李颖
,
胡双岚
,
程建华
,
娄文勇
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60005-X
酸性离子液体具有催化活性好、选择性高及易于回收等优点,是一种应用前景非常好的环境友好的酸性催化剂,在生物柴油合成反应中具有重大的理论意义和应用价值.本文以油酸和甲醇为原料,探讨了7种不同酸性离子液体在生物柴油合成反应中的催化效应.研究表明,离子液体酸性越强,催化酯化活性越高；引入磺酸基团可大大增强离子液体Br?nsted酸性,使其在酯化反应中发挥溶剂/催化剂的双重作用,促进酯化反应向产物方向进行,达到高产率,因而1-丁基磺酸-3-甲基咪唑硫酸氢盐([BHSO3MIM]HSO4)催化效果最好.此外,系统研究了[BHSO3MIM]HSO4催化油酸与甲醇酯化反应,并采用响应面法优化了反应条件.结果发现,该反应的最适醇酸摩尔比、催化剂用量、反应温度及反应时间分别为4：1,10%(基于油酸的质量),130 oC和4 h；在此条件下,生物柴油产率为97.7%.[BHSO3MIM]HSO4连续使用10批次后,仍能保持初始催化活性的95.6%,表现出极好的操作稳定性.另外,利用该离子液体催化游离脂肪酸含量为72%的废油脂生产生物柴油,反应6 h可获得产率94.9%.可见,[BHSO3MIM]HSO4在酯化生产生物柴油方面具有巨大的应用潜力.
关键词:
酸性离子液体
,
生物柴油
,
油酸
,
甲醇
,
酯化
李明
,
陈登宇
,
朱锡锋
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60634-2
以热解稻壳炭为原料,浓硫酸为磺化剂制备了固体酸催化剂.采用X射线衍射、X射线光电子能谱、元素分析、孔结构分析和热重-质谱联用等手段对其进行了表征.以油酸和甲醇的酯化为探针反应,考察了磺化温度和时间对催化剂活性的影响,探讨了反应条件对油酸转化率的影响,并对所制催化剂的稳定性进行了研究.结果表明,制备该催化剂的适宜磺化温度和时间分别为90℃和0.25 h,在该条件下制得的催化剂为无定形碳结构,磺酸基密度为0.7 mmol/g.该催化剂表现出较高的催化酯化反应活性,在催化剂用量为5％、甲醇/油酸摩尔比为4、酯化温度和时间分别为1 10℃和2h的条件下,油酸的酯化率可达98.7％.该催化剂具有较好的稳定性,经7次连续反应后,油酸的酯化率仍可达96.0％.
关键词:
稻壳炭
,
固体酸催化剂
,
生物柴油
,
酯化
陈永乐
,
丁诗雅
,
郑文涛
,
张艺扬
,
吴有庭
,
胡兴邦
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62577-9
萜烯酯是一类重要的化学中间体和产品,广泛应用于香料、食品和医药等领域.酸催化的酯化反应是目前工业合成萜烯酯最流行的反应之一.已有用于合成萜烯酯催化剂的报道,并且大多数催化剂具有较高的催化活性,但多数催化剂没有在催化活性、选择性、稳定性和回收性等综合性能上表现出突出优势.质子型离子液体具有结构可调、易合成及易与产物分离的特点,被认为是酯化反应的绿色催化剂和分离剂.早期的质子型离子液体催化酯化研究主要集中在低碳链饱和有机酸酯的合成,对于易氧化的萜烯醇酯化研究较少.因为Br?nsted碱上的N原子含有一个孤对电子,在质子型离子液体阳离子形成的过程中,酸上的质子传递到这个N原子上时会伴随着较大的吉布斯自由能改变.这个质子与Br?nsted碱紧紧键合着,并使其酸性与游离酸相比减弱.众所周知,离子液体的催化活性强烈依赖于其酸强度.所以与游离酸相比,质子型离子液体在酯化反应中的催化活性常常被削弱.本课题组合成了一类新型的"质子梯度转移酸性复合物(PGTACs)"催化剂,通过核磁共振、质谱、红外光谱及元素分析等表征方法,发现其具有有别于常规质子型离子液体的键合模型,即同时具有一个N-H共价键和一个N…H氢键.这主要是由于阳离子1,10-邻菲罗啉具有高度的对称结构,且阳离子上的两个N原子位置较近.当第一个酸上的质子与碱上的第一个N原子键合后会对第二个酸上的质子与碱上的第二个N原子的键合造成较大的空间位阻,从而使后者以氢键键合方式存在.此外,为了进一步了解键合的两个质子的差异性,我们通过理论计算对其结构进行了优化,同样证明了N-H共价键和N…H氢键的存在,并得到它们的键长分别为1.032-1.036?和3.068-3.571?.本文对PGTACs的催化能力进行了系统研究,发现该类催化剂兼具强酸催化剂的高催化活性和弱酸催化剂的高选择性两方面优势,可选择性地高效催化合成乙酸香叶酯.当催化剂加入量为2%摩尔分数,反应时间为2 h,反应温度为50℃时,香叶醇转化率和乙酸香叶酯选择性分别高达99.5%和96.9%;而对于易氧化的萜烯酯(如乙酸芳樟酯、乙酸-α-松油酯和乙酸-4-松油酯等)仍有高于85%的收率.此外,研究还发现PGTACs催化剂是一类反应诱导自分离催化剂,反应初期可快速溶于反应体系中形成均相,反应结束后自动与产物分离,形成液液双相.此反应过程不仅有效解决了固体催化剂的传质阻力限制,还强化了反应,实现了反应与分离的耦合.最后,我们采用拟均相模型(PH model)对实验数据进行了拟合,为后续过程设计提供了宝贵的基础数据.
关键词:
乙酸香叶酯
,
酯化
,
动力学
,
质子梯度转移
,
反应诱导自分离催化剂
薛伟
,
赵贺潘
,
姚洁
,
李芳
,
王延吉
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61076-2
碳基固体酸是一种可替代液体质子酸的无定形碳材料,具有酸密度大、催化活性高等优点.花生壳是农业废弃物,以其为原料制备碳基固体酸具有成本低、原料可再生和环境友好等优点.甲酸环己酯是重要的化工产品,可用于香料和涂料工业.传统的甲酸环己酯制备方法是以环己醇和甲酸为原料,在酸催化条件下进行酯化反应而得.近年来,随着环己烯的大规模生产,利用环己烯与甲酸直接酯化制备甲酸环己酯引起广泛关注.此外,甲酸环己酯还可通过水解反应转变为环己醇.环己醇可以进一步转化为己二酸和己内酰胺,从而用于化纤工业中尼龙-6和尼龙-66的生产.目前,工业上采用环己烯水合反应制备环己醇,由于热力学限制,并受到环己烯与水相容性差的影响,环己烯单程转化率仅为~10%,循环量较大,能耗很高.以环己烯为原料,通过甲酸环己酯制备环己醇克服了上述环己烯直接水合的缺点,具有很好的发展前景.我们研究组使用HZSM-5分子筛作为催化剂,采用“一锅法”由环己烯经甲酸环己酯制备环己醇,环己醇收率可达40%.但是环己烯在酸性条件下可发生低聚反应,生成的副产物会堵塞HZSM-5孔道,造成催化剂失活.
本文在前述研究基础上,以花生壳为原料,经过碳化、磺化过程制备得到了碳基固体酸PSCSA.采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、热重分析(TG)、X射线光电子能谱(XPS)和元素分析等方法表征了PSCSA的结构、微观形貌、热稳定性以及酸性质,考察了其催化环己烯与甲酸酯化反应性能,并与几种常见的固体酸催化剂进行了比较.
FT-IR结果显示,经磺化后, PSCSA表面出现了–SO3H和–COOH基团. XPS结果则说明PSCSA表面所有的S元素均属于–SO3H,可利用元素分析测定S含量,进而得到–SO3H密度.此外,由于花生壳属于天然物质,成分并不均一,因此PSCSA的SEM照片中不同部位颗粒的微观形貌差异较大.采用PSCSA作为催化剂,考察了其催化环己烯与甲酸酯化反应性能,优化了反应条件.在酸/烯摩尔比为3/1, PSCSA用量0.07 g/mL环己烯,413 K反应1 h,环己烯转化率为88.4%,甲酸环己酯选择性为97.3%；副产物包括环己醇、二聚环己烯和环己基醚等.比较了PSCSA与几种常用固体酸如HZSM-5、离子交换树脂Amberlyst-15和Nafion NR50的催化性能,其中, Amberlyst-15催化性能最优,在393 K下反应,环己烯转化率亦达91.5%,甲酸环己酯选择性98.1%；但是,高昂的价格限制了其在工业上的大规模应用.与HZSM-5相比, PSCSA催化的环己烯与甲酸酯化反应的初始速率较低,反应时间超过30 min后,环己烯转化率迅速增加.在本反应中, PSCSA在甲酸存在条件下发生溶胀,使得大量的甲酸分子插入到碳材料本体中；而环己烯与甲酸具有较好的相容性,因此环己烯可以进入到碳材料本体中,与活性中心–SO3H充分接触,从而具有较高的反应速率.并且,由于溶胀需要一定的时间,在反应初期溶胀不充分时,环己烯、甲酸与活性中心接触有限,因此反应较慢；反应一定时间后, PSCSA充分溶胀,更多的–SO3H参与到反应中,反应速率加快. PSCSA重复使用性较好,第3次使用时环己烯转化率为68.6%；继续使用,催化剂不再失活. PSCSA在反应初期失活是–SO3H流失造成的.构成PSCSA的多环芳香烃可以部分溶解到溶剂中,进而带走其包含的–SO3H. PSCSA的后期活性稳定则说明可以流失的活性中心是有限的.
关键词:
碳基固体酸
,
花生壳
,
环己烯
,
酯化
,
甲酸环己酯
华平
,
喻红梅
,
李建华
,
方略韬
,
戴宝江
,
张海滨
,
朱国华
新型炭材料
采用对甲苯磺酸和可溶性淀粉混合物部分炭化制备新型碳基固体酸催化剂,研究了m(对甲苯磺酸)：m(可溶性淀粉)、炭化温度和炭化时间对催化剂催化合成1,4-丁二醇双琥珀酸二异辛酯的影响,用SEM、XRD、红外光谱、元素分析等对催化剂进行了表征。结果表明,在m(对甲苯磺酸)：m(可溶性淀粉)=1.0：2.0、炭化温度200℃、炭化时间8 h的条件下,得到碳基固体酸的催化活性最高,在180℃下反应1.5 h可达到规定的酯化率,催化剂重复使用5次后,酯化率仍能达到93%以上,另外该催化剂具有良好的热稳定性。
关键词:
碳基固体酸
,
催化剂
,
1,4-丁二醇双琥珀酸二异辛酯
,
酯化
