金属基离子液体催化碳水化合物制备5--羟甲基糠醛

摘要

生物质作为传统化石能源的理想替代物之一，其有效转化利用的研究日渐丰富多样。其中，以碳水化合物为原料制备高附加值的5-HMF在最近几年成为研究的热点。在此反应体系中，反应所用催化剂和反应溶剂的种类多种多样。但是，离子液体作为新兴的反应溶剂和催化剂，相较无机酸、有机酸、固体酸等其他种类的催化剂，存在明显的优势。 本文合成了多种新型的金属基离子液体催化剂，原料为常见的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)和多种金属氯化物，并将其用于催化单糖、二糖和多糖转化为5-HMF。在果糖制备5-HMF实验中，[BMIM][ZnCl3]、[BMIM][Zn2Cl5]、[BMIM][CrCl4]和[BMIM][Cr2Cl7]四种催化剂均获得了较好的催化效果，但[BMIM][Zn2Cl5]表现出了最好的催化活性。DMSO为最优溶剂。实验所得最优结果为:果糖为1.0g，溶剂DMSO用量为60mL，催化剂[BMIM][Zn2Cl5]与底物的摩尔比R=0.1，反应温度为140℃，5-HMF最高收率为96.8％。 在葡萄糖向5-HM转化实验中，[BMIM][Cr2Cl7]催化剂表现最佳。葡萄糖为1.0g，溶剂DMSO用量为60mL，催化剂[BMIM][Cr2Cl7]与底物的摩尔比R=0.1，反应温度为160℃，5-HMF最高收率为68.4％。此外，在果糖和葡萄糖实验中，均对催化剂的循环利用性能进行了考察，经6次循环利用实验，催化剂保持了较为稳定的催化活性。 在此基础上，实验又研究了以二糖和多糖为原料制备5-HMF，其中催化剂[BMIM][Cr2Cl7]均表现出最优的催化活性。通过改变影响5-HMF收率的因素，得到不同底物制备5-HMF的最佳条件。蔗糖、麦芽糖和淀粉制备5-HMF的最佳收率分别为62.3％、41.6％和29.8％。 最后，本文对金属基离子液体催化碳水化合物制备5-HMF的反应机制进行了初步的探讨。淀粉是葡萄糖的高聚体，它首先水解为麦芽糖，完全水解后即得到葡萄糖。蔗糖水解产生等量的D-葡萄糖和D-果糖，而麦芽糖水解得到二分子α-D-葡萄糖。在金属基离子液体作用下，葡萄糖首先经由烯醇中间体异构化为果糖，然后果糖在卤素离子(X-)作用下脱水转变为5-HMF。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 课题背景

1．2 生物质的有效利用

1．3 5-HMF制备方法研究进展

1．4 离子液体在制备5-HMF中的应用

1．4．1 离子液体用于单糖制备5-HMF

1．4．2 二糖和多糖制备5-HMF中离子液体的应用

1．5 金属卤化物用于制备5-HMF

1．6 本课题意义及研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验药品及仪器

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．2 金属基离子液体的制备

2．3 金属基离子液体的红外光谱分析表征

2．3．1 红外光谱分析方法

2．3．2 金属基离子液体的红外光谱表征结果

2．4 反应产物分析方法的建立

2．4．1 5-HMF制备实验方法

2．4．2 5-HMF分析方法的建立

第三章 金属基离子液体催化果糖制备5-HMF

3．1 催化剂种类对果糖制备5-HMF的影响

3．2 溶剂种类对果糖制备5-HMF的影响

3．3 底物浓度对果糖制备5-HMF的影响

3．4 值化剂用量对果糖制备5-HMF的影响

3．5 反应温度对果糖制备5-HMF的影响

3．6 催化剂的循环利用

3．7 本章小结

第四章 金属基离子液体催化葡萄糖制备5-HMF

4．1 催化剂种类对葡萄糖制备5-HMF的影响

4．2 溶剂种类对葡萄糖制备5-HMF的影响

4．3 催化剂用量对葡萄糖制备5-HMF的影响

4．4 反应温度对葡萄糖制备5-HMF的影响

4．5 催化剂的循环利用

4．6 本章小结

第五章 金属基离子液体催化二糖和多糖制备5-HMF

5．1 金属基离子液体催化蔗糖制备5-HMF

5．1．1 催化剂种类对蔗糖制备5-HMF的影响

5．1．2 催化剂用量对蔗糖制备5-HMF的影响

5．1．3 反应温度对蔗糖制备5-HMF的影响

5．2 金属基离子液体催化麦芽糖制备5-HMF

5．2．1 催化剂种类对麦芽糖制备5-HMF的影响

5．2．2 催化剂用量对麦芽制备5-HMF的影响

5．2．3 反应温度对麦芽糖制备5-HMF的影响

5．3 金属基离子液体催化淀粉制备5-HMF

5．3．1 催化剂种类对淀粉制备5-HMF的影响

5．3．2 催化剂用量对淀粉制备5-HMF的影响

5．3．3 反应温度对淀粉制备5-HMF的影响

5．4 本章小结

第六章 金属基离子液体催化碳水化合物制备5-HMF的机理探讨

6．1 葡萄糖异构化为果糖及果糖转变为5-HMF机理研究

6．2 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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