新型多酸催化剂的设计合成及在糖类定向转化中的催化性能研究

【摘要】：多金属氧酸盐(Polyoxometalate, POMs)也称多酸(heteropolyacid)是一种强Bronsted酸催化剂。过去的研究一直集中在其B酸催化剂上。构建多中心的HPAs催化剂,满足不同酸催化反应的需求,特别是满足cascade(串联)反应的需要,一直是人们关注的重点。纤维素水解反应是一种典型的cascade转化反应,传统技术中常采用液体酸如H2SO4, HC1作为催化剂一步水解制备葡萄糖,葡萄糖再经过Lewis酸或碱异构化到果糖,果糖经脱水制备5-羟甲基糠醛(5-HMF),后HMF经水合制备乙酰丙酸(LA),针对纤维素one-pot法一步制备化学品反应中需要多活性催化位点问题。本论文设计合成了多中心的HPA催化剂,并利用纤维素定向水解为目标化合物的反应来考察HPAs催化中心类型、酸强度、反应条件对目标产物选择性及纤维素转化率的影响,以期得到控制纤维素定向转化的HPAs活性物种。具体研究内容如下：(1)考察Dawson结构的杂多酸H6P2W18O62酸强度,并利用纤维素水解反应检测了催化活性。研究发现H6P2W18O62六个质子是质子酸,其酸性高于H3PW12O40。 H6P2W18O6表现出高于H3PW12040的活性。一部分来源于高质子含量,另一部分来源于一定的氧化性。但H6P2W18O62在此反应中最为均相催化剂,分离使用有一定困难。研究表明：H6P2W18O64在纤维素的水解反应的催化活性为在反应温度160℃,反应时间7 h,纤维素的转化率为94.0%,葡萄糖的产率为67.6%。(2)利用长链的季铵盐十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为疏水基团与杂多酸H6P2W18O64复合,设计合成了一系列的胶束型纳米催化剂(CTA)nH6-nP2W18O62。这种催化剂解决了催化剂与产物分离的问题,同时提高葡萄糖的选择性。研究表明：在纤维素的水解上在反应温度160℃,反应时间9 h,纤维素的转化率为87.2%,葡萄糖的产率为69.1%。在一定程度上提高的葡萄糖的选择性。在纤维素的醇解反应中纤维素(0.1g),催化剂0.07 mmol,反应温度为160℃,反应时间7 h,乙酰丙酸甲酯的产率为58.5%。催化剂可以重复使用5次而催化剂仍保持很高的活性。(3)利用离子液体氯化胆碱(ChCl)与Keggin结构的杂多酸H5AlW12O40复合,设计合成一种新型的温控智能催化剂。这种催化剂可以在高温的情况下逐渐由固态变为液态,形成均相反应,解决了固固反应的传质问题,在不断降温过程中,催化剂又由液态变为固态,从反应体系中析出,达到了与产物分离的效果。我们分别考察催化剂在水中和双溶剂(MIBK/H2O)中的活性。研究表明：纤维素的水解反应,主产物为葡萄糖的反应条件如下：0.1g纤维素和0.08 mmol催化剂加到7 mL去离子水中,在反应温度140℃,反应时间3 h,纤维素的转化率为94.6%,葡萄糖的产率为75.9%；主产物为LA的反应条件如下：0.1 g纤维素和0.08 mmol催化剂加到7 mL溶液中(MIBK:H2O = 10:1),纤维素的转化率为98.9%,LA的产率为74.8%；催化剂ChH4AlW12O40在纤维素的水解,重复使用6次仍具有较高的催化活性。(4)由于利用氯化胆碱(ChCl)取代了H5AlW12O40的一个H,使得催化剂的Br(?)nsted酸性降低,影响了催化剂在纤维素反应中的活性。我们引入Lewis酸中心Ce3+来提高催化剂的总酸量,并利用Lewis酸辅助Br(?)nsted酸催化纤维素的水解反应。根据这一设计理念我们设计合成了仿生催化剂Ce [(DS)H4AlW12O40]3。十二烷基磺酸基可以吸附纤维素分子,Ce3+和H5AlW12040进行纤维的断键,这样类似于纤维素酶催化的原理。研究表明：0.1 g纤维素,0.06 mmol催化剂,7 mL水,在150℃下反应5 h,纤维素的转化率为76.7%,5-羟甲基糠醛的产率为43.0%。(5)碱性基团可以促进葡萄糖到果糖的异构化,Br(?)nsted酸可促进果糖进一步的脱水生成5-羟甲基糠醛(5-HMF)、乙酰丙酸(LA)。所以我们设计合成了酸碱双中心催化剂[MgO/PMMA]/[H3PW12O40/PMMA]纺丝双面催化剂。我们考察这种催化剂在葡萄糖的水解活性。研究表明：10 wt%的葡萄糖和120 mg催化剂,在反应温度140℃,反应时间6 h,葡萄糖的转化率为93.2%,乙酰丙酸的产率为65.8%。催化剂可以重复使用5次而催化剂仍保持很高的活性。