乙酰丙酸催化加氢制备γ-戊内酯的研究进展

正植物通过光合作用将CO2和水转化为生物质,利用生物质我们可以得到能源原料、化工中间体等有用的产品.从生物质获得可再生能源与资源方面研究得较多的是纤维素和木质素的转化[1-5].纤维素由D-葡萄糖单体通过β-糖苷键连接而形成,水解打开β-糖苷键可以得到寡聚葡萄糖和葡萄糖单体,寡聚葡萄糖可以进一步水解为葡萄糖单体.葡萄糖单体能作为合成众多能源、化工成品的前体,例如5-羟甲基糠醛(5-HMF)[6],乙二醇[7-9],丙     

CuOχ-CaCO3催化剂高效催化生物质乙酰丙酸甲酯制备γ-戊内酯

γ-戊内酯(GVL)在燃料和化学品上有着巨大的潜在利用价值,如何从生物质木质纤维素出发经济地制备GVL广受关注.目前已有大量的研究致力于利用不同氢源从乙酰丙酸及其酯类催化加氢制备GVL的催化体系.过去的数年里,外加氢气条件下的乙酰丙酸及其酯类加氢制备GVL已经得到了广泛的研究.考虑到液体醇使用和管理相比于氢气更为安全便捷,而且醇类如甲醇、乙醇都是可以从生物质制备的绿色环保的溶剂,利用醇类通过Meerwein-Ponndorf-Verley(MPV)还原作为生物质催化加氢过程中的的溶剂和氢供体已经引起了人们的浓厚兴趣.在脂肪醇中,甲醇的还原势能最高,在MPV还原里的效果不如其他醇,但可以通过甲醇重整制氢的方式来供氢.此外,乙酰丙酸甲酯(ML)可以通过甲醇中酸催化醇解碳水化合物制得,因此可以尝试将碳水化合物醇解制备ML;甲醇重整制氢以及ML加氢结合起来,从而省去繁琐且能耗较大的ML分离步骤.腐殖质的存在和固体催化剂在甲醇中的稳定性是上述两步法策略的最大挑战.本文通过草酸凝胶共沉淀法首次制备了(n)CuO_x-CaCO_3(n为Cu/Ca摩尔比)双功能催化剂,用于以甲醇为原位氢源,从生物质ML一锅制备GVL反应中.经筛选,(3/2)CuO_x-CaCO_3催化制备GVL的得率高达95.6%.利用各种表征手段分析了催化剂使用前后的组成和结构变化.结果显示,新制的CuO_x-CaCO_3催化剂中即可检测到Cu+的存在,且在使用过程中CaCO_3可以有效阻止二价铜在氢气氛围下被完全还原成单质铜.对于该体系中的ML加氢,亚铜有着比单质铜更佳的催化性能.循环实验表明,(3/2)CuO_x-CaCO_3至少可以连续稳定使用8次,其催化活性没有明显损失.此外,在纤维素醇解产物中存在腐殖质的情况下,(3/2)CuO_x-CaCO_3催化剂仍能够有效催化纤维素醇解得到的ML加氢制备GVL.因此可以利用这个高效廉价的催化剂开发一种便捷的一锅两步法从木质纤维素生物质制备GVL,即将酸催化的纤维素醇解、甲醇重整、ML在甲醇溶剂中加氢三者整合起来.     

乙酰丙酸选择性加氢合成γ-戊内酯中高效和可循环使用的Ni3Fe NPs@C 双金属催化剂

生物质经催化转化合成燃料及化学品是当前研究的热点.目前,生物质的催化转化主要聚焦于纤维素、半纤维素和木质素的解聚及其下游产物合成.其中,乙酰丙酸(LA)作为纤维素解聚的主要产物之一,是一种极具竞争力的平台化合物和重要的生物质转化中间体.LA通过催化转化可以合成各类高附加值的化学品,例如,通过催化加氢LA可选择性合成γ-戊内酯(GVL).所合成的GVL用途广泛,可作为绿色溶剂、食品、燃料添加剂、(塑料、高分子、烃类或者其它高附加值化学品)前驱体等.目前,LA-to-GVL的研究主要着眼于非均相催化体系,包括负载型贵金属和非贵金属催化剂体.其中,贵金属催化剂主要有Ru,Au,Pd,Rh,Ir和Pt,虽然催化效率高,条件温和,但是成本高,难以实现工业化.此外对于广泛使用的Ru/C催化剂,存在金属-载体间相互作用不强.活性组分易流失、导致催化剂稳定性差等问题;而非贵金属则普遍存在催化活性不佳及反应条件苛刻等缺点.因此,开发高效、稳定、反应条件温和且具有工业化应用前景的非贵金属催化剂具有显著的研究意义,这也是当前的研究趋势.在特定温度下,金属离子与碳基底存在较强的相互作用.鉴于此,本文通过一步碳热还原法合成了活性炭负载的Ni3Fe双金属催化剂(Ni3Fe NPs@C).该催化剂在LA-to-GVL转化体系中展现了直接加氢(DH)和转移加氢(TH)双功能催化特性.首先,考察了其在DH体系中的反应特性:在130oC和2 MPa氢压反应条件下经2 h反应,LA转化率达到93.8％,GVL选择性为95.5％,GVL产率是相应的单金属Ni/C和Fe/C催化剂的6倍和40倍.此外,在TH催化反应体系中,在180oC,0.5 h和无外加氢源的反应条件下,以异丙醇为反应溶剂和供氢体,LA几乎完全转化为GVL,其反应效率同样相较于单金属Ni/C和Fe/C催化剂大幅度提高.所合成的Ni3Fe NPs@C双金属催化剂DH和TH催化性能优于绝大多数报道的LA加氢贵金属和非贵金属催化剂.而且,该催化剂具有良好的循环利用性能,经过四次循环,其结构和化学状态没有发生明显的改变,稳定性明显优于商业化的Ru/C催化剂.此外,通过系统分析其催化性能以及材料结构,明确了该催化剂在LA的DH和TH反应体系中的活性位点,并提出了可能的反应路径.该研究为其它类型的DH和TH反应体系以及生物质高效转化过程提供了新的催化剂设计思路.并且这种催化剂及其制备方法简单、绿色,易于工业化推广和应用.     

乙酰丙酸还原合成γ-戊内酯的研究进展

生物质是一类可再生的能源物质,具有替代化石能源的潜力。乙酰丙酸(LA)和γ-戊内酯(GVL)被认为是重要的生物质平台化合物,LA可由生物质简单处理获得,目前GVL多由LA选择性还原而获得。本文综述了LA还原合成GVL的研究进展,重点从不同氢源(H_2、HCOOH、醇类化合物)出发,通过催化体系的差异,探讨了由LA选择性加氢还原生成GVL的反应机理、反应途径和进展。参考文献47篇。     

氢气在乙酰丙酸+水+γ-戊内酯中的溶解度

在温度353.2～453.2K、压力0.75～5.25MPa的条件下,采用平衡取样的方法,测定了氢气在不同组成(xi为摩尔分数)的四种液体乙酰丙酸、乙酰丙酸(x1=0.37)+水(x2=0.63)、γ-戊内酯、乙酰丙酸(x1=0.33)+水(x2=0.33)+γ-戊内酯(x3=0.34)中的溶解度.根据亨利定律对实验数据进行关联,得出不同温度下氢气在液体中的亨利系数,通过亨利系数和温度的关系,计算出氢气在液体中的摩尔溶解焓和摩尔溶解熵.结果表明:在实验温度、压力范围内,提高温度、增加压力,氢气在四种不同液体中的溶解度皆增大;在温度和压力相同时,氢气在四种液体乙酰丙酸(x1=0.37)+水(x2=0.63)、乙酰丙酸、乙酰丙酸(x1=0.33)+水(x2=0.33)+γ-戊内酯(x3=0.34)和γ-戊内酯中的溶解度依次增大;氢气在四种液体中的亨利系数均随着温度的升高而减小;氢气在四种液体中的摩尔溶解焓为正值,摩尔溶解熵为负值.     

水滑石基磁性Co/Al2O3催化剂在乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯反应中的应用

γ-戊内酯广泛应用于食品添加剂、燃料添加剂、溶剂、汽油、柴油以及多种化工中间体的合成,由于其上游原料乙酰丙酸是重要的生物质基平台化合物已实现了工业化生产,因此发展其高效、可循环使用的催化合成新体系是近年来生物质催化转化的研究热点之一.目前使用的多相催化剂体系主要是浸渍法制备的负载型金属纳米颗粒催化剂,活性金属主要有Ru, Pd, Pt, Au, Cu, Ni等.由于乙酰丙酸制备γ-戊内酯反应是一个酸性的含水体系,在高温、高压条件下,使用浸渍法得到的催化剂特别是非贵金属催化剂容易发生活性金属的聚集、流失,从而使得催化剂重复使用的效果不佳.从非贵金属替代贵金属和提高催化剂稳定性这两点入手,本论文以水滑石为合成催化剂的单一前驱体,将非贵金属(Cu, Ni, Fe, Co)掺入到水滑石的结构骨架中,通过直接氢气焙烧还原制得了高负载量的负载型金属纳米颗粒多相催化剂.将制得的催化剂应用于乙酰丙酸加氢反应,其催化活性顺序为： Co>Ni>Cu>Fe.制备出了5种不同Co/Al比的Co基催化剂,其中4Co/Al2O3催化剂在H2(5 MPa)、180 oC条件下,显示出了类似贵金属钌催化剂的活性和选择性,乙酰丙酸在3 h内完全转化,γ-戊内酯的选择性高达99%.为了进一步了解催化剂的结构与其活性和稳定性之间的关系,我们采用X射线粉末衍射仪(XRD),氢气程序升温还原(H2-TPR), X射线光电子能谱(XPS),透射电子显微镜(TEM)等表征手段研究了催化剂的形貌和结构. TEM结果表明,以水滑石为前驱体制备的Co催化剂中负载的Co纳米颗粒的平均粒径在25–30 nm,而用浸渍法制备的相同负载量的Co催化剂的Co纳米颗粒粒径大于150 nm.相应的催化反应结果表明,前者的催化活性要远好于后者.水滑石前驱体的H2-TPR实验结果表明,随着Co/Al比增加,其还原峰向低温方向位移.这是由于Al含量的减少,导致金属Co离子周围键合的Al离子数量减少,从而使得Co与Al之间的作用力减弱, Co更加容易被还原.表现在还原温度上,即为还原温度降低,说明了Co纳米颗粒与载体之间具有一种强相互作用.结合TEM测试结果,正是这种强相互作用限制了Co纳米颗粒的长大,使其要远小于用浸渍法制得的Co纳米颗粒. HRTEM测试结果显示在4Co/Al2O3催化剂结构中, Co金属纳米颗粒与载体Al2O3之间存在一种核壳结构的关系, Co纳米颗粒被包埋于载体Al2O3中形成核壳结构.这种结构同样也保证了活性金属与载体之间较强的相互作用,有效地避免Co纳米颗粒在强水热、酸性条件下的聚集和流失,从而使该催化剂在循环使用四次时仍能保持优异的活性和选择性.我们进一步研究了该核壳结构形成的原因.发现催化剂在制备过程中如果先用空气高温焙烧,再用氢气还原,得到的催化剂中则没有明显的核壳结构,且Co纳米颗粒粒径在55 nm左右.相应的催化反应结果也要差于直接氢气焙烧还原得到的4Co/Al2O3催化剂.这也从侧面说明了以水滑石为前驱体制备负载型金属纳米颗粒催化剂时,其原位的限制效应在控制金属纳米颗粒的大小、稳定性方面的优越性.此外,由于该Co催化剂具有磁性特征,很容易通过磁性回收实现催化剂与反应液的分离,大大简化了催化剂的回收及产物分离过程.     

碳纳米管担载纳米Ir催化生物质基乙酰丙酸合成γ-戊内酯

以碳纳米管(CNTs)担载Ir纳米粒子为催化剂进行生物质基平台化合物乙酰丙酸(LA)选择加氢制备γ-戊内酯(GVL)的研究,并利用X射线衍射、X射线光电子能谱和透射电镜表征了使用前后的Ir/CNT催化剂,探讨了影响LA催化加氢制GVL反应性能的因素和该反应的可能路径.结果表明,与Ru,Rh和Pd等传统铂族金属相比,Ir/CNT催化剂不但可在温和条件下(50℃,2.0 MPa,H₂)实现LA至GVL的完全转化,且可对多类直接源于生物质水解的含等量LA/甲酸的“真实”体系实现GVL的高效选择合成.     

铁苯基膦配合物均相催化乙酰丙酸乙酯与甲酸反应转化为γ-戊内酯的分子机制

本文基于密度泛函理论,计算了Fe(CF3SO3)2/PP3催化乙酰丙酸乙酯与甲酸反应转化为γ-戊内酯的反应机理。分析了单重态和三重态反应路径的热力学和动力学性质,结果表明除了预催化剂活化出现势能面交叉外,反应主要在三重态势能面上进行,包括以下几个步骤：甲酸盐配位方式重置,β-H消除得到活性催化剂[FeH(PP3)]+,接着乙酰丙酸乙酯的羰基碳和羰基氧接连被质子化得到中间体4-羟基戊酸乙酯,最后质子化的反离子CF3SO3H作为氢转移梭子协助分子内脱醇—关环生成目标产物γ-戊内酯。进一步探讨不同金属苯基膦配合物的催化活性,证实金属适宜的配位能力是筛选催化剂的关键。理论计算结果为优化设计高性能的生物质转化催化剂提供一定的理论指导。     

以NiAl-NO3-LDH为前驱体制备Ni-Al2O3催化剂及其催化乙酰丙酸加氢性能

以NO₃^-插层类水滑石（NiAl-NO₃-LDH）为前驱体制备了一系列不同Ni/Al摩尔比的Ni-Al₂O₃催化剂,考察了其催化乙酰丙酸液相加氢性能.表征结果表明,随着Ni/Al摩尔比的增加,类水滑石层板结构中存在的游离态γ-AlOOH物种逐步演变为游离的Ni（OH）₂物种,制备的催化剂中金属-载体相互作用逐渐减弱,Ni物种分散度逐渐降低,表面酸性中心数量先增多后减少;当Ni/Al摩尔比为3时,所制备的催化剂表面具有最丰富的酸性中心和加氢中心.在酸性中心和加氢中心的协同作用下,该催化剂表现出优异的催化乙酰丙酸加氢合成γ-戊内酯性能及良好的使用稳定性.在160℃,4 MPa氢气条件下反应5 h时,γ-戊内酯的收率最高可达92.7%.     

SiO2负载Ni催化剂的制备及其对γ-戊内酯合成反应的催化性能

采用等体积浸渍法制备了一系列负载型Ni催化剂（1¹⁰~1³⁰）,其结构经TEM, XRD和XPS表征。研究了1¹⁰~1³⁰对乙酰丙酸加氢环合合成γ-戊内酯的催化性能。考察了载体、Ni负载量及反应溶剂等对乙酰丙酸转化率和γ-戊内酯选择性的影响。结果表明：1²⁵的催化性能最好。在最优条件(以水为溶剂,于140 ℃,氢气压力4.0 MPa反应6 h)下,乙酰丙酸转化率为100%, γ-戊内酯选择性为99.9%。     

三氟化硼-乙醚络合物催化γ-戊内酯与ε-己内酯开环共聚的研究

以三氟化硼乙醚络合物为催化剂,进行了γ-戊内酯(γ-VL)与ε-己内酯(ε-CL)的本体开环共聚的研究.采用1H -NMR、13C- NMR证实了所得共聚物的结构,并对共聚物的分子量、组成、熔点等进行了表征.结果表明,在一定的条件下,难以均聚的γ-VL可与ε-CL发生共聚反应,从而在共聚物链结构中引入少量的γVL单元.γVL单元的引入使得共聚物的分子量和熔点下降.由K- T法估算出两种单体共聚的竞聚率分别为r(ε-CL)=17.6,r(γ-VL)=0.0078.     

Au-Ir催化剂用于生物质衍生物加氢

采用沉积-沉淀法制备了TiO2负载的Au-Ir和Au-Ru催化剂,用于乙酰丙酸加氢制γ-戊内酯反应,并与相应的单金属催化剂性能进行了比较。有趣的是, Ir/TiO2中添加Au抑制了催化剂活性,而添加Ru则表现出正效应的协同作用。这两个催化剂均在H2中还原,使得M0–Au0间相互作用增强。结合以前的密度泛函理论计算和催化反应结果,我们认为, Au-Ir/TiO2催化剂活性低于Ir/TiO2催化剂是由于Au影响了Ir原子的氧化还原过程。     

Ru/有机改性蛭石催化乙酰丙酸甲酯加氢性能的研究

以有机改性蛭石为载体,RuCl₃·x H₂O为活性组分前驱体,采用吸附-沉淀法制备催化剂Ru/有机改性蛭石(Ru/OV),将其用于乙酰丙酸甲酯(ML)催化加氢反应中。采用X射线衍射(XRD)、N₂物理吸附-脱附、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行表征。结合单因素和正交实验考察了反应温度、反应压力、反应时间对乙酰丙酸甲酯加氢效果的影响,在最佳工艺条件下乙酰丙酸甲酯的转化率达84%,γ-戊内酯(GVL)选择性达100%。经重复使用20次后,ML的转化率仍然保持在80%以上,GVL的选择性为100%。     

顺酐常压催化加氢制γ-丁内酯

顺丁烯二酸酐;顺酐常压催化加氢制γ-丁内酯     

琥珀酸酐均相加氢制备γ-丁内酯的研究

研究了不同催化剂对琥珀酸酐加氢生成γ -丁内酯的反应 ,并考察了配体、溶剂及PPh3/Ru摩尔比对催化反应的影响。结果发现Ru络合物是最佳催化剂 ,PPh3是最佳配体 ,乙二醇二甲醚为最佳溶剂。在SA ,2 0mmol;催化剂Ru ,0 .10mmol;PPh3/Ru ,8;以乙二醇二甲醚为溶剂( 8ml) ;H2 ,3.0MPa ;反应温度为 12 0℃的反应条件下 ,γ -丁内酯的产率可达 86.5%。     

生物质平台分子γ-戊内酯的研究进展

生物质是自然界存量丰富的可再生资源.随着化石资源的日渐枯竭,由生物质制备燃料和化学品引起人们关注.把生物质转化为燃料和化学品通常经过生物质平台分子步骤.在众多生物质平台分子中,γ-戊内酯(GVL)具有广泛的用途,有关γ-戊内酯的合成和转化的研究成为一个热点课题.由木质纤维素制备GVL已经开发出多种催化体系,将GVL转化为燃料、化学品以及高分子材料也有大量文献报道.着重从不同的原料、催化体系归纳GVL的合成路线和方法,为探索高效、经济、绿色、可持续的GVL合成途径提供思路,并对GVL的高效转化的研究加以总结,为发展新的转化技术,拓展应用范围提供参考.     

铜-稀土-铝催化剂的制备及其在 顺酐加氢合成γ-丁内酯反应中的应用

采用沉淀 水热法制备了铜 稀土(Y、 La、 Ce、 Dy和Ho) 铝催化剂（CYA, CLA, CCA, CDA和CHA）,其结构经XRD, H₂-TPR, TGA和NH₃-TPD等表征。并研究了催化剂在顺酐加氢合成γ-丁内酯反应中的性能。结果表明：当原料空速为1.0 h^-1时,催化性能强弱顺序为：CLA＞CCA＞CHA＞CDA＞CYA;当原料空速为0.2 h^-1时,催化剂稳定性高低顺序为：CLA＞CCA＞CDA＞CHA＞CYA。以CLA为催化剂,顺酐转化率和γ-丁内酯选择性均达到100%,持续时间为20 h。     

炭载钌催化剂的微波制备及其水相乙酰丙酸加氢性能

生物质衍生物乙酰丙酸是生物质转化过程中重要的平台分子,对其进行催化加氢可以得到高附加值的产物,是连接生物质转化和石油化工的重要途径。本实验研究了无溶剂微波辅助热解法绿色制备负载型钌基催化剂,以Ru₃（CO）₁₂为金属前体,碳纳米管、椰壳活性炭和活性氧化铝为催化剂载体,该制备方法简单易操作,环保高效低能耗,不使用溶剂,避免了杂质的引入和对催化剂的污染,是一种新型负载型贵金属催化剂的制备方法。同样采取传统浸渍法制备Ru/γ-Al₂O₃-IM。在乙酰丙酸水相催化加氢反应中的催化活性顺序为Ru/AC > Ru/CNT ≈ Ru/FCNT > Ru/γ-Al₂O₃-MW ≈ Ru/γ-Al₂O₃-IM。比较不同反应溶液水、甲醇、乙醇、苯甲醚、环己烷和丙酮等对于乙酰丙酸催化加氢反应的影响,并通过考察反应温度、反应压力和反应物初始浓度等因素对加氢反应的影响,确定最佳实验条件为：反应温度为90℃,反应压力2.0 MPa,适宜反应物浓度为0.10 g/mL,产品GVL收率大于99%。     

Pd组分的添加对Ni-B非晶态合金催化剂顺酐选择加氢制γ-丁内酯反应的影响

采用化学还原法制备了用于顺酐加氢的Pd-N i-B非晶态催化剂,考察了Pd含量,反应温度,反应时间对催化剂性能的影响;利用XRD,TEM,XPS,ICP等手段对催化剂进行了表征.结果发现,添加适量的Pd可以明显改善催化剂的加氢性能,在N i-Pd-B-3催化剂上,顺酐的转化率为100%,γ-丁内酯的收率为89.6%.催化剂中N i具有给电子效应,使Pd的表面呈富电子状态,有利于原料的吸附和产物的脱附.     

Cu/MgO催化剂的MOCVD法制备及其γ-戊内酯加氢制1,4-戊二醇性能

以Cu（acac）₂为金属有机铜前体,层状MgO为载体,采用金属有机化学气相沉积方法（MOCVD）制备了Cu/MgO催化剂,并通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）和N₂物理吸附等方法对Cu/MgO催化剂结构进行表征。结果表明,有机铜前体沉积在了MgO上,并且在沉积后,载体MgO的晶体结构仍然保留完整。利用生物质平台分子γ-戊内酯加氢反应来评价Cu/MgO催化剂的催化性能。研究表明,在473 K和10 MPa反应条件下,18% Cu/MgO催化剂表现出优异的催化活性（90.5%）和1,4-戊二醇选择性（94.4%）,且催化剂循环三次,催化活性没有显著降低。