常压温和条件下离子液体催化CO2转化构筑C-N键的研究

Carbon dioxide (CO2) is the major greenhouse gas, and it is also a cheap, nontoxic, and abundant C1 feedstock. Thus, conversion of CO2 into high value-added chemicals is of great importance from both theoretical and practical viewpoints. Developing novel and efficient catalytic system, improving reaction efficiency and selectivity under mild reaction conditions are still the major challenges in the field of CO2 conversion. This project is intended to design and screen a series of task-specific ionic liquids for efficient synthesis nitrogenous compounds from CO2 and amines at atmospheric pressure and the ionic liquids will be characterized and evaluated systematically. The influences of ionic liquid structure, solvent, reaction temperature and time on the yield of nitrogenous compounds will be explored to get the catalytic systems with high performances and the optimal reaction conditions. The synergistic effects of ionic liquid structure on the catalytic reactions as well as the reaction mechanisms of CO2 conversion will be investigated. This project is related to the multidisciplinary overlap of solution chemistry, catalysis chemistry and green chemistry, aiming at developing new catalysts and routes for the production of nitrogenous compounds from CO2 at mild conditions, which has very important theoretical significance and practical value.

CO2是主要的温室气体，同时也是一种廉价、丰富的C1资源，因此将CO2 转化为高附加值化学品的研究具有重要意义。开发新型、高效的催化体系，提高反应效率和选择性、使反应条件更温和一直是CO2转化领域的挑战性课题。本项目拟针对CO2和胺类化合物在常压温和条件下的反应，设计和筛选一系列功能化离子液体，对其进行系统表征和评价；系统考察离子液体结构、溶剂、反应温度与时间等因素对含氮化合物产率的影响规律，以获得高效催化体系和最优反应条件；深入研究离子液体结构与催化性能的关系，揭示离子液体催化CO2转化的反应机制。本项目涉及溶液化学、催化化学、绿色化学的交叉融合，旨在探索温和条件下CO2化学转化合成含氮化合物的高效催化体系和新途径，具有重要的科学意义和实用价值。

CO2是一种来源丰富、廉价易得、环境友好的可再生C1资源，将其转化为高附加值化学品的研究具有重要意义。然而由于CO2高度的热力学稳定性和化学惰性，其在温和条件下的高效转化是挑战性课题。本项目设计和遴选了一系列功能化离子液体，构建了阴阳离子相互协同的离子液体无金属催化体系；实现了温和条件下CO2的高效催化转化利用，高收率的获得一系列α-羟基酮、环状碳酸酯、含氮杂环化合物和甲酰胺等重要化学品，并应用实验和理论计算方法深入研究相关反应规律和催化作用机理。例如，设计合成了CO2反应型离子液体（[Bu4P][Im]），该离子液体可与CO2协同催化炔醇水合反应，高收率地获得相应的α-羟基酮。研究表明，反应过程中，离子液体催化CO2与炔醇反应生成环状碳酸酯，并进一步催化环状碳酸酯水解生成目标产物，释放出CO2。设计合成了基于咪唑阴离子的新型离子液体，这类离子液体可在室温常压下高效吸收CO2，形成氨基甲酸盐；并可进一步与炔醇类化合物、氨基苯腈类化合物、邻苯二胺类化合物反应，获得不同种类的高附加值化学品。以咪唑离子液体为催化剂，在氢硅烷存在下实现了低温低压条件下胺类化合物与CO2的甲酰化反应和环化反应，同时发展了由CO2、伯胺和醛的三组分还原胺化制备不对称N,N-双取代甲酰胺的新途径，高选择性地获得一系列酰胺化合物和含氮杂环化合物。研究表明，离子液体阴阳离子协同作用，一方面活化氢硅烷的Si-H键，使其与CO2反应生成甲基硅酸酯中间体，另一方面通过氢键活化胺类衍生物，最终导致产物生成。设计合成了结构稳定、能够吸收和活化CO2的多位点离子液体，通过阴阳离子的协同催化实现了常温常压条件下无金属催化转化CO2合成多种环状碳酸酯。此外，项目根据实际进展的需要，还发展了温和条件下CO2转化合成甲酰胺、含氮杂环化合物和芳香羧酸的新途径。