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。     

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.     

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.     

多相双功能催化剂催化乙酰丙酸制备γ-戊内酯

乙酰丙酸是重要的生物质衍生物,通过多相双功能催化剂催化转化其制备γ-戊内酯(GVL)成为生物精炼领域的研究热点。本文综述了近年来贵金属以及非贵金属双功能催化剂催化乙酰丙酸及其酯直接加氢制备GVL,以及金属负载型、改性分子筛和混合金属氧化物等双功能催化剂催化乙酰丙酸及其酯转移加氢制备GVL。在双功能催化剂作用下,乙酰丙酸及其酯通过羰基加氢和后续内酯化反应两个过程生成GVL。本文详细研究了不同双功能催化剂中活性位点在反应路径中的重要性,讨论了不同双功能催化剂在乙酰丙酸加氢转化过程中存在的优势和问题,并对未来双功能催化剂的开发和GVL的合成进行展望。     

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.     

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.     

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。     

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.     

生物质替代石油原料合成高密度燃料的研究进展

"碳达峰、碳中和"目标的提出,为中国能源结构转型提供了动力引擎.发展生物质基高密度燃料,既可以为传统石油基高密度燃料提供可再生的替代品,又符合中国可持续发展以及能源结构转型的要求.本文综述了 RJ-4、JP-10等典型石油基高密度燃料的性质和用途,总结了由萜类以及木质纤维素平台化合物合成RJ-4、JP-10以及其他多环...     

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     

新型生物质基平台分子γ-戊内酯的应用

通过生物质基平台分子将可再生的生物质资源转化为各种化学品和燃料的研究日益受到人们的关注。在众多生物质基平台分子中,γ-戊内酯(γ-valerolactone,GVL)可作为一种可持续供应的原料用于生产碳基化学品及能源,因此被认为是最具应用前景的平台分子之一。本文中将着重从四个方面介绍和总结近年来GVL的应用研究进展,包括以GVL作为绿色溶剂、以GVL作为起始原料合成其他碳基化学品、聚合材料及液体烃类燃料,以期为开拓生物质平台分子GVL的应用研究提供一些思路和参考。     

CuZn/Al2O3催化γ-戊内酯加氢制1,4-戊二醇

生物质利用是缓解能源及环境危机的有效途径。 本文利用共沉积法制备了一系列CuZn/Al₂O₃催化剂,通过电感耦合等离子光谱(ICP)、X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)等表征技术对催化剂的结构及性质进行了表征。 重点讨论了还原温度对CuZn/Al₂O₃催化γ-戊内酯加氢反应催化性能的影响,研究发现还原温度显著影响催化剂的活性和选择性。 高温还原有利于γ-戊内酯加氢生成1,4-戊二醇,440 ℃还原的CuZn/Al₂O₃催化剂对1,4-戊二醇的选择性可高可达98%;而200 ℃还原的催化剂,在相似的转化率下1,4-戊二醇选择性仅为71%。 结合催化剂的结构分析,高温有利于ZnO的还原,促使催化剂表面生成新的活性位点,并改变了催化剂表面的酸碱性,促进了1,4-戊二醇的生成。     

N-杂环卡宾催化合成取代γ-丁内酯研究进展

取代γ-丁内酯是一类非常重要的精细化学品。N-杂环卡宾(NHC)催化α,β-不饱和醛发生共轭极性反转后,与芳香醛、三氟甲基酮、酮酸酯或邻二酮等发生环化反应可一步生成不同取代的γ-丁内酯化合物。该方法具有原子经济性高、路径简捷、反应条件温和等明显的优势。本文主要结合笔者课题组的研究方向,从不同催化剂前体和不同反应底物两方面进行分类,介绍近年来NHC催化合成取代γ-丁内酯的方法及其研究进展,归纳总结了不同催化体系的优缺点,并在此基础上展望了NHC催化合成取代γ-丁内酯反应的发展趋势和应用前景。     

生物质衍生物γ-戊内酯催化转化制芳烃和2-环戊烯酮的研究

应用浸渍法在ZSM-5沸石分子筛孔道中引入过渡金属Zn物种,制备了具有不同Zn含量的Zn/ZSM-5。考察了反应温度、催化剂用量、催化剂的酸性性质等条件对γ-戊内酯芳构化产物组成(气、液、固产物)及其液体成分含量的影响。实验结果表明,ZSM-5分子筛孔道中引入Zn后,可以有效改变液体产物成分以及影响气体和固体产物收率。当ZSM-5分子筛孔道中引入Zn物种后,能够明显提高液体产物中苯、甲苯、乙苯、萘等芳香类化合物的含量,表明Zn物种能促进γ-戊内酯芳构化反应的进行。     

γ-和δ-酮酸衍生物均相催化氢化研究进展

γ-和δ-酮酸衍生物是最重要的双官能团生物质平台化合物之一,如何高效地催化这些酮酸类化合物转化成相应的单一精细化学品是当今研究的难点.我们综述了金属有机配合物均相催化氢化γ-和δ-酮酸的最新进展,重点介绍了用于催化生产γ-和δ-羟基酸、酯、内酯、环醚等的均相催化剂的结构、活性、选择性和反应机理.     

1,4-丁二醇常压气相脱氢制γ-丁内酯

Cu-Cr催化剂;1;4-丁二醇常压气相脱氢制γ-丁内酯     

新型α-乙氧羰基-γ-芳氧甲基-γ-丁内酯的合成

3-芳氧基-1,2-环氧丙烷与丙二酸二乙酯在乙醇钠存在下反应,合成了6个新型α-乙氧羰基-γ-芳氧甲基-γ-丁内酯,收率47％～89％。其结构经^1H NMR,IR和MS表征。