过渡金属离子水相催化纤维素产乙酰丙酸及表征开题报告

1. 研究目的与意义

能源是人类生存的基础，一切人类活动都离不开能源的消耗。能源资源的生产与消费对于世界经济非常重要。目前，能源资源的消耗普遍依赖化石能源，在大量使用时会对环境产生很大的影响。化石燃料和石油价格的上涨以及化石资源的枯竭加剧了能源危机，从而推动了人们寻找新的替代性的可再生能源。在这当中，人们主要的研究方向是开发一种有吸引力的成本低并且环保的转化工艺，能够将废物原料转化为能形成有商业价值的平台化学品且可大规模使用，重要是能够在将来取代石油燃料。可再生和丰富的生物质作为一种可持续的生物燃料和生物化学品，被认为是不可再生资源的一种可靠的替代品。纤维素是地球上最丰富的生物质，其是在植物界中碳含量一半以上，含量第一、分布最为广泛的多糖。木质纤维素具有着可再生、资源丰富、含碳量高的特性，包括农业和森林残留物，如麦秸、稻草、稻壳、玉米秸秆、甘蔗渣、造纸厂废物，因此这样的大量来源非常适合作为产生乙酰丙酸的工业原料。乙酰丙酸是一种同时具有羰基和羧基的有机酸，被认为是用于合成多种化合物的最有前途的有机中间体，它可以作为溶剂、食品添加剂、精细化学品和药物合成的原料。更重要的是乙酰丙酸可以作为燃料生产的中间体，得到燃料添加剂乙酰丙酸酯、γ-戊内脂，2-甲基四氢呋喃。乙酰丙酸在酸性条件下由生物质转化而来的方法有两种：一是糖醇水解法，二是生物质直接转化法。糠醇水解法是在酸的条件下，以糖醇为原料，并经过水解、开环、重排一系列的反应生成乙酰丙酸。乙酰丙酸是一种生物质衍生的平台化学品，可以作为反应中间体在新兴产业中发挥重要作用。通过液体无机酸和固相催化剂可以从纤维素中广泛生产乙酰丙酸。由于无机酸存在着环境污染和设备腐蚀的问题，所以现在人们广泛使用更加环保的固体催化剂。我们应进行进一步的研究，通过使用固体催化剂提高乙酰丙酸的最终产率。本课题通过四种过渡金属离子的催化，使乙酰丙酸转化的转化率达到最高。同时研究这四种过渡金属离子对纤维素的转化的作用机理。以进一步的选择更优的作用时间和最佳反应温度。

2. 研究内容和预期目标

技术要求：学会过渡金属离子催化纤维素反应操作、产物分析、表征等

设计条件：纤维素是世界上分布较多的一种可再生资源，利用纤维素代替不可再生的石化资源来生产能源及相关化学品目前已得到世界各国的高度重视。乙酰丙酸便是一种重要的来自纤维素的衍生产品。但是，目前这些衍生产品的制备主要是利用矿物酸或固体催化剂进行，成本高且效率偏低。本研究利用过渡金属离子催化纤维素制备乙酰丙酸，从而实现纤维素转化制备乙酰丙酸的优化。

工作要求：分别筛选过渡金属离子催化纤维素转化乙酰丙酸的最优催化剂及反应条件，并进行表征分析。

3. 研究的方法与步骤

1. 实验材料底物：微晶纤维素（a-cellulose）催化剂：crcl3、fecl3、ticl3、rucl3溶剂：水相：去离子水2. 实验操作2.1 电子天平称量x g催化剂（质量根据催化剂浓度0.0625-0.5mol/l换算）电子天平分别称量x g纤维素 ( 根据底物浓度2％（w/w）换算)去离子水/蒸馏水与催化剂、纤维素配成溶液。2.2 将溶液装入高压反应釜，充入氮气达到1.5mpa，使高压反应釜不存在氧气，防止氧气氧化催化剂。2.3 连接搭载高压反应釜，调整好磁力搅拌器转速与温度控制器，在200-240℃、下反应30 min。2.4 收集到的溶液用hplc进行液相色谱分析乙酰丙酸的分布情况。2.5 收集到的溶液冻干后用x射线衍射仪分析纤维素的结构3 结果讨论通过高压反应釜对过渡金属离子催化纤维素在不同的温度下1.对其结构的影响（表征）2.乙酰丙酸的生成（液相色谱）

4. 参考文献

1.asghari,f.s.,yoshida,h.2006a.acid-catalyzedproductionof5-hydroxymethylfurfuralfromd-fructoseinsubcriticalwater.ind.eng.chem.res.45,2163-2173.

2.chambon,f.,rataboul,f.,pinel,c.,cabiac,a.,guillon,e.,essayem,n.2011.cellulosehydrothermalconversionpromotedbyheterogeneousbrnstedandlewisacids:remarkableefficiencyofsolidlewisacidstoproducelacticacid.applcatalb:environ.105(1-2),171-181.

3.asghari,f.s.,yoshida,h.2006.dehydrationoffructoseto5-hydroxymethylfurfuralinsub-criticalwateroverheterogeneouszirconiumphosphatecatalysts.carbohydrateresearch,341,2379-2387.

5. 计划与进度安排

1、2022年12月5日-2022年3月1日 查阅文献，根据任务书书写开题报告，制定实验方案，翻译外文文献；

2、2022年3月2日-2022年3月10日准备催化反应器及催化剂，熟悉反应操作；

3、2022年3月11日-2022年4月22日催化反应、产物及结构分析；