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。     

A straight synthesis of 2-(a-substituted N-tosylaminomethyl)-2,5-dihydrofurans by thereaction of N-sulfonylimines with arsonium 4-hydroxyl- cis -2-butenylides

On treatment of N-tosylimines (1) and 4-hydroxyl-cis-butenyl arsonium salt (5) with KOH in acetonitrile at room temperature, 2-(a-substituted N-tosylaminomethyl)-2,5-dihydrofurans (4) were obtained in moderate yields. The arsonium salt (5) acts formally as an equivalent of 2,5-dihydrofuran synon. A plausible mechanism was proposed for this new 5-membered cyclization reaction.     

木质纤维素中C-O键选择性活化和高效转化制化学品

高效转化来源丰富且可再生的木质纤维素制备化学品和燃料对建立可持续发展社会具有重要意义。木质纤维素利用的一条理想途径是将其主要成分纤维素、半纤维素和木质素在温和条件下高选择性地催化转化为关键平台化学品。本文综述了近年报道的有关纤维素、半纤维素和木质素或其模型分子中C–O键选择性活化生成葡萄糖、葡萄糖衍生物(包括葡萄糖苷、六元醇和葡萄糖酸)、木糖、阿拉伯糖和芳香化合物的新催化剂和新策略,阐述了决定催化性能的关键因素。本文还讨论了相关反应机理以深入理解C–O键选择性活化。纤维素由葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成,通过水解反应,选择性切断这些糖苷键可以获得葡萄糖或其低聚物。鉴于葡萄糖在水热条件下不稳定,发展纤维素温和条件下水解的酸催化剂至关重要。众多研究表明,均相酸催化剂(如无机酸,杂多酸等)具有强Br?nsted酸,在该水解反应中显示高的催化活性。另一方面,拥有强酸性基团-SO3H的固体酸也表现出优异的水解糖苷键性能,但是-SO3H官能团易于流失,限制了这类固体酸催化剂的循环使用。最近研究显示,一些催化剂尤其是碳材料上引入能够与纤维素形成氢键的官能团时,其催化纤维素水解性能显著增强。设计合成这类具备酸性位和氢键位协同效应的稳定固体酸催化剂是纤维素水解转化的一个颇具前景的研究方向。以醇替代水为溶剂实施纤维素醇解制葡萄糖苷是高效活化糖苷键的有效策略。杂多酸被证实为该醇解反应的高性能催化剂。在相同反应条件下,醇解产物葡萄糖苷较水解产物葡萄糖更为稳定,因此可以获得高的葡萄糖苷收率。开发稳定可重复利用的固体酸催化剂是纤维素醇解的关键。耦合水解与加氢或氧化反应可以直接将纤维素转化为相对稳定且具有广泛用途的多元醇或有机酸。目前已有一系列双功能催化剂被报道,这些催化剂通常组合了具备水解功能的液体酸或固体酸和具备加氢或氧化功能的贵金属或过渡金属(譬如Ru, Pt, Ni和Au)。其中杂多酸盐或含有磺酸官能团的固体酸负载Ru或Au双功能催化剂显示出优异的生成六元醇或葡萄糖酸的催化性能。半纤维素由葡萄糖、甘露糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等单糖单元通过糖苷键连接而成,糖苷键选择性活化可生成各种单糖混合物。硫酸可以有效水解半纤维素,但是同时也易于催化所生成的单糖深度转化为呋喃及其衍生物。较之硫酸,酸性较弱的有机酸特别是二元羧酸(例如马来酸、草酸等)具有较高的单糖选择性。固体酸如酸性树脂,分子筛等亦可催化半纤维素水解反应,但树脂类催化剂中官能团的流失问题有待解决。木质素是由含甲氧基等取代基的苯丙烷单元通过一系列化学键连接而成的复杂大分子,其芳香单元间包括β-O-4,α-O-4和4-O-5等三种主要连接方式,选择性切断这些C–O键可获得高附加值的芳香化合物。水解和氢解是两类普遍用以活化木质素及其模型化合物C–O键的反应。酸和碱均可催化木质素及其模型化合物水解,但是通常需要苛刻条件获取高转化率。近期研究显示,通过对木质素Cα-OH预氧化,再以HCOOH/HCOONa实施水解反应,可以成功实现温和条件下有机溶剂提取木质素及其模型化合物的高效转化。另一方面,均相金属络合物(如Ni, Fe和Ru)或多相负载型金属催化剂(如Ni, Cu, Mo, Pt, Ru, Pd或Ru等)均可有效催化木质素及其模型化合物中C–O键氢解,获得芳烃化合物。在部分多相催化剂体系中,除C–O键活化断裂外,还伴随芳环深度加氢反应,产生较多环己烷衍生物。因此,设计合成具备氢解功能同时抑制过度加氢功能的催化剂是获得芳烃化合物的关键。     

非负载型铁催化剂上二氧化碳加氢制低碳烯烃

研究了非负载型铁催化剂上CO₂加氢制低碳烯烃反应.结果显示,添加碱金属可显著提高铁催化剂上的CO₂转化率和烯烃选择性.在经K和Rb修饰的Fe催化剂上,CO₂转化率可达约40%,烯烃选择性达到50%以上,其中C₂~C₄烯烃收率超过10%.催化剂表征结果表明,碱金属促进了催化剂中碳化铁的生成,这可能是催化剂性能提高的一个关键原因.随着K含量由1 wt%增加至5 wt%,CO₂转化率及烯烃选择性均升高.但K含量过高时,催化剂活性降低.这可能是由于催化剂比表面积和CO₂化学吸附量降低所致.当K含量为5%~10%时,K-Fe催化剂上烯烃收率较高; 进一步添加适量的硼可进一步提高烯烃选择性,且CO₂转化率下降不大.     

改性H-ZSM-34上氯甲烷催化转化制低碳烯烃

比较了几种典型的沸石分子筛在氯甲烷转化制乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烃反应中的催化性能, 发现H-ZSM-34具有较佳的催化活性和选择性. 经乙二胺四乙酸二钠(Na₂H₂EDTA)水溶液处理, 并经离子交换及焙烧后, H-ZSM-34上氯甲烷转化制低碳烯烃的催化性能显著改善. 当Na₂H₂EDTA浓度为0.1 mol/L, 反应温度为673 K, CH₃Cl分压9.2 kPa时, C₂-C₄烯烃选择性和收率分别达82%和61%. 研究还发现, Ce修饰H-ZSM-34催化剂同样可改善氯甲烷制低碳烯烃的选择性和收率. 表征结果表明, Na₂H₂EDTA处理和Ce修饰均降低了H-ZSM-34的酸性. 酸性的降低可抑制低碳烯烃的氢转移反应, 继而避免了其进一步转化为低碳烷烃.