Study of active centers in zeolite catalysts for cascade Prins-Friedel-Crafts reaction

Abstract

Conventional zeolites are important shape-selective heterogeneous acid catalysts due to the presence of acid sites accessible through uniform micropores. Recently designed hierarchical zeolites with combined micro-mesoporosity also contain acid sites on the external surface or in mesopores. These highly accessible acid sites are promising active centres for the transformation of bulky molecules, which cannot pass through the micropore openings of conventional zeolites. An example of a reaction that can benefit from the use of zeolites is the one-pot cascade Prins-Friedel-Crafts (PFC) reaction of an aldehyde, homoallylic alcohol, and aromatic compound, which yields valuable heterocyclic compounds containing 4- aryltetrahydropyran moieties. In this work, the acidic characteristics of a series of hierarchical aluminium- and gallium- containing MFI and MWW zeolites were evaluated by FTIR-monitored thermodesorption of probe molecules and further related to the catalytic properties of zeolites in the PFC reaction of butyraldehyde, 3-buten-1-ol, and anisole. The nature, strength, and total concentration of acid sites in the catalysts were evaluated using thermodesorption of pyridine (kinetic diameter 0.54 nm), while the characteristics of the external surface Brønsted acid sites were probed using...

Konvenční zeolity jsou důležité tvarově selektivní heterogenní katalyzátory díky přítomnosti jejich kyselých center, která jsou přístupná skrze stejnoměrné mikropóry. Nově navržené hierarchické zeolity kombinující mikro a mezoporozitu obsahují tyto centra kyselosti také na svém vnějším povrchu, nebo v mezopórech. Tyto vysoce přístupná centra kyselosti se jeví jako slibná aktivní centra pro transformaci rozměrnějších molekul, která nejsou schopna vstoupit do mikropórů konvenčních zeolitů. Jako příklad reakce, pro kterou by použití zeolitů bylo prospěšné, je kaskádová Prins-Friedel-Craftsova reakce aldehydu, homoallylického alkoholu, a aromatické sloučeniny, která vede k cenným heterocyklickým sloučeninám obsahující 4-aryl tetrahydopyranovou skupinu. Tato práce se zabývá analýzou kyselých vlastností série hierarchických MFI a MWW zeolitů obsahujících hliník, nebo galium metodou FTIR analyzované desorpce adsorbovaných molekul. Tyto vlastnosti byly následně uvedeny do souvislostí s katalytickými vlastnostmi těchto zeolitů v PFC reakci butyraldehydu, 3-buten-1-olu, a anisolu. Typ, síla, a celková koncentrace kyselých center studovaných katalyzátorů byla vyhodnocena termodesorpcí pyridinu (kinetický průměr 0.54 nm), zatímco vlastnosti Brønstedových center kyselosti na vnějším povrchu byly vyhodnoceny...