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健康合成:实现木糖常压加氢选择性百分百合成

发布日期:2020-02-26 14:55浏览次数:

作者: Research编辑部

近期,南开大学马建功副教授、程鹏教授团队通过金属-有机框架负载钌纳米颗粒制备的复合催化剂,实现了木糖在1大气压和50˚C的低能耗下加氢合成木糖醇,并首次获得了100%的产品选择性。相关成果以“Toward Green Production of Chewing Gum and Diet: Complete Hydrogenation of Xylose to Xylitol over Ruthenium Composite Catalysts under Mild Conditions”为题发表在Research上(Research, 2019, 5178573, DOI: 10.34133/2019/5178573)。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

 

论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2019/5178573/

 

研究背景

 

 

 

木糖醇作为口香糖的基本成分,是最为人们熟知的化学物质之一。木糖醇是由木糖氢化得到的天然甜味剂,是美国能源部确认的由生物质合成的十二大高附加值化学品之一。因其作为水溶性糖醇甜度高、热量低,是无糖食品中的糖替代品。并且因为木糖醇与蔗糖相比不依赖胰岛素代谢,因此也成为糖尿病患者食品的主要甜味来源。此外,它还广泛应用于食品、化妆品、制药和合成树脂行业。由于木糖醇的自身优势以及人类健康意识的增强,对木糖醇的需求正在不断增加。2013年,木糖醇的全球年消费量约为16万吨,市场为6.7亿美元,预计到2020年将达到24.2万吨,产值10亿美元,复合年增长率达6.95%。

目前,木糖醇由木糖氢化生产的反应所需催化剂一般为沸石、碳或氧化铝等载体上的负载贵金属(Pt、Pd、Ru)或Ni,在100~300 ℃和高达80~100个大气压等苛刻条件下进行,成本高,能耗大,对环境不友好,有较大潜在安全隐患,并且在高温和高压下会产生糠醛、阿拉伯醇等副产物。因此,制备合适的催化剂,在降低能耗、提高转化率的同时实现高选择性,是木糖醇生产的一个重大挑战,对于能源环境、精细化工等领域具有重要意义。


研究进展

 

南开大学马建功副教授、程鹏教授团队基于其构筑金属-有机框架复合材料的前期研究成果和开发的合成方法(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 988–991; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 6834-6837),在具有沸石结构的金属-有机框架ZIF-67的笼状孔道中,通过浸渍-还原法原位合成Ru纳米颗粒,得到了Ru@ZIF-67复合材料。因为ZIF-67的模板作用,制备的Ru纳米颗粒粒径可小至0.9 nm且非常均一,这是是普通的表面活性剂法难以达到的(图1)。

 

 

图1  Ru原位还原制备Ru@ZIF-67及其相关表征

粒径极小且高度分散的Ru纳米颗粒具有超高加氢活性,而作为金属-有机框架的ZIF-67对于H2具有优良的主动捕获与富集能力。将Ru@ZIF-67复合催化剂应用于木糖加氢生产木糖醇的反应中,在1个大气压氢气和50 ˚C的温和条件下,原料木糖全部转化,显著降低了反应的能耗(压强降低了50倍以上,温度至少降低了70 ˚C)。低的反应温度和压力有效抑制了副产物的生成,因此首次获得了100%的木糖醇产品选择性(图2)。

 

 

图2  Ru@ZIF-67催化木糖加氢反应及其再生循环性能

 

ZIF-67的沸石型框架结构防止了Ru纳米颗粒的团聚失活或流失,使Ru@ZIF-67复合催化剂具有良好的稳定性和可再生性能,可重复使用多次仍然维持相同结构组成和100%的选择性(图2)。并且,该复合催化剂对于其它加氢反应同样具有超高活性与选择性,在测试中首次实现了1个大气压下苯乙酮加氢合成苯乙醇,选择性达到99%以上。因此新型Ru@ZIF-67复合催化剂的制备和该研究成果将有助于显著提高在食品、化妆品、医药、合成树脂等领域具有重要价值的木糖醇的生产水平,降低经济和能源成本,防范潜在的安全隐患,实现绿色合成。

作者简介

 

马建功现任南开大学化学学院副教授,博士生导师,青年学科带头人,师从南开大学教授程鹏,德国柏林工业大学教授Matthias Driess。主要从事基于金属-有机框架(MOFs)的复合催化材料研究。开发了原位溶剂浸渍还原法、模板-保护-牺牲剂(TPS)法等用于构建纳米颗粒-MOFs复合材料的系列合成方法,报道了Ag@MOFs、Ru@MOFs、Cu2O@MOFs等系列新型复合材料。