甘油催化氢解制备1,2-丙二醇催化剂研究进展

综述了近年来通过生物柴油生产过程中的副产物甘油催化氢解制备高附加值1,2-丙二醇的催化剂研究新进展.对各类催化剂的研究工作做了简要的总结,并对研究热点做出展望.     

Cu-MgO/USY催化甘油氢解制丙二醇(英文)

以USY为载体制备了一系列不同Cu和MgO负载量的酸碱双功能催化剂Cu-MgO/USY用于甘油氢解制丙二醇反应,并采用X射线粉末衍射、透射电镜、傅里叶红外光谱、NH3程序升温脱附等手段对该催化剂进行了表征.结果表明,负载后的USY载体其Y沸石特征峰保持完整,且MgO的加入提高了Cu在载体表面的分散度.在200 oC,3.5 MPa H2下反应10 h以及6%催化剂0.2Cu-MgO/USY(0.2 g Cu与1.0 g MgO负载于1.0 g USY上面)用量的条件下,甘油转化率达到83.6%,1,2-丙二醇及1,3-丙二醇的选择性分别为40%和19.4%.     

Ni/SiO_2催化剂的合成及其甘油氢解制1,2-丙二醇性能

以硝酸镍和偏硅酸钠为原料,采用并流共沉淀和氢气还原-钝化的方法制备了Ni/Si O2催化剂,通过BET、XRD、H2-TPD、NH3-TPD、HRTEM、XPS等手段对催化剂的理化性质进行了表征,发现合成得到的Ni/Si O2催化剂具有良好的织构性质、极高的金属分散度和活性比表面积,并且对甘油氢解生成1,2-丙二醇的反应表现出良好的活性和选择性.研究还考察了催化剂的镍硅比、反应停留时间、反应压力、甘油浓度对甘油氢解性能的影响,发现在镍硅比为0.5,反应停留时间为2 h,反应压力为5.5 MPa,甘油浓度为10%的条件下,甘油的单程转化率达78.8%,1,2-丙二醇的选择性高达92.9%.     

酯交换法联产的1,2-丙二醇中微量杂质的气相色谱-质谱分析

1,2-丙二醇是重要的化工原料,具有优良的杀菌性、湿润性、溶剂性,广泛用作香料、食品、化妆品、医药等的溶剂、湿润剂或保存剂等。为了使以碳酸丙烯酯为中间体生产碳酸二甲酯的酯交换联产的工业级1,2-丙二醇达到医药级标准,需要对1,2-丙二醇进行精制加工处理,所以必须对其杂质进行鉴定分析。但目前国内外还未见对酯交换反应联产的1,2-丙二醇中杂质进行分析的报道     

铜催化草酸二甲酯加氢副产物1,2-丙二醇生成机理的DFT研究

利用密度泛函理论对Cu(111)及Cu₂O(111)表面上草酸二甲酯加氢副产物1,2-丙二醇(1,2-PDO)的生成机理进行了探究,计算了两种表面上1,2-PDO生成的不同反应路径基元步骤的热力学数据以及所涉及物种的吸附行为,进行了局域态密度以及差分电荷密度分析,阐明了铜催化剂的主要活性位点及1,2-PDO生成的主要路径。结果表明,1,2-PDO主要由乙二醇和甲醇于Cu₂O(111)表面通过Guerbet醇缩合反应生成,具体包括醇脱氢、羟醛缩合以及不饱和醛加氢三个过程。Cu₂O(111)表面Cu_us⁺及O_suf^-位点形成的Lewis酸碱对能够促进反应物、产物及反应中间体的吸附且对于1,2-PDO生成过程的整体催化活性更高。Cu₂O(111)表面的O_suf^-位点是醇类脱氢生成醛、羟醛缩合过程中生成烯醇物种以及不饱和醛类中间体加氢的主要活性中心,而C-C偶联反应则发生在Cu...     

制备丙二醇的绿色方法——甘油催化氢解

以新课标高中化学中醇的化学性质和酯的水解反应知识为切入点,介绍一种符合绿色化学理念的丙二醇制备法——甘油催化氢解的基本原理和3种主要机理,供一线教师用于高中化学教学实践。     

Ni掺杂的Cu-ZnO催化剂甘油加氢反应性能

采用浸渍法制备了Ni掺杂的Cu-ZnO催化剂,采用多种物理化学手段研究了其化学物理性质及甘油加氢制取1,2-丙二醇反应催化性能。结果发现,金属Ni助剂的引入可以进一步优化Ni-Cu-ZnO催化剂的甘油加氢生成1, 2-丙二醇的反应活性。少量金属Ni的加入,Ni-Cu-ZnO催化剂的甘油转化率变化不大,生成1, 2-丙二醇的选择性明显增加。而进一步增加Ni含量到n_Ni/n_Cu=0.5,Ni含量过高会导致Ni-Cu-ZnO催化剂中实际Cu原子的量减少,从而导致甘油转化率下降。Ni掺杂的Cu-ZnO催化剂甘油加氢性能稳定性较好,在反应102 h后没有明显变化。     

Ni掺杂的Cu-ZnO催化剂甘油加氢反应性能

采用浸渍法制备了Ni掺杂的Cu-Zn O催化剂,采用多种物理化学手段研究了其化学物理性质及甘油加氢制取1,2-丙二醇反应催化性能。结果发现,金属Ni助剂的引入可以进一步优化Ni-Cu-Zn O催化剂的甘油加氢生成1,2-丙二醇的反应活性。少量金属Ni的加入,Ni-Cu-Zn O催化剂的甘油转化率变化不大,生成1,2-丙二醇的选择性明显增加。而进一步增加Ni含量到nNi/nCu=0.5,Ni含量过高会导致Ni-Cu-Zn O催化剂中实际Cu原子的量减少,从而导致甘油转化率下降。Ni掺杂的Cu-Zn O催化剂甘油加氢性能稳定性较好,在反应102 h后没有明显变化。     

衍生化气相色谱法检测3-氨基-1,2-丙二醇

冰水冷却下将3-氨基-1,2-丙二醇加入到衍生化试剂三氟乙酸酐中,充分振荡,50℃反应30min,冷至室温后直接进气相色谱检测,面积归一法定量。在选定的实验条件下,加标回收率大于99%,测定峰面积的相对标准偏差为0.6%。该方法也可应用于3-氯-1,2-丙二醇、2-氨基-1,3-丙二醇、1,3-二氨基-2-丙醇等其它高粘度物质的检测。     

La修饰的Co-B非晶态催化剂用于乳酸乙酯选择性加氢制1,2-丙二醇

用化学还原法制备了La修饰的Co-B非晶态合金催化剂(Co-La-B),并考察了其在乳酸乙酯液相加氢制1,2-丙二醇(1,2-PDO)反应中的催化性能.通过X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、比表面积测定(BET)、差示扫描量热(DSC)、电感耦合等离子发射光谱(ICP-OES)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气化学吸附、氢气程序升温脱附(H2-TPD)等手段对催化剂进行表征,研究了稀土助剂La对Co-B催化剂催化性能的影响.结果表明,活性组分Co以元素态和氧化态两种形式存在于Co-La-B非晶态合金催化剂中,催化剂中存在B向Co的电子转移,富电子的Co用于活化氢,氧化态形式存在的La3+促进了B向Co的电子转移;适量的La能提高催化剂的热稳定性,显著减小催化剂粒径,使催化剂形成更加单一的Co吸附活性位,有利于吸附活化的氢促进加氢反应进行.在氢气压力6 MPa,反应温度433 K,反应时间9 h的条件下,0.5%Co-La-B催化剂表现出最优的催化加氢性能,乳酸乙酯的转化率达到99.7%,1,2-丙二醇的选择性达到98.5%.     

Au促进Pt/WO3催化甘油氢解制1,3-丙二醇

近年来, 以生物质为基础的生物柴油得到了迅速发展, 导致了粗甘油过剩. 通过甘油选择性氢解制1,3-丙二醇, 进而被用于合成高价值的聚对苯二甲酸丙二醇酯被认为是最具工业应用潜力的反应之一, 对于提高生物柴油的利用效率有着极其重要的意义. 但由于反应空间位阻和热力学上的限制给甘油氢解制1,3-丙二醇带来了很大的挑战, 因此需要设计高活性的金属-酸双功能催化剂以降低甘油第二个C-O键断裂的活化能和减少其他副反应的发生. 目前Pt-W和Ir-Re双功能催化剂可高选择性制得1,3-丙二醇, 但仍需较严苛的反应条件实现对氢气的活化和解离. 本课题组曾将准单原子/单原子Pt高度分散于具有大量氧空位和酸位点的WOx载体上, 十分有利于甘油选择性氢解制1,3-丙二醇反应; 在Au-Pt/WOx催化剂中添加Au可促进B酸产生, 进而提高了甘油转化率和1,3-丙二醇的选择性.为了进一步研究Au对Pt/WOx催化剂结构和催化性能的影响, 本文利用CTAB辅助吸附法制备了Au/WO3, 再浸渍Pt制得Pt/Au/WO3双金属催化剂. 在甘油选择性氢解制1,3-丙二醇反应中, 所制催化剂表现出比Au-Pt/WOx更好的催化活性, 1,3-丙二醇时空收率为0.078 g1,3-PDO/(gcat·h), 是后者的1.95倍. 值得一提的是, Au-Pt/WOx催化剂在低压时活性较高, 而Pt/Au/WO3催化剂活性则在压力的升高而提高; 另外反应温度的升高导致副产物正丙醇的选择性上升, 1,3-丙二醇的选择性降低. 因此, 适宜的反应条件为155℃和5 MPa. 与Pt/WO3和Pt/WOx相比, Pt/Au/WO3表现出了更优异的催化性能, 其1,3-丙二醇的时空收率是Pt/WO3的2.36倍和Pt/WOx的4倍.为了探究Au的掺入对Pt/WOx催化剂性能的影响, 通过XRD, TEM, H2-TPR和XPS等技术对催化剂进行了深入表征. 结果表明, 与Pt/WO3相比, Pt/Au/WO3-600催化剂的XRD衍射峰向小角度偏移, 其原因是Au3+离子半径(0.85 ?)比W6+的(0.60 ?)大, Au3+以取代晶格W6+形式进入WO3晶格中; 对H2-TPR前300 ℃耗氢量的计算可知:Pt/WO3可被还原至Pt/WO2.96, 而Pt/Au/WO3可被还原至Pt/Au/WO2.91. 因此与Pt/WO3相比, Pt/Au/WO3表面氧空位更加丰富. TEM和XPS表征可知, 添加0.1 wt%Au后, 促进了更低价态的Pt均匀分散在WO3载体上, 其平均粒径为2.36 nm.综上所述, Au的掺杂改变了Pt/Au/WO3双金属催化剂的结构, 不仅降低了Pt和W的还原温度, 削弱了Pt和W之间的相互作用, 也促进了更低价态的Pt均匀分散于WO3载体上, 使得Pt/Au/WO3双金属催化剂在甘油氢解制1,3-丙二醇反应中具有更为优异的活性和产物选择性. 该催化剂有望被广泛运用于其他生物质平台化合物加氢脱氧的反应中.     

助剂对铂-钨催化剂体系催化氢解甘油制1,3-丙二醇性能的影响

甘油作为生物柴油产业的副产物大量过剩,通过甘油氢解制备具有高附加值的丙二醇既符合原子经济的原则,又具有重要的学术意义和应用价值.尤其是选择氢解制得1,3-丙二醇,因其产物在新型聚酯材料合成中不可替代的作用而备受关注,被认为是最具工业应用潜力的甘油转化工艺之一.目前,可高选择性制得1,3-丙二醇的催化剂体系主要是为铱-铼催化剂和铂-钨催化剂两类.前期工作表明,氧化钨担载的铂单原子/准单原子催化剂(Pt/WOx)具有优异的低压活性(1 MPa氢气)和1,3-丙二醇时空收率.然而在该温和条件下,催化产物仍然以过度氢解的产物正丙醇为主.一般来讲,引入助剂可以通过改变活性组分的电子结构、覆盖不利反应位点、调变载体表面化学性质等来改变催化剂的催化活性、选择性和稳定性.我们以单原子/准单原子催化剂Pt/WOx和担载型催化剂Pt/WOx/Al2O3为催化剂母体,引入过渡金属和贵金属助剂,考察助剂对氢解反应活性和选择性的影响,并对比有无氧化铝载体时助剂对反应活性的影响.对于Pt/WOx体系,La和Fe的引入有助于甘油转化率和1,3-丙二醇选择性的提高,同时也明显地提高了催化剂的稳定性.其中0.1％ La是最佳引入量.然而,对于担载型催化剂Pt/WOx/Al2O3,La的引入在提高1,3-丙二醇选择性的同时,甘油的转化率也有一定程度下降.但由于Pt/WOx/Al2O3催化剂的本征活性较高,通过加入助剂提高1,3-丙二醇的选择性在实际应用中更为重要.表征分析表明,无论对于Pt/WOx还是Pt/WOx/Al2O3催化剂,大部分的La都在Pt颗粒上;同时La的引入提高了催化剂的酸量.在贵金属助剂中,Ru,Ir改性的Pt/WOx和Pt/WOx/Al2O3催化剂上,1,3-丙二醇的收率均有所降低,Ru助剂的降低幅度较小.相反,助剂Rh对Pt/WOx和Pt/WOx/Al2O3催化剂上反应性能的影响截然不同:Rh/Pt/WOx催化剂上1,3-丙二醇的收率从13.1％降到8.7％,Rh/Pt/WOx/Al2O3的1,3-丙二醇收率从31.5％略升到32.4％.另外,由于前期研究表明助剂铝的担载顺序对催化活性有重要影响,因此我们对铂、钨、铝的担载顺序进行了考察.研究表明,在活性组分铂上担载铝或钨物种对催化活性有一定程度的抑制;催化剂体系中钨的含量直接影响甘油的转化率和产物的选择性;含量过少时,甘油转化率极低并以1,2-丙二醇为主要产物.虽然大部分助剂对铂-钨催化剂体系没有明显的促进作用,但是助剂的添加通常可以抑制活性组分的烧结、提高催化剂的稳定性;因此,我们筛选出的La,Fe,Re,Ru,Rh等助剂仍具有深入研究的价值和工业应用的潜力.     

Pt/Nb-WOx催化甘油选择氢解制1,3-丙二醇: Nb掺杂抑制WOx的过度还原

随着生物柴油产业的快速发展, 甘油作为副产物大量过剩, 通过甘油氢解制备具有高附加值的丙二醇既符合原子经济的原则, 又具有重要的学术研究意义和应用价值. 其中选择氢解制备1,3-丙二醇, 因其产物在新型聚酯材料合成中的重要应用而备受关注, 被认为是最具工业应用潜力的甘油转化工艺之一. 但是由于反应空间位阻效应和热力学上的限制, 甘油氢解制备1,3-丙二醇仍存在很大的挑战. 目前, 可高选择性制得1,3-丙二醇的催化剂体系主要是铱-铼催化剂和铂-钨催化剂两类; 且反应通常需要较苛刻的压力. 在我们的前期工作中, 单原子/准单原子Pt催化剂(Pt/WOx)成功突破了这一压力壁垒, 实现了在较低(1 MPa)氢气压力下优异的甘油选择氢解制1,3-丙二醇活性; 但是该催化剂的耐压性能较差, 是长期反应后失活的一个主要原因, 且随着氢气压力的进一步升高, Pt/WOx催化剂活性大幅下降. 研究发现, 在高压氢气下, 单原子/准单原子催化剂Pt/WOx中的WOx易被过度还原, 导致催化剂失活, 大大限制了该系列单原子催化剂在涉氢催化反应中的应用. 因此, 通过载体改性设计制备具有良好氢气稳定性的载体, 有可能拓宽催化反应的氢压窗口.一般来讲, 可以通过掺杂来改变载体的电子结构、表面化学性质等, 进而改变催化剂活性、选择性和稳定性. 为了提高单原子/准单原子催化剂(Pt/WOx)在高压氢气中的稳定性, 本文采用原位掺杂法制备了一系列具有不同掺杂量、结构、及物化性质的Nb-WOx载体, 并通过物理吸附, XRD, SEM, HRTEM, Raman, XPS对其进行表征. 结果发现Nb掺杂的介孔WOx仍保持较高的比表面积(~136 m2/g); 且当Nb掺杂量增加至2 wt%时, WOx由一维针状堆积转变为二维片状堆积;至5 wt%时,变为三维球状堆积. 以所得的Nb-WOx为载体, 我们制备了一系列Pt高度分散的Pt/Nb-WOx催化剂, 并考察了其在甘油选择性氢解制备1,3-丙二醇反应中的催化性能. 结果表明, 当H2压力由1 MPa升到5 MPa后, Pt/WOx催化剂上1,3-丙二醇的收率由13.9%急剧下降到8.3%; 但随着Nb掺杂量的增加(>2wt%), 1,3-丙二醇的收率随压力升高并没有明显变化, 说明该催化剂在高压氢气下的过度还原被有效抑制, 反应的最佳氢气压力由1 MPa拓宽到5 MPa. 其中, Nb的最佳掺杂量为2 wt%, 在Pt/2%Nb-WOx催化剂上1 MPa甘油氢解转化率为40.0%, 1,3-丙二醇收率11.9%; 当氢气压力为5 MPa时, 甘油氢解转化率为40.3%, 1,3-丙二醇收率11.1%. 值得一提的是, 虽然Nb的掺杂使WOx的表面酸量增加, 并且表现出了更优的酸催化纤维二糖水解活性, 但是在甘油氢解制备1,3-丙二醇的反应中Pt/Nb-WOx催化剂的性能并没有得到提升反而略有下降, 进一步证实了催化剂本身的表面酸性位并不是催化甘油选择氢解的活性中心, 真正的活性中心很可能是氢气辅助下原位产生的B酸.对WOx载体进行Nb的掺杂改性, 显著提高了单原子/准单原子Pt/WOx催化剂在高压氢气反应条件下的稳定性, 进而在更宽压力范围内实现了甘油氢解制1,3-丙二醇的高效催化转化. 同时, 载体的改性也拓宽了该系列催化剂在其他涉氢反应中的应用范围, 尤其是需要较高氢气压力的反应.     

不同载体负载Cu催化剂上甘油氢解制1,2-丙二醇催化性能的研究

采用等体积浸渍法合成了一系列不同载体负载的Cu基催化剂,并研究了其在甘油氢解反应中的催化性能。借助X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H₂-TPR)和氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)等手段对催化剂进行了表征,同时考察了反应温度、反应压力、反应时间和催化剂重复使用次数对其催化性能的影响。结果表明,载体对催化剂反应性能影响较大,且甘油氢解反应需要适当的酸性;当在催化剂8Cu/γ-Al₂O₃用量为反应原料质量的2.5%、反应温度513 K、反应压力6 MPa、反应时间6 h、反应原料为质量分数为10%的甘油水溶液的条件下,其催化效果最优,甘油转化率最高为88.4%,1,2-丙二醇的选择性可达到86.2%,且催化剂显示了良好的稳定性。     

ZnO与骨架NiMo物理混合用于丙三醇催化重整-氢解制1,2-丙二醇

以骨架NiMo以及与氧化物物理混合, 考察了其在连续固定床反应器中无外加氢气条件下的丙三醇一锅法重整-氢解制1,2-丙二醇(1,2-PDO)的性能.研究发现, 骨架NiMo自身催化活性高, 但对1,2-PDO的选择性一般.当将其与MgO, SiO₂, Al₂O₃, HZSM-5, TiO₂, ZrO₂或CeO₂机械混合时, 丙三醇转化率和1,2-PDO选择性均发生下降.但当与ZnO物理混合时, 催化活性和选择性均有所提高, 1,2-PDO得率可达52.0%, 优于贵金属催化剂在该一锅法反应中得到的结果.物理混合的ZnO与骨架NiMo之间这种独特的协同作用, 归因于重整过程中产生的CO₂在ZnO上发生化学吸附, 原位增强了ZnO的路易斯酸性.这不仅促进了丙三醇在ZnO上脱水生成中间产物丙酮醇, 也促进了丙酮醇在骨架NiMo上加氢生成1,2-PDO.     

甲酸为氢源的甘油催化选择氢解

以甲酸作为氢源, 采用铜基复合金属氧化物催化剂, 催化氢解甘油制备1,2-丙二醇, 其中液相甲酸的高选择性分解是实现甘油氢解的必要和关键步骤. 活性测试表明, 高分散的铜和ZrO₂载体间的协同作用对甲酸分解和甘油到1,2-丙二醇的转化至关重要, 20%Cu/ZrO₂催化剂的活性最佳. 由于避免使用相对昂贵的化石燃料氢, 因而该催化体系在生物质的高值利用方面具有潜在的应用前景.     

Determination of the enantiomers of 3-tert.-butylamino-1,2-propanediol by high-performance liquid chromatography coupled to evaporative light scattering detection

A method for the separation and quantitation of the enantiomers of 3-tert.-butylamino-1,2-propanediol by high-performance liquid chromatography and evaporative light scattering detection has been developed. Separation of the enantiomers was performed in normal-phase liquid chromatography on a Chiralpak AS chiral stationary phase. The influence of the gas nature, gas pressure and temperature of the drift tube of the evaporative light scattering detector on the detection sensitivity was investigated. The method was validated in terms of linearity, limit of quantitation, accuracy and precision. The enantiomeric excess of (S)-3-tert.-butylamino-1,2-propanediol, used for the industrial synthesis of (S)-timolol, was measured from 0 to 94%.     

Determination of the enantiomers of 3-tert.-butylamino-1,2-propanediol by high-performance liquid chromatography coupled to evaporative light scattering detection

A method for the separation and quantitation of the enantiomers of 3-tert.-butylamino-1,2-propanediol by high-performance liquid chromatography and evaporative light scattering detection has been developed. Separation of the enantiomers was performed in normal-phase liquid chromatography on a Chiralpak AS chiral stationary phase. The influence of the gas nature, gas pressure and temperature of the drift tube of the evaporative light scattering detector on the detection sensitivity was investigated. The method was validated in terms of linearity, limit of quantitation, accuracy and precision. The enantiomeric excess of (S)-3-tert.-butylamino-1,2-propanediol, used for the industrial synthesis of (S)-timolol, was measured from 0 to 94%.     

Non-symmetric chiral nematic liquid crystal dimers containing trifluoromethyl and 1,2-propanediol

ABSTRACT

A series of non-symmetric liquid crystal (LC) dimers with the same chiral core 1,2-propanediol (PD) have been synthesised, termed as ABBA-PD-TFBA, PBBA-PD-TFBA, ABA-PD-TFBA, PBA-PD-TFBA and AA-PD-TFBA, respectively, in which one of the two mesogenic groups, the fluorinated mesogenic unit, was kept fix and the other arm was different. The intermediate compounds and LC dimers were characterised by FTIR, ¹H NMR, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, polarised optical microscopy and X-ray diffractometer (XRD). The results of the measurements indicated that ABBA-PD-TFBA, PBBA-PD-TFBA and ABA-PD-TFBA displayed optical activity and enantiotropic chiral nematic phase, and PBA-PD-TFBA was an enantiotropic nematic LC while AA-PD-TFBA was a monotropic LC, displaying both nematic phase and smectic A phase on cooling. The results indicated that PD was able to induce the chiral nematic phase, nevertheless, the rigidity of the mesogenic arm, the flexibility of the terminal group and even the type of the terminal chemical bond played an important effect on the thermal properties of the dimers, and even on the formation of the chiral nematic phase. It is also worth noting that C=C at the terminal helped to stabilise the LC phase.     

气相色谱法测定甘油与盐酸反应过程的混合物

采用气相色谱方法分析了甘油与盐酸反应过程中的主要物质. 使用KB-WAX毛细管柱及FID检测器, 以乙二醇作内标和甲醇定容, 并用内标法计算. 结果表明, 在程序升温下, 气相色谱内标法能使GLY, DCP, CPD等几种物质达到基线分离, 该方法能满足测试要求.