基本信息
- 项目名称：
- 生物质制备5-羟甲基糠醛的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品以廉价易得的木质纤维素为原料，针对如何将其快速经济的转化为5-羟甲基糠醛的问题进行了大量的研究工作，获得了高温快速催化制备技术，是已知文献报道的最具工业化前景的技术，该成果将对缓解化石能源、资源的危机具有重要的意义。
- 详细介绍：
- 本作品研究了以离子液体[BMIM]Cl为溶剂，HCl和金属氯化物为催化剂，以木质纤维素为原料制备5-羟甲基糠醛的过程。考察了反应温度，反应时间，盐酸浓度，金属氯化物的种类和用量对5-羟甲基糠醛（HMF）产率的影响。研究结果表明，高温快速反应可以得到较高产率的HMF，CrCl3•6H2O 是一种合适的制备HMF的催化剂，在高温条件下HCl/CrCl3•6H2O/[BMIM]Cl是一种合适的催化体系，其可将木质纤维素转化成为HMF和糠醛并获得较高产率（例如：以木屑为原料，在200℃条件下反应4min，得到的HMF和糠醛的收率分别为55% 和22.9%；以玉米芯为原料，200℃下反应6min，HMF和糠醛收率分别为51% 和32.7%）。此反应体系为以木质纤维素为原料工业制备HMF和糠醛提供了一种简单有效的办法。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 5-羟甲基糠醛是一种重要的有机中间体，由它出发可以合成多种化工产品，所得生成物可用于树脂医药、香料涂料等。近年来，生物质作为有望在未来替代化石能源的可再生资源受到越来越多的关注。本作品受离子液体对木质纤维素具有良好溶解性的启发，以离子液体为溶剂，生物质为原料，考察了多种反应条件对产物5-HMF收率的影响。最终获得了一种在CrCl3•6H2O/HCl/BMIMCl体系下高温快速制备5-HMF的方法。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品以廉价易得的木质纤维素为原料，针对如何将其快速经济的转化为5-羟甲基糠醛的问题进行了大量的研究工作，获得了高温快速催化制备技术，是已知文献报道的具有最好工业化前景的技术，该成果将对缓解化石能源、资源的危机具有重要的意义。
应用价值和现实意义
- 目前对于生物质的大规模应用存在一定的困难，急需寻找一条新的生物质利用途径。5-羟甲基糠醛（5-HMF）是一种高附加值的化工产品，是最具开发潜力的生物质平台化合物。然而，目前生产5-HMF采用的原料绝大部分是果糖或葡萄糖，成本较高，限制了其大规模的应用。本作品以天然生物质能源为原料制备HMF，时间短，收率高，为生物质的利用开辟一条可行的新途径，对于缓解化石能源、资源的危机具有深远的意义。
学术论文摘要
- The process of lignocellulose degradation to 5-hydroxy-methylfurfural (HMF) and furfural by using [BMIM]Cl as solvent, HCl and metal chlorides as catalysts was studied. We found that HCl/CrCl3•6H2O/BMIMCl system is effective in conversion lignocellulose into HMF and furfural(e.g. for wood chip: 55% and 22.9% yield for HMF and furfural respectively at 200℃, 4min). This system may be valuable to facilitate simple and effective production of 5-HMF and furfural from lignocellulosic material
获奖情况
- 2011年3月，天津大学 Bioresource Technology
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] Binder, J.B., Raines, R.T., 2009. Simple Chemical Transformation of Lignocellulosic Biomass into Furans for Fuels and Chemicals. J. Am. Chem. Soc. 131, 1979. Chang, C., Cen, P.L., Ma, X.J., 2007. Levulinic acid production from wheat straw. Bioresour. Technol. 98, 1448–1453. [2] Chidambaram, M., Bell, A.T., 2010. A two-step approach for the catalytic conversion of glucose to 2,5-dimethyfuran in ionic liquids. Green Chem. 12, 1253-1262. [3] Dressen, M.H.C.L., Stumpel, J.E., Bastiaan, H.P., 2009. The mechanism of the oxidation of benzyl alcohol by iron (Ⅲ) nitrate: Convertional versus microwave heating. Green Chem. 1(1): 60-64.
同类课题研究水平概述
- 5-羟甲基糠醛（HMF）是一种重要的有机中间体并且可转换成高附加值的化学品，如2,5-二甲基呋喃，乙酰丙酸，2,5-二甲酰基呋喃，2,5-呋喃二甲酸，其被认为是连接碳水化合物和石油工业的桥梁以及生物炼制碳水化合物的新的绝佳途径。 木质纤维素（例如木屑，玉米芯，麦秸，稻草）是丰富的可再生资源。然而目前它们并未被充分利用，其中大部分被视为农业废弃物处理，这可能会导致环境问题和资源浪费。如果将他们作为工业生产的原料使用，可以显著降低生产成本。但是使用木质纤维素作为原料本身也存在一定的困难，因为木质纤维素的成分复杂（主要成分是纤维素，半纤维素和木质素）并且不溶于一般溶剂。这些都阻碍了木质纤维素高效转换成有用的化学品。虽然木质纤维素的溶解是一个具有挑战性的工作，但是一些研究发现，离子液体有望成为一种溶解纤维素和木质纤维素的有效溶剂。一些研究也表明，木质纤维原料经过酸预处理，会有相当程度的纤维素和半纤维素水解，并能在温和条件下提高总还原糖（TRS）的产率。 木质纤维素作为原料制备HMF对于可持续发展和绿色经济具有重要的意义。虽然已有很多相关研究，但其工艺仍有待改进。在低温下进行反应，虽然反应条件温和，但反应时间过长，在此过程中很容易产生副产物，为了获得较好收率，反应过程中经常添加一些添加剂，这增加了操作复杂性，使得产物分离困难，目前以木质纤维素为原料制备HMF产率普遍不高。以木质纤维素为原料实现HMF的工业化生产仍然有很多问题待解决。 金属氯化物被报道有很好的将单糖和纤维素转化成HMF的能力。在本文中，研究了在离子液体[BMIM]Cl中，不同金属氯化物的催化活性和盐酸的用量对HMF产率的影响。在这些催化剂中，HCl/CrCl3•6H2O是一种从木屑为原料制备HMF的有效的催化剂。较高的反应温度有利于提高HMF产率并且明显缩短反应时间。我们也对玉米芯作为原料的反应也进行了研究得到相似的结果。HCl/CrCl3•6H2O/BMIMCl系统简单，操作方便，无需预处理操作，HMF的产量相对较高，并且在这个过程中还获得了有用的化学品糠醛，它为以木质纤维素为原料工业制备HMF提供了一种经济、简便的方法。
