金属卟啉仿生催化降解木质素制备单苯环类化合物

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhouheknight
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随着工业的快速发展,对资源和能源的需求量日益增加,能源短缺和环境污染问题日益严重,寻求替代化石资源的生物质资源和能源的开发利用引起了广泛的关注。木质素作为自然界含量丰富且含有芳香族的高分子聚合物,通过降解制备单苯环类化合物,进而制备大宗化学品和液体燃料,对高效利用生物质能源,减少对化石能源的依赖具有重大意义。本文采用Adler法合成5,10,15,20-四苯基卟啉(TPP),通过调控TPP苯环上的取代基团(甲基、甲氧基、溴基、羧基等),中心金属(Co、Fe、Mn和Ni)及轴向配体(氯、4-羟基吡啶,甲醛-4-吡啶)对金属卟啉进行改性。在此基础上,以金属卟啉为催化剂,采用NaOH-H2O2体系在微波反应器中催化氧化降解木质素制备单苯环类化合物。研究发现,吸电子基团能够降低金属卟啉电子云密度从而促进活性中间体[(Porp)MeIV=O]的形成。Mn由于会形成不稳定的[(Porp)MnV=O]以及Fe会形成μ-氧二代体(FeIII-O-FeIII),Ni难以形成[(Porp)NiIV=O],这些都会造成活性中间体的减少,导致对木质素降解活性的下降。通过改变金属卟啉的轴向配体,发现5,10,15,20-四(4-溴基苯基)钴-4-羟基吡啶金属卟啉(CoPPyOH)对木质素降解获得的单苯环类化合物最高,为24.3%。但是由于配体与中心金属结合键不够稳定,轴向配体金属卟啉的循环性能并不好,但氯轴向配体CoTBrPPCl具有良好的循环性。获得优选的CoTBrPPCl催化H2O2氧化降解木质素制备单苯环类化合物的工艺为:木质素0.1 g,10 mL NaOH溶液(1 mol/L)与2 mL异丙醇体系,催化剂0.02 g,反应温度150 oC,微波反应时间60 min。在优化的工艺参数条件下,木质素降解率可达91.1%,单苯环类化合物收率(YAM)可达20.1%,相对于传统催化剂,CoTBrPPCl使单苯环类化合物大大提高。结合木质素降解得到的单苯环类化合物的选择性以及收率、木质素降解残渣中的官能团和化学键的变化,及金属卟啉降解不同类型的木质素模型物(β-O-4和5-5’)的结果,推测金属卟啉降解机理。金属卟啉主要通过活性中间体[(Porp)CoIV=O]作用于木质素,进行木质素结构单元的芳核氧化以及侧链氧化,促使各连接键的断裂,增加单苯环类化合物产率,为提高单苯环类化合物收率提供理论指导。
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