CN111203275B - 一种串联反应催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种串联反应催化剂及其制备方法和应用，用以实现温和条件下纤维素向HMF的直接高效转化。具体是通过甘氨酸调控铬基MOFs材料MIL‑101的生长过程，原位在其孔道内生长纳米Cr(OH)3获得铬基MOFs材料MIL‑101‑Xgly，以MIL‑101‑Xgly为载体，将纤维素酶与其复合，获得了一种全新的串联反应复合催化剂cellulase@MIL‑101‑Xgly。本发明的催化剂合成手段绿色高效，具有较高的催化效率和选择性，能够一锅法实现纤维素向HMF的直接催化转化，为构建绿色生物化工工业体系提供了重要支撑。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种串联反应催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
5-羟甲基呋喃(HMF)是一种重要的化工原料，是高分子、生物质燃料等精细化工行业的重要原料。HMF的生产主要依赖石油精炼过程，而随着全球石化资源的加速消耗及短缺，亟需寻找新的HMF生产来源。研究表明，可以通过葡萄糖、果糖的氧化脱水、异构化等反应制备HMF。纤维素由葡萄糖糖苷键连接而成，是自然界分别最为广泛的可再生生物质资源，利用经济、绿色的纤维素生产高附加值的HMF具有广阔的应用前景。而从纤维素向HMF转化需要经过水解为葡萄糖、葡萄糖异构化为果糖及果糖脱水等一系列串联反应，目前该串联反应只能以各类酸性催化剂在高温及油水混合多相环境下才能实现，背离了利用天然纤维素实现绿色生产过程的初衷，而且该过程还面临着反应效率低、耗能大、选择性差等诸多问题。构建全新的催化剂体系，在温和条件下通过串联催化反应高效实现纤维素高选择性地生产HMF，对于缓解全球能源危机，构建绿色工业体系，开发新的经济增长点等具有重要意义。
发明内容
针对目前缺乏高效催化体系以实现纤维素高效温和向HMF直接转化的技术难题，本发明提供了一种全新的串联反应复合催化剂及其制备技术。通过甘氨酸调控铬基MOFs材料MIL-101的生长过程原位在其内生长Cr(OH)3获得铬基MOFs材料MIL-101-Xgly，以MIL-101-Xgly为载体将纤维素酶与其复合，制备获得复合催化剂cellulase@MIL-101-Xgly。该复合催化剂可以通过催化串联反应实现纤维素向HMF的直接转化。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合催化剂，包括铬基MOFs材料MIL-101-Xgly和纤维素酶，所述纤维素酶负载在铬基MOFs材料MIL-101-Xgly表面；
所述铬基MOFs材料MIL-101-Xgly的内部孔道负载有Cr(OH)3纳米颗粒。
上述复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，先将对苯二甲酸、Cr(NO3)3·9H2O、去离子水混合，再加入甘氨酸，搅拌反应，然后将反应液转至高压反应釜中进行反应，得到内部孔道负载有Cr(OH)3纳米颗粒的铬基MOFs材料MIL-101-Xgly；
步骤2，将步骤1得到的铬基MOFs材料MIL-101-Xgly加至pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，搅拌条件下加入纤维素酶，继续搅拌反应，即可制得负载有纤维素酶的复合催化剂cellulase@MIL-101-Xgly。
进一步地，步骤1中对苯二甲酸、Cr(NO3)3·9H2O和甘氨酸的摩尔比为1：1：0.8-1.6。
进一步地，步骤1中在高压反应釜中的反应条件为180-220℃、12-36h。
进一步地，步骤2中铬基MOFs材料MIL-101-Xgly与纤维素酶的质量比为1:3-1:7。
上述催化剂在催化纤维素转化为HMF中的应用。
进一步地，所述应用的方法为：将所述催化剂加至α-纤维素溶液中，调节溶液pH为4.5，然后在40-50℃下搅拌反应1-2h，之后再将反应体系的温度提升到80-100℃，继续搅拌反应24-48h，即可制得HMF。
有益效果：本发明通过甘氨酸调控铬基MOFs材料MIL-101的生长过程原位在其内生长Cr(OH)3获得铬基MOFs材料MIL-101-Xgly，其中X为加入的甘氨酸的物质的量(mmol)，以铬基MOFs材料MIL-101-Xgly为载体，将纤维素酶与其复合，获得了一种全新的串联反应复合催化剂cellulase@MIL-101-Xgly，该材料可以实现催化纤维素向HMF的直接转化。这其中，纤维素酶可以在温和条件下实现纤维素的水解过程，满足纤维素向葡萄糖的第一步转化；接着借助MOFs材料在多孔性及功能方面的优势，利用预先负载在MOFs材料内的强路易斯酸催化剂Cr(OH)3及MIL-101的Cr(III)催化位点将葡萄糖异构化为果糖，并进一步催化果糖脱水得到HMF。该过程中，纤维素酶负载于MOFs材料上，可以在MOFs材料框架结构的保护下最大程度的保留其蛋白质折叠结构，有利于极大提升其稳定性，并通过MOFs材料超大的比表面积增加与底物的接触效率，加速纤维素的水解；而MOFs材料内由于生长缺陷产生的Cr(III)位点与原位生长负载的路易斯酸催化剂Cr(OH)3协同作用，催化实现葡萄糖向果糖的异构化及果糖的脱水，最终转化为HMF。
本发明的串联反应复合催化剂cellulase@MIL-101-Xgly合成手段绿色高效，具有较高的催化效率和选择性，能够一锅法实现催化纤维素向HMF的直接转化，为构建绿色生物化工工业体系提供了重要支撑。
附图说明
图1为实施例1中MIL-101-Xgly系列材料的XRD衍射谱图对比。其中：A为MIL-101的模拟衍射图谱；B为Cr(OH)3的标准XRD图谱；C-G分别为MIL-101合成过程中添加甘氨酸的量为0、0.8、1.0、1.3、1.6mmol时所得到的材料。
图2为实施例1中MIL-101-Xgly系列材料的扫描电子显微镜照片。其中：A和B为MIL-101-1.6gly，标尺分别为500及100nm；C和D为MIL-101-0.8gly，标尺分别为500及100nm。
图3为实施例1中MIL-101-Xgly系列材料的透射显微镜照片。其中：A和B为MIL-101-0.8gly，标尺分别为50及20nm；C和D为MIL-101-1.6gly，标尺分别为50及20nm.
图4为实施例1中催化剂Cellulase@MIL-101-Xgly催化剂的红外吸收光谱。其中：A为MIL-101-1.0gly；B为纤维素酶；C为纤维素酶与MIL-101-1.0gly的复合材料。
图5为实施例1中MIL-101-Xgly系列材料的氮气吸附脱附等温线。
图6为实施例1中高效液相色谱分析结果。其中：1为标准HMF分析图谱；2-6分别为使用cellulase@MIL-101-0gly、cellulase@MIL-101-0.8gly、cellulase@MIL-101-1.0gly、cellulase@MIL-101-1.3gly和cellulase@MIL-101-1.6gly催化纤维素水解的反应结果分析。
图7为实施例1中不同催化剂的催化效果对比。其中：1-5分别为使用cellulase@MIL-101-0gly、cellulase@MIL-101-0.8gly、cellulase@MIL-101-1.0gly、cellulase@MIL-101-1.3gly和cellulase@MIL-101-1.6gly催化纤维素水解的反应结果。
图8为本发明中葡萄糖向果糖异构化的可能反应机理。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。
实施例1
1、铬基MOFs材料MIL-101-Xgly的合成
在烧杯中分别加入对苯二甲酸(166mg，1mmol)、Cr(NO3)3·9H2O(400mg，1mmol)、及45mL去离子水，超声震荡均匀。然后向上述混合物中分别加入0、0.8、1.0、1.3、1.6mmol的甘氨酸(gly)，搅拌反应30分钟，然后将混合液转入到高压反应釜中，在200℃下晶化反应24h。反应结束，冷却至室温，收集固体产物，分别用乙醇及去离子水洗涤，然后干燥。
相应的产物根据加入甘氨酸的量标记为MIL-101-Xgly，其中X为加入的甘氨酸的物质的量(mmol)，例如：MIL-101-1.0gly表示合成过程中甘氨酸的加入量为1.0mmol。
甘氨酸的加入会原位产生Cr(OH)3，所以最终获得的MIL-101-Xgly实质上是MIL-101与Cr(OH)3的复合物。所得到材料的XRD图谱如图1所示。可以看出，在不加入甘氨酸时(加入量为0)所合成的材料的衍射图案与模拟图谱完全一致，表明该条件下可以成功合成MIL-101。随着甘氨酸的加入，在16°、17°、24.5°、36°及37°处出现了新的衍射峰，对比可知这些属于Cr(OH)3的特征衍射峰，表明成功获得了MIL-101和Cr(OH)3的复合材料，亦即MIL-101-Xgly。扫描电子显微镜照片图2显示，MIL-101-Xgly系列材料具有良好的结晶性，为纳米多面体，而进一步的透射电子显微镜照片图3显示，在材料的内部出现聚团簇小颗粒，进一步说明在MIL-101内部形成了Cr(OH)3纳米颗粒。
2、纤维素酶与铬基MOFs材料MIL-101-Xgly的复合
称取20mg新鲜制备的MIL-101-Xgly系列材料，加入到5mL的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH＝4.8)中，在搅拌下加入100mg的纤维素酶冻干粉末，并继续在室温下搅拌反应12h。反应结束后，离心分离，底部的产品用pH＝4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液洗涤三次，蒸馏水洗涤三次，自然晾干，得到负载有纤维素酶的材料，亦即Cellulase@MIL-101-Xgly。纤维素酶的负载量通过考马斯亮蓝法(Bradford法)测定。
图4的红外吸收光谱表明，3442及1619cm-1处的-OH振动峰在负载酶之后变强，表明发生了酶与MIL-101的相互氢键作用。1398cm-1处的羧基对称O-C-O振动及747cm-1处的芳环指纹C-H振动都表明了所合成的材料中成功引入了对苯二甲酸配体，590cm-1处出现特征性的C-O振动吸收，全面表明成功在MIL-101框架内合成了Cr(OH)3。在负载后，材料中出现了多肽类化合物中的特征N-H弯曲振动(1580cm-1)，以及脂肪族C-N伸缩振动(1157和1020cm-1)，表明成功获得了MIL-101-1.0gly与纤维素酶的复合材料。
如图5和表1所示，氮气吸附测试表明，随着甘氨酸的加入量增加，MIL-101-Xgly系列材料的氮气吸附量下降，说明在体系内成功引入了Cr(OH)3，其占据了原有的孔道使得比表面积及孔径变小。
表1 MIL-101-Xgly系列材料的比表面积及酶负载量
3、催化纤维素直接转化为HMF
将200mg的cellulase@MIL-101-Xgly加入到2mL浓度为250ppm的α-纤维素溶液中。调节溶液的pH＝4.5，然后在50℃下搅拌反应1h。反应1h后，将反应体系的温度提升到100℃，继续搅拌反应24h。反应结束，离心分离获得上清液，通过HPLC对产物组成和含量进行分析测试。
图6的高效液相色谱分析(HPLC)表明，使用纤维素负载的复合催化剂材料可以直接催化纤维素水解转化为HMF。如表2和图7可知，不同gly的加入量对于最终HMF的转化具有决定性影响，其中cellulase@MIL-101-1.0gly表现出最佳的果糖及HMF转化率。
表2 cellulase@MIL-101-Xgly系列材料催化纤维素24h的产物及产率
实施例2
1、铬基MOFs材料MIL-101-Xgly的合成
在烧杯中分别加入对苯二甲酸(166mg，1mmol)、Cr(NO3)3·9H2O(400mg，1mmol)、及45mL去离子水，超声震荡均匀。然后向上述混合物中分别加入0、0.8、1.0、1.3、1.6mmol的甘氨酸(gly)，搅拌反应30分钟，然后将混合液转入到高压反应釜中，在180℃下晶化反应36h。反应结束，冷却至室温，收集固体产物，分别用乙醇及去离子水洗涤，然后干燥。
2、纤维素酶与铬基MOFs材料MIL-101-Xgly的复合
称取20mg新鲜制备的MIL-101-Xgly系列材料，加入到5mL的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH＝4.8)中，在搅拌下加入60mg的纤维素酶冻干粉末，并继续在室温下搅拌反应12h。反应结束后，离心分离，底部的产品用pH＝4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液洗涤三次，蒸馏水洗涤三次，自然晾干，得到负载有纤维素酶的材料，亦即Cellulase@MIL-101-Xgly。纤维素酶的负载量通过考马斯亮蓝法(Bradford法)测定，结果如表3所示。
表3 MIL-101-Xgly系列材料的比表面积及酶负载量
3、催化纤维素直接转化为HMF
将200mg的cellulase@MIL-101-Xgly加入到2mL浓度为250ppm的α-纤维素溶液中。调节溶液的pH＝4.5，然后在40℃下搅拌反应2h。反应2h后，将反应体系的温度提升到80℃，继续搅拌反应48h。反应结束，离心分离获得上清液，通过HPLC对产物组成和含量进行分析测试，结果如表4所示。
表4 cellulase@MIL-101-Xgly系列材料催化纤维素24h的产物及产率
实施例3
1、铬基MOFs材料MIL-101-Xgly的合成
在烧杯中分别加入对苯二甲酸(166mg，1mmol)、Cr(NO3)3·9H2O(400mg，1mmol)、及45mL去离子水，超声震荡均匀。然后向上述混合物中分别加入0、0.8、1.0、1.3、1.6mmol的甘氨酸(gly)，搅拌反应30分钟，然后将混合液转入到高压反应釜中，在220℃下晶化反应12h。反应结束，冷却至室温，收集固体产物，分别用乙醇及去离子水洗涤，然后干燥。
2、纤维素酶与铬基MOFs材料MIL-101-Xgly的复合
称取20mg新鲜制备的MIL-101-Xgly系列材料，加入到5mL的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH＝4.8)中，在搅拌下加入140mg的纤维素酶冻干粉末，并继续在室温下搅拌反应12h。反应结束后，离心分离，底部的产品用pH＝4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液洗涤三次，蒸馏水洗涤三次，自然晾干，得到负载有纤维素酶的材料，亦即Cellulase@MIL-101-Xgly。纤维素酶的负载量通过考马斯亮蓝法(Bradford法)测定，结果如表5所示。
表5 MIL-101-Xgly系列材料的比表面积及酶负载量
3、催化纤维素直接转化为HMF
将200mg的cellulase@MIL-101-Xgly加入到2mL浓度为250ppm的α-纤维素溶液中。调节溶液的pH＝4.5，然后在45℃下搅拌反应1.5h。反应1.5h后，将反应体系的温度提升到90℃，继续搅拌反应36h。反应结束，离心分离获得上清液，通过HPLC对产物组成和含量进行分析测试，结果如表6所示。
表6 cellulase@MIL-101-Xgly系列材料催化纤维素24h的产物及产率
由以上结果可知，本发明的串联反应复合催化剂cellulase@MIL-101-Xgly具备将纤维素在温和条件下直接高效转化为HMF的催化活性。结合相关的文献报道可知，该反应历程经历了水解、异构、脱水等系列串联催化过程，其中葡萄糖向果糖的异构化是其中的关键。反应的过程首先是负载的纤维素酶高效剪切糖苷键将纤维素水解为葡萄糖。接下来，葡萄糖异构化为果糖可能经历分子内的1,2-氢迁移或者质子转移进行重排两种不同历程，其可能过程如图8所示。MIL-101合成过程中自然产生的Cr缺位具有路易斯酸活性，在其催化下葡萄糖经历分子内的1,2-氢迁移重排，异构化为果糖；复合材料中的Cr(OH)3作为一个经典的路易斯酸脱水催化剂，可以通过质子转移途径完成葡萄糖的异构化过程。完成异构化后，所产生的果糖经路易斯酸催化脱水最终转化为HMF。该过程经历数个串联反应，均在温和条件下进行，充分表明了该复合催化剂的先进性和高活性。
Claims (5)
1.复合催化剂在催化纤维素直接转化为HMF中的应用，其特征在于：所述应用的方法为：将所述复合催化剂加至α-纤维素溶液中，调节溶液pH为4.5，然后在40-50 ℃下搅拌反应1-2 h，之后再将反应体系的温度提升到80-100 ℃，继续搅拌反应24-48 h，即可制得HMF；
所述复合催化剂包含铬基MOFs材料MIL-101-Xgly和纤维素酶，所述纤维素酶负载在铬基MOFs材料MIL-101-Xgly表面，所述铬基MOFs材料MIL-101-Xgly的内部孔道负载有Cr(OH)3纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述复合催化剂的制备方法包括以下步骤：
步骤1，先将对苯二甲酸、Cr (NO3)3·9H2O和去离子水混合，再加入甘氨酸，搅拌，然后将混合液转至高压反应釜中进行反应，得到内部孔道负载有Cr(OH)3纳米颗粒的铬基MOFs材料MIL-101-Xgly；
步骤2，将步骤1得到的铬基MOFs材料MIL-101-Xgly加至pH为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，搅拌条件下加入纤维素酶，继续搅拌反应，即可制得负载有纤维素酶的复合催化剂cellulase@MIL-101-Xgly。
3.根据权利要求2所述应用，其特征在于：步骤1中对苯二甲酸、Cr (NO3)3·9H2O和甘氨酸的摩尔比为1：1：0.8-1.6。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：步骤1中在高压反应釜中的反应条件为180-220 ℃、12-36 h。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：步骤2中铬基MOFs材料MIL-101-Xgly与纤维素酶的质量比为1:3-1:7。
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