HMF制备FDCA的新型催化工艺研究进展

生物质转化为高附加值化学品是解决目前化石能源枯竭和全球变暖问题的有效途经，5-羟甲基糠醛（HMF）被认为是最重要的平台化合物之一，可通过氧化、加氢和开环等反应制备出许多高附加值有机化合物，其中2，5-呋喃二甲酸（FDCA）被认为是最有前景的化学品，能够代替目前广泛使用的石油基聚酯单体对苯二甲酸（PTA），用于合成生物可降解聚酯聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）。本文系统地综述了通过电化学催化氧化、光催化氧化和生物催化法将HMF制备成FDCA的新型工艺。这些催化工艺不同于传统的热解催化，其不需要高温高压，没有有害溶剂和昂贵的催化剂等，具有高效、绿色和可持续的优点。但还存在一些问题，如电化学催化法需要特殊且稳定的电解质以及对仪器设备有较高的要求；光催化法存在成本较高和能量转化率较低的问题；生物催化法有着制备周期长和反应中间体受抑制的问题。通过分析这些方法取得的成果及目前存在的问题，为未来FDCA的高效催化转化提供可行的思路。     

碳水化合物直接转化制备DFF和FDCA的研究进展

2,5-二甲酰基呋喃(DFF)和2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是2种重要的生物基平台化合物,在许多领域具有广泛的应用,可替代某些石油基单体.其制备方法通常由5-羟甲基糠醛(HMF)选择性氧化,但HMF性质不稳定,价格昂贵.而碳水化合物价格远低于HMF,由碳水化合物直接制备DFF或FDCA,避免了中间产物HMF的分离和纯...     

2,5-呋喃二甲酸合成技术路线及应用前景

2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是合成新型可降解高分子聚酯(PEF)的主要单体.介绍了FDCA的主要性能及用途,重点介绍了FDCA的合成技术路线,根据合成原料及路线的不同,可以分为5-羟甲基糠醛(HMF)为原料(化学法)、糠酸糠醛为原料、己糖二酸为原料、二甘醇酸为原料、HMF为原料(生物法)共5种技术路线.分析结果表明:以糖为原料,HMF路线是2,5-FDCA工业化量产最有前景的路线,2,5-呋喃二甲酸合成的主要技术难点在于糖的高效选择性脱水反应与脱水过程中有效并有经济价值的氧化技术,选择高性能的催化剂及相对应的溶剂体系显得尤为重要.最后,对FDCA产品的国内外应用现状进行了简要分析,并对FDCA产品的发展前景做进一步展望.     

生物基2,5-呋喃二甲酸及其聚酯合成研究进展

如何通过高效、廉价的方法制备2,5–呋喃二甲酸(2,5-FDCA)及其聚合物已成为近几年的研究热点。重点介绍了2,5-FDCA的合成路线、聚2,5–呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)及其共聚酯的研究进展,并对其进行了分析。分析结果表明,目前2,5-FDCA的合成以5–羟甲基糠醛(HMF)氧化路线为主,其中催化剂采用贵金属,价格比较昂贵,建议对高效低价的新型催化剂体系进行开发。另外,为提高材料的各种性能,研究FDCA基聚酯改性的高性能产品,对经济、社会发展有着重大应用价值。     

5-羟甲基糠醛无碱有氧氧化合成2,5-呋喃二甲酸负载型贵金属催化剂的研究进展

将生物质平台分子5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural,HMF）高效、绿色地催化转化为更高附加值的2,5-呋喃二甲酸（2,5-furandicarboxylic acid,FDCA）已经成为目前生物质能源转化领域的研究热点。碱性载体负载贵金属催化剂用于HMF无碱氧化为FDCA已经得到广泛研究,并取得了一系列成果。本文综述了水滑石、羟基磷灰石、碳材料、金属氧化物等不同载体负载的贵金属催化剂用于HMF无碱氧化为FDCA的最新进展,详细介绍了各类催化剂的结构性质、催化反应参数及催化活性,重点讨论了催化剂与催化反应的构效关系及催化反应机理等研究工作。最后,指出了今后在HMF转化为FDCA的研究工作中负载型贵金属催化剂的设计开发及机理探究等方面的努力方向。     

5-羟甲基糠醛及糖类定向转化制备2,5-呋喃二甲酸的研究进展

2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是重要的生物质基平台化学品,具有与重要化工原料对苯二甲酸(PTA)相同的官能团和相似的芳香性,完全可以代替PTA制备绿色环保且可再生的高性能聚合物产品.生物质基5-羟甲基糠醛(HMF)是制备FDCA的最佳原料.该文综述了近十年来HMF定向氧化制备FDCA的方法,如"直接氧化法"、"贵金属催化氧化法"、"非贵金属催化氧化法"、"电催化氧化法"以及"生物酶催化氧化法"等,并对糖类原料直接制备FDCA的催化反应体系和经济可行性进行总结,重点综述了氧化过程中催化剂的开发和应用,同时对未来催化剂体系的设计提出几点建议.     

催化合成典型5-羟甲基糠醛衍生物的研究进展

作为重要的生物基平台化合物之一, 5-羟甲基糠醛(HMF)可通过可再生的生物质碳水化合物脱水制备, 已获得广泛关注, HMF可以催化合成一系列重要的有机化工中间体, 这逐渐成为研究热点。本文综述了5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃(DFF)、2,5-呋喃二甲酸(FDCA)和1,6-己二醇(HDO)三种典型HMF衍生物的研究进展, 并着重分析了HMF选择氧化制备DFF和FDCA的催化体系。介绍了该三种重要有机化工中间体的相关应用, 分析其制备过程中的问题与难点, 对其今后的研究方向提供了建议, 并指出目前HMF未大规模工业生产导致其价格昂贵, 是制约下游产品发展的重要因素。采用生物质为原料, 通过5-羟甲基糠醛催化合成下游有机化工产品的研究具有广阔的前景。     

非贵金属催化剂催化氧化5-羟甲基糠醛合成2,5-呋喃二甲酸的研究进展

由生物质平台化合物5-羟甲基糠醛(5-HMF)氧化获得的2,5-呋喃二甲酸(FDCA)是一类具有广阔应用前景的新型生物基单体,能代替对苯二甲酸生产可降解且性能优良的生物基聚酯。非贵金属催化剂由于价格相对低廉、资源丰富,被广泛用于5-HMF合成FDCA。本文对近年来应用于该反应的非贵金属单一氧化物和非贵金属复合氧化物进行综述。     

生物基2,5-呋喃二甲酸聚酯的研究进展

2,5-呋喃二甲酸聚酯是以生物质平台化合物2,5-呋喃二甲酸为主要单体的生物基聚酯。该文主要介绍2,5-呋喃二甲酸聚酯的研究进展,对2,5-呋喃二甲酸聚酯的性能、合成方法、合成用催化剂及其共聚改性研究进行对比分析和讨论。2,5-呋喃二甲酸聚酯的玻璃化转变温度、热稳定性、杨氏模量和抗拉强度与对苯二甲酸聚酯的相应性能接近。同时,2,5-呋喃二甲酸聚酯及其共聚物对CO_2、O_2和H_2O的阻隔性能优于对苯二甲酸聚酯,在许多领域是聚酯PET等材料的潜在替代物,受到了业界的广泛重视。然而,较低的断裂伸长率是2,5-呋喃二甲酸聚酯应用的瓶颈问题。共聚改性是改善2,5-呋喃二甲酸聚酯力学性能的有效方法之一,已有的共聚改性单体在改善2,5-呋喃二甲酸聚酯的断裂伸长率时使共聚物的杨氏模量和玻璃化转变温度大幅下降,合成具有较高断裂伸长率、较高杨氏模量和较高玻璃化转变温度的2,5-呋喃二甲酸聚合物是国内外学者亟待解决的难题,也是2,5-呋喃二甲酸聚酯共聚改性领域的重要研究方向。     

非贵金属催化5-羟甲基糠醛选择氧化的研究进展

5-羟甲基糠醛（HMF）作为一种连接生物质资源和精细化学品工业的多功能平台化合物,因含有醛基、羟甲基而具有非常活泼的化学性质。HMF催化选择氧化在生物质转化过程中具有十分重要的意义,近年来受到研究者们的广泛关注。其氧化产物如2,5-呋喃二甲醛（DFF）和2,5-呋喃二甲酸（FDCA）都是具有高附加值的精细化学品,可用于抗菌剂、医药中间体、合成聚酯等方面。非贵金属催化剂因具备低成本、资源丰富以及环境友好的优势,用于HMF选择氧化的相关报道已逐渐增多。阐述了HMF选择氧化的催化反应机理,着重从非贵金属催化剂的角度出发,对近年来HMF的不同催化氧化体系进行了总结和归纳。最后,展望了HMF选择氧化的研究前景,为构建绿色、高效的催化体系提供思路和参考。     

Efficient base-free oxidation of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid over copper-doped manganese oxide nanorods with tert-butanol as solvent

2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA) is an important and renewable building block and can serve as an alternative to terephthalic acid in the production of bio-based degradable plastic. In this study, Cu-doped MnO₂ nanorods were prepared by a facile hydrothermal redox method and employed as catalysts for the selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to FDCA using tert-butyl hydroperoxide (TBHP) as an oxidant. The catalysts were characterized using X-ray diffraction analysis, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, and transmission electron microscopy. The effects of oxidants, solvents, and reaction conditions on the oxidation of HMF were investigated, and a reaction mechanism was proposed. Experimental results demonstrated that 99.4% conversion of HMF and 96.3% selectivity of FDCA were obtained under suitable conditions, and tert-butanol was the most suitable solvent when TBHP was used as an oxidant. More importantly, the Cu-doped MnO₂ catalyst can maintain durable catalytic activity after being recycled for more than ten times.     

过渡金属催化5-羟甲基糠醛合成2,5-呋喃二甲酸研究进展

随着绿色合成理念的不断提升,以具有高催化活性、高稳定性及价格低廉等优势的过渡金属催化剂代替强氧化剂和贵金属催化剂催化氧化5-羟甲基糠醛(HMF)制备精细化学品,逐渐成为研究者关注的焦点。本文综述了近年来廉价过渡金属基催化剂用于催化HMF氧化制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的相关研究,对该领域的最新研究进行了叙述,重点介绍了锰基、铜基、铁/钴基、镍基及其他催化体系在HMF氧化反应中的应用,主要包括锰基金属氧化物、CuCl_(2)催化体系、Fe_(3)O_(4)-CoO_(x)的磁性催化体系等。此外,在介绍上述催化剂的基础上,还对廉价过渡金属基催化剂催化HMF氧化制备FDCA的发展前景进行了展望。     

Simulation and economic analysis of 5-hydroxymethylfurfural conversion to 2,5-furandicarboxylic acid

Two processes for converting 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) were designed using literature data together with simplified process simulation models. The main reaction step is HMF catalytic oxidation using aqueous acetic acid as solvent, Pt/ZrO₂ as catalyst and air as oxidant. The first process investigated involves a mixed-suspension, mixed-product-removal crystallizer and a filter for separating solid FDCA from the solvent. The calculated minimum sale price of FDCA is 3157 $/t, whereas, if pure oxygen is used as oxidant the FDCA price reduces to 2458 $/t. Due to the high melting point of FDCA, the second alternative considered introduces trioctylamine as solvent to facilitate separation of FDCA from the solvent using distillation. The estimated FDCA price using this process is 3885 $/t. Sensitivity analysis shows that selectivity and conversion have small impact on FDCA price, whereas plant capacity, catalyst and HMF costs have large effects on the price of FDCA.     

Oxidation of 5-hydroxymethylfurfural over supported Pt, Pd and Au catalysts

Supported Pt, Pd, and Au catalysts were evaluated in the aqueous-phase oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) at 295 K and high pH in a semibatch reactor. The intermediate reaction product 5-hydroxymethyl-2-furancarboxylic acid (HFCA) was formed in high yield over Au/C and Au/TiO₂ at 690 kPa O₂, 0.15 M HMF and 0.3 M NaOH, but did not continue to react substantially to FDCA at the specified O₂ pressure and base concentration. In contrast, the final reaction product FDCA was formed over Pt/C and Pd/C under identical conditions. The initial turnover frequency of HMF conversion was an order of magnitude greater on Au catalysts compared to either Pt or Pd. Increasing the O₂ pressure and NaOH concentration facilitated the conversion of HFCA to FDCA over the supported Au. The significant influence of base concentration on the product distribution indicates an important role of OH⁻ in the activation, oxidation and degradation of HMF.     

Kinetics of homogeneous 5‐hydroxymethylfurfural oxidation to 2,5‐furandicarboxylic acid with Co/Mn/Br catalyst

2,5‐furandicarboxylic acid (FDCA) is a potential non‐phthalate based bio‐renewable substitute for terephthalic acid‐based plastics. Herein, we present an investigation of the oxidation rate of 5‐hydroxymethylfurfural (HMF) to FDCA in acetic acid medium using Co/Mn/Br catalyst. Transient concentration profiles of the reactant (HMF), intermediates [2,5‐diformylfuran (DFF), 5‐formyl‐2‐furancarboxylic acid (FFCA)], and the desired product (FDCA) were obtained for this relatively fast reaction in a stirred semi‐batch reactor using rapid in‐line sampling. Comparison of the effective rate constants for the series oxidation steps with predicted gas–liquid mass transfer coefficients reveals that except for the FFCA → FDCA step, the first two oxidation steps are subject to gas–liquid mass transfer limitations even at high stirrer speeds. Novel reactor configurations, such as a reactor in which the reaction mixture is dispersed as fine droplets into a gas phase containing oxygen, are required to overcome oxygen starvation in the liquid phase and further intensify FDCA production. © 2016 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 162–171, 2017