一种碳基非金属催化剂及其制备方法和应用技术

本方案公开了材料化学技术领域的一种碳基非金属催化剂，其是将碳基非金属材料A在100℃～800℃的温度下进行热处理获得。同时还提供了一种碳基非金属催化剂机械驱动合成氮杂环化合物的氧化产物的方法，具体是以还原型氮杂环类化合物作为底物，碳基非金属材料作催化剂，机械驱动合成对应的氮杂环化合物的氧化产物。本申请的碳基非金属催化剂，有效避免了贵金属、光、电、热能的使用，大大的降低了成本，且在水相和室温条件下即可高效进行机械驱动合成，并以37～94％的收率获得一系列氮杂环化合物的氧化产物，为工业化生产提供更多可能性。为工业化生产提供更多可能性。为工业化生产提供更多可能性。

【技术实现步骤摘要】
一种碳基非金属催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于材料化学
，特别涉及一种碳基非金属催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氮杂环类化合物广泛存在于天然产物、染料、活性药物成分和功能材料中。喹啉、异喹啉、吲哚和喹喔啉是氮杂环类化合物中最重要的一部分，它们的合成引起科学家们广泛的关注。在氮杂环类化合物的众多合成方法中，氮杂环类化合物的氧化脱氢作为一种重要的合成策略被科学家们广泛研究。其中，基于贵金属氧化脱氢的研究盛行，又以单电子Co催化和Pd、Ir等贵金属催化占主导。
[0003]随着技术的进步，使用非贵金属催化剂的研究被相继报道，资料显示，利用光与金属协同催化氧化脱氢反应可以有效避免苛刻的高温反应条件，但仍需要昂贵的钌作为光敏剂。此外，还报道了以TEMPO作为氧化剂在室温下进行的电催化氧化脱氢反应。近年来，利用氧化石墨烯和还原态氧化石墨烯催化氮杂环类化合物氧化脱氢反应成功被报道，碳基非金属催化因其具有绿色、环保、成本低且可持续发展的优势，引起了科学家们的高度重视，也成为了研究的新的热点，但现有碳基非金属催化氮杂环类化合物氧化脱氢反应仍需130℃的高温及有毒溶剂的辅助。

技术实现思路

[0004]本专利技术意在提供一种碳基非金属催化剂及其在制备氮杂环化合物的氧化产物中的应用。
[0005]本方案中的一种碳基非金属催化剂的制备方法，具体为：将碳基非金属材料A在100℃～800℃的温度下进行热处理即可，所述碳基非金属材料A为咖啡、大米、玉米、椰壳、木质、单氰胺和Fe
‑
N
‑
C复合材料中的至少一种。
[0006]进一步，所述碳基非金属材料A的热处理时间为0h～12h。
[0007]进一步，所述碳基非金属催化剂为热处理后的碳基非金属材料A与碳基非金属材料B的组合，碳基非金属材料B包括碳纳米管、羟基碳纳米管、乙炔黑、氧化石墨烯、石墨烯、石墨粉和鳞片石墨中的至少一种。
[0008]通过上述碳基非金属催化剂的制备方法制得的碳基非金属催化剂，可以有效用于氮杂环化合物的氧化产物的制备。
[0009]基于上述碳基非金属催化剂，本申请还提供了一种碳基非金属催化剂机械驱动合成氮杂环化合物的氧化产物的方法，具体为：以式1所示的还原型氮杂环类化合物作为底物，碳基非金属材料作催化剂，机械驱动合成式2所示的氮杂环化合物的氧化产物，合成路线如下所示：
[0010][0011]其中，R1、R2分别独立选自氢、烷基(
‑
Me、
‑
OMe)、取代或未取代的芳香基、卤素(F、Cl、Br、I)、羟基、硝基、羧基中的至少一种。
[0012]进一步，所述氮杂环化合物的氧化产物在机械驱动合成时，机械驱动的球料比为10：1～600：1，转速为100rpm～600rpm。该范围能确保较高的氮杂环化合物的氧化产物产率。
[0013]进一步，所述氮杂环化合物的氧化产物在机械驱动合成时，反应的气氛为空气、氧气或氩气。优选空气，在节约成本的同时，确保产率。
[0014]进一步，所述氮杂环化合物的氧化产物在机械驱动合成时，反应溶剂为水、二甲基亚砜、N,N
‑
二甲基甲酰胺、正己烷、甲苯、乙酸乙酯、乙腈、甲醇、异丙醇中的至少一种。反应溶剂优选水，可以确保较高的产率且降低成本。
[0015]进一步，所述氮杂环化合物的氧化产物在机械驱动合成时，合成时间为1～48h。该合成时间制备的氮杂环化合物的氧化产物产率较高。
[0016]与现有技术相比，本专利技术开发了一种新型的碳基非金属催化剂，有效避免了贵金属、光、电、热能的使用，大大的降低了成本，且在水相和室温条件下即可高效进行机械驱动合成，并以37～94％的收率获得一系列氮杂环化合物的氧化产物，为工业化生产提供更多可能性。
附图说明
[0017]图1是碳基非金属催化剂的制备示意图；
[0018]图2是制备碳化咖啡的碳化温度筛选柱状图；
[0019]图3是制备碳化咖啡的碳化时间筛选柱状图；
[0020]图4是碳化咖啡用量的筛选柱状图；
[0021]图5是机械驱动的球料比筛选柱状图；
[0022]图6是机械驱动的球磨转速筛选柱状图；
[0023]图7是反应气氛的筛选柱状图；
[0024]图8是反应溶剂的筛选柱状图；
[0025]图9是反应体积的筛选柱状图；
[0026]图10是反应时间的筛选柱状图；
[0027]图11是底物的物质的量筛选柱状图；
[0028]图12是不同碳化温度下制备的碳化咖啡的X射线衍射谱图；
[0029]图13是不同碳化温度下制备的碳化咖啡的高分辨率透射电镜(HRTEM)图；(a～c)分别为在250℃、330℃和450℃下热处理3小时的咖啡碳的HRTEM图像；(d)电子衍射图；(e～j)分别对应C、N、O、P、Na和K元素的mapping定量分析图；(k)元素含量直方图；
[0030]图14是碳化咖啡碳基非金属催化剂机械驱动前后对比示意图；
[0031]图15是不同碳化温度及碳化时间制备的碳化咖啡的Zeta电位分析图；
[0032]图16是不同碳化温度制备的碳化咖啡的红外光谱图；
[0033]图17是不同碳化温度制备的碳化咖啡的拉曼光谱图；
[0034]图18是分别在O2和N2气氛于不同碳化温度下制备的碳化咖啡的循环伏安(CV)测试图。
具体实施方式
[0035]下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0036]实施例1
[0037]碳基非金属催化剂的制备原料为咖啡、大米、玉米、椰壳、木质、单氰胺中的一种经氮气气氛下于100℃～800℃高温热处理0h～12h得到(如图1)。
[0038]实施例2
[0039]以1,2,3,4
‑
四氢
‑2‑
甲基喹啉(1a,29.4mg,0.2mmol)，咖啡作为起始原料制备的催化剂：Coffee
‑
Nestle1
‑
350
‑
3(150mg)，dd H2O(10mL)，球料比(500:1)，转速(500rpm)在空气气氛下于室温反应12h为初始反应条件。在此基础上，首先对催化剂制备的碳化温度(250℃,300℃,330℃,350℃,370℃,400℃,450℃,500℃,600℃)进行筛选(图2)，结果表明，碳基非金属催化剂的碳化温度对该反应的影响很大，当使用330℃进行碳化时，产率可达65.0％，而较低和较高温度进行碳化时，产率均有明显下降。推测碳化温度直接影响催化剂的形貌、表面活性位点及电位等，进而影响其催化性能。因此，我们选择330℃为最优的碳化温度。
[0040]实施例3
[0041]在实施例2的碳化温度基础上，对催化剂Coffee
‑
Nestle1制备的碳化时间(0min,10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳基非金属催化剂的制备方法，其特征在于：将碳基非金属材料A在100℃～800℃的温度下进行热处理即可，所述碳基非金属材料A为咖啡、大米、玉米、椰壳、木质、单氰胺和Fe
‑
N
‑
C复合材料中的至少一种。2.根据权利要求1所述的一种碳基非金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述碳基非金属材料A的热处理时间为0h～12h。3.根据权利要求2所述的一种碳基非金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述碳基非金属催化剂为热处理后的碳基非金属材料A与碳基非金属材料B的组合，碳基非金属材料B包括碳纳米管、羟基碳纳米管、乙炔黑、氧化石墨烯、石墨烯、石墨粉和鳞片石墨中的至少一种。4.一种碳基非金属催化剂，其特征在于：由权利要求1～3任一项所述的一种碳基非金属催化剂的制备方法制备所得。5.一种碳基非金属催化剂机械驱动合成氮杂环化合物的氧化产物的方法，其特征在于：以式1所示的还原型氮杂环类化合物作为底物，权利要求4所述的碳基非金属催化剂作催化，机械驱动合成式2所示的氮杂环化合物的氧化产物，合成路线如下所示：其中，R1、R2分别独立选自氢、烷基、取代或未取代的芳香基、卤素、羟基、硝...

【专利技术属性】
技术研发人员：张世明，赵茜帆，陈永正，
申请(专利权)人：遵义医科大学，
类型：发明
国别省市：