专利名称：负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备芳香醛化合物的方法，更具体地说涉及一种负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法。
背景技术：
当前能源与环境问题日益成为全球关注的焦点，化石资源的无节制开采利用，不仅给人类赖以生存的环境造成严重污染，而且逐渐耗竭其资源量，因此，寻求其替代资源势在必行。生物质作为可以转化液体燃料及化学品的可再生资源，基本不含硫，对环境影响小，已经受到了世界各国的广泛关注。作为生物质的重要组成部分之一，木质素是是一种复杂的天然芳香含氧苯丙烷单体的三维网状聚合物，其分子量从几千至几十万，质量一般占生物质组分的15wt%-40wt%，仅次于纤维素。木质素具有高热能，分子中的碳氢质量分数高 达70%-80%。木质素是以苯丙烷为主体，含有丰富侧链的复杂多聚体，具有芳香族和脂肪族特性，因此可以用来代替石油和天然气制造化学品。工业木质素主要来源于制浆造纸工业的废液，全球每年来自造纸业的木质素量约为5000万吨，其中只有很少一部分得到有效利用，而大部分的木质素多是作为废料排放，在发展中国家这一问题尤其突出。所以，将木质素催化热解成芳香族化合物，尤其是制备高价值的芳香醛类化合物的研究倍受关注。中国专利CN201110033698. 3，专利名称为“利用木质素氧化降解制备丁香醛的方法”公开了一种木质素先氧化降解，再甲氧基化反应制得丁香醛的方法，产率达50%-60%，但该工艺路线复杂，设备投资大，且采用亚铜盐催化造成催化剂无法回收，污染环境。因此需要研制开发一种新的方法以解决其存在的问题与不足。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其制备方法简便有效，反应时间短，克服了现有技术的工艺复杂、产品收率低等不足，同时该催化剂对木质素催化降解制备芳香醛化合物有很好的催化效果。本发明的技术方案如下本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其包括有以下步骤I)催化剂制备采用浸溃法制备负载型固体酸催化剂，该催化剂是由载体和路易斯酸盐组成，路易斯酸盐负载在载体上，所述的载体为分子筛，路易斯酸盐的负载量为2 35wt% ；2)物料制备将木质素粉碎至10目-20目粒度并干燥；3 )微波催化氧化降解将步骤I)和步骤2)所得催化剂及物料装入石英反应器进行微波催化氧化降解，具体步骤如下向O. 5-5mol/L的NaOH溶液中加入10_200g/L步骤2)处理后的物料，然后投加10-100g/L步骤I)制备的氧化催化剂，随后将反应器置入微波热解器中，通入O. I-ο. 2MPa氮气保护，赶走石英反应器和冷凝管中的空气；开启微波，调节微波功率，使反应器内底物温度维持在100-200°C之间，通入氮气使反应器总压力达到I. 5-2. OMPa ;然后迅速切换为氧气，调节总压力为2. 0-4. OMPa，同时开启搅拌，搅拌速度为600_1200rpm ;在氧气条件下搅拌反应5-15min后，得到对羟基苯甲醛、香兰素、丁香醛的芳香醛混合物溶液。本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其进一步的技术方案是所述的催化剂制备包括以下步骤①选用分子筛作为载体；②将路易斯酸盐溶于有机溶剂中；③在N2保护下，将载体用路易斯酸盐溶液回流浸溃4 24小时，真空抽滤、洗涤，·30°C下真空干燥I 2小时；④再将其放入马弗炉中，300 600°C下焙烧3 6小时即得该负载型固体酸催化剂。本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其进一步的技术方案还可以是所述的路易斯酸盐的负载量为5 30wt%。本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其进一步的技术方案还可以是所述的路易斯酸盐为过渡金属卤化物或Al、Mg、Be的金属卤化物或NH4C1、NH4Br中的任意一种或者两种以上的混合，两种或两种以上的混合时，为任意配比；更进一步的技术方案是所述的过渡金属卤化物为CoCl2、CoBr2, SnCl2, FeCl2, FeBr2, FeCl3、ZnCl2,ZnBr2^MnCl2, CuCl2, CuBr2, CdCl2,NiCl2,NiBr2, CrCl3> CrBr3 或 CrCl4 ;更进一步的技术方案还可以是所述的Al、Mg、Be的金属卤化物为AlCl3、Alfc3、MgC12、MgBr2、BeCl2或Befov本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其进一步的技术方案还可以是所述的分子筛为瓜3] -5、册、!1-86丨&、384-15、]\01-41、34 0-14成型沸石分子筛。本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其更进一步的技术方案还可以是所述的有机溶剂为氯仿或四氯化碳，有机溶剂的用量为路易斯酸盐质量的50 500倍。本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其更进一步的技术方案还可以是用分子筛作为载体时，先将分子筛进行预处理，步骤如下将分子筛研磨、筛分40 60目后，置于马弗炉中，以TC /min的升温速率经程序升温至550°C焙烧3小时，制得分子筛，置于干燥器中备用。本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其进一步的技术方案还可以是所述的微波频率为2. 45GHz，微波功率为20(Tl000W。本发明利用微波的化学效应，采用负载型固体酸催化剂，以微波作为加热源进行木质素热解。在路易斯酸催化剂和微波场的作用下，木质素分子结构中的碳碳醚键断裂成小分子芳香烃类物质，同时芳香烃侧链的羟基被选择性氧化成醛基。与现有技术相比，本发明有益效果在于
本发明利用微波化学效应以及路易斯酸催化原理，实现芳香醛类化合物的高选择性产出。本发明的芳香醛化学品收率达60%以上，与常规酸水解相比，热解反应时间明显缩短，5-20分钟即可完成。本发明具有工艺简单、反应迅速、芳香醛选择性高等特点。
具体实施例方式以下通过具体实施例说明本发明，但本发明并不仅仅限定于这些实施例。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所 述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。喊木质素购于Sigma-Aldrich公司。实施例I将NH4Y成型沸石分子筛研磨、筛分40-60目后，置于马弗炉中，以3°C /min的升温速率经程序升温至550°C焙烧3小时，制得HY型沸石分子筛，置于干燥器中备用。取Ig无水AlCl3溶于200ml干燥的CCl4中配制成一定浓度的AlCl3溶液，置于500ml三颈瓶中，然后加入8gHY沸石(筛剂比I :25)，N2保护下搅拌回流8小时。用标定好的KOH标准溶液吸收反应过程中生成的HCl。反应结束后，在N2气保护下趁热真空抽滤，用热CCl4洗涤、30°C下真空干燥I. 5小时、550 V焙烧3小时，得到负载型固体酸催化剂AlCl3/HY,置于干燥器中备用。取IOOg颗粒尺寸20目的原料碱木质素与5g制得的负载型固体酸催化剂AlCl3/HY装入石英反应器中，并加入IL的浓度为lmol/L的NaOH溶液。随后将反应器放置于微波热解器中，通入O. IMPa氮气保护，赶走石英反应器和冷凝管中的空气。开启微波，调节微波频率2. 45GHz、微波功率200W，使反应器内底物温度维持在150°C，通入氮气使反应器总压力达到I. OMPa ;然后迅速切换为氧气，调节总压力为I. OMPa,同时开启搅拌，搅拌速度为1200rpm;搅拌反应15min后，热解蒸汽经水冷后，收集液体产物。香兰素的产率20. 1%，丁香醛的产率33. 8%，对羟基苯甲醛的产率为8. 3%。实施例2将NH4-Beta成型沸石分子筛研磨、筛分40-60目后，置于马弗炉中，以3°C /min的升温速率经程序升温至550°C焙烧3小时，制得H β型沸石分子筛，置于干燥器中备用。取Ig无水AlCl3溶于200ml干燥的CCl4中配制成一定浓度的AlCl3溶液，置于500ml三颈瓶中，然后加入8g H-Beta沸石(筛剂比I :25)，N2保护下搅拌回流8小时。用标定好的KOH标准溶液吸收反应过程中生成的HCl。反应结束后，在N2气保护下趁热真空抽滤，用热CCl4洗涤、30°C下真空干燥I. 5小时、550°C焙烧4小时，得到负载型固体酸催化剂AlCl3/H_Beta,置于干燥器中备用。取IOOg颗粒尺寸10目的原料碱木质素与15g制得的负载型固体酸催化剂AlCl3/H-Beta装入石英反应器中，并加入IL的浓度为lmol/L的NaOH溶液。随后将反应器放置于微波热解器中，通入O. IMPa氮气保护，赶走石英反应器和冷凝管中的空气。开启微波，调节微波频率2. 45GHz、微波功率500W，使反应器内底物温度维持在120°C，通入氮气使反应器总压力达到I. OMPa ;然后迅速切换为氧气，调节总压力为I. OMPa,同时开启搅拌，搅拌速度为1200rpm ;搅拌反应15min后，热解蒸汽经水冷后，收集液体产物。香兰素的产率16. 7%，丁香醛的产率30. 3%，对羟基苯甲醛的产率为7. 9%。
实施例3将NH4Y成型沸石分子筛研磨、筛分40-60目后，置于马弗炉中，以3°C /min的升温速率经程序升温至550°C焙烧3小时，制得HY型沸石分子筛，置于干燥器中备用。取Ig无水ZnCl2溶于200ml干燥的CCl4中配制成一定浓度的ZnCl2溶液，置于500ml三颈瓶中，然后加入8gHY沸石(筛剂比I :25)，N2保护下搅拌回流8小时。用标定好的KOH标准溶液吸收反应过程中生成的HCl。反应结束后，在N2气保护下趁热真空抽滤，用热CCl4洗涤、30V下真空干燥1. 5小时、550°C焙烧3小时，得到负载型固体酸催化剂ZnCl2/HY,置于干燥器中备用。取IOOg颗粒尺寸20目的原料碱木质素与5g制得的负载型固体酸催化剂ZnCl2/HY装入石英反应器中，并加入IL的浓度为lmol/L的NaOH溶液。随后将反应器放置于微波热解器中，通入O. IMPa氮气保护，赶走石英反应器和冷凝管中的空气。开启微波，调节微波频率2. 45GHz、微波功率700W，使反应器内底物温度维持在170°C，通入氮气使反应器总 压力达到I. OMPa ;然后迅速切换为氧气，调节总压力为I. OMPa,同时开启搅拌，搅拌速度为1200rpm ;搅拌反应IOmin后，热解蒸汽经水冷后，收集液体产物。香兰素的产率11. 3%，丁香醛的产率19. 3%，对羟基苯甲醛的产率为5. 3%。实施例4将NH4-Beta成型沸石分子筛研磨、筛分40_60目后，置于马弗炉中，以3°C /min的升温速率经程序升温至550°C焙烧3小时，制得H β型沸石分子筛，置于干燥器中备用。取Ig无水ZnCl2溶于200ml干燥的CCl4中配制成一定浓度的ZnCl2溶液，置于500ml三颈瓶中，然后加入8g H-Beta沸石(筛剂比I :25)，N2保护下搅拌回流8小时。用标定好的KOH标准溶液吸收反应过程中生成的HCl。反应结束后，在N2气保护下趁热真空抽滤，用热CCl4洗涤、30°C下真空干燥I. 5小时、550°C焙烧4小时，得到负载型固体酸催化剂ZnCl2/H-Beta，置于干燥器中备用。取IOOg颗粒尺寸20目的原料碱木质素与5g制得的负载型固体酸催化剂ZnCl2/H-Beta装入石英反应器中，并加入IL的浓度为lmol/L的NaOH溶液。随后将反应器放置于微波热解器中，通入O. IMPa氮气保护，赶走石英反应器和冷凝管中的空气。开启微波，调节微波频率2. 45GHz、微波功率300W，使反应器内底物温度维持在150°C，通入氮气使反应器总压力达到I. OMPa ;然后迅速切换为氧气，调节总压力为I. OMPa,同时开启搅拌，搅拌速度为1200rpm ;搅拌反应15min后，热解蒸汽经水冷后，收集液体产物。香兰素的产率21. 4%，丁香醛的产率33. 3%，对羟基苯甲醛的产率为9. 1%。
权利要求
1.一种负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于包括有以下步骤 1) 隹化剂制备 采用浸溃法制备负载型固体酸催化剂，该催化剂是由载体和路易斯酸盐组成，路易斯酸盐负载在载体上，所述的载体为分子筛，路易斯酸盐的负载量为2 35wt% ； 2)物料制备 将木质素粉碎至10目-20目粒度并干燥； 3)微波催化氧化降解 将步骤I)和步骤2)所得催化剂及物料装入石英反应器进行微波催化氧化降解，具体步骤如下向O. 5-5mol/L的NaOH溶液中加入10_200g/L步骤2)处理后的物料，然后投加10-100g/L步骤I)制备的氧化催化剂，随后将反应器置入微波热解器中，通入O. 1-0. 2MPa氮气保护，赶走石英反应器和冷凝管中的空气；开启微波，调节微波功率，使反应器内底物温度维持在100-200°C之间，通入氮气使反应器总压力达到I. 5-2. OMPa ;然后迅速切换为氧气，调节总压力为2. 0-4. OMPa,同时开启搅拌，搅拌速度为600_1200rpm ;在氧气条件下搅拌反应5-15min后，得到对羟基苯甲醛、香兰素、丁香醛的芳香醛混合物溶液。
2.根据权利要求I所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于所述的催化剂制备包括以下步骤 ①选用分子筛作为载体； ②将路易斯酸盐溶于有机溶剂中； ③在N2保护下，将载体用路易斯酸盐溶液回流浸溃4 24小时，真空抽滤、洗涤，30°C下真空干燥I 2小时； ④再将其放入马弗炉中，300 600°C下焙烧3 6小时即得该负载型固体酸催化剂。
3.根据权利要求I所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于所述的路易斯酸盐的负载量为5 30wt%。
4.根据权利要求I或2所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于所述的路易斯酸盐为过渡金属卤化物或Al、Mg、Be的金属卤化物或NH4C1、NH4Br中的任意一种或者两种以上的混合，两种或两种以上的混合时，为任意配比。
5.根据权利要求4所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法剂，其特征在于所述的过渡金属卤化物为CoCl2、CoBr2、SnCl2、FeCl2、FeBr2、FeCl3、ZnCl2、ZnBr2、MnCl2, CuCl2, CuBr2, CdCl2, NiCl2, NiBr2、CrCl3> CrBr3 或 CrCl4。
6.根据权利要求4所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于所述的Al、Mg、Be的金属卤化物为A1C13、AlBr3> MgCl2, MgBr2, BeCl2或Befc2。
7.根据权利要求I或2所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于所述的分子筛为HZSM-5、HY、Η-Beta, SBA-15, MCM-41、SAPO-14成型沸石分子筛。
8.根据权利要求2所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于所述的有机溶剂为氯仿或四氯化碳，有机溶剂的用量为路易斯酸盐质量的5(Γ500倍。
9.根据权利要求2所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于用分子筛作为载体时，先将分子筛进行预处理，步骤如下将分子筛研磨、筛分40 60目后，置于马弗炉中，以3°C /min的升温速率经程序升温至550°C焙烧3小时，制得分子筛，置于干燥器中备用。
10.根据权利要求I所述的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其特征在于所述的微波频率为2. 45GHz，微波功率为20(Tl000W。
全文摘要
本发明公开了一种负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其制备方法简便有效，反应时间短，克服了现有技术的工艺复杂、产品收率低等不足，同时该催化剂对木质素催化降解制备芳香醛化合物有很好的催化效果。本发明的负载型固体酸催化降解木质素制备芳香醛化合物的方法，其包括有以下步骤1)催化剂制备采用浸渍法制备负载型固体酸催化剂，该催化剂是由载体和路易斯酸盐组成，路易斯酸盐负载在载体上，所述的载体为分子筛，路易斯酸盐的负载量为2～35wt%；2)物料制备将木质素粉碎至10目-20目粒度并干燥；3)微波催化氧化降解后得到芳香醛化合物。
文档编号C07C45/51GK102875343SQ20121042500
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者顾晓利, 程康华, 马旭, 李丽鲜, 刘成 申请人:南京林业大学