果糖一步转化制备呋喃基燃料：溶剂效应及离子液体修饰活性金属对产物选择性的决定作用

在众多生物基化合物中,2,5-二甲基呋喃(DMF)是一种有实用前景的可再生液体生物质燃料,也是一种具有重要价值的化学品,可作为生产对苯二甲酸的原料.2,5-二甲基四氢呋喃(DMTF)是DMF进一步加氢产物,该化合物比DMF更稳定,适合长期保存;由于具有更高的氢碳比,用作生物燃料燃烧时能够释放更多能量.研究生物质资源制备DMF和DMTF对可再生资源制备液体燃料和化学品具有重要意义.从生物质多糖出发制备这两类化合物,中间经历了水解、脱水、加氢、加氢脱氧等多个反应步骤,每一步反应都十分复杂,包含许多副反应途径.此外,由于每一步反应条件的不兼容性,大多数研究集中在分步反应阶段,鲜有文献能够实现从碳水化合物原料直接转化为DMF和DMTF.发展由生物质一锅法多步耦合转化技术制备化学品和燃料,不仅具有科学意义,而且可大大简化反应过程,避免中间产物分离和损失,节省资源和时间,历来受到化学家和工业界的关注.本文利用离子液体对Ru/C催化剂电子性质的修饰作用以及溶剂效应的影响,设计了离子液体/THF双相体系中果糖直接催化转化制备2,5-二甲基呋喃(DMF)和2,5-二甲基四氢呋喃(DMTF)的新路线.该转化过程耦合了果糖脱水制HMF、HMF加氢及加氢脱氧生成DMF和DMTF等多步反应.通常在HMF加氢转化过程中, Ru/C催化剂的高活性易导致HMF深度加氢生成大量开环产物及气体,我们借助离子液体与有机溶剂的不同溶解性,筛选出[BMIm]Cl/THF双相溶剂体系,使极性HMF在离子液体层反应,生成弱极性的DMF和DMTF能及时被THF萃取出来,有效稳定了目标产物.其次,果糖转化为HMF会产生少量水,通常水的存在易导致HMF发生水合等副反应,对下一步的加氢转化是不利因素;然而在本催化体系中,由于[BMIm]Cl能与水以较强的氢键结合形成水合物,对水分子起到了束缚作用,减少了HMF发生水解、水合等副反应的机会.另一方面,离子液体粘度较大,微量水的存在能降低离子液体层粘度,改善传质,从而提高反应速率.在HMF加氢处理过程中,离子液体对DMF和DMTF的生成起了决定作用.当反应体系中不添加离子液体,以THF为溶剂,反应结束后未检测到DMF生成, DMTF的收率仅为2%,但HMF已经完全转化.取气体样品进行GC分析,发现有部分气相产物生成,包括CO2、CH4和C2H6等.液体混合物进行GC-MS检测,发现产物主要包括DHMTF、5-甲基四氢糠醇(MTFA)、四氢糠醇(TFA)、1,2-戊二醇、DMTF、2-己醇和少量戊醇,产物中所有呋喃环结构的双键都发生加氢反应.以上结果表明,没有离子液体的THF中, Ru/C催化的HMF涉氢反应平衡已发生改变.当反应体系中添加0.2 g离子液体[BMIm]Cl进行HMF的加氢时,此时开始有DMF生成,随着[BMIm]Cl量依次增加, DMF以及DMTF的收率也呈上升趋势.1.0 g离子液体获得两种产物最高收率为68%.然而,如果进一步增加[BMIm]Cl的量到2.0 g,呋喃基液体燃料DMF和DMTF的收率却开始下降.综合以上实验结果,我们认为适量的[BMIm]Cl存在有可能会对催化剂物理化学性质造成影响,从而对产物的选择性起了决定性作用.通过对催化剂进行元素分析、XPS、H2-TPR表征以及一系列对比实验证明,离子液体不仅促进果糖脱水转化为HMF,同时在HMF选择性加氢反应中可修饰活性金属电子性质,改变催化路径,是多步串联反应能够耦合的关键因素.在[BMIm]Cl/THF双相溶剂体系中,离子液体的“溶剂笼效应”促进DMF和DMTF高效生成, THF的萃取功能对目标产物的稳定起了关键作用.以上对催化剂和溶剂的合理设计共同促进高产率呋喃基燃料的获得.该研究实现由六碳糖直接选择转化获取DMF和DMTF,为生物质高效催化转化制备生物基能源化学品提供了新思路.     

果糖一步转化制备呋喃基燃料:溶剂效应及离子液体修饰活性金属对产物选择性的决定作用（英文）

在众多生物基化合物中,2,5-二甲基呋喃(DMF)是一种有实用前景的可再生液体生物质燃料,也是一种具有重要价值的化学品,可作为生产对苯二甲酸的原料.2,5-二甲基四氢呋喃(DMTF)是DMF进一步加氢产物,该化合物比DMF更稳定,适合长期保存;由于具有更高的氢碳比,用作生物燃料燃烧时能够释放更多能量.研究生物质资源制备DMF和DMTF对可再生资源制备液体燃料和化学品具有重要意义.从生物质多糖出发制备这两类化合物,中间经历了水解、脱水、加氢、加氢脱氧等多个反应步骤,每一步反应都十分复杂,包含许多副反应途径.此外,由于每一步反应条件的不兼容性,大多数研究集中在分步反应阶段,鲜有文献能够实现从碳水化合物原料直接转化为DMF和DMTF.发展由生物质一锅法多步耦合转化技术制备化学品和燃料,不仅具有科学意义,而且可大大简化反应过程,避免中间产物分离和损失,节省资源和时间,历来受到化学家和工业界的关注.本文利用离子液体对Ru/C催化剂电子性质的修饰作用以及溶剂效应的影响,设计了离子液体/THF双相体系中果糖直接催化转化制备2,5-二甲基呋喃(DMF)和2,5-二甲基四氢呋喃(DMTF)的新路线.该转化过程耦合了果糖脱水制HMF、HMF加氢及加氢脱氧生成DMF和DMTF等多步反应.通常在HMF加氢转化过程中,Ru/C催化剂的高活性易导致HMF深度加氢生成大量开环产物及气体,我们借助离子液体与有机溶剂的不同溶解性,筛选出[BMIm]Cl/THF双相溶剂体系,使极性HMF在离子液体层反应,生成弱极性的DMF和DMTF能及时被THF萃取出来,有效稳定了目标产物.其次,果糖转化为HMF会产生少量水,通常水的存在易导致HMF发生水合等副反应,对下一步的加氢转化是不利因素;然而在本催化体系中,由于[BMIm]Cl能与水以较强的氢键结合形成水合物,对水分子起到了束缚作用,减少了HMF发生水解、水合等副反应的机会.另一方面,离子液体粘度较大,微量水的存在能降低离子液体层粘度,改善传质,从而提高反应速率.在HMF加氢处理过程中,离子液体对DMF和DMTF的生成起了决定作用.当反应体系中不添加离子液体,以THF为溶剂,反应结束后未检测到DMF生成,DMTF的收率仅为2%,但HMF已经完全转化.取气体样品进行GC分析,发现有部分气相产物生成,包括CO2、CH4和C2H6等.液体混合物进行GC-MS检测,发现产物主要包括DHMTF、5-甲基四氢糠醇(MTFA)、四氢糠醇(TFA)、1,2-戊二醇、DMTF、2-己醇和少量戊醇,产物中所有呋喃环结构的双键都发生加氢反应.以上结果表明,没有离子液体的THF中,Ru/C催化的HMF涉氢反应平衡已发生改变.当反应体系中添加0.2 g离子液体[BMIm]Cl进行HMF的加氢时,此时开始有DMF生成,随着[BMIm]Cl量依次增加,DMF以及DMTF的收率也呈上升趋势.1.0 g离子液体获得两种产物最高收率为68%.然而,如果进一步增加[BMIm]Cl的量到2.0 g,呋喃基液体燃料DMF和DMTF的收率却开始下降.综合以上实验结果,我们认为适量的[BMIm]Cl存在有可能会对催化剂物理化学性质造成影响,从而对产物的选择性起了决定性作用.通过对催化剂进行元素分析、XPS、H2-TPR表征以及一系列对比实验证明,离子液体不仅促进果糖脱水转化为HMF,同时在HMF选择性加氢反应中可修饰活性金属电子性质,改变催化路径,是多步串联反应能够耦合的关键因素.在[BMIm]Cl/THF双相溶剂体系中,离子液体的"溶剂笼效应"促进DMF和DMTF高效生成,THF的萃取功能对目标产物的稳定起了关键作用.以上对催化剂和溶剂的合理设计共同促进高产率呋喃基燃料的获得.该研究实现由六碳糖直接选择转化获取DMF和DMTF,为生物质高效催化转化制备生物基能源化学品提供了新思路.     

光催化/光电催化5-羟甲基糠醛的研究进展

储量丰富的生物质作为一种可再生的有机资源,可通过化学反应转化为高附加值的化学品或燃料,有助于降低对化石能源的依赖. 5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural, HMF)是一种关键的生物质平台分子,其含有醛基、羟甲基和呋喃环,具有优越的化学性能,可通过氧化、加氢、开环水解、醚化和聚合等化学反应转化为一系列高价值的衍生物,可应用于医药、材料、化工、生物燃料等领域.近年来,光催化作为一种经济有效的绿色化学方法不仅克服了传统热催化的缺点,还应用于生物质转化.本文系统地综述了近年来光催化/光电催化HMF的研究进展.同时,本文重点关注了光催化氧化过程中活性物种对HMF选择性的影响和用HMF氧化取代动力学迟缓的水氧化以促进光解水产氢.最后,还对未来的研究方向进行了展望,包括探索多步骤反应策略以提高2,5-呋喃二羧酸(FDCA)的产率,深入研究光催化HMF氧化反应动力学和催化活性位点以全面理解HMF的光催化氧化机制,以及优化光催化剂实现高效选择性的HMF转化,为可持续能源、生物质转化和液体生物燃料领域提供新的创新解决方案.     

催化选择转化多羟基化合物制备高附加值化学品研究进展

对近年来催化转化多羟基化合物制备5-羟甲基糠醛、乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇等高附加值化学品进行了综述. 分析了果糖、葡萄糖、纤维素等不同结构的碳水化合物制5-羟甲基糠醛存在的挑战, 并对相应的解决方法进行了总结. 对于5-羟甲基糠醛的转化, 我们重点讨论了5-羟甲基糠醛选择性氧化制备2,5-二甲酰基呋喃和2,5-呋喃二甲酸以及它们作为聚合单体的潜在应用. 概述了催化氢解纤维素、糖醇、甘油等多羟基化合物制备乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇等二元醇的方法, 并对可能的机理进行了讨论. 依据近年来多羟基化合物催化选择性转化制备高附加值化学品的研究现状, 对今后的研究热点进行了展望.     

5-羟基甲基呋喃甲醛的制备及应用进展

综述了利用可再生生物质资源制备5-羟基甲基呋喃甲醛(5-HMF)的方法和研究进展。5-HMF作为一种重要的平台化合物,经转化能形成多种活性高分子单体,如乙酰丙酸、2,5-呋喃二甲酸、呋喃类树脂前驱体等,一般用于聚酯材料、表面活性剂、涂料、香料的合成。本文着眼于目前实验室用于制备5-HMF的方法及存在的问题,通过对比单相体系、两相体系以及其它体系中各种5-HMF制备方法的优缺点,讨论了不同反应转化条件对5-HMF产率与选择性的影响,并对未来工业化的方向和前景进行了预测。     

载体对其负载的Cu-Co双金属催化剂上5-羟甲基糠醛氢解选择性生成2,5-二甲基呋喃的影响

碳-氧键氢解是生物质呋喃基化合物制备交通燃料常见的模型反应,其中5-羟甲基糠醛(HMF)转化为汽油添加剂2,5-二甲基呋喃(DMF)尤为引人关注.本文采用CeO2,ZrO2和Al2O3负载的Cu-Co双金属催化剂用于HMF选择性氢解制DMF的反应中.采用X射线衍射、N2吸附-脱附、投射电镜、H2-程序升温还原、氨-程序升温脱附和元素分析表征了新鲜的和使用过催化剂的结构,并将其与催化活性相关联.Cu-Co/CeO2催化剂通过在大的Cu颗粒上还原C=O键生成了最多的2,5双(羟甲基呋喃)(BHMF).但Cu-Co/Al2O3催化剂具有高度分散的Cu,Cu-Co复合氧化物和大量的弱酸位,因而生成DMF的选择性最高.Cu-Co/ZrO2催化剂则由于存在强酸位,DMF选择性较低,生成了各种过度氢解产物,如2,5而甲基四氢呋喃和5,5-二(亚甲基)双(2-甲基呋喃).因此,考察了Cu-Co/Al2O3催化剂上的反应路径,以及温度、氢气压力和时间等操作条件的影响,使其具有较优的HMF转化率和DMF选择性.     

载体对其负载的Cu-Co双金属催化剂上5-羟甲基糠醛氢解选择性生成2,5-二甲基呋喃的影响（英文）

碳-氧键氢解是生物质呋喃基化合物制备交通燃料常见的模型反应,其中5-羟甲基糠醛(HMF)转化为汽油添加剂2,5-二甲基呋喃(DMF)尤为引人关注.本文采用CeO_2,ZrO_2和Al_2O_3负载的Cu-Co双金属催化剂用于HMF选择性氢解制DMF的反应中.采用X射线衍射、N_2吸附-脱附、投射电镜、H_2-程序升温还原、氨-程序升温脱附和元素分析表征了新鲜的和使用过催化剂的结构,并将其与催化活性相关联.Cu-Co/CeO_2催化剂通过在大的Cu颗粒上还原C=O键生成了最多的2,5双(羟甲基呋喃)(BHMF).但Cu-Co/Al_2O_3催化剂具有高度分散的Cu,Cu-Co复合氧化物和大量的弱酸位,因而生成DMF的选择性最高.Cu-Co/ZrO_2催化剂则由于存在强酸位,DMF选择性较低,生成了各种过度氢解产物,如2,5而甲基四氢呋喃和5,5-二(亚甲基)双(2-甲基呋喃).因此,考察了Cu-Co/Al_2O_3催化剂上的反应路径,以及温度、氢气压力和时间等操作条件的影响,使其具有较优的HMF转化率和DMF选择性.     

碱性条件下Ru/C催化5-羟甲基糠醛选择氧化反应

以活性炭负载金属钌(Ru/C)为催化剂,在碱性水溶液中研究了5-羟甲基糠醛(HMF)选择氧化反应.与MgO,Ca(OH)₂和NaOH相比,加入具有合适碱强度的镁铝水滑石有利于生成5-甲酰基-2-呋喃甲酸(FFCA)或2,5-呋喃二甲酸(FDCA).X射线光电子能谱实验表明金属态的钌是活性催化中心.同位素示踪结果则表明水而非氧气提供了5-甲酰基-2-呋喃甲酸及2,5-呋喃二甲酸等羧酸产物的氧源.根据这些结果,并结合HMF和2,5-呋喃二甲醛氧化的动力学研究,我们提出HMF选择性氧化制备FFCA遵循Langmuir-Hinshelwood反应机理.其中,HMF在金属Ru表面饱和解离吸附,在解离吸附的氧原子的协助下发生β-脱氢生成2,5-呋喃二甲醛(DFF)吸附物种.该DFF物种进一步发生水合与氧化形成FFCA产物.     

碳纳米管负载钯基催化剂催化氧化2,5-呋喃二甲醇合成2,5-呋喃二甲酸

为积极应对化石能源枯竭和生态环境日益严峻等问题,可再生生物质资源的深度开发并进一步替代传统能源或石化原料被广泛认可.利用高效催化技术将生物质资源转化为高附加值的平台化合物,有望衍生出大量具备新颖结构与功能的绿色化学品.2,5-呋喃二甲酸(FDCA)作为重要的生物质基平台化合物之一,具有巨大的市场应用价值,其中因其与化石基对苯二甲酸(PTA)有着极其相似的化学结构,以FDCA替代PTA作为合成单体制备大宗聚合物备受关注.以5-羟甲基糠醛(HMF)为原料,采用多相催化体系(主要是贵金属催化剂)选择氧化制备FDCA是目前广泛采用的方法.但“HMF路线”面临一些基础性的难题,如HMF熔点较低,需低温存储,增加了实际应用中的运输成本;HMF在碱性溶液中易降解,导致反应过程中碳平衡损失;HMF结构中含有的不对称的羟基和醛基官能团在氧化反应中会发生竞争反应,致使反应副产物较多;此外,碱性反应介质中通常会得到醛基优先氧化的中间体5-羟甲基-2-呋喃甲酸(HMFCA),但由于HMFCA结构中羧基官能团的存在使得羟基进一步氧化较为困难,通常需要增加碱浓度、提升温度或压力,使反应条件变得苛刻.因此,寻求新的原料替代HMF,实现温和条件下高效合成FDCA具有重要意义.本文采用改性后的碳纳米管负载Pd催化剂(Pd/o-CNT),从具有独特对称结构的2,5-二羟甲基呋喃(BHMF)出发,提出一种新颖、高效催化合成FDCA的“BHMF路线”.反应在60°C常压下进行,BHMF在20 min内即可完全转化,60 min后FDCA的产率最高可达93.0%,优于相同条件下HMF为原料时的性能(FDCA产率仅为35.7%).相比于未作处理的碳纳米管负载钯催化剂(Pd/CNT),Pd/o-CNT催化剂具有更高含量的氢化钯(PdH_x)物种,显著促进了FDCA产率的提升.Pd/o-CNT在循环使用10次后,BHMF仍能完全转化,FDCA产率维持在75%.稳定性下降可能与活性物种流失、团聚及价态变化有关.基于对照试验,本文提出了可能的反应路径,即BHMF主要是通过2,5-二甲酰基呋喃和5-甲酰基-2-呋喃甲酸作为过程中间体,有效转化为FDCA,从而规避并减少生成HMF和活性较低的HMFCA.本文通过以新原料BHMF作底物,实现了高效制备生物基平台化合物FDCA,为生物质的产业化应用提供了新的研究思路.     

纤维素及其衍生物催化脱氧转化制化学品

纤维素是木质纤维素生物质中最为丰富的组分,将其催化转化制备高附加值化学品在生物质资源化利用中占据极为重要的一席之地。由于纤维素中氧含量过高,需选择性地脱除部分氧原子才可获得满足当前化学工业对各类高值化学品的要求。近年来,针对纤维素以及由其衍生的关键平台分子葡萄糖和5-羟甲基糠醛(HMF)等催化脱氧的研究已引起广泛关注,并取得诸多重要进展。在此,我们总结了具有代表性的多相催化剂体系,讨论了利用氢解或脱水脱氧策略分别将纤维素和葡萄糖等分子中一个或多个C―O键裁剪制备乙醇、烯烃或己二酸等的研究。我们还着重介绍了HMF和其衍生的呋喃化合物选择性剪切C―OH/C＝O键或呋喃环中的C―O―C键分别制备二甲基呋喃和1, 6-己二醇等催化体系。此外,对各多相催化剂的作用机制和特定C―O断键机理也分别进行了探讨,以期深入理解纤维素及其衍生物的催化脱氧反应。     

纤维素基生物质催化转化制备二醇

生物质作为最有潜力替代化石能源的可再生资源之一,受到日益广泛的重视。纤维素基生物质是催化转化为各种燃料和化学品的重要原料。近年来,二醇(包括乙二醇、丙二醇和丁二醇等)作为燃料和化学品广泛应用于各个领域,市场需求很大。传统制备二醇是以化石能源为原料,存在原料不可再生和环境污染大等缺点。因此采用非化石原料途径制备二醇受到越来越多的关注,其中以纤维素基生物质催化制备二醇是克服化石燃料短缺和减少环境污染的重要途径之一。本文系统总结了近年来以纤维素基生物质(纤维素、葡萄糖、果糖和山梨醇)为原料催化转化制备二醇的研究现状,对反应途径、反应机理、催化剂稳定性和反应溶剂类型等进行了详细介绍,在此基础上对利用纤维素基生物质原料催化制备二醇的发展趋势进行展望,以期为相关研究者提供参考。     

木质纤维素催化转化制备DMF和C_5/C_6烷烃

生物质是一类重要的可再生资源,将其转化为高品质燃料在能源替代、环境保护等方面具有重要意义。在高品质燃料中,2,5-二甲基呋喃(DMF)具有较高的能量密度、高辛烷值和较高的沸点,是一种非常具有应用前景的可再生含氧液体燃料,掺混后可促进汽油的燃烧;C_5/C_6烷烃是现有汽油的重要组分,在提高汽油辛烷值和调节蒸汽压等方面不可或缺。本文以木质纤维素生物质典型组分纤维素为起始原料,系统总结了纤维素转化为5-羟甲基糠醛(HMF),HMF选择性加氢脱氧为DMF以及完全加氢脱氧为C_5/C_6液体烷烃等转化过程的反应介质、催化体系及反应路径。反应介质包括水、离子液体、极性非质子有机溶剂、含水的双相体系;催化体系包括无机酸、金属盐、固体酸及负载型催化剂。本文对DMF和C_5/C_6烷烃液体燃料高效合成的研究前景进行了展望和评述,以期为纤维素类生物质高效转化为高值液体燃料提供思路和参考。     

在水-四氢呋喃中纤维素转化为5-羟甲基糠醛及副产物鉴定

在酸性条件下,水-四氢呋喃混合溶剂中转化纤维素制备了平台化合物5-羟甲基糠醛（HMF）．在纤维素浓度仅为2.4wt%时,可以得到38.6%的HMF,但是随着纤维素浓度的增加,胡敏素和乙酰丙酸成为主要产物．利用液相色谱-多级串联质谱联用技术检测到了分子式为C9H16O4、 C10H14O4、 C11H12O4、C12H10O5 和C12H16O8的一系列副产物．C9H16O4是通过四氢呋喃开环为1,4-丁二醇再与乙酰丙酸酯化反应得到,而C10H14O4是通过四氢呋喃开环后与HMF醚化得到．C11H12O4是由5-羟甲基糠醛与乙酰丙酸发生酯化反应得到,C12H10O5是由HMF自身醚化得到,而C12H16O8是HMF与葡萄糖经过缩醛反应得到．HMF的自身醚化反应及HMF与1,4-丁二醇的醚化反应是主要的副反应．     

HMF催化合成生物基聚酯单体FDCA

在石油资源日渐紧缺的背景下,充分利用自然界中可再生的生物质资源无疑是缓解当前和未来资源危机的有效手段,基于生物质平台分子的绿色化工正在逐渐替代传统石化产品的生产模式。来源于生物质的5-羟甲基糠醛(HMF)经过催化氧化可合成高附加值化学品2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。FDCA是生产绿色聚合物聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯(PEF)的重要单体。综合近年来利用热、电、光与生物催化模式进行的HMF氧化研究成果,热催化在产率与产品纯度方面显示出明显优势,但其对高能耗与高氧压的依赖限制了在工业中的应用。以电催化和光催化为基础的催化模式能够高效利用电能和太阳能,氧化活性物种丰富可调,有广阔应用前景。此外,生物催化模式虽目前产率较低,但具有反应条件温和、选择性高的突出特点,是未来有效利用生物质资源的重要发展方向。本文对氧化途径与相应反应机理进行讨论,并全面地总结了目前由HMF催化氧化生产FDCA的研究现状,包括已取得的进展与将面临的挑战,最后对未来发展方向与前景进行了展望。     

生物质转化为液体燃料2,5-二甲基呋喃 的途径与机理

随着化石燃料的日益减少,寻找可再生的液体生物质燃料已经引起了越来越广泛的关注。由生物质制备得到的2,5-二甲基呋喃(DMF)具有高能量密度、高沸点、高辛烷值和不溶于水等优点,近年来被认为是一种非常有前景的液体燃料。本文归纳和总结了生物质转化为DMF的化学途径、方法和反应机理以及DMF的燃烧性能,并对今后的研究方向进行了展望。     

生物质基呋喃衍生物选择氢解制备戊二醇和己二醇研究进展

生物质基呋喃衍生物来源广泛,利用生物糠醛、5-羟甲基糠醛及他们的衍生物选择氢解制备戊二醇、己二醇具有重要的研究价值和意义.根据原料和催化剂体系不同对生物质基呋喃衍生物选择氢解制备高碳二元醇的代表性工作进行了归纳总结,对影响催化剂活性和选择性的关键因素如活性金属、载体、助剂及反应溶剂等进行了分析讨论,对反应可能涉及的路径和机理进行了阐述,并对未来的研究方向和发展趋势作了展望.     

生物质转化合成新能源化学品乙酰丙酸酯

生物质是唯一可替代化石资源获取液态燃料和化学品的可再生资源,近年来由生物质转化合成乙酰丙酸酯引起了研究者们越来越广泛的关注。乙酰丙酸酯是一类重要的化学中间体和新能源化学品,具有高的反应特性和广泛的工业应用价值。目前开发的从生物质资源出发转化合成乙酰丙酸酯的潜在合成途径可概括为4种:直接酸催化醇解法、经乙酰丙酸酯化、经5-氯甲基糠醛醇解和经糠醇醇解。本文分别介绍了这4种转化合成途径的化学反应过程及最新研究进展,从反应合成工艺、催化体系、经济可行性等方面评述了各自的特点与发展趋势,并分析了目前工业规模转化生物质合成乙酰丙酸酯仍面临的一些科学难点。最后,对今后该领域的研究前景进行了展望。     

电催化氧化制备2,5-呋喃二甲酸

在第75届联合国大会上,我国承诺力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。主要由光合作用产生的生物质将在双碳目标中扮演重要角色,通过高效转化可衍生出一系列替代化石产品的高值化学品。其中,2,5-呋喃二甲酸(FDCA)由于具有与石油基对苯二甲酸(TPA)相似的共轭碳环和二酸结构,可替代TPA用于合成热稳定性能、气体阻隔性能更优的生物基呋喃聚酯,大幅降低聚酯行业对化石资源的严重依赖。此外,FDCA在医药、香料、金属配位化学方面也有广泛应用,从而被认为是12种最具潜力的生物基平台化合物之一。FDCA通常可由5-羟甲基糠醛(HMF)通过催化氧化进行合成。相比于需要贵金属催化剂、高温和高压条件、以化学势作为驱动力的传统热催化方法,电催化氧化采用电极电势作为主要驱动力,是更为绿色和高效的新颖合成方法。本综述对电催化氧化制备FDCA反应所用的贵金属、过渡金属和非金属催化剂进行了总结与分析,梳理了催化剂设计和反应机理的研究脉络,并指出了该领域发展所面临的挑战与机遇。     

CdS基纳米管光催化氧化5-羟甲基糠醛选择性生成2,5-呋喃二甲醛

将生物质转化为高附加值化学品以替代传统化石能源衍生的碳资源不可再生能源已经引起了人们的广泛关注. 本工作制备了内部中空的ZnS@CdS/Ni纳米管催化剂用于光催化氧化5-羟甲基糠醛(HMF). 通过X射线光电子能谱表征了催化剂内部存在ZnS缺陷态使得ZnS能带带隙降低. 光照条件下, 光生空穴能够从CdS迁移至ZnS缺陷态, 抑制了ZnS@CdS内部的载流子复合, 提高了光催化性能. 中空的纳米管表面负载Ni催化剂可以参与质子还原产氢的反应, 而ZnS@CdS内部产生的空穴可以催化氧化HMF选择性生成2,5-呋喃二甲醛(DFF). 光反应1 h后, HMF的转化率达到36%, 产物DFF选择性为99%, 并且催化剂可以重复利用三次而不降低催化效果.     

化学催化葡萄糖异构化果糖

基于糖平台的生物炼制可以制备各种碳基化学品、材料和燃料。相较于葡萄糖和纤维素,果糖更容易高选择性地催化转化制备5-羟甲基糠醛等重要的生物质基平台分子,因此葡萄糖异构化果糖已经成为生物炼制过程中的重要反应步骤之一。本文详细介绍了葡萄糖经化学催化异构化果糖的反应机理,并基于异构化催化剂全面总结了近年来化学催化葡萄糖异构化果糖的研究进展。此外,本文在分析各种葡萄糖异构化催化剂及其催化作用的基础上,进一步对化学催化葡萄糖异构化果糖的未来研究方向进行了展望。