本文關鍵詞：生物質熱化學催化氨化制備含氮芳香性雜環(huán)的研究

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【摘要】：隨著化石資源的日益枯竭以及在使用過程中產生的環(huán)境污染等問題的日益嚴重,人類迫切需要開發(fā)出替代化石能源的可再生資源。生物質資源是唯一可持續(xù)來源的有機碳源,也是可以有效轉化為液體燃料和化學品的可再生資源。利用可再生的生物質資源代替化石資源制取燃料和大宗或高附加值的化學品將會緩解石油化工基礎原料供應壓力,也將會成為必然趨勢。含氮芳香性雜環(huán)化合物(吡咯類、吡啶類和吲哚類化合物)是一類能夠在醫(yī)藥、農業(yè)、食品、工業(yè)等各行各業(yè)具有廣泛應用前景的大宗和精細化學品。然而當前生產這些含氮芳香性雜環(huán)化合物的原料都來自于不可再生的石化資源且具有不可持續(xù)性,還未有通過化學轉化的方法從可再生資源直接制備含氮芳香性雜環(huán)化合物的相關研究被報道。針對以上問題,我們開發(fā)出熱化學催化氨化的反應方法,它可以在氨氣氛圍下選擇性地將生物質基含氧化合物(呋喃、甘油、聚乳酸、纖維素等)轉化為吡咯類、吲哚類和吡啶堿類等含氮芳香性雜環(huán)化合物,從而為生物質基含氧化合物資源化利用和含氮芳香性雜環(huán)化合物的可持續(xù)生產提供一個新的思路。第1章.首先簡要介紹生物質資源和生物煉制,然后重點對本文反應過程中所需要的原料生物質基含氧化合物(生物質基呋喃類化合物、甘油、聚乳酸、以及纖維素等碳水化合物)、生物質熱化學轉化的研究進展、和含氮芳香性雜環(huán)化合物(吡咯類、吡啶堿類以及吲哚類)的用途研究進展進行詳細介紹。第2章.生物質基呋喃化合物是一類重要的生物質含氧衍生物。本章節(jié)以呋喃作為模型物通過熱化學催化氨化的方法可以高效獲得吲哚類化合物,并對可能影響反應結果的影響因素(如催化劑、反應溫度、重時空速等)進行優(yōu)化,還通過理論計算和試驗模擬相結合的方法對從呋喃到吲哚類化合物的反應機理進行研究。第3章.本章節(jié)通過熱化學催化氨化的方法可以高效轉化甘油制備吡啶堿類化合物,并對反應過程中的可能因素、催化劑失活和甘油到吡啶堿的可能轉化路徑進行系統(tǒng)性研究;此外在本章節(jié)中我們還合成了納米尺寸的HZSM-5分子篩催化劑并利用它進行熱化學催化氨化甘油實驗以提高吡啶堿的收率。第4章.介紹了采用熱化學催化氨化的方法催化轉化聚乳酸制備吡啶堿類化合物,通過對催化劑種類、用量、停留時間等因素的調控優(yōu)化吡啶堿類化合物產率,并通過對聚乳酸熱解過程形成的中間體的熱化學催化氨化反應研究推測聚乳酸到吡啶堿類化合物的可能反應路徑。第5章.根據(jù)前面幾章的研究基礎,本章節(jié)主要介紹了通過熱化學催化氨化的方法以及對反應方式、催化劑種類、反應溫度等因素進行調控可以催化轉化纖維素選擇性地制備吡咯類,吲哚類和吡啶堿類等含氮芳香性雜環(huán)化合物,將反應原料拓展到葡萄糖、木糖、殼聚糖、甘蔗渣等其他生物質基含氧化合物;通過元素分析、X射線電子能譜等手段對反應副產物焦炭進行表征;并探討從碳水化合物到含氮芳香性雜環(huán)化合物的可能反應路徑。第6章.總結和展望。本論文主要以熱化學催化氨化為研究手段,以不同的生物質基含氧化合物為研究對象,通過對催化劑、反應方式、反應溫度、停留時間等因素的調控,從而可以選擇性的得到吡咯類、吡啶堿類和吲哚類化合物并闡明可能的反應機理,拓展了生物質化學反應體系。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O626

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