均相纤维素溶液低温敞开体系催化转化制备有机小分子酸

摘要

众所周知，近几十年来，随着化石能源和化学品的不断消耗，严重的能源危机、环境污染和温室效应已经获得了越来越多的关注。因此，作为用来生产化学品和燃料的可再生能源原料，生物质的转化具有极大的吸引力。纤维素是含量最丰富的生物质能源，其可以转化为高附加值燃料和平台分子，比如山梨醇、甲酸、乳酸、乙酰丙酸和5-羟甲基糠醛等。纤维素是一种难溶于水的高分子聚合物，因为其由β-D-吡喃葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接而成。这种难溶性也导致大部分纤维素降解反应都是在高温高压下的异相反应。故论文第一章详细叙述了纤维素的结构、性质;综述了纤维素的溶解体系和纤维素制备有机小分子酸的进展，同时，简述了葡萄糖的结构、性质和应用。为了克服纤维素高温高压降解反应所带来的高能耗问题，本文设计了通过两步法来实现均相纤维素低温敞开体系下催化转化为有机小分子酸的反应。在这一思路下本实验主要分为两个章节。
　　笫二章，均相纤维素低温敞开体系下催化转化为有机小分子酸。在这部分实验中，首先，利用冰冻-融化的溶解机理，将纤维素溶解在氢氧化钠水溶液里，以获得纤维素的均相溶液;其次，较低温度下，将溶液里分散的纤维素降解为糖、醛、酸等中间体;最后，这些中间体在双氧水做氧化剂的条件下，转化成甲酸、草酸等。最重要的是，这个两步法反应均是发生在低温敞开体系下。通过对反应时间、反应温度和双氧水用量的研究，最后获得了最优化条件:将溶解后的均相纤维素先在110℃反应3h，冷却后在50℃下加入0.2 mL双氧水反应4h，值得注意的是，两步反应均在敞开体系下进行的;可以获得高收率的甲酸(32.8％)、乳酸(11.6％)和草酸(2.3％)。
　　第三章，葡萄糖低温敞开体系下催化转化制备甲酸和乳酸。在上一章实验的启发下，本文同样设计了通过两步法葡萄糖低温敞开体系下催化转化制备乳酸和甲酸。通过对第一步预处理反应中的反应温度、反应时间和氢氧化钠用量的研究，确定了获得最大乳酸收率的最佳条件;通过对第二步氧化反应中反应温度、反应时间和双氧水用量的研究，确定了获得最大甲酸收率的最佳条件。最后获得的最佳优化条件为:0.15g葡萄糖，在4.8 g5.26 wt％氢氧化钠溶液中，100℃下，反应5 min;冷却后加入0.2 mL的双氧水用量，50℃下，反应4h;获得乳酸最大收率为75.1％，甲酸最大收率为15.2％。该章节实验主要是对第二章实验的补充和扩展。我们相信这一方法还可以应用到其它糖类化合物的催化转化中。
　　最后一章是对本实验研究工作的总结，简要总结了该工作的内容、结果和研究意义，以及实验的优势和创新点，还有实验中待解决的问题和不足。总的来说，通过两步法来实现的低温敞开体系下糖类化合物降解成有机小分子酸的方法，有效地解决了此类反应中高温高压所带来的高能耗问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 纤维素的结构和性质

1．2．1 纤维素的结构

1．2．2 纤维素的性质

1．3 纤维素的结晶体和结晶度

1．3．1 纤维素的结晶体

1．3．2 纤维素的结晶度

1．4 纤维素的溶解体系

1．4．1 有机溶剂体系

1．4．2 水溶剂体系

1．5 纤维素降解制备有机小分子酸

1．5．1 甲酸

1．5．2 乳酸

1．5．3 乙酰丙酸

1．6 葡萄糖

1．6．1 D-葡萄糖

1．6．2 纤维素水解制备葡萄糖

1．6．3 葡萄糖制备有机小分子酸

1．7 本课题的研究的内容和意义

1．7．1 本课题研究的内容

1．7．2 本课题研究的意义

参考文献

第2章 均相纤维索溶液低温敞开体系催化转化制备甲酸、乳酸和草酸

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂和仪器

2．2．2 实验过程

2．2．3 产物的表征和分析

2．3 实验结果和讨论

2．3．1 第一步预处理反应对均相纤维素转化率的影响

2．3．2 第二步反应中反应温度对有机酸收率的影响

2．3．3 第二步反应中反应时间对有机酸收率的影响

2．3．4 第二步反应中H2O2用量对有机酸收率的影响

2．4 本章小结

参考文献

第3章 葡萄糖低温敞开体系催化转化制备甲酸和乳酸

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 实验过程

3．2．3 产物的分析和表征

3．3 实验结果和讨论

3．3．1 第一步预处理反应对葡萄糖低温敞开体系下制备乳酸收率的影响

3．3．2 第二步反应对葡萄糖低温敞开体系下制备乳酸和甲酸收率的影响

3．3．3 葡萄糖低温敞开体系下制备乳酸和甲酸的可能反应机理

3．4 本章小结

参考文献

第4章 总结

在读期间发表的学术文章

致谢