一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法技术

本发明专利技术公开了一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，包括以下步骤：（1）将木聚糖、甲醇、Nb/HUSY多级孔分子筛加入含有搅拌装置的高压高温反应釜中；（2）将密封好的反应釜放入反应装置中，氮气加压排气后，加压至3 MPa，加热升温至合适温度，反应一定的时间；（3）反应结束后，冷却至室温，过滤蒸馏得到乳酸甲酯，过滤后的固体残渣，经过洗涤、干燥和煅烧后回收利用；其中所使用的Nb/HUSY多级孔分子筛催化木聚糖转化具有反应温度温和，反应压力低，催化活性高，木聚糖转化率高，乳酸甲酯收率和选择性高等特点。本发明专利技术中所使用的原料为资源丰富、可再生的生物质，反应环境具有绿色温和、安全环保等特点，具有良好的工业化前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法


[0001]本专利技术涉及乳酸甲酯制备
，尤其是一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法。

技术介绍

[0002]随着化石燃料的逐渐消耗以及温室气体排放的增加，开发新的绿色碳资源已成为社会经济可持续发展的全球性问题。生物质是目前地球上唯一可大规模再生的足以支撑人类生存发展的有机碳资源，有着储量丰富、分布广泛、绿色清洁等优势，很好的契合了人类对未来可再生能源的需求。从长远来看，以生物质为原料，通过新型清洁高效路径生产高附加值化学品和液体燃料，有利于缓解我国对有限石油资源过分依赖的国情，符合我国积极应对气候变化、提升绿色经济水平。
[0003]乳酸甲酯，其结构具有一个羟基和一个酯基，是一种非常重要的平台化合物，常广泛应用于医药中间体、除草剂、化妆品、副食品等行业和3D打印等新兴领域。近年来，伴随着人们对天然、绿色、环保理念认识的加深，乳酸甲酯的需求量在不断上升；传统乳酸甲酯的制备方法主要是乳酸与甲醇通过酯化反应过程得到。目前国内乳酸产能约在27.8万吨，然而近90%的厂商仍是以淀粉为糖源通过微生物发酵法得到，但存在生产周期长、操作条件苛刻、时空收率低以及副产废渣多等多种弊端；近年来利用生物质碳水化合物化学法制备乳酸甲酯等重要的平台化合物越来越受到广泛的关注，有利于降低乳酸甲酯生产成本及解决秸秆焚烧所导致的环境污染问题。
[0004]半纤维素作为木质纤维素三大组分之一，木聚糖是植物细胞中半纤维素的主要成分，占植物细胞干重的35%，是自然界中除纤维素之外含量最丰富的多糖。随着人们对天然、绿色、环保理念的认识加深，绿色化学法催化转化生物质制备乳酸及乳酸酯类逐渐成为替代发酵工程的首选，有利于降低生产成本及解决秸秆焚烧等所导致的环境污染问题。然而，木聚糖在解聚、反羟醛缩合与异构形成产物的过程相对较复杂，难以大规模制备单一的目标产物
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乳酸或酯类化学品。针对这一技术难题，需要解决的核心问题包括木聚糖结构与形成目标产物之间的内在关联、五碳糖中间体C
‑
C键选择性retro
‑
aldol反应的调控以及官能团加氢异构重组定向形成目标产物的调控。其中最为关键的核心问题是如何实现木聚糖定向选择性的合成乳酸甲酯催化体系的构建，以实现目标产物收率的最大化。
[0005]本专利技术专利提出构建以木聚糖合成高值化学品
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乳酸甲酯为导向的催化反应体系，具有明确的需求导向、问题导向和目标导向，本专利技术旨在实现乳酸甲酯的绿色合成，解决目标产物选择性和收率较低的瓶颈的问题，并且实现目标产物的定向合成，有效地促进生物质高值化利用，具有及其重要的意义和广阔的应用发展前景；此研究导向契合我国资源能源多元化、绿色保护和经济持续健康发展的重大需求，并且至今尚未见到有以定向合成乳酸甲酯为目标的木聚糖可控转化技术的相关报道。由此可见，发展木聚糖制备乳酸甲酯化学品新技术，对建立我国多元化的生产结构以及提高国际市场竞争力具有重要意义。
[0006]
技术实现思路

[0007]为了克服现有技术中尚待解决的木聚糖定向可控地制取乳酸甲酯的技术难题，本专利技术提供了一种Nb/HUSY多级孔分子筛作为催化剂，在绿色温和反应环境下，使木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，所述转化方法具体包括以下制备步骤：（1）首先在含有搅拌装置的高温高压反应釜中加入木聚糖，随后加入甲醇，最后加入Nb/HUSY多级孔分子筛催化剂，其中所加入的甲醇既是溶剂又作为反应物；（2）将上述密封好的反应釜放入加热反应装置中，利用惰性气体氮气或者氦气，排空釜内的空气，排气4
‑
6次，最后加压至3
‑
5 MPa，加热升温至120
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240
o
C，反应1
‑
18 h；（3）步骤（2）中的反应结束后，将反应釜冷却至室温，将上述反应完成的产物依次经过过滤、精馏后得到乳酸甲酯产品，回收的甲醇可以再利用，滤渣经过洗涤干燥和煅烧后回收再利用。
[0009]上述的一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，所述木聚糖为木聚糖甲醇溶液，木聚糖甲醇溶液中木聚糖的浓度为5
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100 g
·
L
‑1。
[0010]上述的一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，所述Nb/HUSY多级孔分子筛催化剂添加量与木聚糖添加量的质量比为1:1
‑
1:8。
[0011]上述的一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，所述Nb/HUSY多级孔分子筛催化剂是按以下方法制备所得：首先，制备HUSY多级孔分子筛，在三口烧瓶中置入适量一定溶度的草酸或硝酸溶液，搅拌、加热回流，待达到一定温度时，加入称量好的商品化的HUSY分子筛，分子筛与酸的固液比为1g:10ml
‑
1g:50ml;酸处理2
‑
24h后，停止反应，进行离心分离，并用去离子水多次洗涤，直至上清液pH值为6
‑
7，随后置于烘箱中烘干得到多级孔的HUSY分子筛。其次，按催化剂中Nb的含量，称取一定量的Nb前驱体，保证Nb在多级孔的HUSY分子筛的含量为1.5
‑
10wt%，将称量好的NbCl5和HUSY多级孔分子筛加入到40 mL异丙醇水溶液中室温搅拌4 h，然后浸渍过夜，之后在60
o
C下在旋转蒸发仪中旋蒸以去除溶剂，随后放入真空干燥箱中干燥4 h，最后在马弗炉中于550
o
C下煅烧5 h，即可得到所需的催化剂，密封保存备用；其中异丙醇水溶液通过加入90 mL去离子水和10 mL的异丙醇配置而成。
[0012]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益性技术效果：（1）本专利技术中制备的多级孔材料覆盖大孔、介孔及微孔，实现了晶体内孔道结构的跨尺度贯通及孔道属性的调控，使不同级别孔道的优势集中在一个体系中，同时具有超高的结构稳定性。
[0013]（2）本专利技术中利用金属Nb元素改性的HUSY多级孔分子筛催化剂，在金属活性位和分子筛酸性活性位的协同作用，促进木聚糖的解聚和单体的retro
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aldol反应、C3糖的异构和氢转移效率的综合利用，并且添加Nb元素有效地降低催化木聚糖制备乳酸甲酯的反应温度，同时有利于抑制催化剂表面积碳，从而延长催化剂使用寿命，促进木聚糖高效制备乳酸甲酯的过程；
（3）本专利技术中提出的方法实现了木聚糖高选择性地定向合成乳酸甲酯的目标，木聚糖的转化率可达100%，乳酸甲酯的收率可达到50.5%；同时反应温度较温和，在120
‑
240
o
C既可以实现反应的进行，又可以降低能耗和减少副反应的发生；（4）本专利技术中所使用的Nb/HUSY多级孔分子筛催化剂的制备方法简单、周期短、热稳定性好和绿色环保；在催本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，其特征在于，所述转化方法具体包括以下制备步骤：（1）首先在含有搅拌装置的高温高压反应釜中加入木聚糖，随后加入甲醇，最后加入Nb/HUSY多级孔分子筛催化剂，其中所加入的甲醇既是溶剂又作为反应物；（2）将密封好的反应釜放入加热反应装置中，利用惰性气氛氮气或氦气，排空釜内的空气，排气4
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6次，最后冲压至3
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5 MPa，加热升温至120
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240 o
C，反应1
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18 h；（3）反应结束后，将反应釜冷却至室温，将上述反应完成的产物依次经过过滤、精馏后得到乳酸甲酯产品，回收的甲醇可以再利用，滤渣经过洗涤、干燥和煅烧后回收再利用。2.根据权利要求1所述的一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，其特征在于，所述木聚糖具体为木聚糖甲醇溶液，所述木聚糖甲醇溶液的浓度为5
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100 g
·
L
‑1。3.根据权利要求1所述的一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，其特征在于，所述多级孔分子筛包括微孔、介孔和大孔，微孔的孔径小于2nm;介孔的孔径介于2nm到50nm之间，所述的大孔孔径大于50nm。4.根据权利要求1所述的一种多级孔分子筛催化木聚糖定向合成乳酸甲酯的方法，其特征在于，Nb/HUSY多级孔分子筛的添加量与木聚糖添加量...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕培燕，徐辉鸿，熊书文，朱思琪，吴玲，燕春培，江元平，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：