驗1和5).這可能是由于在Mac-Pd催化含吸電子基的溴代芳烴時,底物中的C–Br鍵更易斷裂,有利于Pd(0)活性物種與之發生氧化加成反應。

循環使用性能

以K2CO3為堿,IPA作溶劑,于80°C用1.0mol%的Mac-Pd催化4-溴苯乙酮與苯硼酸的Suzuki偶聯反應,考察了微膠囊Pd催化劑Mac-Pd的循環使用性能,每次反應4h,結果見圖7.可以看出,經簡單過濾后,Mac-Pd循環使用4次,其催化活性未見明顯下降,偶聯產物聯苯苯乙酮的產率保持在97%~99%,至5次后才有所下降.反應結束后,對濾液進行酸化處理,利用原子吸收光譜沒有檢測到濾液中Pd的存在(檢測限5μg/g).可見,微膠囊上的有機膦配體對過渡金屬Pd具有較強的穩定作用。

結論

利用微流控平臺可控制備了微膠囊負載鈀催化劑,在4-溴苯乙酮與苯硼酸的Suzuki偶聯反應中表現出比均相Pd更高的催化活性,與文獻相關值相當.該催化劑對一系列溴代芳烴與苯硼酸參與的Suzuki偶聯反應均有適應性,經簡單過濾后循環使用4次,其活性未見明顯下降,且未檢測到Pd的流失.該方法實現了連續制備,有助于提高制備的效率和可控性。同時本文得到的百微米級別催化劑微膠囊適合在固定床反應器內使用,與需在漿態床中使用的微米級催化劑微膠囊相比,在反應體系催化劑濃度和機械可靠性上更具優勢。