山梨醇脱水制异山梨醇金属磷酸盐催化剂仿酶结构设计及可控合成

异山梨醇是重要的药物中间体和新型聚合物单体，目前采用效率低分离成本高的均相酸催化工艺生产。本课题以山梨醇在多孔金属磷酸盐表面催化脱水制备异山梨醇为对象，研究从孔结构到孔内仿酶活性中心的设计与可控合成。在本项目的实施过程中，主要进行三方面工作：首先研究在金属磷酸盐催化剂表面山梨醇催化脱水动力学模型；其次求解关联动力学模型、反应物和产物分子结构参数、催化剂孔结构参数和催化剂效率因子的多孔介质网络模型，获得最优孔结构参数；第三，通过纳米材料合成手段合成目标孔结构的金属磷酸盐催化剂，同时在孔内构筑仿酶结构活性中心，如多位点弱相互作用、亲水/憎水调节、酸碱性、活性位空间分布、助剂效应等，通过各种物理化学研究方法建立山梨醇分子在仿酶催化活性中心的吸附反应模型。该项目期望通过集成化学工程基本原理与材料制备科学，实现催化剂多尺度的设计与合成，并进而为建立生物质分子高效催化转化过程提供科学基础。

以山梨醇为代表的多元醇催化转化是催化领域以及生物基化学品领域的重要研究课题，对于发展可持续化学工业有重要意义，是目前国内外研究的热点。而在多元醇转化过程中多相催化剂的设计以及催化反应化学认识是至关重要的。本课题以山梨醇催化脱水合成异山梨醇为研究对象，考察了金属磷酸盐、金属硫酸盐以及负载型金属氧化物系列固体酸催化剂的合成、结构表征以及催化性能，建立了山梨醇催化脱水反应动力学模型并对模型进行了试验验证；以金属硫酸盐为起始物，考察了热处理参数对催化剂表面结构以及催化性能的影响，明确了硫酸根改性氧化物固体酸催化剂的热处理与结构之间的关联；在催化剂表面酸性和孔道结构设计与可控合成方面，创新性地发展了溶液还原合成不饱和氧配位的金属氧化物活性中心，通过金属离子与高分子表面活性剂的共组装合成了介孔结构的铌酸催化剂，结果表明介孔结构铌酸具有更大的酸量以及更好的低温反应活性；为了明确邻位仲羟基的反应活性以及位阻效应，选择2，3-丁二醇为反应物，考察了不同亲水性的ZSM-5分子筛催化剂对2，3-丁二醇的催化性能，引入B元素对催化剂进行结构调变，建立了2，3-丁二醇催化脱水过程的反应机理以及催化剂的构效关系。