负载离子液体的生物质炭磺酸催化水解纤维素

纤维素是生物质的主要成分,其水解产物作为平台化合物在能源化工方面具有广泛的用途.绿色、低成本、高效的转化纤维素为平台化合物是目前研究的热点.本文报道了以生物质玉米秸秆、花生壳、核桃壳为原料经700℃碳化150℃磺化后得到生物质炭磺酸,将得到的生物质炭磺酸进行离子液体的负载得到离子液体功能化的生物质炭磺酸催化剂,探讨了时间和温度对制备的催化剂水解纤维素后总还原糖产率的影响,与负载前的生物质炭磺酸进行了对比.结果表明,150℃反应28 h三种催化剂均得到良好的总还原糖产率,相对于生物质炭磺酸总还原糖产率分别提升了13. 9%、16. 4%和14. 7%.循环使用四次后,催化剂依然保持着良好的催化活性.     

果糖一步水热合成碳微球固体酸催化纤维素水解

纤维素水解是生物质资源转化利用中最关键的一步. 通过硫酸浸渍活性炭方法制备的磺酸基功能化活性炭是目前纤维素水解反应中应用最为广泛的固体酸之一,但这种方法存在严重的环境污染问题. 我们利用果糖的水热碳化,在150 ℃的温和条件下合成了一种新型的富含羧基和羟基的碳微球固体酸,在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐[BMIM][Cl]溶剂体系中,该碳微球可以有效地将纤维素水解（130 ℃,反应3 h,还原糖产率45.6%）. 为了进一步提高碳微球固体酸的活性,以磺基水杨酸为共聚物,利用果糖的水热碳化反应,通过一步水热法合成了含有磺酸基的碳微球固体酸催化剂. 系统研究了该催化剂作用下反应温度、反应时间、催化剂使用量、水的添加量以及纤维素起始浓度等因素对纤维素催化水解的影响. 在[BMIM][Cl]溶剂中,纤维素水解的还原糖产率提高到了60.7% （130 ℃,反应90 min）,且催化剂循环5次后仍能保持良好催化活性. 本工作利用果糖一步水热法制备碳微球固体酸,并将其应用于纤维素的高效水解,为生物质资源的高值化提供了一条新路径.     

椰壳炭磺酸催化环氧苯乙烷的醇解反应

利用椰壳制备的固体炭磺酸催化环氧苯乙烷的醇开环反应.考察了椰壳炭磺酸催化剂用量,溶剂对产率的影响.比较了椰壳炭磺酸与磺酸树脂、对甲苯磺酸和硫酸氢钠等传统磺酸型催化剂在该反应中的催化性能.结果表明,椰壳炭磺酸是一种绿色高效的固体酸催化剂.     

生物质炭基磺酸催化合成14-苯基-14H-二苯并[a,j]氧杂蒽的研究

以松树皮为原料,通过炭化和磺化得到炭基磺酸;以该新型固体磺酸催化合成14-苯基-14H-二苯并[a,j]氧杂蒽化合物,考察了催化剂制备过程中的炭化方式、反应温度、反应时间、催化剂用量等因素对反应的影响。结果表明,萘酚/苯甲醛=4 mmol∶2 mmol、8%mol炭基磺酸催化剂(相对于醛)、反应时间为1 h、反应温度为100℃,无溶剂条件下收到最好的效果。     

葵花籽壳炭磺酸的制备、表征及催化性能研究

将废弃葵花籽壳经炭化、磺化制备得到炭基固体磺酸;考察了炭化温度和炭化时间对酸量的影响,并通过红外光谱证实磺酸基团的存在;在催化b-萘甲醚的合成试验中,葵花籽壳炭磺酸表现出一定的催化性能,葵花籽壳粉末炭磺酸∶β-萘酚∶无水甲醇的质量为1∶2.8∶8、80℃下回流反应10 h,β-萘甲醚产率能达到33.2%,     

分级有序多孔磺化碳催化果糖转化制5-羟甲基糠醛

采用双模板自组装、炭化、氢氟酸蚀刻和磺化等手段制备了具有分级有序多孔结构的磺化碳(SCHOP),并分别在500、600和700℃考察了炭化温度对分级有序多孔碳微观结构的影响;以催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛(5-HMF)为探针反应,评价了SCHOP的催化效果。结果表明,500℃焙烧所制备的SCHOP具有最高的催化活性。SEM、TEM和N2吸附-脱附表明,所制备的催化剂具有规整的分级有序孔结构,但过高的炭化温度会降低炭材料微观结构的有序性;FT-IR、EDS和-SO3H含量测定表明,通过磺化可在碳基体上有效引入磺酸基,炭化温度过高会降低炭材料的芳香性,不利于磺酸基的引入。130℃下反应20 min,果糖的转化率和5-HMF的收率分别高达96.1%和93.4%,表明SCHOP是一种高效固体酸催化剂。     

丝瓜络炭磺酸的制备及其催化合成糠醛

以丝瓜络为炭源、浓硫酸为磺酸化试剂,制备了丝瓜络炭磺酸催化剂。利用中和滴定、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和热重-差热分析等手段对催化剂进行了表征。以表面酸密度为考察指标,确定了在300℃炭化3h、在80℃下磺化3h为优化的催化剂制备条件,此条件下丝瓜络炭磺酸催化剂表面酸密度可达1.119mmol/g。以木糠水解制备糠醛为探针反应,通过正交实验法考察了催化剂的实际催化活性。结果表明,在水解反应时间2h、水解反应温度200℃和催化剂用量占原料质量10%时,糠醛的平均收率达到78.69%,此时催化剂的催化活性最高。催化剂经第一次循环使用后性能有所下降,但随后的循环使用催化性能稳定。将使用过的催化剂经再磺化,可基本恢复到新制催化剂的催化活性。     

多孔炭材料在纤维素催化转化中的应用

生物质作为自然界唯一可再生的有机碳资源,其利用受到了越来越多的关注。特别是随着能源和环境危机的日益加重,将生物质中非可食用部分催化转化为燃料及具有高附加值的化学品被认为是高效、环保、原子经济的绿色过程。同时,多孔炭材料具有丰富的孔道结构、优异的水热稳定性和大比表面积,是生物质催化转化反应中最常用的载体材料之一。兼之炭材料表面极性、亲疏水性的可调变性,及对酸碱溶剂的反应惰性,也使其无论在学术研究还是在工业应用中都具有特殊的优势。另外,随着纳米炭材料科学的飞速发展,合成孔径、形貌、及表面官能团可控的介孔炭和具有多级孔道结构的多孔炭材料成为可能,将其应用到纤维素催化转化过程中,对深入理解孔道结构、表面官能团对纤维素转化的作用,揭示催化反应作用机制,指导炭基催化剂的设计合成,均具有重要意义。在本综述中,我们首先对纤维素转化中多孔炭的孔道结构和表面官能团性质的独特作用进行了阐述。由于商业活性炭的孔径一般在微孔尺度,但纤维素及可溶低聚糖的分子体积较大,因而其在活性炭中的传质受到了极大的限制。通过模板法获得的介孔炭材料,可实现孔径在2–10 nm的可控合成,大大提高了反应物的扩散速率,使之能与催化活性位有效接触。但孔道过于狭长,在反应过程中堵塞的可能性增高,进而导致催化剂失活;因此,在介孔孔道的基础上,建立互通的多级孔道结构对反应物、中间物、和产物的扩散,及催化活性的保持更为有利。另一方面,炭材料表面的含氧官能团不仅具有加强1,4-糖苷键吸附的作用,还可以作为酸性活性中心催化水解反应的进行;尤其是在传统的水相纤维素催化转化过程中,亲水表面对多孔炭催化剂与反应物的接触非常有利。本文以纤维素水解及纤维素水解加氢反应为例,展开讨论了多孔炭作为固体酸及双功能催化剂载体的应用。在水解反应中,纤维素首先在热水中降解为可溶低聚糖,之后再与活性炭表面官能团反应;其中多孔炭的比表面积、酸量、及酸强度均是促进水解发生的正向因素。在水解加氢反应中,炭载贵金属催化剂作为最常用的加氢催化剂,可获得以六元醇为主的纤维素转化产物。除了加氢作用之外,贵金属小颗粒被证实可以通过氢溢流作用提供水解所需的H+,同时,正价的贵金属也可促进反应过程中的氢转移。另一方面,由于钨物种可催化逆羟醛缩合反应的发生,因此在反应体系中引入钨物种时,水解加氢的主要产物由六元醇变为乙二醇。需要特别指出的是,在纤维素催化水解加氢的过程中,多孔炭材料作为载体同样具有非常重要的作用：一方面,三维介孔的孔道结构不仅有利于反应物、产物的扩散,也有利于加氢金属催化剂的分散,进而提高金属的催化加氢能力;另一方面,当炭材料的表面化学性质改变时,也会影响产物的选择性分布,例如当炭表面显碱性时,由于异构化作用,丙二醇成为主要产物。本文最后,我们列举了一些新型多孔炭材料,包括杂原子改性的多孔炭材料和金属氧化物-炭复合多孔材料的合成方法及其在纤维素催化转化乃至生物质转化中的潜在应用。     

松木炭磺酸的制备、表征及催化性能研究

以松木屑为原料,经磷酸脱水炭化,磺化得到酸量为2.36 mmol/g的松木炭固体磺酸催化剂,用X射线衍射、红外光谱及热重分析对催化剂表征。结果表明松木屑炭化产物含有多种含氧官能团的无定型材料,有利于进一步磺化得到高酸量的固体磺酸催化剂,松木炭上磺酸基团热稳定性在200℃以上。在乙酸正丁酯的合成反应中,松木炭磺酸表现出优良的催化性能。     

多孔炭材料在纤维素催化转化中的应用（英文）

生物质作为自然界唯一可再生的有机碳资源,其利用受到了越来越多的关注.特别是随着能源和环境危机的日益加重,将生物质中非可食用部分催化转化为燃料及具有高附加值的化学品被认为是高效、环保、原子经济的绿色过程.同时,多孔炭材料具有丰富的孔道结构、优异的水热稳定性和大比表面积,是生物质催化转化反应中最常用的载体材料之一.兼之炭材料表面极性、亲疏水性的可调变性,及对酸碱溶剂的反应惰性,也使其无论在学术研究还是在工业应用中都具有特殊的优势.另外,随着纳米炭材料科学的飞速发展,合成孔径、形貌、及表面官能团可控的介孔炭和具有多级孔道结构的多孔炭材料成为可能,将其应用到纤维素催化转化过程中,对深入理解孔道结构、表面官能团对纤维素转化的作用,揭示催化反应作用机制,指导炭基催化剂的设计合成,均具有重要意义.在本综述中,我们首先对纤维素转化中多孔炭的孔道结构和表面官能团性质的独特作用进行了阐述.由于商业活性炭的孔径一般在微孔尺度,但纤维素及可溶低聚糖的分子体积较大,因而其在活性炭中的传质受到了极大的限制.通过模板法获得的介孔炭材料,可实现孔径在2–10 nm的可控合成,大大提高了反应物的扩散速率,使之能与催化活性位有效接触.但孔道过于狭长,在反应过程中堵塞的可能性增高,进而导致催化剂失活;因此,在介孔孔道的基础上,建立互通的多级孔道结构对反应物、中间物、和产物的扩散,及催化活性的保持更为有利.另一方面,炭材料表面的含氧官能团不仅具有加强1,4-糖苷键吸附的作用,还可以作为酸性活性中心催化水解反应的进行;尤其是在传统的水相纤维素催化转化过程中,亲水表面对多孔炭催化剂与反应物的接触非常有利.本文以纤维素水解及纤维素水解加氢反应为例,展开讨论了多孔炭作为固体酸及双功能催化剂载体的应用.在水解反应中,纤维素首先在热水中降解为可溶低聚糖,之后再与活性炭表面官能团反应;其中多孔炭的比表面积、酸量、及酸强度均是促进水解发生的正向因素.在水解加氢反应中,炭载贵金属催化剂作为最常用的加氢催化剂,可获得以六元醇为主的纤维素转化产物.除了加氢作用之外,贵金属小颗粒被证实可以通过氢溢流作用提供水解所需的H+,同时,正价的贵金属也可促进反应过程中的氢转移.另一方面,由于钨物种可催化逆羟醛缩合反应的发生,因此在反应体系中引入钨物种时,水解加氢的主要产物由六元醇变为乙二醇.需要特别指出的是,在纤维素催化水解加氢的过程中,多孔炭材料作为载体同样具有非常重要的作用:一方面,三维介孔的孔道结构不仅有利于反应物、产物的扩散,也有利于加氢金属催化剂的分散,进而提高金属的催化加氢能力;另一方面,当炭材料的表面化学性质改变时,也会影响产物的选择性分布,例如当炭表面显碱性时,由于异构化作用,丙二醇成为主要产物.本文最后,我们列举了一些新型多孔炭材料,包括杂原子改性的多孔炭材料和金属氧化物-炭复合多孔材料的合成方法及其在纤维素催化转化乃至生物质转化中的潜在应用.     

Efficient hydrolyzation of cellulose in ionic liquid by novel sulfonated biomass-based catalysts

A green and effective approach for comprehensive hydrolyzation of cellulose has been described. Several carbon-based solid acids were successfully prepared using various biomass (glucose, microcrystalline cellulose, bamboo, and rice husk) and used to catalyze cellulose hydrolysis. The acid groups (–SO₃H and –COOH) were successfully introduced onto the surface of the carbon-based solid acid catalysts as evidenced by Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. The structure of the prepared catalysts was characterized by scanning electron microscope and X-ray diffraction. The catalysts showed excellent catalytic performance for hydrolysis of cellulose. To improve the reaction efficiency, ball-milling and solubilization in ionic liquids of cellulose were adopted. A maximum total reducing sugar yield of 81.8 % was obtained in ionic liquid 1-butyl-3-methyl imidazolium chloride at 125 °C for 90 min when the water addition was 10 % of ionic liquid. This study provided a promising strategy to synthesize solid acids from lignocelluloses, which were further used to convert biomass into biofuels and platform chemicals.     

Beyond a solvent: the roles of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride in the acid-catalysis for cellulose depolymerisation

In this report, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([C₄C₁im]Cl) is demonstrated to enhance the kinetics of acid-catalysed hydrolysis of 1,4-β-glucans in binary solvent mixtures. [C₄C₁im]Cl plays other roles in the reaction beyond acting as a solvent for cellulose, as currently accepted. In fact, the presence of the IL increases the Hammett acidity of the catalyst dissolved in the reaction medium. The kinetic data from cellobiose and cellulose hydrolysis directly correlate with the acid strength found for p-toluenesulfonic acid in the different reaction media studied here. The current report identifies neglected, but yet very important phenomena occurring in cellulose depolymerisation.     

离子液体中微波辅助的 Lewis 酸催化纤维素制备 5-羟甲基糠醛

 以离子液体 1-丁基-3-甲基咪唑氯为溶剂, 以 CrCl3•6H2O 为催化剂, 直接转化纤维素生成 5-羟甲基糠醛 (HMF). 考察了微波辐射条件、反应温度、反应时间及催化剂用量对 HMF 产率的影响. 结果表明, 在最佳条件下, HMF 产率可达 55%.     

果糖在酸性离子液体中脱水制备5-羟甲基糠醛

制备了多种离子液体,并将其作为催化剂和溶剂催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛（HMF）。 制备的酸性离子液体包括磺酸基功能化酸性离子液体、咪唑类酸性离子液体和吡啶类酸性离子液体。 利用核磁共振仪和红外光谱仪对离子液体的结构进行表征。 利用紫外可见光分光光度计结合Hammett指示剂计算Hammett酸度函数,比较了酸强度的大小对反应的影响。 结果表明,离子液体的酸强度对反应有较大影响,在无其它催化剂和溶剂的情况下,离子液体具有较高的催化活性,通过使用1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BmimCl)作为催化剂,当反应温度为120 ℃,反应进行到4 h时,HMF收率可以达到74.97%。     

煤化程度对煤基固体酸结构及其水解纤维素性能的影响

利用煤具有缩合芳环、脂肪侧链及含氧官能团的结构特点，采用不同煤化程度的煤为碳源，在不同炭化温度下制备了煤基固体酸催化剂（CSA）。通过XRD、FT-IR、¹³C NMR对催化剂结构进行了表征。以还原糖和葡萄糖的产率为考察指标，探讨了煤化程度和炭化温度对煤基固体酸非均相催化水解纤维素的影响。结果表明，煤作为碳源具有传统碳源所不具备的结构优势，煤基固体酸碳层片上除含有磺酸基、酚羟基和羧基外，还含有传统碳基固体酸不具备的桥键（-O-、-CH₂-）和侧链（-CH₃、-OCH₃、-CH₂CH₃）。除磺酸基外，其余均由煤的结构演化而来。随着炭化温度的升高，催化剂的芳香度增大、活性基团的种类和数量减少、磺酸基密度逐渐下降，且随着煤化程度增加，煤基固体酸结构可调性降低，所需要的最佳炭化温度也逐渐降低。不同种类的煤基固体酸在水解纤维素过程中表现出了较高的活性，其中，霍林河煤基固体酸的活性最高。水解活性受催化剂芳香片层大小及堆叠高度、片层之间桥键和磺酸基密度等因素的影响，是众多活性基团协同作用的结果。     

咪唑类高铼酸盐催化微晶纤维素降解反应研究

以咪唑类高铼酸盐为催化剂,以离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]Cl)为溶剂降解微晶纤维素(MCC)。分别考察反应温度、反应时间、反应物浓度、催化剂用量和结构对纤维素降解反应的影响。结果表明,以5%1-(3-磺酸)丙基-3-甲基咪唑高铼酸盐([mim-(CH_2)_3SO_3H]ReO_4)为催化剂,在微波辅助加热条件下,0.1 g纤维素在2.0 g离子液体[Amim]Cl中于160℃降解30 min,还原糖收率(TRS)和葡萄糖收率最高可达89.6%和46.7%。研究还对咪唑类高铼酸催化纤维素降解反应的催化机理进行讨论,认为催化剂芳环阳离子、ReO-4中Re=O与纤维素分子中羟基的相互作用是促进纤维素降解的关键     

Cellulose hydrolysis catalyzed by highly acidic lignin-derived carbonaceous catalyst synthesized via hydrothermal carbonization

Acidic carbonaceous solids were synthesized from mass pine alkali lignin via hydrothermal carbonization followed by sulfonation. Hydrothermal carbonization of lignin in the presence of acrylic acid (LAHC-SO₃H) provided many more carboxylic groups than that in the absence of acrylic acid, allowing subsequent sulfonation to produce a highly active and stable catalyst for cellulose hydrolysis in the [BMIM]Cl-H₂O solvent system. The hydrochar and catalyst were characterized using field emission scanning electron microscopy, X-ray diffractometer, X-ray photoelectron spectroscopy, thermal gravimetric analysis, Fourier transform infrared spectrometer, Brunauer–Emmett–Teller and acid–base titration. Results showed that a high acid content of 5.48 mmol/g, including carboxylic group (2.85 mmol/g), phenolic hydroxyl group (1.05 mmol/g) and sulfonic acid group (1.58 mmol/g), contributed significantly to the highly efficient hydrolysis of cellulose. Further, it was found that addition of trace water in [BMIM]Cl was favorable to cellulose hydrolysis. The highest yield (75.4%) of total reducing sugar (TRS) obtained in [BMIM]Cl-H₂O at a mass ratio of 100:1 was more than twice that (36.1%) achieved in [BMIM]Cl without water; the corresponding reaction conditions were 50 mg of microcrystalline cellulose, 30 mg of catalyst, 1.0 g of [BMIM]Cl, 10 mg of H₂O, reaction temperature of 130 °C and reaction time of 2 h. Furthermore, the TRS yield with 5 cycles for LAHC-SO₃H was higher than 68.1%, and the catalytic activity of catalyst could be fully recovered (74.0% of TRS yield) easily by regeneration.     

Interactions of Ionic Liquids with Polysaccharides – 2: Cellulose

Some general comments about ionic liquids (ILs) and carbohydrates are given. The main scope of the review is to discuss the present state of the art of chemical modification of cellulose applying IL as reaction media considering own research results. ILs, namely 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (BMIMCl), 1-ethyl- 3-methylimidazolium chloride (EMIMCl), 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium chloride (BDMIMCl), 1-allyl-2,3-dimethylimidazolium bromide (ADMIMBr) and 1-ethyl-3- methylimidazolium acetate (EMIMAc) are solvents for cellulose (even for high molecular bacterial synthesized cellulose) and can easily be applied as reaction media for cellulose modification. We investigated the homogeneous acylation, carbanilation and silylation of the biopolymer cellulose. Under mild conditions and within short reaction time at low temperature (65 °C to 80 °C) and low excess of reagent, various cellulose esters and carbanilates, dendronized cellulose and trimethylsilyl cellulose were obtained. The DS of the cellulose derivatives can be controlled by varying the reaction time, reaction temperature and the IL used as reaction medium.     

A facile one-step way for extraction of nanocellulose with high yield by ball milling with ionic liquid

93.1% yield of nanocellulose was successfully extracted from cellulose powder (CP) by planetary ball milling in the presence of ionic liquid (IL) of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (BMIMCl). The morphology of nanofibrillated cellulose present in fibrous network with 10–25 nm in diameter and micrometer scale in length and the chemical composition and crystal structure were maintained as cellulose type I. At 600 °C degradation temperature, the residue amount of the obtained nanocellulose was about 55% more that of CP, implying it had higher thermal stability. The used BMIMCl was recovered and reused at least 4 times. The nanocellulose obtained by using the recovered IL also demonstrated the same properties as those from the fresh one. For comparison, another kind of IL of 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIMOAc) was also used in this study. It is found that the ball milling of cellulose in the presence of IL is an effective and environmental friendly way for the production of nanocellulose with high yield.     

纤维素溶剂研究进展

概述了纤维素溶剂的重要研究进展,主要包括N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)在85℃以上高温可破坏纤维素分子间氢键,导致溶解;氯化锂/二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)在100℃以上可溶解纤维素;1-丁基-3-甲基咪唑盐酸盐([BMIM]Cl)和1-烯丙基-3-甲基咪唑盐酸盐([AMIM]Cl)离子液体,含强氢键受体Cl-离子,通过它们与纤维素羟基作用而引起溶解.氨基甲酸酯体系则是通过尿素与纤维素在100℃以上反应转变为纤维素氨基甲酸酯,然后再溶解于NaOH水溶液中;氢氧化钠/水体系,只能溶解结晶度和聚合度较低的纤维素;NaOH/尿素、NaOH/硫脲和LiOH/尿素水溶液体系,它们预冷至-5~-12℃后可迅速溶解纤维素.主要是通过低温产生小分子和大分子间新的氢键网络结构,导致纤维素分子内和分子间氢键的破坏而溶解,同时尿素或者硫脲作为包合物客体阻止纤维素分子自聚集使纤维素溶液较稳定.低温溶解技术不仅突破了加热溶解的传统方法,而且可推进化学"绿色化"进程.共引用参考文献50篇.