超/亚临界流体中纤维素转化过程基础研究

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超临界流体是重要的绿色溶剂,在生物质转化以及精细化学品的绿色合成领域有广泛的应用。本论文基于超临界流体独特的物理化学性质,分别研究了亚临界水中纤维素催化转化制乙醇醛和乙二醇、超临界甲醇中纤维素催化转化制乙醇酸甲酯、以及超临界二氧化碳和二氧化碳膨胀液体中芳香硝基化合物选择加氢制芳胺的反应,主要结果如下:  以钨酸为催化剂,在亚临界水中纤维素可一步转化为乙醇醛。290℃下反应1分钟乙醇醛的收率可达11.0%。考虑到纤维素制乙醇醛的反应包括纤维素水解和糖的逆羟醛缩合两个串联反应,而纤维素水解是整个反应的速控步骤,本文进一步添加稀硫酸来促进纤维素水解反应,结果表明当硫酸与钨酸的摩尔比为0.03时,在相同的反应条件下乙醇醛收率由11.0%提高到17.2%。进一步以钨酸和Ru/C为双组元催化剂,在氢气存在下研究纤维素水解氢解制乙二醇的反应,发现添加微量硫酸可以显著促进乙二醇的生成。当硫酸与钨酸的摩尔比为0.03时,乙二醇收率由32.6%提高到52.6%。除硫酸外,实验还发现CuSO4和FeSO4等硫酸盐也能显著提高乙二醇的收率。  以钨基化合物为催化剂,首次在超临界甲醇中将纤维素一步转化为乙醇酸甲酯。对催化剂和反应条件进行详细的考察后,发现性能最优的催化剂为W2C/CMK-3,在优化的反应条件下(1MPa O2,240℃,2h)获得了51.2%的乙醇酸甲酯收率,且催化剂表现出较好的循环稳定性,使用6次后乙醇酸甲酯的收率仍大于50%。进一步以乙醇酸甲酯为原料在Cu/SiO2催化作用下进行加氢反应,通过简单的温度调控可高选择性获得乙二醇和乙醇。当反应温度为200℃时,乙醇酸甲酯的转化率和乙二醇选择性都大于98%;当反应温度为280℃,乙醇选择性达到65.3%,从而开发了一条全新的通过生物质获得精细化学品乙醇酸甲酯、大宗化学品乙二醇以及燃油添加剂乙醇的高效转化路线。  含有两个还原取代基的芳香硝基化合物选择加氢制备相应的芳胺是精细化工领域最重要的反应之一。为了让该过程环境友好,在超临界CO2膨胀液体中研究了3-硝基苯乙烯选择加氢制3-乙烯基苯胺。在准单原子催化剂Pt/FeOx的催化作用下,以超临界CO2膨胀甲苯为反应溶剂,在温和反应条件下(50℃,3 MPaH2,总压10 MPa)可获得>95%的转化率和选择性,而甲苯溶剂的用量可减少90%。热力学计算表明随着CO2压力的增加,液相体积迅速膨胀,粘度逐渐降低,而H2在液相中的溶解度也逐渐增大,这些综合因素促进了反应传质,从而加快反应速率。
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