甘油氧化制备二羟基丙酮新工艺开发及其高效催化剂合成

摘要

随着生物柴油在世界范围内的联产和使用，副产物甘油被列为未来生物质开发过程中最为重要的十二种“building block”分子中的一种，它可以进一步转化为生物基燃料和其它一系列精细化学品。其中，以甘油为原料制备二羟基丙酮是甘油高附加值转化途径之一。论文主要围绕甘油间接氧化制备二羟基丙酮的开发和工艺路线的设计，以及相应高效氧化催化剂的制备开展了一系列的工作。全文的主要内容如下: (1)提出并建立了一种甘油间接氧化制备二羟基丙酮的新方法。针对甘油直接氧化制备1，3-二羟基丙酮(DHA)选择性低的问题，采用官能团定位技术实现甘油2-位羟基的选择性氧化，简化后续目标产物的提纯过程。首先，通过甘油与苯甲醛的缩合反应保护1和3位羟基，得到1，3-位缩合甘油(HPD);然后，通过Anelli法（TEMPO/NaBr/NaClO）将未保护的羟基氧化成羰基，得到1，3-位缩合二羟基丙酮(PDO);最后，水解脱保护得到DHA，同时回收苯甲醛。整条工艺DHA收率＞90％，纯度＞99％;通过反溶剂-乙醇冷却结晶的方法得到了DHA晶体，结晶收率＞80％。在此基础上，对甘油间接氧化法生产DHA的工艺进行设计，并对其经济可行性进行初步评价。 (2)设计和制备了磁性聚苯乙烯微球负载型TEMPO催化剂。针对Anelli氧化体系催化剂TEMPO回收难和非均相化后活性低的问题，制备了可磁力回收且催化活性可调的磁性纳米聚苯乙烯微球负载型TEMPO催化剂(Fe3O4/PS-TEMPO)。首先，通过细乳液聚合的方法，制备出以磁性纳米Fe3O4为核，聚苯乙烯为壳，表面活性氯甲基含量可控的纳米交联复合氯球，通过Williamson成醚反应一步法将4-羟基-TEMPO定量负载在Fe3O4/PS表面制备Fe3O4/PS-TEMPO。然后，将其应用于Anelli体系对醇的氧化，研究发现:(a)催化剂PS包覆层提供了和油溶性醇相似的微环境，其普适性和活性与TEMPO相当;(b)纳米磁核Fe3O4经过PS层包覆后能有效阻隔NaClO的侵蚀，催化剂至少能磁力回收20次;(c)由于醚键具有良好的化学稳定性，在氧化苯甲醇实验中，催化剂套用20次后活性没有明显变化。最后，将Fe3O4/PS-TEMPO催化剂应用于HPD催化氧化制备PDO，在较优的条件下:0.03 equiv.Fe3O4/PS-TEMPO,1.5 equiv.NaClO,0.1 equiv.NaBr,pH≈9.1，10℃，10 min，PDO的产率为98.1％，催化剂套用3次后，活性变化不大。 (3)提出并建立了Pickering乳液催化的Anelli氧化体系。针对传统两相体系反应效率差的问题，利用Pickering乳液的概念，开发出Pickering乳液催化的Anelli两相氧化体系。首先，明晰了Fe3O4/PS表面性质和Pickering乳化效果的关系，通过在Fe3O4/PS纳米微球表面接枝不同阳离子烷基链长度的离子液体[im-CnTEMPO]Cl(n=1，4，6和10)，调节Fe3O4/PS表面性质，强化Fe3O4/PS纳米粒子对Anelli体系的Pickering乳化能力。然后，在此基础上初步将TEMPO通过离子液体桥连的方式定量负载到Fe3O4/PS表面，在实现Fe3O4/PS表面改性的同时，制备出Fe3O4/PS[im-C2TEMPO]Cl催化剂，将其应用于Pickering乳液催化的Anelli氧化体系，并对其提高反应体系氧化效率的机理进行推测。最后，对催化剂稳定性进行评价，在无溶剂(CH2Cl2)条件下，催化剂套用10次后，苯甲醇的转化率和选择性没有明显变化。 (4)设计并建立了磁性纳米固定胶束负载型催化剂的方法。为强化传统液-液-固三相反应体系的传质过程，提高反应效率，我们借鉴胶束催化剂在水溶液中增溶与富集疏水性底物促进反应的特点，将胶束催化，Pickering乳化和Anelli氧化体系结合在一起，开发出Pickering乳液-磁性纳米固定胶束催化的Anelli氧化体系。首先，通过将TEMPO功能化的离子液体[im-CnTEMPO]Cl（n=4，6和10）负载到疏水性纳米Fe3O4/PS微球表面，制备出类似胶束结构的纳米微球负载型TEMPO催化剂，将其作为Pickering乳化剂应用于Anelli氧化体系，研究发现该催化剂活性远高于TEMPO催化剂。然后，从微观结构的角度出发，调控催化剂结构，探究催化剂的构效关系，系统论证了催化剂具有Pickering乳化和胶束催化双重功能，协同促进Anelli氧化体系。最后，采用Anelli法氧化苯甲醇评价催化剂稳定性，通过超声破乳，磁力分离回收催化剂，套用10次后催化剂活性和磁性能都没有明显变化。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 甘油的直接利用

1．3 甘油的间接利用

1．3．1 甘油还原制备丙二醇

1．3．2 甘油脱水制备丙烯醛

1．3．3 甘油醚化

1．3．4 甘油重整制备合成气

1．3．5 甘油氧化制备二羟基丙酮

1．4 高效催化剂的设计、合成和回收

1．4．1 可溶性聚合物负载型催化剂

1．4．2 水凝胶负载型催化剂

1．4．3 纳米颗粒负载型催化剂

参考文献

第二章 课题的提出、研究思路与研究内容

2．1 课题的提出与意义

2．2 实验思路和研究方案

2．2．1 甘油间接氧化制备二羟基丙酮的实验思路和方案

2．2．2 醇绿色、高效、可磁力回收的TEMPO氧化催化剂的设计思路和制备方案

2．3 研究内容

2．3．1 甘油间接氧化制备二羟基丙酮的工艺开发

2．3．2 纳米磁性聚苯乙烯微球负载TEMPO氧化催化剂的表面设计和制备

第三章 甘油间接氧化制备二羟基丙酮(DHA)的工艺开发

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 原料HPD的制备

3．2．3 中间体产物PDO的制备

3．2．4 PDO的水解与产物DHA的提纯

3．3 结果与讨论

3．3．1 原料HPD的制备

3．3．2 中间产物PDO的制备

3．3．3 DHA的提纯和结昌

3．4 二羟基丙酮生产工艺流程的设计

3．5 本章小结

参考文献

第四章 磁性聚苯乙烯微球负载型TEMPO(Fe3O4／PS-TEMPO)的制备与性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂和仪器

4．2．2 Fe3O4／PS-TEMPO催化剂的制备和表征

4．2．3 Fe3O4／PS-TEMPO催化性能的评价

4．3 结果与讨论

4．3．1 Fe3O4／PS-TEMPO催化剂的表征

4．3．2 Fe3O／PS-TEMPO催化剂活性、普适性和稳定性的评价

4．4．3 Fe3O4／PS-TEMPO催化HPD氧化制备PDO

4．3 本章小结

参考文献

第五章 纳米磁性聚苯乙烯微球表面改性对Anelli两相氧化反应的促进作用研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂

5．2．2 Fe3O4／PS表面改性、TEMPO负载和表征

5．2．3 Fe3O4／PS表面改性对Anelli两相氧化促进效果的评价

5．3 结果与讨论

5．3．1 Fe3O4／PS[im-Cn]C1(n=1，4，6和10)的表征

5．3．2 Fe3O4／PS[im-C2 TEMPO]C1催化剂的表征

5．3．3 Fe3O4／PS纳米粒子表面性质对Anelli氧化体系促进效果的评价

5．3．4 Fe3O4／PS[im-C2TEMPO]C1催化剂在Anelli氧化体系中催化活性的评价

5．3．5 Fe3O4／PS[im-C2TEMPO]C1催化剂稳定性的评价

5．4 本章小结

参考文献

第六章 磁性纳米胶束催化剂的构建及其在Anelli两相氧化反应体系中的应用

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 实验试剂

6．2．2 不同核壳结构的磁性纳米催化剂的制备与表征

6．2．3 Fe3O4／PS[im-CnTEMPO]C1(4，6和10)催化剂性能的评价

6．3 结果与讨论

6．3．1 Fe3O4／PS[im-CnTEMPO]C1(n=4，6和10)催化剂的表征

6．3．2 Fe3O／PS[im-CnTEMPO]Cl(n=4，6和10)催化剂活性、普适性和稳定性的评价

6．4 本章小结

参考文献

第七章 结论、创新和展望

7．1 主要结论

7．2 研究特色及主要创新

7．3 工作展望和今后工作重点

攻读学位期间发表的科研成果