近年來發(fā)展起來的微流控技術(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)高度可控的分散相,不僅可以用于制備尺寸分散系數(shù)在5%以下的微球和藥用微膠囊,還能實現(xiàn)對聚合物分子量的控制和對微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)的復雜調(diào)控。

因此,本文利用微流控技術(shù)提供的均勻、可控的反應平臺,嘗試建立一種連續(xù)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(nèi)原位、連續(xù)地進行液滴分散和聚合反應,在320~420μm范圍內(nèi)實現(xiàn)了對微膠囊尺寸的靈活和準確調(diào)節(jié);以Suzuki偶聯(lián)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(huán)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(jù)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(nèi)滴加完畢.緩慢升至室溫,用飽和NH4Cl水溶液調(diào)節(jié)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(chǎn)品.整個過程產(chǎn)品收率78%,產(chǎn)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(huán)管微反應器,其中水平通道內(nèi)嵌入石英毛細管(外徑0.70mm,內(nèi)徑0.53mm)用于引入分散相流體,兩側(cè)垂直通道嵌入聚四氟乙烯管用于引入連續(xù)相流體.連續(xù)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(diào)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(jīng)6m長的盤管過程中經(jīng)4.0~4.3min發(fā)生自由基聚合反應,固化成微膠囊顆粒.然后取出,經(jīng)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(jīng)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(fā)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(tài)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(tài),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(tǒng)(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(tǒng)計的顆粒個數(shù).

2.4.Suzuki偶聯(lián)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(nèi)標物,采用安捷倫GC6790型色譜儀對偶聯(lián)產(chǎn)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(jié)果與討論

微膠囊的形態(tài)和粒徑

在同軸環(huán)管式微反應器內(nèi),利用微流控技術(shù)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(shù)百微米且可控,結(jié)果如圖3所示.在實驗條件下,微膠囊呈規(guī)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(xù)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(xiàn)連續(xù)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(nèi)使用,與漿態(tài)床反應器相比,固定床反應器的催化劑不易出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)破壞有關(guān)的失活現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xiàn)象.將微膠囊切片之后,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈納米顆粒的堆積狀態(tài),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(zhì)量含量是1.86%,與ICP-AES的檢測結(jié)果(1.79%)基本一致.微膠囊負載Pd(PPh3)4后(圖4(c)),微顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部,Pd負載量是1.07%,Pd/P摩爾比約為1/4,與ICP-AES結(jié)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(shù)有助于負載在微膠囊上的金屬活性物種在使用中保持穩(wěn)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(lián)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(chǎn)物產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(tài)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(yōu)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(huán)上含有吸電子基CH3C(O)–和CH3O–(實驗3和4)時,產(chǎn)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(fā)生氧化加成反應。

循環(huán)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(lián)反應,考察了微膠囊Pd催化劑Mac-Pd的循環(huán)使用性能,每次反應4h,結(jié)果見圖7.可以看出,經(jīng)簡單過濾后,Mac-Pd循環(huán)使用4次,其催化活性未見明顯下降,偶聯(lián)產(chǎn)物聯(lián)苯苯乙酮的產(chǎn)率保持在97%~99%,至5次后才有所下降.反應結(jié)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(wěn)定作用。

結(jié)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(lián)反應中表現(xiàn)出比均相Pd更高的催化活性,與文獻相關(guān)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(lián)反應均有適應性,經(jīng)簡單過濾后循環(huán)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(xiàn)了連續(xù)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(nèi)使用,與需在漿態(tài)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(yōu)勢。