固体酸纳米反应器的构建及其在5-羟甲基糠醛制备中的应用研究

5-hydroxymethylfurfural is the most potential platform chemical compound. According to the characters of 5-HMF preparation, we can construct nanoreactors with both different support materials and active sites by using mesoporous materials as supporting materials. Through the adjustment of synthesis parameters we can control the pore structure,pore diameter, surface area,pores chemistry,active sites distribution,active sites quntity of the nanoreactors.Combine the result of catalytic evaluation and characterization we can get the desired nanoreactors.We will use the resultant nanoreactors to calalyze the dehydration reaction of fructose. The desired conversion of fructose should be over 98%, and the selectivity of 5-HMF should be over 96%. Even after 5 runs the value of conversion and selectivity should not be lower than 95% of the initial one. The nanoreactors, which show good catalytic performance,will also be used to catalyze the reaction of fructan. The desired yield of 5-HMF should be over 85%. Even after 5 runs the value of yield should not be lower than 95% of the initial one.

5-羟甲基糠醛（5-HMF）是近年来公认的最具发展潜力及代表性的新型平台化合物。本申请项目中，针对制备5-HMF的反应特点，以介孔纳米材料为载体，构建具有不同载体材料及不同活性位的固体酸纳米反应器，通过调整合成参数，可以有效调控所得固体酸纳米反应器的孔结构、孔径、比表面积、孔道内外表面的化学性质、酸位分布、酸量等参数，并结合催化性能评价和表征结果，开发高性能固体酸纳米反应器。以果糖为目标反应物，所得性能优良的固体酸纳米反应器为催化剂，应达到果糖初次转化率98%以上，及5-HMF选择性96%以上；5次循环反应后，果糖转化率及5-HMF选择性不低于初始值的95%。选出果糖转化率和5-HMF选择性达到目标要求的固体酸纳米反应器，以菊糖作为目标反应物，一步反应制备5-HMF，使初次反应5-HMF收率达85%以上；5次循环反应后，5-HMF的收率不低于初始值的95%。

5-羟甲基糠醛（5-HMF）的分子中含有一个醛基和一个羟甲基，具有芳醇、芳醛的结构,并且拥有吠喃环体系,因此其化学性质比较活泼，是近年来公认的最具发展潜力及代表性的新型平台化合物。本项目中通过Zr(Ⅳ)离子及TMB的引入制备出孔道长度缩短孔径扩大的有序介孔二氧化硅材料，通过适量葡萄糖在其孔道中的填充及高温煅烧，制备得到有序介孔二氧化硅/碳固体酸纳米反应器，并表现出较高的5-HMF产率及出色的循环稳定性，使其具备了一定的产业化实用基础，对拓展5-HMF在特定领域的应用也起到非常积极的作用。结合结构表征和催化性能评价的结果得出无定型碳层在介孔孔道中的均匀负载即有利于反应物与活性位的接触也利于反应物和目标产物在孔道中的扩散，从而提高其催化活性。在有序介孔有机硅固体酸纳米反应器的优化构建中，发现调整TEOS与MPTMS的比率以及扩孔剂TMB的量可以有效平衡活性位的量与适宜孔道结构之间的关系，从而构建出性能最优的固体酸纳米反应器，为有序介孔有机硅固体酸纳米反应器的构建以及在其它催化反应中的应用提供了非常有意义的借鉴。有序介孔二氧化硅/高分子固体酸纳米反应器的构建过程中，通过模板法使得无定型二氧化硅与酚醛树脂有效地结合在一起，研究结果表明，二氧化硅的引入对于提高固体酸纳米反应器的催化活性没有作用，影响催化活性的主要因素是与活性位相连的酚醛树脂，所得催化剂的活性随着酚醛树脂量的增加而提高，这是因为活性位-SO3H是与酚醛树脂中芳香碳环中的C原子相连接。在该项目的支持下已发表SCI 论文7篇，会议论文5篇，申请公开1项发明专利，培养在读研究生1名，本科生2名。