氮掺生物质基功能材料的构建及其催化秸秆合成吡咯衍生物

Crop straws, as one of dominant agricultural wastes, are abundant in China. Effectively increasing the utilization rate of straw biomass can not only solve the environmental problems caused by straw waste or incineration, but also save resources and improve their economic value. Among various nitrogen-containing compounds, pyrrole derivatives are an important class of five-membered nitrogen-containing heterocyclic compounds. Apart from excellent biological activity, they are also widely used in polymers, catalysts, dyes, foods, and other relevant fields. The present proposal intends to develop green and efficient transformation approaches to catalyze the synthesis of pyrroles from straw and related derivatives, aiming to construct N-doped bio-based multifunctional catalysts. Emphasis is laid on the design and preparation, structural identification, and catalytic activity evaluation of functional carbonaceous materials, together with optimization of catalytic systems and reaction parameters. In addition, the reaction mechanisms or pathways of specific catalytic systems will be investigated by isotope labeling studies, in situ characterization techniques, density functional theory (DFT) simulation calculation, and so on, so as to develop high-efficiency while green processes and catalytic systems for the preparation of biomass-based valuable pyrrole compounds via rational construction of carbon-carbon and carbon-nitrogen bonds.

农作物秸秆资源在我国较为丰富，有效提高秸秆生物质资源的利用率，不仅能解决秸秆废置或焚烧造成的环境问题，而且可以节约资源、提高秸秆的经济价值。在众多含氮化合物中，吡咯衍生物是一类重要的五元含氮杂环化合物，除具备优良的生物活性外，还广泛应用于高分子、催化剂、染料、食品等领域。本项目拟以开发绿色、高效的转化路径用于催化秸秆及其衍生物合成吡咯类化合物为研究任务，针对性构建氮-掺杂生物质基多功能催化剂，重点开展功能碳基材料的设计制备、结构鉴定和催化活性研究，并优化催化体系和反应参数。同时，将运用同位素标记、原位表征、密度泛函数理论模拟计算等手段探讨特定催化体系的反应机理或历程，以期通过合理构建碳-碳和碳-氮键研发出高效制备生物质基高附加值吡咯衍生物的绿色工艺流程以及催化体系。

农作物秸秆资源在我国较为丰富，有效提高秸秆生物质资源的利用率，不仅能解决秸秆废置或焚烧造成的环境问题，而且可以节约资源、提高秸秆的经济价值。在众多含氮化合物中，吡咯衍生物是一类重要的五元含氮杂环化合物，除具备优良的生物活性外，还广泛应用于高分子、催化剂、染料、食品等领域。本项目构建出一系列高效且结构稳定的生物质基N-掺碳基功能材料，成功应用于合成30余种生物质基含氮化合物（包括：吡咯衍生物、苯并咪唑类以及内酰胺类化合物），并优化出与其相辅的催化剂制备方法及多步级联或原位合成催化路径或体系。同时，筛选出具有较高抗菌生物活性的生物质基苯并咪唑类化合物。针对碳氮键构建及其级联反应过程，探讨N-掺多功能碳基材料的结构与催化活性之间的变化规律，提出该类催化剂多活性中心的作用机制、活性调控方法等。结合控制实验，运用同位素标记实验、DFT计算等揭示了催化生物质衍生物转化为含氮化合物的催化机理。此外，发展了一种催化纤维素及其衍生物（如乙酰丙酸）制备内酰胺化合物（如吡咯烷烃）的绿色清洁转化技术。基于上述研究，以第一或通讯作者发表SCI论文11篇（其中8篇IF>10），均标注项目为第1资助号，主编专著2部；获得中国专利授权1件，新申请专利2件。