[发明专利]功能化材料及其生产工艺与使用

说明书

本发明涉及含酸性基团的功能化材料的生产工艺及其使用，该材料可用作非均相催化剂，并用于从产品流、工艺流和废液中去除有机、无机化合物，还可用作阴阳离子交换剂、金属层析材料、固相净化或萃取材料、生物分子固定材料、固相合成材料和色谱材料。

本发明涉及含有酸性基团的功能化材料的制备工艺及其使用，该材料可用作非均相催化剂，还可用于从产品流、工艺流和废液中去除有机、无机化合物，或用作阴阳离子交换剂、金属色谱材料、固相纯化或提取材料、生物分子的固定材料、固相合成材料及色谱材料。

化工领域内广泛运用的化学反应中，非均相催化剂相比均相试剂及催化剂具备许多显著优势。首先，使用非均相催化剂可很大程度减少固废和废液，简化工艺流程，降低能源消耗，并满足日益严格的环境法规。另外，使用非均相催化剂工序简单，可轻松从反应介质中分离出来。相比之下，使用均相催化剂则需要大量额外工序及分离工作，并产生废弃物，从而厂房的设计也相对复杂。此外，非均相催化剂可重复使用、选择性生产目标产品、还可用于连续生产流程中。综上所述，化工领域对各类高效非均相催化剂的需求日益增长，包括金属络合物催化剂、固体酸碱催化剂等等。

化学反应中使用的均相催化剂(如硫酸、氢氟酸和磷酸)会产生大量的有害废弃物，需得到进一步处理。高效非均相酸性催化剂为现有的和新的化学流程开辟了一条新路径。硫酸通常在酯化反应中生成醚类副产品，例如羧酸在甲醇中发生酯化反应产生二甲基醚。这些不良反应迫使额外的工艺步骤发生且导致试剂的损失，从而增加成本消耗。这些额外的反应步骤将产生废弃物并增加能源消耗。而使用非均相酸时只需要稍微调整酸度就能减少副反应并避免浪费问题。

有许多适用的非均相催化剂。含磺酸的有机聚合物和材料具有很多用途，包括作为固体酸催化剂去除金属离子、净化水溶液。最常见的是基于磺化聚苯乙烯聚合物制成的材料。由于有机聚合物骨干的限制，聚苯乙烯树脂的物理和化学性质存在许多弊端，包括但不限于化学稳定性差、热稳定性低和极高的疏水性。除此之外，它在有机溶剂中容易膨胀和收缩且会在酸催化反应中产生无用的深色副产品。膨胀问题将影响反应釜空间利用率，因而降低产量。虽然通过调整催化剂的酸度可避免这类副反应，然而由于能够作用于这类化学反应的有机材料和原材料有限，致使该调整并不易实现。一般来说，由于聚苯乙烯树脂的热稳定性差，它不能应用于任何时长的温度在80℃以上的反应，这便限制了它们的普遍适用性。

基于二氧化硅、氧化铝或二氧化钛为载体的无机聚合物催化剂已为人所知一段时间。活性官能团或金属仅可通过非常有限的化学方法连接到载体表面。其中一种方法官能团只是通过物理吸附到载体表面，该类功能化材料的官能团负载率低，可适用溶剂的范围受限，并且在使用及静置过程中容易丢失。这被认为是由于官能团和载体上的表面原子之间的吸附性很弱(非共价键合)。相比而言，通过共价键将官能团连接到载体上将更加牢固。总的来说，由于化学局限性，当前仅非常有限的官能团可以连接到无机载体上。此外，需开发新型化学方法以实现更高官能团负载率。

为实现非均相酸催化剂当前和未来的成本、性能和环境目标，一些重大的化学与合成难题有待解决。酸性官能团合成的限制包括：严重缺乏制备所需非均相酸催化剂的现成原料；用于制备起始原料的现成前体也十分短缺；制备起始原料(如取代三烷氧基硅烷)的合成方法非常有限；即使有现成的原料，制备所需固体材料的化学方法步骤繁多，复杂，且功能化材料产率低、官能团负载率低且难以纯化。因而，需开发新型合成方法及合适的起始原料来生产所需的酸性功能化材料。