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。     

催化转移氢化制生物质基2,5-呋喃二甲醇研究进展

生物质基2,5-呋喃二甲醇（BHMF）可从廉价易得的糖类出发,经催化转化-选择性氢化制取,并作为一种用途广泛的化工中间体及燃料前体,尤其在改善传统聚酯性能以及合成绿色可降解的生物基聚酯新材料方面具有独特优势。BHMF制取过程中,传统的氢化方式消耗了大量高品位能源氢气,且高压氢气存在安全隐患并导致基础设施投入多。本工作立足于催化转移氢化的优势,综述了甲酸、醇类及其他类型氢供体通过催化转移氢化的方式选择性加氢制取BHMF的研究进展;并针对催化转移氢化过程中不同类型氢供体、催化剂和反应工艺的特点及存在的问题,分析了反应条件、强化手段等对BHMF选择性和收率的影响以及反应体系的优劣。在此基础上,提出了转移氢化制取BHMF新型催化体系的研究方向,并对清洁高效、本质安全BHMF制取工艺的发展进行了展望,为生物质转化中特定催化体系的研发提供科学参考。     

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。     

Ru/C催化5-羟甲基糠醛选择氧化高效合成2,5-呋喃二甲醛

在活性炭负载金属钌(Ru/C)催化剂上实现了5-羟甲基糠醛的高效选择氧化.以甲苯为反应溶剂,在383 K和2.0 MPa O₂的反应条件下,2,5-呋喃二甲醛(DFF)收率高达95.8%.与活性炭负载的具有相似粒径的Pt,Rh,Pd,Au等其它贵金属催化剂相比,Ru/C具有更加优良的活性和DFF选择性.同时Ru/C催化剂结构稳定,具有良好的重复使用性能.在相似的反应条件下,采用水代替甲苯作为溶剂,同时添加少量水滑石固体碱,可便捷地将主要产物从DFF调变为5-甲酰基-2-呋喃甲酸或2,5-呋喃二甲酸,显示出Ru/C催化剂在控制5-羟甲基糠醛选择氧化反应产物方面的优异性能.     

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.     

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.     

磁性MnO2-Fe3O4复合氧化物催化5-羟甲基糠醛氧化合成2,5-呋喃二甲酸研究

以不同晶型的MnO2为催化剂进行5-羟甲基糠醛(HMF)氧化反应,并将催化活性较高的α-MnO2与Fe3O4复合制备磁性MnO2-Fe3O4复合氧化物,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、NH3/CO2程序升温脱附(NH3/CO2-TPD)及吡啶吸附红外光谱(Py-FTIR)对催化...     

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.     

生物质基糠醛和5-羟甲基糠醛加氢转化研究进展

近年来,利用生物质基平台化合物转化制备各种燃料及高值化学品引起研究人员的广泛关注.5-羟甲基糠醛(HMF)和糠醛(FFR)作为一类重要的生物质衍生平台化合物,分子结构中醛基和呋喃环等官能团赋予其独特的化学性质.本综述针对HMF和FFR在氢气、低碳醇、甲酸和硅烷等不同氢源中的催化加氢反应研究现状进行了阐述,对加氢转化过程...     

金属卤化物促进糖类催化转化制备5-羟甲基糠醛

研究了碱金属卤化物对AlCl₃催化葡萄糖转化制备5-羟甲基糠醛（HMF）的促进作用. 结果表明,NaF对反应有显著抑制作用,而NaI和NaBr对反应有显著促进作用,而且NaI比NaBr的促进效果更明显. 在N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）中,以NaI为添加剂,130 ℃反应15 min,AlCl₃催化葡萄糖转化制备HMF,葡萄糖转化率由71%提高到86%,HMF收率由36%提高到62%. AlCl₃-NaI-DMAC体系也可用于果糖、甘露糖等单糖,蔗糖、麦芽糖、纤维二糖等二糖,以及菊粉等多糖的转化. 以蔗糖为原料,HMF收率可达63%.     

生物质气催化合成甲醇的研究

在高压微型反应装置上进行了生物质气合成甲醇的研究。利用组成为H2/CO/CO2 /N2(体积比)=52.5/21.5/22.8/3.2 的富CO2原料气考察了不同温度、压力和空速条件时甲醇的时空产率和质量分数。结果表明,在所考察的范围内,甲醇的产率和质量分数在260 ℃达到最大。产率和质量分数随反应压力升高而增大,空速增加使产率增大,甲醇的质量分数降低。当p=4 MPa,t=260 ℃,WHSV=5 280 h-1时, 甲醇的时空产率为0.79 g·（mL·h）－１,质量分数为96.2%,与工业合成气相比,分别下降25.8％和1.64％。     

On the Diels-Alder approach to solely biomass-derived polyethylene terephthalate (PET): conversion of 2,5-dimethylfuran and acrolein into p-xylene

Polyethylene terephthalate (PET) is a polymeric material with high global demand. Conventionally, PET is produced from fossil-fuel-based materials. Herein, we explored the feasibility of a sustainable method for PET production by using solely bio-renewable resources. Specifically, 2,5-dimethylfuran (derived from lignocellulosic biomass through 5-(hydroxymethyl)furfural) and acrolein (produced from glycerol, a side product of biodiesel production) were converted into the key intermediate p-xylene (a precursor of terephthalic acid). This synthesis consists of a sequential Diels-Alder reaction, oxidation, dehydration, and decarboxylation. In particular, the pivotal first step, the Diels-Alder reaction, was studied in detail to provide useful kinetic and thermodynamic data. Although it was found that this reaction requires low temperature to proceed efficiently, which presents a limitation on economic feasibility on an industrial scale, the concept was realized and bio-derived p-xylene was obtained in 34% overall yield over four steps.     

Functionalized expanded corn starch-anchored Cu(I): An efficient and recyclable catalyst for oxidation of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-diformylfuran

The development of new strategies for the synthesis of biomass-based non-precious metal heterogeneous catalysts has recently received great interest from chemists because of the advantages of these catalytic systems being sustainable, low cost and green. An expanded corn starch-supported CuBr catalyst (ECS-SB-CuBr) has been successfully prepared and well characterized using Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, powder X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron microscopy/energy-dispersive X-ray spectroscopy. Further, ECS-SB-CuBr was used as a heterogeneous catalyst for the selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) into 2,5-diformylfuran (DFF) and a full HMF conversion is obtained with 98% DFF yield in acetonitrile under ambient pressure of dioxygen at 50°C. The catalyst also showed good reusability, could be easily recovered through filtration and washing and was reused in at least six consecutive runs with virtually no loss of catalytic performance.     

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.     

Detection of cysteine- and lysine-based protein adductions by reactive metabolites of 2,5-dimethylfuran

Many furan-containing compounds are known to be toxic and/or carcinogenic. Metabolic activation of toxic furans to cis-enediones (cis-enedials or γ-ketoenals) is generally considered as the initial step towards the processes of their toxicities. Sequential modification of key proteins by the electrophilic reactive intermediates is suggested to be an important mechanism of the toxic actions. In the present study, we developed a novel and simple analytical platform to detect protein modification resulting from metabolic activation of model compound 2,5-dimethylfuran (DMF). 4-Bromobenzylamine and 4-bromobenzylmercaptan were employed to trap protein adductions at cysteine and lysine residues, respectively. The resulting protein samples were proteolytically digested by chymotrypsin and Pronase E, followed by LC–MS/MS analysis. Modifications of cysteine and lysine residues of proteins were observed in microsomal incubations and animals after exposure to DMF. In conclusion, the approach established has been proven highly selective and reliable. This advance allows us not only to detect the protein adductions but also to define the structural identities of amino acid residues modified. This technique provides a unique platform to assess protein modifications arising from metabolic activation of potentially harmful furan-containing compounds. Hepatic protein adductions were found to be proportional to the hepatotoxicity of DMF.     

离子液体催化制备5-羟甲基糠醛的研究进展

本文综述了离子液体催化制备5-羟甲基糠醛的研究进展。运用离子液体作为反应溶剂和催化剂,与常规合成HMF的方法相比,其反应在常压、低温下进行,更易于操作控制;副反应数量明显减少,HMF的产率稳定,可达90%;离子液体催化活性稳定,可重复利用,减少了有机溶剂的使用量;利用离子液体作为媒介,能将反应原料从单一的果糖扩展到葡萄糖和纤维素等廉价原料,降低了生产成本。由此可见,运用离子液体催化制备HMF将是今后研究的重点和发展的必然趋势。