生物炭负载单原子催化剂及在喹唑啉类化合物合成中应用

本发明涉及生物炭负载的单原子催化剂及其催化喹唑啉类化合物合成反应。

背景技术：

1、生物质种类繁多、价格低廉、数量庞大、分布广泛，且有利于形成发达的微孔结构，是制备生物炭的优质材料。所制得的炭材料呈破碎状，结构致密，灰分较低，吸附性强，成本低廉等优点。生物炭作为一种高效、绿色、多功能的催化材料备受关注。

2、单原子催化剂因具有较大的原子利用效率、量子尺寸效应和活性中心的配位不饱和构型，在催化领域受到广泛关注。近年来，单原子催化剂在燃料电池、电解水和金属-空气电池等可再生能源技术领域快速发展。目前合成负载型单原子催化剂的方法主要有mass-selectedsoft-landing技术、湿法化学法以及原子层沉积法。mass-selectedsoft-landing技术可精确的控制负载金属的颗粒尺寸，原子层沉积法可实现在高比表面积多孔载体上均匀的沉积单个金属原子，然而维持这两项技术运行的费用较高，不利于其在实际合成中的应用。湿法化学合成法的实验装置简便，在普通的化学实验室即可完成，但是该方法单原子金属分散性很难控制，且不适合合成高负载量的单原子催化剂。单原子催化剂的活性位点数量有限，催化剂合成过程相对复杂，且大多数用于合成单原子催化剂载体的化学品价格昂贵、毒性大，限制了单原子催化剂的实际生产应用。同时，由于金属与载体之间的弱相互作用，这些具有高表面能的单原子在制备过程中也容易发生迁移和聚集。因此，探索环境友好、廉价且高效的载体以及高金属载量催化剂的制备工艺，对于合成单原子催化剂十分重要。

3、喹唑啉结构广泛存在于众多精细化学品、药物和功能分子中，如盐酸厄洛替尼和吉非替尼。喹唑啉也是一种重要中间体，用于合成多种高值化合物和特种材料。喹唑啉类化合物的高效合成策略非常有意义。

4、本发明公开了一种生物炭负载的单原子催化剂及其用于喹唑啉合成，其特征在于：所述方法，采用酵母菌作为生物炭热解前体，在生理盐水中超声分散预处理一定时间，在一定温度条件下表面络合锰离子，冷冻干燥后在惰性气体氛围中高温热解获得生物炭负载的锰单原子催化剂。采用无溶剂体系，在空气氛围中，生物炭负载的锰单原子催化剂催化邻氨基苯甲醇和芳香腈反应制备喹唑啉类化合物。本发明首次使用酵母菌作为炭载体的热解前体制备单原子催化剂。本发明制备的生物炭单原子催化剂和酵母菌具有类似的形貌。本发明首次将锰单原子催化剂用于催化喹唑啉类化合物的合成。本发明的单原子催化剂制备方法快速简便，环保，成本低廉，易于工业化，制备的生物炭负载单原子催化剂稳定性好，在催化领域具有良好的应用前景。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种生物炭负载的单原子催化剂的制备方法，并将其用于催化喹唑啉类化合物的合成，实现以下发明目的：

2、(1)制备一种生物炭负载的锰单原子催化剂；

3、(2)使用酵母菌作为生物炭载体的前驱体，无需使用不可再生的碳源、昂贵的模板剂、活化剂和杂原子源；

4、(3)本发明制备的生物炭负载的锰单原子催化剂可以很好地保持酵母菌的形貌；

5、(4)本发明首次将锰单原子催化剂用于催化喹唑啉类化合物的合成。

6、本发明采取以下技术方案：

7、本发明公开了一种生物炭负载的单原子催化剂及其用于喹唑啉合成，其特征在于：所述方法，采用酵母菌作为生物炭热解前体，在生理盐水中超声分散预处理一定时间，在一定温度条件下表面络合锰离子，冷冻干燥后在惰性气体氛围中高温热解获得生物炭负载的锰单原子催化剂。采用无溶剂体系，在空气氛围中，生物炭负载的锰单原子催化剂催化邻氨基苯甲醇和芳香腈反应制备喹唑啉类化合物。

8、上述技术方案中，生物炭载体以酵母菌作为热解前体。

9、上述技术方案中，酵母菌先在生理盐水中超声分散预处理一定时间，然后在一定温度条件下表面络合锰离子。

10、上述技术方案中，本发明制备的生物炭负载的单原子催化剂可以很好地保持酵母菌的形貌。

11、上述技术方案中，生物炭负载的锰单原子催化剂催化邻氨基苯甲醇和苯腈、4-甲基苯腈、4-三氟甲基苯腈和1-萘腈反应生成喹唑啉类化合物。

12、上述技术方案中，酵母菌的质量为2-5克，优选3克。

13、上述技术方案中，锰离子的摩尔量为2-6毫摩尔，优选5毫摩尔。

14、上述技术方案中，超声分散预处理的时间为20-50分钟，优选30分钟。

15、上述技术方案中，在60-100℃条件下酵母菌表面络合金属离子，优选80℃。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、(1)本发明首次使用酵母菌作为炭载体的热解前体制备单原子催化剂。酵母菌为生物质材料，可再生，通过酵母菌繁殖可以实现大规模制备，廉价易得。无需使用不可再生的碳源、昂贵的模板剂、活化剂和杂原子源；

18、(2)本发明使用生理盐水提供等渗体系，有效防止酵母菌细胞吸水涨破；酵母菌细胞尺寸为1-5微米，简单的研磨不能破坏其形貌；本发明制备的生物炭负载的单原子催化剂可以很好地保持酵母菌的形貌；

19、(3)本发明首次将锰单原子催化剂用于催化喹唑啉类化合物的合成。

技术特征：

1.一种生物炭负载的单原子催化剂，其特征在于：采用完整的酵母菌作为生物炭热解前体，酵母菌菌株在生理盐水中分散，然后于分散液中加入可溶性锰盐，在完整的酵母菌表面络合锰离子；固液分离收集菌株，洗涤后干燥，然后在惰性气氛中菌株热解获得生物炭负载的锰单原子催化剂。

2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：

3.根据权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：

6.根据权利要求1或5所述的催化剂，其特征在于：

7.一种权利要求1-6任一所述的生物炭负载的单原子催化剂在喹唑啉类化合物合成过程中的应用，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：芳香腈为苯腈、4-甲基苯腈、4-三氟甲基苯腈和1-萘腈中的一种或二种以上。

9.根据权利要求7或8所述的应用，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种生物炭负载的单原子催化剂及其用于喹唑啉合成，所述方法，采用酵母菌作为生物炭热解前体，在生理盐水中超声分散，表面络合锰离子，冷冻干燥后在惰性气体氛围中高温热解获得生物炭负载的锰单原子催化剂。在空气氛围中，生物炭负载的锰单原子催化剂催化邻氨基苯甲醇和芳香腈反应制备喹唑啉类化合物。本发明首次使用酵母菌作为炭载体的热解前体制备单原子催化剂。本发明制备的生物炭单原子催化剂和酵母菌具有相似的形貌。本发明首次将锰单原子催化剂用于催化喹唑啉类化合物的合成。

技术研发人员：任兰会
受保护的技术使用者：浙江大学衢州研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12