Повышение селективности кислотно-каталитических превращений фруктозы и сахарозы в левулиновую кислоту, 5-гидроксиметилфурфурол и их производные

• Автор: Смирнова, Марина Александровна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 113 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. КИСЛОТНОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГЕКСОЗНЫХ УГЛЕВОДОВ обзор литературы

1.1. Влияние условий процесса на превращения углеводов IО

1.1.1. Влияние природы и концентрации углевода на селективность конверсии

1.1.2. Влияние температуры на селективность кислотнокаталитических превращений углеводов

1.1.3. Влияние природы катализатора на селективность конверсии углеводов

1.1.4. Кислотнокаталитические превращения углеводов в присутствии органических экстрагентов

1.1.5. Кислотнокаталитическая конверсия углеводов в проточных

условиях

1.2. Механизм кислотнокаталитической конверсии углеводов

1.2.1. Механизм образования 5гидроксиметилфурфурола из углеводов
1.2.2. Механизм образования левулиновой кислоты из
5гидроксиметилфурфурола
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Исходные материалы и реактивы
2.2. Методики экспериментов
2.2.1. Эксперименты в статических условиях
2.2.2.Эксперименты в двухфазной системе водно спиртовой системе в проточных условиях
2.2.3. Эксперименты в водной среде в проточной установке при
повышенной температуре
2.2.4. Эксперименты по регенерации солянокислотного катализатора
конверсии фруктозы
2.3. Методики анализа продуктов
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Влияние добавок левулиновой кислоты и глюкозы на превращения фруктозы в водной среде в присутствии гидросульфата натрия
3.1.1. Влияние добавок левулиновой кислоты на превращения фруктозы
3.1.2. Влияние добавок глюкозы на превращения фруктозы
3.1.3. Стехиометрия взаимодействия левулиновой кислоты и глюкозы
3.1.4. Кинетика конденсации левулиновой кислоты
3.2. Гипотеза о механизме кислотнокаталитических превращений углеводов
3.3. Влияние природы растворителя и фазового состава системы на селективность кислотнокаталитических превращений фруктозы
3.3.1. Превращения фруктозы в воде в присутствии гидросульфата натрия
3.3.2. Конверсия фруктозы в этаноле в присутствии серной кислоты
3.3.3. Конверсия фруктозы в бутаноле в присутствии серной кислоты
3.3.4. Превращения фруктозы в двухфазной системе водный раствор гидросульфата натрия бутанол
3.3.5. Сопоставление эффективности процессов конверсии в гомогенных и двухфазных системах
3.4. Превращения сахарозы в двухфазной системе вода бутанол в проточных условиях с импульсной подачей бутанола
3.5. Конверсия фруктозы в системе вода бутанол нонан
3.6. Конверсия фруктозы в системе вода диоксан в присутствии соляной кислоты I
3.7. Конверсия фруктозы в системе вода изопропанол в присутствии соляной кислоты
3.8. Высокотемпературная конверсия фруктозы и сахарозы в проточных условиях
3.9. Экстракционное выделение лсвулиновой кислоты из реакционных растворов конверсии фруктозы в присутствии соляной кислоты
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Реализация процессов кислотнокаталитической конверсии углеводов в водной среде сталкивается с проблемой их невысокой селективности при увеличении концентрации субстрата более 0,1 0,2 М. Раисе предполагалось, что основной причиной снижения селективности является конденсация 5ГМФ в гуминовые вещества, а единственная предложенная формальнокинетическая модель не была связана с механизмом процесса. Для решения проблемы низкой селективности было предложено использовать двухфазную систему вода бутаиол с гидросульфатом натрия в качестве катализатора, который обеспечивает устойчивое расслоение фаз. Однако, прямое сопоставление селективности процессов конверсии в гомогенных спиртовых или водных растворах, а также двухфазной системе, не проводилось. Однако возможности регенерации солянокислотного катализатора получения левулиновой кислоты и ее производных в литературе не освещены. Цель настоящей работы заключается в поиске и исследовании новых путей повышения селективности и эффективности кислотнокаталитических превращений фруктозы и сахарозы в лсвулиновую кислоту, 5гидроксиметилфурфурол и их производные. Изучить влияние добавок левулиновой кислоты и глюкозы на селективность и скорость кислотнокаталитической конверсии фруктозы в водной среде. Сформулировать гипотезу о механизме, объясняющую найденные и известные закономерности изменения селективности кислотнокаталитических превращений углеводов в зависимости от условий процесса. Сопоставить селективность различных процессов кислотнокаталитической конверсии фруктозы и сахарозы в Л К, 5ГМФ и их производные. Оценить скорость коррозии стали ХНТ в условиях высокотемпературной конверсии углеводов. Разработать новые низкотемпературные методы получения 5гидроксиметилфурфурола. Разработать методы регенерации катализатора и экстракционного выделения Л К в виде бутиллевулината из реакционных растворов конверсии фруктозы, проводимой в присутствии соляной кислоты. Разработка теоретических основ катализа и новых поколений катализаторов и каталитических процессов программы фундаментальных исследований СО РАН, а также в рамках Федеральной целевой научнотехнической программы Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения подпрограммы Комплексное использование древесного сырья и Экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы химии и химической технологии, Исследование закономерностей химических превращений полисахаридов и лигнина, инициируемых катализаторами и активирующими воздействиями, с целыо разработки новых подходов к получению востребованных химических продуктов и биотоплив из растительного сырья Сибири. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта 4 Красноярского краевого фонда науки г. IV Конференция молодых ученых СО РАН, посвященная памяти М. Международная конференция Техническая химия. ЛК при увеличении концентрации углевода обусловлено конденсацией субстрата и продукта в гуминовые вещества. Предложена гипотеза о механизме кислотнокаталитических превращений углеводов в воде, объясняющая снижение селективности процесса при увеличении концентрации субстрата. Установлено, что в области концентраций углеводов 0,5 1,0 М двухфазная система вода бутанол позволяет в 6 8 раз повысить селективность процесса по сравнению с аналогичными однофазными каталитическими системами. Найдены новые возможности повышения селективности процессов получения 5гидроксиметилфурфурола в стабильных, низкокипящих и малотоксичных системах вода диоксан и вода изопропанол с более высокой селективностью по сравнению с высокотемпературными более 0 С процессами. Показано, что селективность высокотемпературных кислотнокаталитических превращений фруктозы 0 0С практически не зависит от природы катализатора Н, Н3РО,ь СН3СООН. По совокупности критериев каталитической и коррозионной активности наиболее эффективным катализатором является фосфорная кислота. Разработан метод регенерации солянокислотного катализатора низкотемпературной конверсии фруктозы, позволяющий в раз сократить его потери, а также выделять ЛК из реакционного раствора одностадийной экстракцией в виде бутилового эфира.